环境科学  2020, Vol. 41 Issue (8): 3657-3664   PDF    
引用本文
高斌, 许有鹏, 陆苗, 林芷欣, 徐兴. 高度城镇化地区城市小区降雨径流污染特征及负荷估算[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3657-3664.
GAO Bin, XU You-peng, LU Miao, LIN Zhi-xin, XU Xing. Analysis of Rainfall Runoff Pollution and Pollution Load Estimation for Urban Communities in a Highly Urbanized Region[J]. Environmental Science, 2020, 41(8): 3657-3664.
高度城镇化地区城市小区降雨径流污染特征及负荷估算
高斌1, 许有鹏1, 陆苗1, 林芷欣1, 徐兴2     
1. 南京大学地理与海洋科学学院, 南京 210023;
2. 江苏省水文水资源勘测局无锡分局, 无锡 214031
收稿日期: 2019-09-26; 修订日期: 2020-02-13
基金项目: 国家重点研发计划项目（2018YFC1508201）；国家自然科学基金项目（41771032）
作者简介: 高斌(1993~), 男, 博士研究生, 主要研究方向为水文学与水资源, E-mail:gaogisstudy@163.com
通信作者: 许有鹏, E-mail:xypnju@163.com
摘要: 太湖平原是我国城市化快速发展的地区，同时也是水环境问题最突出的地区之一.虽然该区域在国家大力治理下点源污染基本得到控制，但是城市降雨径流污染仍是当前关注的热点问题.为此本文选择了不同类型城市小区开展降雨时径流污染物浓度变化对比实验观测，根据采集的多个降雨场次径流污染数据，采用多种方法计算和分析该地区不同类型小区降雨径流特征并估算污染负荷.结果表明，太湖平原地区城市居民小区的降雨径流会污染河道水质；不同类型城市小区都具有一定初期冲刷效应，商业住宅小区污染较商住私房混合小区轻，但是初期冲刷效应更加明显；太湖流域平原地区商住私房混合小区和商住餐饮小区最佳初期流量截留占比为30%，商业住宅小区则为25%.太湖流域平原地区在全国不同的城市小区中整体污染负荷较高，尤其体现在氮磷污染.该研究对高度城市化地区城市小区降雨径流污染治理有重要参考价值.
关键词: 降雨径流污染      初期冲刷      污染负荷      城市小区      最佳截留占比     
Analysis of Rainfall Runoff Pollution and Pollution Load Estimation for Urban Communities in a Highly Urbanized Region
GAO Bin1 , XU You-peng1 , LU Miao1 , LIN Zhi-xin1 , XU Xing2     
1. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China;
2. Wuxi Branch of Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Jiangsu Province, Wuxi 214031, China
Abstract: The Taihu Lake plain is a highly urbanized region in China with many water-related environmental problems. Although point-source pollution has been effectively controlled by government legislation, urban surface runoff pollution is still a major issue. Different types of urban communities were selected for rainfall runoff experiments. According to the monitoring data of rainfall events, multiple methods were used to analyze the characteristics of surface runoff pollution and estimate the pollution load for different types of communities. The results indicated that surface runoff from urban communities reduced the river water quality. Certain degrees of the 'first flush' effect occurred in different types of urban communities. The surface runoff pollution in the commercial residential community was weaker than that in commercial and private residential communities; however, the first flush occurred more frequently in the commercial residential community. Holding back 30% of the surface runoff could effectively improve the runoff water quality in commercial and private residential communities as well as the commercial residential community with restaurants. In the commercial residential community, 25% of surface runoff should be held to improve runoff water quality effectively. The loads of pollutants, especially nitrogen and phosphorus, in urban communities in the Taihu Lake basin were higher than those in other regions in China. This research can assist with the reduction of surface runoff pollution in highly urbanized communities.
Key words: surface runoff pollution      first flush      pollution load      urban community      optimal retention proportion     

长江三角洲太湖流域平原区是我国最为发达的地区之一, 同时也是水污染最为严重的地区之一, 随着经济发展该地区水环境问题日趋突出.在2007年太湖蓝藻大暴发事件以后, 其水污染问题亟需治理, 而河道营养盐输入仍然是湖体营养盐的主要来源[1].因国家加大治理力度, 点源污染基本得到控制, 但是地区水质状况仍不容乐观.降雨径流导致的非点源污是造成河流水质恶化的最主要原因之一[2], 太湖治理应将重点放在流域非点源污染控制上.

城市非点源污染作为长期关注的热点问题, 国外在上世纪就已开展了相关研究[3, 4], 近年仍有不少研究开展[5].而国内近年来也在不同城市开展了城市降雨径流污染研究, 包括北京[6~8]、上海[9]、武汉[10]、沈阳[11]和重庆[12]等, 但是在太湖平原城镇化地区研究较少.王海邻等[13]在研究中总结了国内外多个地区道路的降雨径流次降雨径流平均浓度(EMC)值, 发现我国大部分高速路总可溶性固形物(TSS)远高于其他国家.

人类活动在地表产生的污染是降雨径流过程中污染最直接的来源, 因此降雨径流污染受到不同地表类型的影响, 包括屋面、道路、绿地和管网系统[14, 15]等.针对不同的地面类型, 降雨过程中产生的污染存在差异, 在不同的城市基本上都存在类似的结论, 即一般降雨径流污染物平均浓度表现为路面高于屋面、屋面高于绿地[16], 这一规律在TSS指标上最为明显, 但是总磷(TP)和总氮(TN)污染有时会表现为屋面高于路面[8, 17, 18].在更进一步的研究中, 相同的地面类型上使用的不同材料对降雨径流污染也有影响[12].管网系统也受到人类活动的影响, 在不同降雨情景下对地表径流污染影响程度不同, 小雨情景下地表径流中固体悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、TN和TP的EMC高于管网出流, 大雨情景下与之相反[19].此外降雨间隔[20]及特征[9, 21]也是影响径流中各类污染物的重要因素.

已有研究中主要针对降雨径流污染影响因素, 主要包括前期晴天数、降雨事件特征以及地表状况, 例如不同用地类型上的降雨径流污染[22].但是近年来城镇化发展迅猛, 城市小区作为城镇化过程中一个显著的复杂单元, 研究其整体的降雨径流污染特征及负荷对城市区水污染防治更具有重要价值, 而这正是目前研究中较为缺乏的方面.因此, 本文在我国城镇化进程迅速的太湖流域平原地区, 以高度城镇化的无锡市区为典型区域, 对比该地区不同类型城镇化小区降雨径流污染特征, 定量化提出不同类型城市小区最佳初期流量截留占比以及降雨径流污染负荷, 对了解城市化过程中不同类型城市小区降雨径流污染状况, 以及未来城市小区建设和管理中降低降雨径流污染有一定参考作用.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

无锡市地处长江三角洲中太湖流域平原地区, 是我国城镇化发展程度较高的地区之一, 其市区地处武澄锡虞水利片区, 河网密度约为3.5 km·km-2.该地区为亚热带季风气候区, 四季分明, 雨量丰沛, 年均降雨量基本在1 000~1 400 mm之间, 多年平均雨日为122.3 d.但是年内雨量分配不均, 每年降雨集中在5~10月, 该时期是地区暴雨洪水的多发季节, 同时也存在较为严重的水环境安全问题.根据相关统计结果[23]分析, 无锡在2014年人口城镇化率达到了51.50%, 建成区面积占比达到约13.84%, 非农业GDP占比更是达到98.3%, 城镇化达到了较高的水平, 且城镇化进程仍在快速推进.

基于对无锡市区内多个住宅小区的调查, 最终根据小区的建设时间、功能以及管理水平选定了3个典型小区, 基本能够代表无锡市区内住宅小区主要特征.各小区均位于无锡市区内, 是城镇化发展到一定程度下, 地表特征基本稳定的小区, 分别为沈巷小区、广丰三村东风小区和槐古豪庭北区(沈巷、广丰和槐古小区), 相互间直线距离不超过4.5 km.沈巷与广丰小区皆建设于20世纪90年代, 槐古小区则建于2004年, 3个小区均在监测实验前的2 a内完成了雨污分流改造工程(图 1).

图 1 城市小区示意 Fig. 1 Urban communities

沈巷小区是典型的商住私房混合小区, 私房区卫生较差, 部分生活用水和厨余垃圾会直接倾入雨水管道.此外, 采用简易垃圾收集房收集垃圾, 也极易造成降雨径流污染.广丰小区则为典型的商业住宅小区, 采用桶式垃圾桶收集垃圾并及时清运, 路面定期清扫, 卫生状况较好.槐古小区作为新建的商业住宅区, 建设有地下车库, 管理水平较高, 卫生状况较为良好, 但部分餐厅餐饮废水会进入雨水井, 是典型的商住餐饮小区.

1.2 径流污染监测方案

太湖平原地区对地表河流长期开展水质监测, 为进一步了解该地区污染规律, 增设加密监测实验.实验中采用了长间隔(1~2 h)与短时间(5~10 min)间隔结合的监测方案, 以全面探讨该地区降雨径流污染的特征.由于太湖平原地区河网密布, 小区雨水经管道后直接汇入集水窨井, 然后再通过总排口排入河道, 因此仅在距离小区总排口最近的集水窨井中进行水质采样.

为更好了解地面冲刷导致的污染情况, 需要获取降雨中的污染物本底值.对每场降雨采样一次, 采样点设于研究区内无锡国家水文站.采集降雨径流样品的同时, 在沈巷小区雨水排放受纳河道(民丰河), 以及广丰小区雨水排放受纳河道(北兴塘)采样河水水样, 作为受纳水体水质的参考, 以反映降雨冲刷后对区域河流水环境的影响.而槐古小区出口不在河流上, 因此未对其受纳水体的水质进行采样.并且所选小区皆位于无锡城市大包围内, 在降雨发生时河道水位仍会维持在较低水平, 因此降雨后集水井内水只会向河道单向流动, 采样水质不会受到河水影响.

在该地区2014年7~9月的降雨场次监测中, 共有13场有效降雨, 其中径流水质监测较为完备的场次有9场, 短时间尺度监测2场, 长时间监测尺度7场.

1.3 降雨径流污染分析和地表污染负荷估算

由于降雨事件的时间、强度和雨型不同, 所选取的小区建设、管理和类型等条件不同, 降雨事件中的径流污染情况变化较为复杂, 所以采用次降雨径流平均浓度(EMC)方法计算不同小区降雨事件中的径流平均污染情况.由于不能测量每个时刻的水质状况, 所以根据间隔时间段采集的水样计算EMC.

(1)

式中, i为采集水样的次序, ci为第i次采样水体中的污染物浓度, 单位为mg·L-1, qi为对应采样时间段内径流总量, 单位为m3, N为某场降雨中采样次数.采用径流系数方法计算地区的流量.

单位面积径流污染年负荷体现了高度城镇化地区径流污染的严重性, 反映了对该地区河流污染的输送情况.可通过以下计算获得：

(2)

式中, M为径流年污染负荷, 单位为mg·(m2·a)-1, P为年降雨量, 单位为mm·a-1, EMC为多次降雨事件中EMC的平均值, 单位为mg·L-1, αj为不同用地类型的径流系数, 根据小区实际情况, 参考已有相关小区集水井推流结果和相关标准[24]分别取值, 见表 1.

表 1 城市小区面积及径流系数 Table 1 Area and runoff coefficients of urban communities

1.4 初期冲刷效应分析

对不同场次降雨计算初期冲刷效应, 计算不同采样时间点的累计污染负荷量M和累计径流量V的关系, 绘制M-V曲线分析径流污染初期冲刷特征.污染物初期冲刷率(MFFn)则是根据绘制的M-V可以计算出不同体积分数时, 径流中含有的污染负荷占比得出, 计算方法如式(3)：

(3)

式中, n为径流量的体积分数, T为降雨径流过程中采样的总次数, ct为径流量体积分数为n时的样本浓度, 单位为mg·L-1, qt为径流量体积分数为n时流量, 单位为m3, M为总污染负荷, 单位为mg, V为总流量, 单位为m3.

2 结果与分析 2.1 降雨径流过程水质特征

降雨径流过程中水质状况不断发生变化, 统计不同场次降雨径流过程中不同阶段的降雨径流水质, 包括降雨水质、径流水质以及受纳水体的水质, 结果如表 2.由于太湖平原地区河网密度较大, 降雨产生径流基本直接汇入河网, 因此其与地表水联系更为紧密, 所以依据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)分析降雨径流过程中水质特征.雨水中高锰酸盐指数、COD、TP和NH4+-N的EMC平均值分别为2.86、18.19、0.057和1.03 mg·L-1, 存在一定的污染.但是TN的EMC平均值为2.80 mg·L-1, 未达到V类水质标准, 污染严重.无锡市区的雨水污染较重, 降雨发生时会造成区域水质污染加重, 尤其是氮污染.排水口各指标浓度皆远高于降雨的水质, 说明雨水降落地面后经过冲刷、汇流, 运移污染物达到排水口, 各种污染指标浓度相比降雨均会大幅增加(表 2).

表 2 不同小区径流水质EMC值及受纳水体水质范围及平均值统计/mg·L-1 Table 2 Ranges and mean values of rainfall, surface runoff EMC and receiving rivers water quality indicators concentrations/mg·L-1

从不同污染物EMC值的均值对比国内外不同城市的类似用地类型来看(表 2), 无锡市商住私房混合小区、商业住宅小区和商住餐饮小区降雨径流中仅考虑高锰酸盐指数时, 浓度较低, 而COD指标在商住私房混合小区超过Ⅴ类水质标准.但是整体上COD污染相比较其他城市较轻.NH4+-N的EMC值均值相较GB 3838-2002中的要求污染较为严重, TN污染浓度更高, 均超过V类水质标准, 整体上氮污染较为严重.且相较于国内外其他城市, 氮污染物浓度范围明显高于其他城市.TP的EMC值均值皆超出V类水质标准, 但是对比国内外其他城市相似类型地区TP污染情况基本相近.以国内地表水质标准为参考, 整体上该地区径流水质COD污染较轻, 磷污染较重, 而氮污染尤其严重.而对比国内外城市的污染状况, 径流中COD、磷浓度较轻, 氮污染较为严重.

表 3 国内外不同城市的居民区降雨径流水质EMC值1) Table 3 Runoff EMC for residential areas in different cities

降雨径流中的污染物浓度明显低于对应的河道(表 2), 当降雨形成的径流进入河道后, 会被河道中的水稀释, 同时随着河水的运动发生迁移转化, 污染物浓度下降, 但同时也会污染河水, 对河道水环境的保护造成压力.

2.2 太湖平原城市小区初期冲刷效应

降雨径流污染常见的影响因素中, 地表特征受到人类活动较大影响, 城镇地区人类活动对其影响更为频繁, 如地面清扫等可能降低污染状况和初期冲刷效应, 而车辆行驶、垃圾中转存放不规范以及污水处理不规范等则可能会加重地表污染状况和初期冲刷效应.初期冲刷效应指在降雨事件初期产生的径流中污染物含量在整个径流过程中最高, 不同研究中所认定的“初期”概念也存在差异, 包括初期25%、30%或50%径流量, 但是最常用的为30%径流量.无锡市城市小区2014年7~9月的降水事件中, 整体上前30%的径流中污染物含量均值都高于30%, 大部分降雨事件中基本都存在一定的初期冲刷效应, 对比已有研究中对初期冲刷效应的定义标准, 例如Saget等[29]提出的高标准：前30%径流量中含有80%以上污染物, 初期冲刷效应较为轻微.不同污染物中, 氨氮的初期冲刷效应最为明显, TSS初期冲刷效应最弱.

商住私房混合小区不同指标的MFF30均值范围为28.85%~32.91%, 商业住宅小区不同指标的MFF30均值范围为30.74%~40.34%, 商住餐饮小区不同指标的MFF30均值范围为31.84%~41.68%(表 4), 整体上商住餐饮小区的MFF30值高于商业住宅小区、高于商住私房混合小区.

表 4 不同城市小区前30%流量中排放的污染物量MFF30 /% Table 4 MFF30 at different urban communities/%

3 讨论 3.1 不同类型城市小区对径流水质特征和初期冲刷效应影响

小区类型与管理水平对小区的降雨径流水质特征的影响主要是对污染物的积累和去除程度造成影响.首先地表在非降雨时间内会由于大气沉降等原因累积污染物, 因3个小区地理位置相近, 其沉降污染物基本一致.但由于类型与管理水平差异, 商住餐饮小区绿地较多, 该用地类型的降雨径流污染较少[16].商业住宅小区和商住餐饮小区的污染物会被较快清扫, 所以污染相对较轻.车辆行驶也是污染的重要来源[30], 商住餐饮小区由于地下车库的存在, 车辆行驶对路面造成的污染较小.最后, 在垃圾管理上, 商住私房混合小区以垃圾房收集垃圾, 极易在降雨时成为污染的重要来源.通过对比不同降雨场次中的商住私房混合小区(沈巷)和商业住宅小区(广丰)及对应的受纳河道：民丰河和北兴塘的水质, 可以发现降雨产生的径流水质劣于受纳水体水质.因此, 降雨在太湖平原城市小区产生的径流对地区河流水质产生了很强的污染作用, 而非稀释作用.

整体上3个城市小区都存在一定的初期冲刷效应, 但是并不显著, 这与Qin等[31]在深圳市城市小区的相关研究结论相似.商住餐饮小区的MFF30值整体最大, 污染物初期冲刷效应在3个小区中最为强烈(表 4), 但是也仅略强于商业住宅小区, 商住私房混合小区的初期冲刷效应最弱.总体上3个小区中降雨径流污染最严重的商住私房混合小区初期冲刷效应反而较弱, 污染最轻的商住餐饮小区却表现出了相对强烈的初期冲刷效应, 这可能与商住餐饮小区建设时间较晚, 地表相对更为平整和光滑有关[30].商业住宅小区和商住餐饮小区径流污染情况相近, 初期冲刷效应也较为接近, 但是商住餐饮小区污染更轻, 却表现出了相对强烈的初期冲刷效应.这可能与小区的卫生管理有关, 在实际调查中发现, 由于商住餐饮小区中餐饮店不规范的垃圾处理, 雨水管道受到厨余垃圾污染, 从而导致了该小区污染仅略低于商业住宅小区.在研究城镇径流小区污染中, 下水系统污染对管道出流的污染贡献不容忽视[14].而且商住餐饮小区的初期冲刷效应比商业住宅小区更明显, 商住餐饮小区的降雨径流污染特征类似合流制管道小区特征, 在小区面积较小时会产生更为明显的初期冲刷效应[32], 造成了虽然商住餐饮小区整体建设、管理水平更高, 但是降雨径流水质相对商业住宅小区优势不明显, 且初期冲刷效应更强烈.

3.2 最佳初期流量截留占比

截留初期径流是缓解初期冲刷效应的重要方法, 但是初期降雨的截留设施建设有一定的成本.Jeung等[33]在对城市集水区初期冲刷效应研究中发现, MFFn值在n值增加同时存在一个最大值的拐点, 可认为此时截留能以有限成本最有效去除降雨径流中的污染.何湖滨等[34]针对城市不同材质屋面的降雨径流污染研究中, 认为截留污染物同样多时, 截留量越小投资最小, 且效果较好.本文认为截留单位体积径流量中污染物浓度最高时的初期径流, 能以有限成本最有效去除降雨径流中的污染.

因此本文计算了前50%径流中每5%径流中含有的污染物量与径流量比值, 当比值最高时认为达到最佳的初期流量截留占比, 如表 5.

表 5 场次降雨最佳初期流量截留占比均值及中值 Table 5 Mean and median values of the percentage of runoff that should be held back

在不同场次的最佳截留初期流量占比的中值和均值中, 选择了数值较大的作为小区最佳截留流量占比.因为当选取中值时, 能有效控制一半以上降雨场次的径流污染.当选取均值时, 虽然有少部分降雨场次径流污染最佳截留流量占比大于中值, 截留该部分流量仍然能够一定程度上控制这些降雨场次的径流污染.因此商住私房混合小区和商住餐饮小区采用最佳截留流量占比的中值, 而商业住宅小区采用最佳初期流量截留占比的均值.因为相同降雨场次中不同污染物的浓度变化存在差异, 所以选择中值或均值的众数作为小区最佳初期流量截留占比(表 5), 以截留径流中的大部分污染物.商住私房混合小区和商住餐饮小区的最佳截留流量占比为30%, 商业住宅小区则为25%(每5%取值).

3.3 城市小区污染负荷分析

在了解区域水污染状况和最佳初期流量截留占比的基础上, 进一步计算无锡市小区降雨径流中平均每10 mm降水造成不同污染物的单位面积负荷(表 6).商住私房混合小区的污染负荷明显高于商业住宅小区及商住餐饮小区, 尤其表现在氮磷污染方面, 其每10 mm降水的单位面积污染负荷达到其余两个小区的两倍以上.在COD污染负荷方面, 商住私房混合小区污染较高, 但是与其余两个小区差距小于氮磷污染.TSS负荷在3个小区差距更小, 但是商住餐饮小区所有污染物负荷皆小于商业住宅小区, TSS负荷却高于商业住宅小区.这说明不同太湖平原城市小区的管理对抑制氮磷污染更有作用, 对抑制COD污染效果相对较小.

表 6 太湖平原城市小区每10 mm降雨径流单位面积污染负荷/kg·hm-2 Table 6 Pollution load caused by every 10 mm of precipitation in urban communities in the Taihu Lake plain/kg·hm-2

通过统计已有研究成果中2010年代全国不同城市小区或地区的污染物负荷情况(表 7), 发现在不同年份的各种类型区域, 太湖平原区的城市小区氮磷污染负荷皆高于其他城市.其中, TN污染负荷基本达到其他城市地区TN污染负荷3倍以上, TP负荷同样高于其他城市, 但其负荷相对其他城市的严重程度小于TN污染负荷, 说明太湖平原地区TN负荷控制相较TP更为严峻.COD的污染负荷状况则明显好于氮、磷污染负荷, 在不同时期的城市中处于中游水平, 其污染负荷相较于氮、磷低.与各类污染指标完全相反, TSS负荷明显小于其他城市区域, 说明太湖平原区的小区地面较为整洁, 地表颗粒物较少, 同时也反映了该地区的污染物主要来源不是地表颗粒物质.

表 7 我国不同城市区域每10 mm降雨径流单位面积污染负荷1) Table 7 Pollution load caused by every 10 mm of precipitation in different cities

4 结论

(1) 长江下游三角洲太湖平原地区雨水水质污染较重, TN含量超过地表水V类水标准, 降雨后会造成更严重污染.太湖平原城市小区的降雨径流会对河道水质造成污染, 城市小区降雨径流是地区水质污染的重要来源之一.

(2) 整体上太湖流域平原地区的城市小区有一定的初期冲刷效应, 且存在污染越轻的小区初期冲刷效应却越明显的现象, 这与该地区的小区建设管理、路面清扫以及不规范的污水处理有关.规范的小区建设以及生活方式对降雨径流水质的改善有较好作用, 但是同时也要对管道系统的污染有规范化管理, 否则会导致区域水质污染严重.

(3) 太湖流域平原地区城市小区中, 商住私房混合小区和商住餐饮小区最佳初期流量截留占比为30%, 商业住宅小区则为25%.在全国不同时期的不同城市小区中, 氮污染较为严重, 处于较高水平, 磷污染相对较轻, 有机污染物污染则处于中等水平.太湖流域平原地区整体污染状况较为严峻.

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