随着城镇化的快速发展, 城市屋面、路面和停车场等不透水下垫面占比迅速提升, 其表面累积的大量污染物在降雨过程中随地表径流汇入受纳水体, 对城市水生态环境质量造成严重威胁^[1].城市下垫面污染物累积过程主要包括大气干湿沉降、交通运输、工业生产、土壤侵蚀和下垫面腐蚀等, 其中, 屋面作为承接大气干湿沉降的主要载体, 是城市降雨径流污染的重要来源^{[2, 3]}, 深入研究屋面降雨径流污染特征对控制城市径流污染具有积极意义.

西方发达国家针对城市不透水下垫面降雨径流污染物输移规律、来源及其对受纳水体的影响等方面的研究起步相对较早^[4~7]; 近年来, 我国重庆、扬州和澳门等典型城市先后开展了降雨径流监测, 在屋面径流水质特征、初始冲刷效应和径流污染削减等方面^[8~11]取得了一定的研究成果.北京市作为北方城市的典型代表, 屋面径流水质评价、径流污染负荷控制和资源化利用研究等工作也在逐步推进, 但是关于屋面径流污染物来源解析的研究相对较少, 且现有研究的监测范围主要集中在某个单位或学校, 较大区域范围内或者涉及多个行政区的屋面径流研究相对较少^{[10, 12~15]}.本研究针对北京市中心城区不同材质特征的屋面径流及附近降雨开展监测, 采用相关性分析和主成分分析等方法对屋面径流污染影响因素及来源进行了分析, 旨在为北京市以及其他北方城市降雨径流污染控制和治理提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 样品采集与分析

北京市属于典型的北温带半湿润半干旱大陆性季风气候, 降雨主要集中在夏季, 汛期通常为6~9月.北京市的建筑屋面主要分为平顶屋面和坡顶屋面, 常见的屋面材料有瓦屋面、石油沥青屋面和水泥砖屋面等^[16].本研究选取坡顶瓦屋面和平顶沥青屋面两种典型的屋面类型作为研究对象, 2019年6~9月在中心城区4个监测点位(表 1)共进行了7场次降雨径流监测, 降雨特征详见表 2, 监测水质指标包括pH、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷、总氮、汞、铅和锌, 分析方法见表 3.屋面降雨径流样品在楼房雨落管口处收集, 采样频次按照“前密后疏”的原则, 自径流开始产生后采集第一个样品, 之后30 min内每隔5 min采集一个样品; 30~60 min内每隔10 min采集一个样品; 60 min以后每隔30 min采集一个样品, 直至产流结束, 每场降雨平均采集11~12个样品.雨水样品在屋面监测点位附近采集, 在降雨开始后前15 min内采集一个样品, 根据降雨历时长短在中后期各采集一个样品, 每场降雨平均采集2~4个样品.当降雨历时较短且降雨量变化较大时应适当增加采样频次^{[2, 17]}.

1.2 数据处理与分析 1.2.1 降雨事件径流平均浓度

降雨事件中, 径流污染物浓度受到降雨特征和区域性质差异等因素的影响, 相同事件不同区域或同一区域不同降雨事件中, 径流污染物浓度随时间变化波动较大, 因此, 通常用降雨事件平均浓度评估单场次降雨径流污染水平^[19], 计算公式见式(1):

(1)

式中, EMC(event mean concentration)为降雨事件径流平均浓度(mg·L^-1); M为整个径流过程中的污染物总量(mg); V为径流总量(L); t为径流时间(min); c_t为t时刻污染物的浓度(mg·L^-1); Q_t为t时刻径流流量(L·min^-1); n为t时段内径流取样次数; c_i为第i次取样时径流污染物浓度(mg·L^-1); Q_i为第i次取样时径流量(L·min^-1).

目前我国尚未制定城市降雨径流水质评价标准, 本文参考国内其他相关研究, 采用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)对降雨^{[17, 20, 21]}和屋面径流^{[10, 22, 23]}水质进行评价, 对于该标准中未涉及的悬浮物指标, 采用《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)进行评价^[24].

1.2.2 径流初始冲刷效应

城市降雨径流产生初始阶段, 由于携带大量污染物导致径流初期出现较高污染物浓度峰值的现象称为径流初始冲刷效应^[2].对降雨初期径流冲刷现象的研究, 有利于更加清楚地掌握径流污染负荷变化规律, 进而采取有效的初期截留措施.本文采用Geiger等^[25]定义的径流污染负荷累积分布曲线(M/V)来判断初始冲刷效应, 分别计算降雨事件中累积径流量和累积污染负荷量, 并绘制相关性曲线, 当曲线起始坡度大于45°时则认为存在初始冲刷效应, 计算公式见式(2)和式(3):

(2)

(3)

式中, M(t)为降雨t时刻累积污染物负荷量与负荷总量之比; V(t)为降雨t时刻累积径流量与径流总量之比; Q_t为t时刻径流流量(L·min^-1), c_t为t时刻径流污染物浓度(mg·L^-1); T为降雨径流总时间(min); Δt为时间增量(min); Q_ti为在Δt时间的平均径流量(L·min^-1); c_ti为在Δt时间径流污染物的平均浓度(mg·L^-1)^[26].

1.2.3 统计分析

采用Pearson相关系数判断屋面径流污染物浓度与降雨特征相关性; 利用主成分分析法(PCA)结合方差极大旋转法对降雨及屋面径流污染物进行来源解析, 采用KMO检验和Bartlett's球度检验以判断方法适用性.

本文中的数据统计分析与制图采用SPSS 18.0与Origin 2018软件.

2 结果与分析 2.1 降雨水质特征

2019年6~9月降雨污染物浓度水平如表 4所示, 结果表明, 北京市中心城区降雨水质为中性偏弱碱性; 除化学需氧量、总氮和氨氮外, 其他污染物逐月浓度和平均浓度均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类标准限值要求[悬浮物达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A排放标准]; 化学需氧量8月浓度略超过Ⅳ类标准限值, 其他月份和平均浓度均满足Ⅲ类标准限值要求; 氨氮平均浓度满足Ⅴ类标准限值, 逐月浓度在Ⅲ类~劣Ⅴ类(浓度高于Ⅴ类标准)标准限值间波动; 总氮逐月浓度普遍高于Ⅴ类标准限值, 平均浓度超过Ⅴ类标准限值1.29倍.

不同研究中城市降雨污染物浓度水平如表 5所示, 与2008~2009年北京市的研究结果相比, 本研究中降雨的总磷、氨氮、重金属和悬浮物浓度有所降低.与烟台和西安等北方城市相比, 本研究中北京市降雨的悬浮物、化学需氧量和重金属浓度处于中等偏低水平, 但氮类污染物浓度偏高, 有研究表明^[27~29], 交通工具排放的尾气中含有氮氧化合物, 这可能是导致北京市氮沉降量高于其他城市的主要原因; 与常州和昆明等南方城市相比, 北京市降雨中氮类污染物浓度也相对较高, 除了与尾气排放量差异有关外, 还可能受南北方土壤环境酸碱度差异等因素的影响^[30].

2.2 屋面径流水质特征

2019年6~9月屋面径流EMC如表 6所示, 结果表明, 北京市中心城区屋面径流水质整体为中性偏弱碱性, 与降雨基本保持一致; 参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准限值, 径流中各污染物浓度水平普遍处于高位, 其中, 化学需氧量、总氮和氨氮6~9月EMC平均值分别超过地表水Ⅴ类标准限值1.01倍、0.88倍和3.34倍, 悬浮物EMC平均值超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)二级排放标准0.37倍.按照雨污分流排水系统, 屋面径流通过雨水管直接排放进入受纳河道, 将会对中心城区河道水质产生影响^[15].与同时段降雨相比, 屋面径流水质明显变差, 说明其径流污染主要由雨前干燥期屋面累积污染物被冲刷进入水体所致; 但2019年8月屋面径流化学需氧量浓度反而低于同时段降雨, 这可能与屋顶表面对降雨中携带的有机物存在吸附作用有关^[34].2019年6~7月屋面径流污染程度整体高于8~9月, 化学需氧量和悬浮物浓度差异尤为明显, 一方面可能由于北京市6~7月平均气温相对较高, 屋顶表面的黑色沥青受太阳暴晒易吸热变软老化, 从而释放出更多有机物颗粒导致径流污染程度较高^[16], 另一方面, 还可能与随着累计降雨次数增多, 屋顶表面累积的污染物逐渐被冲刷减少导致后期屋面径流污染程度降低有关.

不同研究中城市屋面径流EMC如表 7所示, 与2010年北京市的研究结果相比, 本研究中北京市屋面径流中的氮磷类污染物浓度有所降低; 与北方城市西安市相比, 本研究中北京市屋面径流化学需氧量、总氮和悬浮物浓度相对较低, 其他污染物浓度水平与西安市较为接近; 与重庆、昆明和扬州等南方城市相比, 北京市屋面径流化学需氧量、氮类污染物和锌的浓度水平相对较高.不同城市屋面径流污染物浓度水平差异除了与降雨特征和屋面材质等因素有关外, 同时还受城市经济发展水平、产能结构和污染治理水平等多重因素的影响^{[11, 35]}.

2.3 屋面径流初始冲刷特征

小雨和中雨条件下屋面各监测点位径流污染负荷累积分布曲线(M/V)如图 1和图 2所示, 结果表明, 不同屋面径流初始冲刷特征存在差异, 小雨条件下, W1瓦屋面径流中悬浮物、总磷和汞表现出一定的初始冲刷效应; W2中层沥青屋面径流中各污染物均表现出一定程度的初始冲刷效应, 其中, 悬浮物和铅的初始冲刷效应相对较为明显; W3高层沥青屋面径流中各污染物除总磷和铅外均表现出一定初始冲刷效应, 尤其是化学需氧量、氨氮、总氮和汞初始冲刷效应相对较为明显; W4中层沥青屋面径流中仅悬浮物表现出一定初始冲刷效应.中雨条件下, W1瓦屋面径流中各污染物除悬浮物和总磷外均表现出一定的初始冲刷效应, 尤其是总氮、铅和锌初始冲刷效应相对较为明显; W2中层沥青屋面径流化学需氧量、氨氮、总氮和铅均表现出一定初始冲刷效应, 其中, 氨氮径流初始冲刷效应较为明显; W3高层沥青屋面径流中各污染物除总磷外均表现出一定初始冲刷效应, 其中, 氨氮径流初始冲刷效应相对较为明显; W4中层沥青屋面径流中各污染物除总磷外均表现出一定初始冲刷效应, 其中悬浮物、化学需氧量和汞初始冲刷较为明显.

有研究表明^{[7, 37]}, 对累积分布曲线(M/V)进行幂函数拟合, 确定拟合指数b, 并计算当累积径流量对径流总量占比达到30%时的累积污染物负荷占比(FF₃₀), 进而对各污染物径流初始冲刷强度进行定量分析, 结果如表 8所示: 屋面径流各污染物在不同雨量条件下径流初始冲刷强度存在差异, 小雨条件下, 冲刷强度达到中等级别的污染物包括悬浮物、总磷、汞和化学需氧量, 前30%径流量中污染物携带量占比依次为43.4%、39.4%、38.8%和37.5%; 中雨条件下, 除悬浮物和总磷外, 其他污染物FF₃₀均有所增加, 且大部分达到中等冲刷级别, 说明雨量增大有利于对屋面累积污染物的冲刷.悬浮物颗粒由于具有较强的迁移能力, 雨量较小时即可被冲刷进入水体, 雨量增大反而对径流污染物浓度起到较大稀释作用, 导致初始冲刷强度有所减弱^[22]; 降雨径流中的磷常吸附于颗粒物表面^{[12, 38]}, 因此也表现出与悬浮物类似的径流冲刷规律.总体来看, 屋面径流各污染物初始冲刷强度由大到小排序依次为: 氨氮>悬浮物>化学需氧量>总氮>汞>锌>总磷>铅, 前30%径流量中污染物携带量占比分别为40.9%、40.4%、40.0%、38.3%、37.7%、37.2%、36.6%和33.1%, 径流污染物初始冲刷强度以中等和微弱为主, 该定量结果略低于周冰等^[2]和张伟等^[15]的研究, 说明中心城区屋面降雨产流初期径流量并未按比例携带更多的污染物负荷, 因此对于中心城区仅截留处理初期屋面降雨径流难以实现对径流污染的有效控制^[39].

3 讨论 3.1 屋面径流污染物浓度分布特征

不同屋面监测点位由于屋顶材质和所处环境的不同, 径流污染物浓度分布特征存在差异.本研究中各屋面径流EMC分布如图 3所示, 结果表明, 4个监测点位中, W1瓦屋面径流污染程度相对最高, 其径流化学需氧量、氨氮和总磷EMC平均值均高于其他3个沥青屋面点位, 径流悬浮物和总氮EMC平均值也处于中高水平.这与车武等^[16]和刘大喜等^[20]的研究发现, 沥青屋面径流污染程度往往高于瓦屋面的结果不同, 主要原因可能在于本研究中的瓦屋面与沥青屋面相比所处空间高度相对较低, 落叶腐败和鸟粪累积现象较为严重, 导致径流有机污染程度较高^[40], 此外, 该区域建成年代较早, 屋顶瓦片老化程度相对较高, 表面孔隙更易于污染物的吸附和累积^[11], 进而影响径流水质.本研究结果也表明, 瓦屋面的径流污染程度不应被低估, 尤其是老旧小区的屋面径流污染问题仍需重点关注^[41]. W2沥青屋面与W4沥青屋面均位于环境相对较好的校园内部, 且空间高度接近, 但前者径流污染程度明显高于后者, 除了与沥青老化程度存在差异有关外, 还可能受屋顶清扫频次不同的影响^[13].

3.2 屋面径流污染物浓度与降雨特征指标相关性分析

屋面径流污染物浓度还受到雨前干燥期长度、降雨时长、降雨量和降雨强度等降雨特征的影响^[22].本研究考察了屋面径流污染物浓度与降雨特征指标之间的相关性, 如表 9所示, 结果表明, 屋面径流中悬浮物浓度与干燥期长度在0.01显著水平下呈显著正相关, 与降雨强度在0.05显著水平下呈显著负相关; 化学需氧量浓度与干燥期长度和降雨强度在0.01显著水平下分别呈显著正相关和显著负相关; 汞和总磷浓度与干燥期长度和降雨强度在0.05显著水平下分别呈显著正相关和显著负相关.

雨前干燥期越长, 大气沉降和屋面材质老化等过程累积的污染物颗粒量越多, 导致径流悬浮物浓度越高.单位时间内降雨量越大, 被冲刷进入水体的污染物量越多, 但同时径流污染物浓度稀释程度也越强^[42], 本研究中屋面径流悬浮物浓度与降雨强度呈负相关关系, 说明降雨的稀释作用强度大于冲刷作用, 该结果也与欧阳威等^[14]和任玉芬等^[22]的研究结果相一致.屋面径流中化学需氧量、总磷和汞浓度与干燥期长度和降雨强度的相关性也表现出与悬浮物类似的规律, 这主要与这3种污染物在径流中主要依附颗粒态存在有关^{[10, 38]}.

3.3 降雨及屋面径流污染物主成分分析

对降雨和屋面径流污染物浓度数据分别进行主成分分析, 检验结果显示, 二者的KMO值均大于0.5, Bartlett's测试值P均小于0.05, 说明可以采用该方法对污染物提取主因子进行源解析, 最终计算结果如表 10所示.

由表 10可知, 降雨中共提取出影响水质的3个主成分, 方差贡献率分别为34.819%、24.023%和20.282%, 累积方差贡献率为79.125%, 其中, 对方差起主要贡献的主成分1与总氮和汞的相关性较高, 机动车尾气中往往含有氮氧化合物和重金属污染物, 贺成武等^[27]和王德宣等^[28]的研究发现城市氮沉降与交通运输密切相关, 逯娟^[43]的研究结果则表明交通运输是城市大气降雨中汞的主要来源之一, 因此主成分1可以解释为交通运输排放源; 主成分2与氨氮相关性较高, 根据李新艳等^[35]的研究, 我国大气中的氨气来源占比由高到低分别为畜禽排泄、氮肥施用、人类粪便和工业生产氮肥与合成氨等, 考虑到目前北京市工农业生产分布情况, 并结合唐莉华等^[13]和张静等^[29]的研究, 发现城区屋顶厕所排气口附近降雨和屋面径流中氨氮浓度明显偏高的结果, 主成分2可以解释为生活源(主要来自厕所排气口排放); 主成分3与化学需氧量相关性较高, 可能主要与生物质燃烧、大气挥发性有机物的二次合成和机动车尾气排放等过程有关^[44~46].

屋面径流共提取出影响水质的2个主成分, 方差贡献率分别为43.381%和26.471%, 累积方差累积贡献率为69.852%; 其中, 主成分1对方差贡献率起到主要作用, 该主成分与悬浮物、化学需氧量、总磷和重金属的相关性较高, 可解释为屋面材料老化和金属雨落管锈蚀释放源^{[3, 40]}; 主成分2与氮类污染物的相关性较高, 其来源主要包括大气干湿沉降和鸟类粪便累积等^[47].

对比降雨和屋面径流污染物主成分结果可以发现, 影响降雨和屋面径流水质的主成分均与化学需氧量、氨氮和总氮相关性较高, 屋面是承接大气沉降的主要载体, 因此降雨和屋面径流污染物来源表现出一定相似性; 与降雨相比, 屋面径流污染物主成分相关性指标增加了悬浮物、铅和锌, 说明这3项指标主要与屋面污染物累积有关.根据主成分分析结果, 大气降雨污染物主要来自交通运输排放, 而屋面径流污染物主要来自屋面材料老化和金属雨落管锈蚀, 因此可有针对性地采取汽车尾气排放削减、屋面材质抗老化和金属雨落管防锈蚀等措施, 以进一步改善中心城区降雨和屋面径流水质.

4 结论

(1) 北京市中心城区屋面径流总氮、氨氮、化学需氧量和悬浮物浓度较高, 径流EMC平均值均超过《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准限值[悬浮物超过《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)二级排放标准]; 降雨污染物浓度相对较低, 但总氮和氨氮也存在超标情况.

(2) 不同降雨条件下各屋面径流初始冲刷效应存在差异; 污染物径流初始冲刷强度由大到小排序依次为: 氨氮>悬浮物>化学需氧量>总氮>汞>锌>总磷>铅, 初始冲刷强度以中等和微弱为主.雨量增大有利于屋面累积污染物的冲刷和输移, 但悬浮物和总磷反而在小雨条件下初始冲刷效应更为明显, 可能主要与污染物的迁移能力存在差异有关.

(3) 屋面径流悬浮物浓度与干燥期长度呈显著正相关, 与降雨强度呈显著负相关; 屋面径流中化学需氧量、总磷和汞等污染物常吸附到悬浮物颗粒表面并随之迁移, 因此也表现出类似的相关性规律.

(4) 根据主成分分析结果, 降雨中的主要污染物为交通运输来源的氮类污染物, 屋面径流中的主要污染物则为屋面材料老化和金属雨落管锈蚀释放的悬浮物、有机物和磷类污染物, 可重点针对汽车尾气排放削减、屋面材质抗老化和金属雨落管防锈蚀采取相应措施以改善中心城区降雨和屋面径流水质.