农村暴雨径流污染是一种典型的非点源污染^[1]，主要是指大气、 地面和土壤中的污染物，在雨水的淋溶和冲刷作用下，通过地表径流进入受纳水体而引起的水体污染^{[2, 3, 4]}，具有随机性、 偶然性、 广泛性、 难处理性等特点^[5]. 农村暴雨径流中污染物来源主要有村镇生活污水、 农村固体废弃物、 农田农药化肥、 水土流失等^[6]. 这些污染物通过不透水区地表径流、 透水区的下渗等途径进入河道、 湖泊及地下水^{[7, 8]}，造成水体富营养化、 重金属、 有机污染物污染，严重影响了地表水和地下水水体质量. 目前国外对暴雨径流污染特征的研究主要集中在城市工业区、 商业区、 生活区^{[9, 10]}，我国很多地区，如北京、 上海、 广州、 厦门、 重庆、 武汉等也相继开展了地表径流污染研究^{[11, 12, 13, 14, 15]}，但多侧重城市暴雨径流水质特性、 初始冲刷效应、 地表材料和交通流量对径流水质影响的研究^[16]； 同时对农村暴雨径流的研究也集中在对农田径流污染特征的研究^[17]. 针对南方发达地区农村不同下垫面暴雨径流污染特征、 污染负荷及其污染源解析的相关研究还比较缺乏.

随着我国经济社会的发展及农村工业化水平的提高^[18]，南方发达地区农村表现出一些与城市相似的特点： 不透水面积增大、 工业企业增加. 同时，农村高效农业产业化的提升及集约化养殖场的发展，使农药、 化肥用量加大，废弃物增多，使发达农村地区暴雨径流污染除了氮磷带来的富营养化外，还增加了重金属和新型污染物等有害物质. 但是，农村和城市在气候条件、 下垫面性质、 径流特点等方面的不同，又使其非点源污染表现出与城市不同的特征. 因此，本研究监测了浙江省杭州市余杭区径山镇漕桥与蒲家头两个典型建制村的4种下垫面类型屋顶、 场院、 农田、 污水汇集口暴雨径流的水质、 水量及降雨特征等参数，对发达农村暴雨径流不同下垫面污染输出特征及重金属的来源进行分析，以期为南方发达农村暴雨径流污染评价及治理提供科学依据.

径山镇位于浙江省杭州市余杭区西部，地处北亚热带南缘季风气候区，年平均气温15.3～16.2℃，受梅雨和台风的影响，降雨主要集中在4~10月，其占全年降雨量的70%，年平均雨量为1 391.8 mm. 从土地利用方式来看，研究区域以林地和耕地为主，其次是草地、 居民地、 工矿和水体等. 水体以北苕溪和中苕溪贯穿径山镇，是径山镇暴雨径流的主要受纳水体. 另外，径山镇位于余杭区西部丘陵地带，受地形地貌影响，散点式和多户聚集型村落是其主要的村落形态. 因此，本研究选取径山镇两个典型村落漕桥和蒲家头作为研究区域，漕桥是多户聚集型村落，总面积约452 hm²，硬化程度低，卫生状况较差，垃圾路面堆积，不具备完善的排水管道，雨水通过地表径流进入河道； 蒲家头是散点式村落，占地面积约266 hm²，人口密度小，森林及绿地覆盖面积较大. 在研究区域内平面屋顶和斜面屋顶材料分别以混凝土和琉璃瓦为主； 场院水泥硬化； 污水汇集口为漕桥农村径流的主要汇集单元，周边为道路和机械加工厂； 蒲家头排水口为单户径流汇集区； 农田为土壤下垫面.

根据研究区域特点，本研究在漕桥共设置采样点7个，包括平面屋顶S1、 斜面屋顶S2、 场院S3、 农田S4、 污水汇集口S5、 总汇集口S6； 蒲家头单户设置采样点为平面屋顶S7、 场院S8、 排水口S9. 采样点分布示意图如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点分布示意 Fig. 1 Schematic graph of sampling sites

选取屋顶、 场院、 污水汇集口、 农田这4种不同性质的农村下垫面收集径流水样. 前3种为人工下垫面，农田为自然下垫面. 暴雨产生时，屋顶、 场院容易产生径流，在屋顶雨水管道底部和场院出水口处放置收集桶，全过程收集屋顶和场院流出的雨水； 农田相对来说产流速度较慢，污水汇集口则为一定区域内径流汇集后的排水通路，分别在农田汇水口和污水汇集口断面处以同样的方法收集雨水.

于7~8月，对研究区域内3场暴雨降雨事件进行监测，基本特征见表 1. 暴雨径流产生后，在各下垫面汇水口处采取径流水样于聚乙烯样品瓶中，前30 min每5 min采样一次，30 min后为每10 min采样一次，直至径流结束，样品采集后立即送回实验室进行分析. 取样的同时采用容积法监测每个径流水样所对应的流量，并在取样的同时采用自动雨量计(TPJ-32)在监测点附近同步记录降雨特征.

表 1(Table 1)

表 1 降雨特征参值 Table 1 Characteristics of rainfalls 降雨日期 前期晴天数/d 降雨量/mm 降雨历时/h 平均降雨强度/mm ·h-1 7月18日 7 13.5 2.2 6.14 8月2日 6 12.4 1.8 8.89 8月14日 10 24.2 3.3 7.56 平均值 7.67 16.7 2.4 6.86

表 1 降雨特征参值 Table 1 Characteristics of rainfalls

监测指标包括pH、 总悬浮固体(TSS)、 化学需氧量(COD)、 总磷(TP)、 活性磷(SRP)、 总氮(TN)、 氨氮(NH₄⁺-N)和溶解态重金属 (Mn、 Cu、 Zn、 Ni、 Cr、 Cd、 As和Pb) 等. 按照国家水质分析标准^[19]，pH用便携式水质分析仪(美国YSI professional plus)测定； TSS采用重量法测定； COD采用哈希比色法测定； TP采用过硫酸钾加氢氧化钠消煮后钼酸盐比色法测定(700 nm)，SRP采用钼酸盐比色法(700 nm)，其中，测定DTP和SRP的水样用0.45 μm孔径滤膜过滤； TN采用进口过硫酸钾氧化-紫外分光光度法； NH₄⁺-N采用钠氏试剂分光光度法； NO₃^--N采用紫外分光光度法. 溶解态重金属采用ICP-MS(7500a,Agilent Technologies,USA)进行测定.

研究区域采样点分布图采用AutoCAD绘制. 实验数据运用Excel 2013、 Origin 8.5与PASW 19.0进行统计与分析.

由于降雨特征、 集水区特征和污染物本身性质影响，一次径流污染过程中污染物浓度变化范围大，随机性强. 为了表征一次径流污染事件的污染程度以及对受纳水体的影响，美国EPA提出了一次暴雨径流污染的平均浓度(event mean concentration,EMC)作为评价径流水质的标准，即总污染量与总径流量比^[20]，EMC可表达为：

用年污染负荷来衡量研究区域内暴雨径流污染物的输出^[21]：

漕桥与蒲家头3次暴雨径流平均pH分别为6.47±0.06(n=92)、 6.43±0.04(n=49)，为中性偏酸. 漕桥斜面屋顶(S2)平均pH最低，为5.47. 如图 2所示，不同下垫面类型以及相同下垫面不同区域TSS含量具有明显的差异. 各类下垫面中，漕桥场院(S3)的TSS最高，达到45.67 mg ·L^-1，斜面屋顶(S2)与污水汇集口(S5)相当； 蒲家头各类下垫面TSS含量较低，均小于10 mg ·L^-1.

图 2

Fig. 2

图 2 不同下垫面pH与TSS含量 Fig. 2 The pH and TSS content for different underlying surfaces

黄剑锋等^[22]研究发现苕溪流域地表水平均pH为8.93，说明地表径流注入受纳水体可能导致河流pH降低，低pH将对河流生态系统中的不同生物类群产生影响； 使底泥中的重金属溶解，对生物甚至人类造成危害； 甚至引起水生态系统的改变.

漕桥场院(S3)TSS高的主要原因是其为硬化下垫面，通过交通、 大气沉降及生活活动等因素带入大量颗粒性物质； 而屋顶相对受人为干扰因素低，颗粒物主要来源于大气降尘； 农田与汇集口主要受降雨强度与径流流量的影响，农田土质松软，经雨水淋洗，易冲刷出大量的固体颗粒物质^[23]. 蒲家头TSS含量较低，一方面是由于农户聚集度较低，受到人类活动的影响较小； 另一方面是森林及绿地覆盖面积较大，大气降尘较少. 蒲家头场院(S8)TSS含量最低，可能是该区域场院进行了良好的日常清扫.

漕桥与蒲家头暴雨径流污染物平均浓度在空间上具有差异性. 漕桥COD浓度范围2.00~48.00 mg ·L^-1，平均值为21.01 mg ·L^-1； 蒲家头COD浓度范围为2.00~39.00 mg ·L^-1，平均值为15.69 mg ·L^-1(表 2).蒲家头COD较漕桥浓度变化范围小，这主要是因为蒲家头村庄农户比例低，下垫面类型相对简单. 如图 3所示，各下垫面暴雨径流中COD变化范围较大，其最大值均接近地表水Ⅴ类标准(40.0mg ·L^-1)，仅场院(S3)、 农田(S4)、 污水汇集口(S5)、 总汇集口(S6)的COD最大值超过地表水Ⅴ类标准，这可能与研究区域内晴天居民饮食过程中丢弃的垃圾和餐饮垃圾、 餐饮用水的随意倾倒相关^[24].

表 2(Table 2)

表 2 不同集水区暴雨径流污染物EMC与污染负荷 /mg ·L-1 Table 2 EMC of runoff pollutants in different catchment areas/mg ·L-1 研究区域 类型 最小值 最大值 中值 平均值 标准差 Ⅴ类水1) COD 2.00 48.00 18.00 21.01 11.91 40.0 TP 0.050 5.500 1.275 1.390 0.121 0.4 漕桥 SRP 0.001 2.545 0.122 0.196 0.036 — TN 0.73 5.12 2.41 2.39 0.08 2.0 NH4+-N 0.15 4.54 0.56 0.74 0.07 2.0 COD 2.00 39.00 12.00 15.69 11.62 40.0 TP 0.020 3.720 0.460 0.780 0.115 0.4 蒲家头 SRP 0.001 0.651 0.056 0.092 0.017 — TN 0.73 12.00 2.62 3.58 0.33 2.0 NH4+-N 0.16 6.16 0.58 0.90 0.15 2.0 1)“—”表示无值

表 2 不同集水区暴雨径流污染物EMC与污染负荷 /mg ·L-1 Table 2 EMC of runoff pollutants in different catchment areas/mg ·L-1

漕桥和蒲家头NH₄⁺-N的EMC分别为0.74 mg ·L^-1和0.77 mg ·L^-1，远低于地表水Ⅴ类标准(2.0 mg ·L^-1). 与COD相比，由于污水汇集口不仅是漕桥暴雨径流的汇水通道，而且还接受大气的干湿沉降^[25]，侯培强等^[12]和张千千等^[13]研究发现，NH₄⁺-N等污染物质主要来源于大气的干湿沉降，从而使污水汇集口(S5)和总汇集口(S6)NH₄⁺-N含量较高. 另外，降雨冲刷屋顶，携带长期以来积累的大量氮元素到径流中^[26]，使蒲家头屋顶(S7)NH₄⁺-N含量高.

漕桥TP平均浓度约为蒲家头2倍，TN平均浓度小于蒲家头(表 2). 另外，蒲家头和漕桥TP的EMC分别超出地表水Ⅴ类标准3.5倍和1.9倍，TN分别超标1.2倍和1.8倍，为研究区暴雨径流的主要污染物. 其中，氮污染物以溶解态占优，其中以氨氮、 硝氮为主； 磷污染物以颗粒态磷为主，SRP含量较低，约占TP的14%.

通过对比两个村落不同下垫面氮磷污染物污染浓度发现，研究区域磷污染较严重，各下垫面磷的浓度均高于地表水Ⅴ类标准(0.4 mg ·L^-1). 如图 3所示，暴雨径流中TP平均浓度，漕桥平面屋顶 ＜斜面屋顶＜污水汇集口＜总汇集口＜农田； 蒲家头场院＜屋顶＜排水口. TN平均浓度，漕桥平面屋顶＜斜面屋顶＜农田＜污水汇集口＜总汇集口； 蒲家头排水口＜场院 ＜屋顶.

图 3

Fig. 3

图 3 不同下垫面常规污染物浓度特征 Fig. 3 Concentration of normal pollutants in different underlying surfaces

研究区域各污染物浓度的差异，一方面与村落不同下垫面类型及下垫面材料有关； 另一方面与村落的聚集方式、 村落周围环境(如工业)及环境特性(大气污染状况、 时空变化等)有关. 对于屋面而言，屋面材料的种类、 性质和老化程度以及大气干沉降和降雨性质是影响径流水质的主要原因^[27]. 从图 3可以看出，漕桥混凝土平面屋顶径流中TN和TP的EMC均低于琉璃瓦斜面屋顶，屋面材料及屋面坡度对径流水质具有影响作用，斜面屋顶由于受坡度的影响，冲刷作用较平面屋顶强，降雨径流中的污染物也相对较多^[28]. 对比两个村落平面屋顶TN和TP可以发现，蒲家头平面屋顶(S7)及污水汇集口(S9)均高于漕桥平面屋顶(S1)和污水汇集口(S5或S6)，其原因可能是蒲家头硬化程度低以及地表的动物粪便溶解在径流雨水中所致^[6]. 在漕桥场院径流中TN浓度低，TP浓度高，而蒲家头场院径流则相反，表明暴雨径流中污染物的浓度不仅与污染物类型相关，而且还与不同研究区域人类的生活习惯、 消费方式特别是饮食方式密切相关^[27].

另外，暴雨径流中氮磷含量高，农田(S4)径流中TP浓度尤为突出，可能是该区域土地利用类型主要为山林和耕地，竹林、 茶园较多^[29]，而且氮磷是农业生长的营养因子，是化肥的主要成分，当径流产生时，氮磷随地表径流汇入受纳水体，是水体富营养化的限制因子^[30]. 大量氮磷随暴雨径流进入河流，导致水体富营养化，影响水生生物生存环境，破坏局部水生生态系统平衡^[31]. 因此，林地和耕地是研究区域控制暴雨径流非点源污染治理的重点.因此，该研究区域地表径流控制应该以TSS为水质目标，这样对解决COD和TP是有效的； 改善污染物处理模式、 合理高效的利用化肥是控制暴雨径流污染的另一重要措施.

研究区域内不同下垫面类型污染物的平均浓度、 汇水面积和年径流系数的不同，使不同污染物产生的年污染负荷不同，其估算结果如表 3. 从下垫面类型来看，年污染负荷最高的是农田(S4)，其中TSS、 COD、 TP分别为80.38、 64.41、 8.17kg ·a^-1； 从污染物类型看，TSS和COD的年污染负荷最大. 暴雨径流中颗粒物的主要来源有屋面、 路面、 场院等硬化下垫面以及农田、 污水汇集口等土壤； 另 外，由于废弃物管理模式的不规范化、 农业产业化及城市化的发展，导致该地区暴雨径流中氮磷负荷量的增加^[18].

表 3(Table 3)

表 3 不同下垫面各污染物的污染负荷 Table 3 Pollution load of different pollutants in different underlying surfaces 污染负荷/kg ·a-1 TSS COD TP TN NH4+-N S1 0.539 3 2.520 7 0.036 0 0.216 8 0.050 1 S2 1.732 8 1.595 9 0.055 1 0.297 4 0.091 8 S3 3.177 9 1.721 2 0.089 4 0.131 6 0.031 4 S4 80.376 5 64.409 4 8.166 8 6.918 2 1.554 5 S5 0.003 7 0.008 0 0.000 6 0.001 0 0.000 3 S6 0.008 0 0.017 9 0.001 3 0.002 1 0.000 9 S7 0.256 1 1.955 0 0.095 1 0.452 9 0.170 2 S8 0.000 6 0.732 2 0.024 5 0.215 6 0.028 8 S9 0.000 9 0.002 3 0.000 2 0.000 5 0.000 1

表 3 不同下垫面各污染物的污染负荷 Table 3 Pollution load of different pollutants in different underlying surfaces

根据研究区暴雨径流的监测结果，对屋顶、 场院、 农田、 污水汇集口各下垫面暴雨径流重金属浓度进行描述性统计分析，结果表明，暴雨径流中Mn、 Cu、 Zn、 Ni、 Cr、 Cd、 As和Pb这8种重金属浓度均低于地表水Ⅱ类标准； 但是，不同下垫面中各重金属浓度有所不同.
从图 4可以看出，漕桥暴雨径流中各重金属含量普遍高于蒲家头，但Cd除外，其在蒲家头屋顶(S7)达到最高浓度0.087μg ·L^-1. 研究发现我国煤矿中Cd含量较高^[32]，这可能与蒲家头农户以煤炭作为主要能源物质有关. 对比两个村落场院、 屋顶两种下垫面发现，漕桥重金属Cu、 Zn、 Ni、 As和Pb最大值均高于蒲家头，人口密度较大，植被覆盖率低是影响漕桥径流水质的主要原因. 由于漕桥植被较少，使悬浮于空气中的重金属被植物吸收的少，大部分以沉降的方式进入到水体和土壤^[33]. 另外，平面屋顶的重金属浓度普遍高于斜面屋顶，可能是由于平面屋顶上枯枝落叶在屋面上积累，形成腐殖质； 同时平面屋顶也会增加空气降尘的积累^[34]. 在农田径流中，Cu、 Zn、 Ni的最高浓度分别为12.32、 82.40、 3.40μg ·L^-1，比污水汇集口的浓度还高，说明农田受重金属污染严重，其主要原因是化肥和农药的使用. 另外，研究区域内生活和工业垃圾露天堆放，导致其渗滤液在雨水的的淋滤下随暴雨径流到污水汇集口^[35]，并且受汇集口周围道路交通的影响，使Pb、 Cr在该下垫面浓度明显偏高.

图 4

Fig. 4

图 4 不同下垫面重金属浓度特征 Fig. 4 Concentration of heavy metals in different underlying surfaces

研究区域内不同下垫面暴雨径流中各重金属浓度较低，说明农村暴雨径流中重金属污染不是其主要的污染物，但是通过沉积和吸附等作用汇集于河流沉积物，具有潜在的生态风险^[36]. 另外，农田暴雨径流是农村重金属污染的重要组成成分，该结果与文献^{[17, 37, 38]}的研究结果相似. 同时，研究区域地表卫生管理是另一个影响径流重金属污染的因素，Long等^[39]对浙江省城市生活垃圾的研究表明，生活垃圾中76.3%的Zn和82.3%的Cu主要来源于餐厨垃圾、 灰尘、 塑料和纸这4种成分. 因此，在加强农田暴雨径流管理的基础上，农村卫生设施和管理水平也应提高.

农村暴雨径流污染是一个涉及多介质、 多时空尺度和多污染物的非点源污染的复杂过程. Petrucci等^[33]研究了人类日常活动、 下垫面类型以及大气沉降对非点源污染的贡献，指出屋面材料、 大气沉降和生活垃圾的处理对暴雨径流污染过程有重要的影响. 不同的屋面材料其径流污染特征也不同^[28]. 生活垃圾的处理方式是地表污染物累积的一种反映. 地表污染物积累的过程与程度实际上与人口密度、 地表卫生管理密切相关. 另外，降雨特征(前期晴天数、 累积降雨量、 降雨强度、 降雨历时等)对径流水质也有一定的影响，尤其是大气沉降随径流污染物的贡献与前期晴天数有很大的相关性.

径山镇由于气候湿润、 降雨较频繁、 屋面污染物累积周期短，因此屋面径流水质优于其他下垫面. 但是，由于屋面材料和屋面坡度不同，混凝土平面屋顶径流水质优于琉璃瓦斜面屋顶. 漕桥径流水质中TSS、 COD的EMC以及重金属Cu、 Zn、 Ni、 As和Pb的最大值均高于蒲家头，人口密度较大，植被覆盖率低是影响漕桥径流水质的主要原因. 另外，从不同污染物的污染负荷估算的结果来看，地表卫生管理以及农药化肥的使用情况是另一个影响径流污染的因素，因此，建议研究区域可以对生活垃圾采取集中收集、 分类处理的措施，减少其产生的污染负荷^[40].

目前，关于降雨特征对径流水质的影响有了一定的研究. 降雨量决定着稀释污染物的水量，多数学者研究发现污染物的浓度与降雨量呈负相关关系^{[41, 42]}. 而降雨强度决定着淋洗、 冲刷地表污染物的能量大小，不同形态的污染物与降雨强度之间的相关关系不同，Kayhanian等^[43]研究发现最大降雨强度与颗粒态污染物有正相关关系，而与溶解态污染物呈负相关. 李贺等^[44]运用相关性分析降雨特征与径流污染物的关系，发现TSS、 TP、 COD受前期晴天数影响较大，而TN和NH₄⁺-N则受降雨量影响较大，主要因为TSS、 TP、 COD以颗粒态物质存在，而NH₄⁺-N、 TN则以溶解态存在. 而降雨历时既决定着污染物被冲刷的时间，也决定着降雨期间的污染物向地表输送的时间^[42]. 因此，为降低暴雨径流对受纳水体的污染负荷，可以通过生态技术(生物滞留系统及者河岸缓冲带)以及非生态化技术对径流中的颗粒性污染物进行去除^[45].

(1) 研究区屋顶、 场院、 农田、 污水汇集口各下垫面暴雨径流的pH为中性偏酸； 漕桥场院TSS含量最高，达到45.67 mg ·L^-1，蒲家头各下垫面的TSS均小于10 mg ·L^-1.

(2) 漕桥暴雨径流中，COD、 NH₄⁺-N、 TN和TP的EMC的值分别为21.01、 0.74、 2.39和1.39 mg ·L^-1； 蒲家头暴雨径流中，COD、 NH₄⁺-N、 TN和TP的EMC的值分别为15.69、 0.77、 3.58和0.779 mg ·L^-1； 暴雨径流中各重金属含量均低于地表水Ⅱ类标准. 与地表水Ⅴ类标准比较，漕桥和蒲家头TN分别超标1.2倍和1.8倍，TP分别超标3.5倍和1.9倍. 说明氮磷是研究区暴雨径流的主要污染物，其中氮污染物以溶解态为主，磷污染物以颗粒态为主.

(3) 研究区域TSS和COD污染负荷较高，可通过生态技术(生物滞留系统及者河岸缓冲带)以及非生态化技术对径流中的颗粒性污染物进行去除，以降低暴雨径流对受纳水体的污染负荷.