2019, Vol. 40
2. 中国科学院生态环境研究中心, 城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
3. 珠海市规划设计研究院, 珠海 519000;
4. 北京师范大学环境学院, 北京 100875
, XIE Wen-xia1 , ZHU Yu-xi3 , SHEN Lei3 , MA Yu-kun2,4 , LI Jia1,2 , JIANG Zhi-hui1,2 , LI Xu-yong2 , ZHAO Hong-tao2
2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. Zhuhai Institute of Urban Planning and Design, Zhuhai 519000, China;
4. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
随着我国工业点源的初步控制, 城市污水处理与收集系统的逐步完善, 城市区域降雨冲刷造成的面源污染对受纳水体的危害日益突出[1].城市降雨径流污染过程受到排水体制、降雨特征、区域气候、土地利用类型等多种因素的影响, 其中排水体制在城市径流污染过程中尤其重要[2].有研究表明, 在我国两种排水体制下由合流制引起的城市面源污染问题对城市受纳水体的危害尤为严重, 其引起的水体黑臭问题受到国内外社会的广泛关注[3, 4].因此, 对合流制排水体制引起的污染问题进行系统治理非常必要.
对合流制污染物输移过程的了解以及污染物源贡献的解析是治理合流制面源污染问题的关键.当前国内外学者对合流制污染的研究主要集中在：污染物的来源分配[5~7]、污染物径流特征[8~10]、污染控制策略等方面[11~13].而基于粒径分布的合流制污染物输移的系统分析鲜见报道, 这就限制了合流制污染治理的科学性.科学治理合流制污染需要结合城市具体情况, 对其进行系统研究并提供科学依据及数据支撑[14].
鉴于此, 本研究针对我国老城区合流制排水系统现状, 基于不同降雨特征下地表、管道径流污染物的累积-冲刷规律, 以珠海市金湾区直排式合流制排水管渠为例, 对地表与管道污染物的输移过程及污染源贡献进行分析, 以期为合流制面源污染治理提供科学依据, 并为污染控制措施的选择提供参考.
1 材料与方法 1.1 研究区概况珠海市金湾区地处亚热带季风气候区, 面积为190.3 km2, 下辖红旗镇(96 km2)和三灶镇(94.3 km2)两个镇, 本次研究区位于金湾区北部红旗镇境内.该地多年平均降水量为2 294 mm, 每年4~9月为降雨集中期, 占全年降雨量的83.4%.研究区为珠海市老城区, 除几条主要的道路(如：珠海大道、南翔路等)配套有污水主干管外, 其他路段仍为雨污合流管道.本次研究点布设在红旗镇藤山一路暗渠(0.8 m×1 m), 该渠由于管径相对较大, 旱季基本不会堵塞, 清淤周期较长.研究区汇水面积为1.5 hm2, 暗渠两侧土地利用类型主要为学校、居民区、商业区.据现场调查统计, 该渠所在道路日机动车交通流量约为8 000辆.该渠由东往西接入藤山二路2.5 m×2.0 m雨水渠, 最终经过三板雨水泵站排至幸福河.
1.2 样品采集与处理地表街尘样品：于2018年5~8月观测的降雨前、后分别在样点附近道路两侧随机布设一个3×1 m2的采样点, 使用戴森吸尘器采集样方内全部地表颗粒物, 用塑封袋密封并记录.取采集好的样品通过空气动力筛分仪(Retsch AS200 jet)筛分为：< 20、20~44、44~63、63~105、105~150、150~250、250~450和450~1 000 μm这8个粒径段, 并将筛分后的样品称重并记录, 分别测定不同粒径段街尘携带的TOC、TN和TP的含量, 其中TOC采用煅烧法测定、TN采用元素分析仪测定、TP的测定方法参照文献[15].
径流样品采集：雨天径流样品采集点如图 1所示, 降雨事件特征如表 1所示.在降雨径流初期每5 min采集一个样品, 其后采样时间间隔根据降雨情况增加为10 min、20 min、30 min或者1 h.管道径流样品采集与地表径流样品同步进行.采样过程中用超声波明渠流量计测定管道中的径流流量.用RG3-M型翻斗式雨量计(Onset Computer Corporation, 美国HOBO)测定降雨量.径流样品采集后存放于聚乙烯瓶中, 用马尔文激光粒度仪2000检测样品的粒度分布, 并测定其SS、COD、TN、TP和NH4+-N的浓度.
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图 1 研究区及采样点示意 Fig. 1 Study area and sampling locations |
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表 1 降雨事件特征 Table 1 Basic characteristics of rainfall events |
旱流样品采集：于2018年5~8月期间先后监测了晴天天数超过3 d的非降雨日旱流污水水质3次.旱流污水水量监测采用超声波明渠流量计.旱流污水样品的采集为0.5 h等间距采集.样品采集后, 测定其SS、COD、TN、TP和NH4+-N的浓度.
管道沉积物的采集：为了更好地了解采样区管渠的淤积情况和管道沉积物的特性, 于2018年6~8月测定降雨前、后管道沉积物的厚度(管渠深度减去泥水分界面到地表的深度), 同时采集管道沉积物样品, 为保证数据的代表性, 每次采集管道沉积物样品两个, 样品采集后装入塑封袋中, 带回实验室测定其粒径与携带的TOC、TN和TP的含量, 管道沉积物样品粒径的测定采用湿筛分的方法[16], 筛分后的管道沉积物粒径被分为 < 40、40~63、63~105、105~150、150~250、250~450和450~1 000 μm这7个粒径等级. TOC、TN和TP的测定方法与街尘中各污染物的测定方法相同.
1.3 数据分析降雨事件中污染物会受到其本身特点和降雨特征的影响, 时刻之间的浓度存在着变化, 所以通常采用次降雨径流的平均浓度表示一场降雨地表径流全过程排放的某污染物的平均浓度EMC(event mean concentration, EMC), 公式如下[17]：
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(1) |
式中, EMC为场径流污染的平均浓度(mg·L-1); M为整个径流过程中污染物的量(mg); V为径流总量(L); ct为t时刻污染物的浓度(mg·L-1); Qt为t时刻径流流量(L·min-1); Δt为采样间隔时间(min); t为降雨径流持续时间(min).
地表径流、管道沉积物及旱流污水是合流制径流污染的3个主要来源[18].根据污染物质量平衡公式可以计算管道沉积物的贡献, 公式如下[19]：
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(2) |
式中, MPT为管道径流总污染负荷(kg), MPS为管道沉积物污染负荷(kg), MPR为地表径流污染负荷(kg), MPW为旱流污水中污染物污染负荷(kg).
街尘中各粒径段污染物负荷比的计算采用如下公式[20]：
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(3) |
式中, GSFLoad表示单个粒径段所含污染物对全部粒径段污染物含量的贡献(%); Ci是单个粒径段污染物的含量(mg·kg-1); GSi是单个粒径段占全部粒径段街尘的质量比(%); m是筛分粒径段的总个数.
2 结果与分析 2.1 地表污染物的晴天累积城市地表往往吸附了大量的污染物, 是城市面源污染的重要贡献源之一, 地表街尘的静态累积量决定了其对城市水环境的污染潜力.经采样调查, 研究区街尘的静态累积量为12.89~50.52 g·m-2, 平均为(28.81±10.69)g·m-2(图 2), 与其它相似地区(0.95~8.24 g·m-2)相比该区域街尘累积量较高[21], 这主要是因为研究区附近有医院与学校, 交通负荷较高且人员密集导致街尘累积量大于一般小城镇.研究区单位面积上TOC、TN和TP的污染负荷分别为337~1 316、19~76和3~13 mg·m-2.
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图 2 单位面积街尘累积量 Fig. 2 Build-up load of road deposited sediments per unit area |
粒径是表征颗粒物行为的重要参数, 对污染物的迁移转化有重要的影响, 同时粒径分布特征也影响了地表颗粒物对污染物的贡献能力(图 3).结果表明细粒径颗粒物吸附的污染物浓度明显高于粗粒径颗粒物, 不同粒径颗粒物对整体颗粒物污染负荷贡献也不同, 如 < 150 μm颗粒物对3种污染物TOC、TN和TP的贡献能力最高, 分别为68%、51%和56%.这表明细颗粒物对地表径流污染有着重要潜在贡献.
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图 3 地表街尘粒径负荷比(GSFLoad) Fig. 3 Particle size ratio of road deposited sediments |
地表街尘是城市地表径流污染物最广泛的载体, 同时也是地表径流中SS的重要来源, 街尘特征与降雨特征共同影响了其向SS的迁移.对比5场降雨事件前、后地表街尘的累积量发现, 地表街尘冲刷量为(19.27±10.90)g·m-2, 冲刷率为(52.69±13.3)%(图 4), 其冲刷形成的地表径流中SS场降雨浓度为52~109 mg·L-1.其中, 极细颗粒物(< 20 μm)转变为SS的能力最强, 其在静态累积中的质量分数仅为1.41%~3.80%, 而在地表径流中的体积分数高达62.77%~78.32%(图 5).上述结果表明, 极细颗粒物(< 20 μm)在地表街尘中累积较少, 但其对城市水环境的威胁不容忽视.
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图 4 降雨特征及其单位面积街尘的累积量与冲刷量 Fig. 4 Rainfall characteristics and comparisons of build-up and wash-off of street dust per unit area |
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(a)2018-06-13; (b)2018-06-27; (c)2018-07-05; (d)2018-07-29; (e)2018-08-10; (f)2018-08-17 图 5 颗粒物在地表累积、地表径流、管道径流的粒径分布 Fig. 5 Percentage of different particle sizes in road deposited sediments, road runoff and sewer runoff |
降雨径流冲刷是地表污染物传输的动力, 降雨特征往往决定着其对城市地表径流污染发生历程的影响, 科学地认识其发生规律为有效控制污染提供依据.如图 4所示, 雨峰的位置和多少决定着地表径流中SS的浓度变化过程, 同时决定径流冲刷过程属于源限制还是传输限制.
2.3 管道污染物的累积管道沉积物往往是管道出流污染的重要贡献者之一, 其物理性质与携带污染物含量决定着其对出流污染贡献的大小.经现场调查发现, 管道沉积物厚度为30~45 cm, 深黑色砂质颗粒物, 并伴有一种难闻的气味, 这可能与管道沉积物的厌氧反应有关.将管道沉积物进行湿筛分后, 发现细粒径颗粒物(< 150 μm)仅占8.21%, 而粗粒径颗粒物占91.79%(图 6), 表明管道中所占比例最大的为粗粒径颗粒物.这可能是由于细粒径颗粒物容易随径流输移, 而粗粒径容易沉降.
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图 6 管道沉积物中颗粒物的分布 Fig. 6 Particle size distributions of sewer sediments |
通过对比管道沉积物与地表街尘携带的污染物(图 7), 发现管道沉积物中TOC与TN的浓度在 < 105 μm的颗粒物中明显高于街尘, 而在>150 μm的颗粒物中含量略低于街尘.管道沉积物中TP则表现出高富集特性, 其在各粒径段颗粒物中的含量均高于街尘, 且是街尘TP的1.2~5倍, 这主要与其来源与存在形态有关.为了进一步了解管道沉积物对出流污染的贡献, 本研究对管道沉积物的静态潜在污染量进行核算, 沉积物的密度约为2×103 kg·m-3[22], 经计算3种污染物TOC、TN和TP的静态污染负荷分别为6.10~11.43、0.38~0.58和0.26~0.40 kg·m-1, 其中细粒径颗粒物(< 150 μm)对3种污染物TOC、TN和TP的贡献率最高(图 8), 分别为63%、46%和29%.综合以上结果表明细粒径颗粒物往往富集了更多污染物, 同时细粒径颗粒物易被水流冲走, 故降雨时管道沉积物中细粒径颗粒物成为城市受纳水体污染的重要来源.
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图 7 管道沉积物与街尘携带污染物含量 Fig. 7 Concentration of pollutants in road deposited sediments and sewer sediments |
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图 8 管道粒径负荷比(GSFLoad) Fig. 8 Particle size ratios of sewer sediments |
对管道污染物冲刷与沉积规律的研究是管道污染治理的关键.通过对比降雨事件前后管道沉积物厚度(图 9), 发现管道沉积物厚度的是一个动态变化的过程, 在小雨和中雨情况下, 管道沉积物厚度增加1~14 cm, 3种污染物TOC、TN和TP的增加量分别为(2.34±1.07)、(0.15±0.07)和(0.10±0.05)kg·m-1, 淤积率为(15±10)%; 在大雨和大暴雨情况下, 管道沉积物厚度减少7~17 cm, 3种污染物TOC、TN和TP的冲刷量为(1.32±1.03)、(0.08±0.06)和(0.06±0.04)kg·m-1, 冲刷率为(30±23)%, 管道径流SS的浓度为68~158 mg·L-1, 其中仍是极细颗粒物(< 20 μm)的迁移能力最强.
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降雨等级划分参照GB/T 28592-2012[23] 图 9 管道沉积物厚度变化 Fig. 9 Thickness variation of sewer sediments |
降雨特征影响着街尘冲刷形成的地表径流SS与管道沉积物再悬浮形成的管道径流SS中的比例, 同时也影响污染物对出流污染的贡献.通过对比五场降雨事件中污染物在地表径流与管道径流中的EMC(图 10), 发现管道径流污染物TN和TP的EMC明显高于地表径流, 而SS与COD在不同的降雨事件中则表现出不同规律.这表明合流制排水系统中管道沉积物是氮磷等营养物质的主要来源, COD与SS在不同的降雨条件下主导污染源有所不同.
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图 10 地表径流与管道径流中污染物的EMC Fig. 10 Event mean concentrations of pollution in road and sewer runoff |
粒径是影响城市面源污染的一个重要指标, 也是低影响开发措施建设的重要参数, 其影响着颗粒物在径流冲刷过程中的迁移能力[24, 25]、对污染物的吸附能力[26, 27]以及径流中SS的浓度等[28].然而以往的研究极少关注降雨过程中颗粒物的迁移过程与空间变异, 这就影响了污染治理的有效性与适用性.因此, 了解不同降雨特征条件下颗粒物的传输特征对当地城市面源污染的治理具有重要意义.本研究用D90(一个样品的累计粒度分布数达到90%时所对应的粒径)的变化来表征颗粒物在降雨中的迁移过程.结果如图 11所示, 地表径流冲刷90%颗粒物的粒径多集中在100 μm以下, 而管道径流冲刷的颗粒物粒径波动范围较大, 其对大粒径颗粒物的冲刷能力大于地表径流, 这主要是因为大粒径颗粒物的迁移需要更高的动能, 往往管道径流中的流速大于地表径流, 增强了管道沉积物的再悬浮能力.因此, 在城市面源污染的管控过程中, 需结合降雨特征加强对重点粒径段颗粒物的传输控制.
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图 11 地表径流与管道径流中D90的变化 Fig. 11 Variation of D90 in road runoff and sewer runoff |
污染物输移过程与污染源分配对于城市水污染治理具有重要的科学意义.本研究采用质量守恒法对不同污染源贡献进行分析(图 12), 其中地表径流对SS的贡献率为39%~72%, 对TN、TP和NH4+-N的贡献率小于35%, 对COD的贡献率小于55%;旱流污水对SS的贡献率较小(小于20%), 对其它污染物的贡献率与降雨量有关, 贡献率范围为9%~65%;根据以上计算结果, 可计算管道沉积物对各污染物的贡献率, 其对SS的贡献率为13%~56%, TN的贡献率为14%~81%, TP的贡献率为37%~63%, NH4+-N的贡献率为54%~67%, COD的贡献率为8%~57%.降雨特征影响了各污染物的主导污染源, 小雨与中雨时(< 14.9 mm), 旱流污水对于富营养化污染物贡献率较高, 并且各污染物的贡献率随着降雨量的增大逐渐减小, 例如, TN的贡献率由81%减少到14%;大雨和大暴雨(>15 mm)时, 管道沉积物对各污染物的贡献率较高, 且随着降雨量增加对各污染物的贡献率增大; 在不同降雨条件下, 地表径流的增减规律虽不明显, 但其仍是城市面源污染的重要贡献源.由此可见, 大雨和暴雨可导致管道沉积物的再悬浮能力增强, 从而对城市受纳水体造成危害, 而在小雨和中雨的情况下, 地表街尘的贡献又会造成管道沉积物的淤积, 影响管道的过流能力, 因此在合流制面源污染的治理的过程中一方面要控制地表街尘的传输, 例如建设低影响开发措施; 另一方面要控制管道沉积物的再悬浮, 例如进行雨污分流改造、截流管道修建、调蓄池及隧道建设等.
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图 12 地表径流、旱流污水、管道沉积物对各污染物的贡献率 Fig. 12 Pollutant contribution rates in road runoff, domestic sewage, and sewer sediment |
直排式合流制管道对城市水环境造成的污染影响非常严重, 对其治理变得非常迫切和关键.目前, 对直排式合流制排水系统的改造主要有“合改分”与截流式改造[29].根据研究区域管网具体情况, 初步建议将直排式合流制管道改为初期雨水截流.由于初期径流截流设置与目标小汇水区的径流冲刷输送规律密切相关[30], 本研究基于5场不同类型降雨事件的地表径流冲刷与管道输移规律的实地观测(图 13), 结果表明小雨与中雨时, 控制地表 5mm径流深的降雨即可控制地表径流与管道径流中全部污染物; 大雨与暴雨时, 当地表与管道污染物累积率为80%时, 地表与管道对应的径流深范围分别为8.5~23.5 mm与14.1~25.2 mm.同时, 结合珠海市1981~2016年降雨特征的实际情况(多数降雨事件的降雨量 < 60 mm), 针对地表污染, 建议截流12 mm径流深的初期降雨, 针对整个排水分区污染, 建议管道总排口截流25 mm径流深的初期降雨以控制径流污染中80%的污染物, 该值略高于文献[31]中4~8 mm的初期雨水控制指标.由于本研究观测降雨场次有限, 降雨数据可能存在较大误差, 如需工程实际需要, 还需要对其开展进一步深入地研究.
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综合径流系数为0.75 图 13 径流深与污染物累积排放率关系 Fig. 13 Relationship between the runoff depth and cumulative runoff rate of pollutants |
(1) 该地地表街尘的累积量为(28.81±10.69)g·m-2, 冲刷量为(19.27±10.90)g·m-2, 其中极细颗粒物(< 20 μm)吸附的污染物浓度最高, 同时其转化为SS的能力也最强.
(2) 管道沉积物厚度是一个动态变化的过程.小雨和中雨时增加1~14 cm, 3种污染物TOC、TN和TP的增加量分别为(2.34±1.07)、(0.15±0.07)、(0.10±0.05)kg·m-1; 大雨和暴雨时减少7~17 cm; 3种污染物的减少量分别为(1.32±1.03)、(0.08±0.06)、(0.06±0.04)kg·m-1
(3) 降雨特征影响了污染源贡献比率, 其中地表径流对各污染物的贡献范围为2%~52%, 旱流污水对各污染物的贡献范围为9%~65%, 管道沉积物对各污染物的贡献范围为8%~81%.
(4) 合流制管道改为初期雨水截流可减少其对城市面源污染的危害.针对地表污染, 建议截流12 mm径流深的初期降雨, 针对整个排水分区污染, 建议管道总排口截流25 mm径流深的初期降雨以控制径流污染中80%的污染物.
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