2016, Vol. 37
城市不透水面的增加改变了城市径流的水文特性，也增加了径流量和径流污染负荷[1]. 目前，城市径流已成为除点源和农业面源污染外河流和湖泊等受纳水体污染的第三大污染源[2, 3]. 目前，城市径流的相关研究多集中于降雨径流的研究，其研究结果表明城市降雨径流中氮和磷是导致城市水环境污染的重要问题[4, 5]，同时TN、 COD、 TP、 TSS和重金属等皆是城市道路径流的主要污染物质[6~8]. 但由于所处地理位置和气候条件的不同，城市径流不仅包括降雨还包括融雪径流. 我国北方城市降雪量大，城市积雪受冬季采暖、 城市交通、 工业生产等因素的影响累积了大量的污染物质，春季融雪期经过淋溶作用后会将冬季积累的污染物淘洗出积雪，随着融雪径流补给入地表水体或地下水中，造成水环境污染[9]. 由于长时间暴露于空气中，雪会比雨水吸收更多的来自大气的污染物，也更易受到污染[10]，因此，城市融雪径流污染特性的研究对北方城市面源污染的控制也有同样重要的意义.
国内外研究者们也对部分地区积雪和融雪径流的污染特性进行了分析研究，孟莹莹等[11]得出北京市积雪中的氨氮、 TN、 TP、 COD等污染物主要来自交通活动，氯化物主要来自氯盐融雪剂； 李怀恩等[12]发现城市融雪径流的初期污染物SS、 COD、 TN等的浓度高于融雪后期，并且融雪径流中多数污染物浓度低于相同地点的降雨径流浓度； 童银栋等[13]发现降雪期间与非降雪期间大气中的汞含量存在差距，降雪能有效地捕集大气中的汞； 刘玉燕等[14]研究了干旱区小城市降雪中Cd与Hg富集系数最为严重，Al年沉降通量最大，降雪中重金属主要来自于煤炭供暖、 车流排气和工业排放. 在城市中，不同土地利用类型上的积雪产生的融雪径流的最终流向不同其污染控制的方法也不同，但目前对于不同城市下垫面上融雪径流的分类研究较少.
本文中，以北方城市冰城哈尔滨为研究区域，通过在冬春融雪季节主城区中6种下垫产生的融雪径流进行采样分析，从而确定不同下垫面上融雪径流的污染特性，以及不同空间分布下相同下垫面融雪径流的污染差异，并分析其污染分布差异产生的原因，以期为哈尔滨市融雪径流的污染控制与合理应用雪融水提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域研究区为哈尔滨市主城区. 哈尔滨市地处中国东北北部地区、 黑龙江省南部，松花江自西向东穿过市区(见图 1). 哈尔滨的气候属中温带大陆性季风气候，四季分明，冬季漫长寒冷，年平均降雪量可达到429.5 mm，每年11月到第二年的3月为降雪期，3月中下旬和4月上旬属融雪期.
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图 1 研究区范围及采样点地理位置示意 Fig. 1 Location map of the research area and the sampling points |
在冬季降雪期及融雪期承载积雪和融雪径流的城市下垫面主要包括道路、 绿地、 屋顶和冰封的水面，其中道路又包括城市道路、 人行道和生活区、 占地面积较大的校园及企事业单位内部道路(内部道路). 为保证交通顺畅，降雪后哈尔滨主城区城市道路积雪会迅速被各类清雪机械扫刷、 清除并就近运送到9处城市积雪集中堆放处； 人行道积雪由环卫工人清除后堆放在人行道边； 内部道路的积雪清除后也会以雪堆的形式就近堆放. 春季融雪期绿地、 屋顶、 冰封水面、 人行道和校园及企事业单位内部道路的融雪径流会就地产生，而城市道路上的积雪产生的径流位置则会因为积雪的转运而发生转移. 因此在哈尔滨市主城区融雪径流的研究中，将城市下垫面分为绿地、 冰面、 屋顶、 内部道路、 城市道路和人行道这6种类型，这些下垫面产生的融雪水通过蒸发、 下渗、 地表径流、 城市排水管网而最终进入大气、 地下水和地表水体.
1.3 采样点设置受汽车尾气排放、 冬季空气污染、 人类活动等因素的影响，不同下垫面以及下垫面空间位置的差异均会影响其融雪径流的污染特性，因此在哈尔滨市的南岗、 道里、 道外、 香坊这4个主城区，北至松花江、 南至第五医院、 西至丽江路、 东至长江路范围内，分别设置绿地、 冰面、 屋顶、 内部道路、 城市道路和人行道这6种下垫面类型进行采样，具体见表 1，每种下垫面在不同空间各设3个采样点，每个采样点取3个平行样，取其平均值作为此样点最终检测值，共计18个采样点，具体采样位置见图 1、 表 1. 采样时间为2015年3~4月，采样对象为融雪径流. 除松花江冰面积雪在融化期无法采样，绿地积雪融化后下渗无法形成径流采集表面积雪外，其他样点皆采集积雪融化后的地表径流，用干净的铲子将样点处融雪径流引入塑料桶中，雪样则置于室内自然融化后进行分析.
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表 1 下垫面分类及采样点地理位置 Table 1 Categorizing of underlying surfaces and sampling point location |
1.4 水质分析方法
将融雪径流水样的分析指标包括pH、 高锰酸盐指数、 化学需氧量、 五日生化需氧量、 氨氮、 TP、 TN、 铜、 锌、 氟化物、 硒、 砷、 汞、 六价铬、 镉、 铅、 氰化物、 硫化物、 挥发酚、 石油类、 阴离子表面活性剂和电导率. 具体监测方法见文献[15].
1.5 主成分分析法运用主成分分析法可根据实际需求从具有一定相关性的变量重新组合确定主成分[16]，应用SPSS 22.0对检测数据进行标准化后得到相关矩阵、 特征值和方差贡献率，以确定影响雪融水污染程度的主要评价因子以及不同污染物对于不同因子的影响贡献率，简化数据确定主要污染物. 进行主成分分析时对分析项进行筛选，由于22项监测指标中的铜、 锌、 砷、 镉、 六价铬、 铅和阴离子表面活性剂的分析结果小于最小检测限值，因此最终选取pH、 COD、 BOD5、 氨氮、 TN、 TP、 氟化物、 硫化物、 挥发酚、 石油类和电导率11项指标进行主成分分析.
1.6 方差分析法方差分析法(ANOVA)用于检验由单一因素影响的一个(或几个相互独立的)因变量由因素各水平分组的均值之间的差异是否具有统计意义，是用于两个及两个以上样本均数差别的显著性检验[17, 18]. 在本研究中应用SPSS 22.0的单因素ANOVA进行不同下垫面间污染差异性的分析，并通过最小显著性差异(LSD)法对不同下垫面的污染差异进行多重比较[19, 20].
2 结果与讨论 2.1 融雪径流中主要污染物分析通过主成分分析及旋转成分矩阵，可以提取出影响哈尔滨市主城区融雪径流水质的3个主要因子，累计为全部变量的81.356%，见表 2. 第一个主成分方差贡献率是51.462%，密切相关的是BOD5、 COD、 氨氮、 TP、 石油类和TN，说明第一主成分反映了融雪径流主要受到含碳、 氮、 磷和石油类物质的污染. 第二个主成分特点表现为在pH和硫化物的浓度方面相关密切. 第三个主成分在电导率方面有很高的正载荷. 因第一主成分贡献率远高于第二、 三主成分的17.414%、 12.48%，哈尔滨市融雪径流水质主要受第一主成分的影响，即BOD5、 COD、 氨氮、 TP、 石油类和TN为雪融水的主要污染物质. 因此本文选取主要污染物BOD5、 COD、 氨氮、 TP、 石油类和TN作为之后的主要评价指标，排除次要评价指标以利于分析.
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表 2 主成分载荷值 Table 2 Load values of principal components |
2.2 不同种下垫面融雪径流污染特征分析
根据主成分分析的结果，本研究仅选取第一主成分中的主要污染物，探讨融雪径流中COD、 BOD5、 氨氮、 TN、 TP和石油类这6个监测指标在不同下垫面的分布情况，不同下垫面中污染物浓度的分布见图 2. 从中可知，城市道路和人行道中是融雪径流中含碳污染物浓度最高的两种下垫面，其COD和BOD5的平均浓度值分别为188.53mg·L-1、 58.77mg·L-1和169.23 mg·L-1、 57.29 mg·L-1，约为浓度最低的屋顶融雪径流COD和BOD5浓度的4.5倍和6倍，远超过哈尔滨城镇污水处理厂现行的一级B类排放标准中COD 60mg·L-1和BOD5 20mg·L-1的排放限值. 人行道和屋顶是融雪径流中含氮污染物浓度最高的两种下垫面，其氨氮和TN的平均浓度值分别为5.83 mg·L-1、 7.63 mg·L-1和 3.78 mg·L-1、 4.8 mg·L-1. TP在城市道路融雪径流中的浓度值最大为0.28 mg·L-1,屋顶的浓度值最低为0.12 mg·L-1. 石油类污染物浓度则在内部道路、 城市道路和人行中的平均浓度值要明显高于屋顶、 冰面和绿地，平均浓度最大值为0.11 mg·L-1，最小值为0.05 mg·L-1. 氨氮、 TN、 TP和石油类在各下垫面采样点中的平均浓度均不超城镇污水处理一级B类排放标准. 由此可见含碳污染物是哈尔滨融雪径流中对地表水体影响最为严重的污染物.
为探讨各种污染物在不同下垫面的污染特性的差异，选择6种检测指标为因变量，6种下垫面为因子，取同种下垫面3个采样点融雪径流的COD、 BOD5、 氨氮、 TN、 TP和石油类的平均值进行方差分析(见表 3)，得出不同下垫面类型之间差异性较为明显的指标. 分析结果表明，不同下垫面对于同一种污染物的贡献率存在差异，并且根据污染物的不同，不同下垫面的影响情况也存在差异，但差异的显著性水平大于设定的0.05，差异并不显著.
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图 2 不同下垫面融雪径流中污染物浓度变化 Fig. 2 Variation of pollutants concentration in snowmelt runoff of different underlying surface |
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表 3 不同下垫面污染物浓度的方差分析 Table 3 ANOVA of pollutants concentrations of different underlying surface |
在6项检测指标中TP的显著性水平值为0.342，相对其它指标在不同下垫面组间差异最大，BOD5的组间差异最小. 为了比较两两下垫面之间污染特性的差异，选择LSD法对不同下垫面污染物浓度的均值差异(MeanDiff)进行多重比较，结果如图 3所示. 对含碳污染物COD和BOD5而言，城市道路和屋顶之间的差异性最大，显著性水平(Sig.)为0.201和0.219，冰面和绿地的差异性最小，Sig.为0.981和0.993； 人行道和绿地之间的氨氮差异最大Sig.为0.072，城市道路和绿地的差异最小Sig.为0.962； 人行道和城市道路的TN差异性最大Sig.为0.054，内部道路和屋顶的TN差异最小Sig.为0.993； 城市道路和屋顶TP的差异性最大，Sig.为0.081，屋顶和冰面TP的差异性最小Sig.为0.957； 内部道路和绿地石油类的差异性最大Sig.为0.129，而人行道与城市道路、 冰面与绿地TP的差异性最大均为0.933.
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图 3 不同下垫面污染物浓度的方差分析 Fig. 3 ANOVA of pollutants concentrations of different underlying surface |
在不同下垫面的情况下，同种污染物存在差异值，但在同种下垫面的情况下，不同地点同种污染物也是存在差异的. 如表 1和图 2所示，绿地检测点A3各项监测值明显高于其他两处，尤其COD和BOD5分别是A2的4.6、 8.86倍，TN、 氨氮是A1的2.06、 1.43倍，污染程度最为严重，这是因A3处交通复杂，车辆通行较多，A2地处生态园附近，空气清新，车辆较少，并且临近医院，污染相对较少. 冰面3个采样地点同在松花江上，污染程度相差不大，B3处的TN和BOD5最高，因其位于松花江边上码头附近，冬季冰封后此处虽没有船舶，但同样有娱乐活动进行，B1车辆通行繁密，受车辆污染较多，因此TP和石油类较高，而B2相对较远，冬季也少有人靠近，因此污染处于中间值，对比其他下垫面类型接触行人、 车辆较少. 屋顶皆选6层以上楼房雨水管道径流，C3因交通繁华且靠近商业圈石油类污染较为严重，C1地处医院，主要受TN影响较为明显，COD、 BOD5相对较低. 内部道路选择在小区、 学校内融雪径流，D1交通顺畅靠近哈尔滨火车站、 商业圈，火车道穿越校园范围，附近夜市、 饭店、 商场俱全，大量生活污水、 废气侵袭周边环境，COD仅次于污染情况严重的E3和F3，D3的TN、 氨氮和石油类高于其他两处，说明此处交通污染更为严重. 哈尔滨降雪量大，城市道路积雪一般在雪停后一天内被铲雪车堆放在固定堆雪点，E3旁边临近施工地，风沙扬尘明显，施工泥浆、 废水和工人生活用水严重污染周围的环境，6项检测值均高于其他两处，COD和BOD5甚至是地表水排放一级B类标准的7.75、 7.55倍； E2雪堆堆放一个冬季，附近车辆很多并靠近火车轨道，采样时雪样接近黑色，污染情况比E1严重. 人行道F3距离火车站很近，污染严重仅次于D3，除COD和BOD5其他检测指标皆远远超出其他将各采样点，说明在F3受车辆影响多于其他采样点，并且污染情况高于F1、 F2.
2.4 不同种下垫面融雪径流中污染物来源分析据世界卫生组织统计每年大约有60万人死于交通事故，1 500万人受伤[21]. 大雪和寒冷等极端天气会使路面积雪形成冰层，更易发生交通事故[22, 23]. 哈尔滨市每年冬天降雪次数多，且降雪时间长，路面积雪丰厚，政府每次积雪投撒融雪剂或人工、 机械清雪十分及时，大型路面上的积雪收集到指定的堆雪点，本文采样点中的城市道路融雪径流皆选择哈尔滨市大型堆雪点的积雪融化径流. 城市道路的TP、 COD、 BOD5均为最高值，TN和氨氮含量最低，说明在城市道路下垫面类型中主要污染物是TP、 COD和BOD5，来自于车辆碾压、 运输和长时期的堆放后车辆轮胎耗损[24]、 车轮携带污染物、 汽车尾气及地表沉积物的影响. 选取内部道路皆是堆在生活区、 校园及企事业单位内的积雪点，根据检测数据了解内部道路的石油类污染情况最高，其他5项检测指标污染程度相对一般处于中间污染程度，其主要污染源来自人类活动和交通污染. 人行道选取在街道路边的人行道，这种下垫面类型主要受行人鞋底的污染物质和居民或商家倾倒的污水与垃圾污染，用铲子在进行铲取径流水时易取到地表的沉积物，因此其污染除TN和氨氮为最高值外均仅次于内部道路或城市道路，TN和氨氮处于最高值可能是因为雪面上倾倒了生活污水或是冬季供暖燃煤使大气中氮元素增多由雪花带至地表引起污染. 冰面选取松花江段上几个易取点采集松花江上的积雪，这些积雪主要源于大气干湿沉降[25~27]和人类倾倒污染物，但受人类影响相对于其他下垫面类型较少，因此污染情况相对一般. 在排污远离屋顶的情况下，污染本应相对较少，但从检测值来看屋顶TN和氨氮却较高，原因可能是因为哈尔滨大气污染严重，雪花比雨滴的比表面积大、 极性较弱，可能携带的污染物更多[28]. 本文研究的是市区内部融雪情况，选择绿地为接近人行道的草地，每日受人类活动的影响，氨氮和石油类污染情况最低，说明绿地受车辆及空气污染少，可能由于汽车尾气经人行道和城市道路路上积雪吸附对绿地的影响变低. 冰封冰面各种检测指标污染情况处于中间值，且均达到污水排放一级B类标准.
3 结论(1) 对哈尔滨市6种下垫面18个采样点融雪径流的11项监测指标进行了主成分分析，分析结果表明，融雪径流主要受3种主成分影响，其中第一主成分的方差贡献率最大为51.462%，由此确定哈尔滨市主城区融雪径流的污染指标主要为BOD5、 COD、 氨氮、 TP、 石油类和TN.
(2) 含碳污染物是哈尔滨融雪径流中的最主要污染物，城市道路、 人行道和内部道路融雪径流中含碳污染物浓度平均值超过哈尔滨城镇污水处理厂现行的一级B类排放标准的2~3倍，其它指标均未超标； 在6种下垫面组间TP的污染差异性最大，BOD5的差异性最小； 在两两下垫面间，不同下垫面对于同一种污染物的贡献率存在差异，对于不同污染物，相同下垫面对其影响也不同.
(3) 在同种下垫面不同采样点的同种污染物浓度也存在差异. 位于接受城市主干道路积雪的堆雪场，人流量大的繁华街道旁的人行道，居民较多的生活小区内部道路，靠近码头和道路的冰面，城市道路旁的绿地以及人口和商业集中地的屋顶这些采样点，其污染物浓度均高于人口密度小，交通流量小和非商业区的采样点.
(4) 由融雪径流中各种污染物在不同下垫面上的分布特性得出： 城市道路主要为TP、 COD、 BOD5污染，污染来自于车轮胎耗损、 车轮携带污染物、 汽车尾气及地表沉积物的影响，同时也受到城市积雪集中堆放点工业排放及采暖的影响； 内部道路的石油类污染值最高，其它各项指标中都趋于中间值，主要来自于生活小区、 企事业单位和校园内部人类活动、 车辆的流动和采暖； 人行道的TN和氨氮污染严重，主要来自于周边道路车辆流动及人类生活污染物倾倒； 绿地和冰面相对各项污染较低，主要来自于采暖、 空气中污染物沉降及周边环境的影响； 屋顶的含氮污染物浓度较高，主要来自于冬季采暖及空气中污染物的沉降.
感谢哈尔滨市环境监测中心站在样品分析过程中给予的帮助.