合肥市不同下垫面降雨径流水质特征分析

谢继锋,胡志新,2*,徐 挺,,韩红艳,尹大强 (.安徽大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 2060；2.南京大学环境学院,江苏 南京 20046；.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

合肥市不同下垫面降雨径流水质特征分析

谢继锋1,胡志新1,2*,徐 挺1,3,韩红艳1,尹大强3(1.安徽大学资源与环境工程学院,安徽 合肥 230601；2.南京大学环境学院,江苏 南京 210046；3.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

通过对合肥市4种不同类型下垫面27场降雨径流和自然降雨水样中SS、COD、TN和TP水质指标的分析,探讨了草地、屋面、校内路面和校外道路降雨径流污染物历时变化规律及初期冲刷效应,比较了不同类型下垫面降雨径流和自然降雨水样中污染物浓度分布的差异,计算了场次降雨径流污染物的事件平均浓度.结果表明,不同下垫面降雨径流污染物浓度随时间变化的规律相似,且大多存在初期冲刷现象,一般在降雨初期污染物浓度较高,随着降雨历时的延长污染物浓度呈下降趋势,并趋于平稳;不同下垫面降雨径流和自然降雨水样中TN污染负荷较高,大气湿沉降对降雨径流中TN的贡献很大;校外道路降雨径流水样中SS、COD、TN和TP浓度的变化范围冬半年大于夏半年,不同下垫面条件对降雨径流中污染物EMC的影响存在差异.

不同下垫面；降雨径流；水质；合肥市

城市降雨径流污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面,聚集的污染物质通过排水系统直接排入水体而造成的水体非点源污染.影响城市地表径流污染的因素包括:区域气候、降雨特征、城市土地利用类型、大气污染状况、地表清扫情况、下水道状况等[1].城市降雨径流中携带的大量污染物进入受纳水体,造成受纳水体水质下降,城市水环境和水平衡受到破坏.对于水资源短缺,降水时空分布不均的地区,城市雨水资源化利用是改善城市生态环境的有效措施,但雨水,尤其是初期雨水径流中污染物浓度较高,增大了雨水资源化利用的难度.

城市降雨径流污染问题的研究始于20世纪70年代初期的美国,后来法国、德国、澳大利亚和日本等发达国家也根据本国降雨径流的实际情况开展了相关研究,主要的研究内容包括降雨场次污染物平均浓度(EMC)、初期冲刷效应(FFE)、不同下垫面地表径流污染特征影响因素以及控制城市径流污染的“最佳管理措施(BMPs)”方案等[2-5].我国这方面的研究起步较晚,目前已在北京、上海、武汉、广州、澳门、镇江、南昌和郑州[6-13]等城市展开了降雨径流污染的研究,但研究仍处于零散状态,时空连续性和系统性较差[14].本研究以合肥市安徽大学磬苑校区校园内及其附近4种不同类型下垫面(草地、屋面、校内路面、校外道路)降雨径流为对象,进行为期一年的连续监测,分析不同类型下垫面降雨径流污染的主要特征及其差异,为合理开展城市径流面源污染控制和有效利用城区雨水资源提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 区域概况和降水特征

合肥市地处长江和淮河之间、巢湖之滨,属于北亚热带季风气候,四季分明,雨量适中,夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥;多年年平均降水量约为1000mm,降雨多集中在 6～8月份,约占全年降水量的 41%,冬季降水较少,仅占降水量的 11%;多年年平均气温为 15.7℃,1月份最低平均气温为7.7℃,7月份最高平均气温为28.9℃[15].

从2009年10月起到2010年9月,监测到合肥市有 27场有效降水(有效降水指降水量大于3mm,可形成径流),有效降水量(降雪以积雪融化后水量计)1330.5mm,场均降水量(45.9±34.5)mm;冬半年(2009年10月～2010年3月)有11场有效降水,有效降水量共 332.2mm,占全年降水量25.0%,场均降水量(27.7±16.0)mm;夏半年(2010年4月～2010年9月)有16场有效降雨,有效降雨量共998.3mm,占全年降水量75.0%,场均降水量(58.7±38.6)mm.

由于降雨的随机性很大,全面监测不同类型下垫面全年降雨情况受很多因素限制,特别是降雨开始时间难以预知,有些场次没有采集到初期降雨径流或者没有采集校外道路、草地的径流水样,27场有效降水中采样较完整的有9场(表1).

表1 监测降雨事件的降雨特征Table 1 Characteristics of the monitoring rainfalls

1.2 实验地点和采样方法

采样区选择在合肥市安徽大学磬苑校区校园内及其附近.安徽大学磬苑校区位于合肥大学城的中西部,翡翠路以北,九龙路和汤口路以东,容城路以南,翡翠湖环湖西路以西,东侧毗邻翡翠湖公园景区.4个采样点选定在安徽大学磬苑校区笃行北楼屋面、笃行北楼门前校内路面、南校门前校外道路和行政楼南侧草地.笃行北楼屋面为水泥面,采样点集流面积 274m2;笃行北楼门前校内路面采样点集流面积共计 578m2,其中水泥行车路面142.4m2,渣砖人行道435.5m2,与图书馆、博学北楼相邻,以人流为主,车流量较少;南校门外道路采样点集流面积共计 829m2,其中沥青路面512m2,路边花坛128m2,渣砖人行道188.8m2,行人较少,车流量较大,平均每天通行大型货车和客车1228辆,中型货车和客车1906辆,小型轿车2541辆,摩托车551辆,共计6226辆;草地所在区域车流量、人流量均很少,采样点集流面积1189m2.

2009年10月～2010年9月,每逢降水并形成径流,在4个采样点径流汇集处采集水样,用容积法监测径流量.在笃行北楼屋面安装LQX-YQ型雨量器,同步监测降雨特征,雨量器储水瓶中的雨水用作自然降雨水样.对有效降雨,具体采样时间为:屋面、校内路面、校外道路和草地产生明显径流开始,分别在 0,10,20,40,60,90,120,l80, 240min时,用1L聚乙烯瓶各取1次水样,水样的采集方法遵守《水质采样技术指导》[16].其中草地产生明显径流的开始时间滞后,但降雨停止后径流可能会持续一段时间.如果降雨暂停或所形成的径流很小而难以收集水样,则采样暂停,待降雨及其形成的径流增大再继续采样.降雨暂停或所形成的径流很小的时间不计入降雨产流时间,在取样时间累计时将这段时间扣除.如果降雨及其形成径流结束,且 2d之内不再降雨,则本次降雨事件采样结束.

1.3 样品分析方法

径流水样及时送至实验室冷藏,并在规定时间内进行水质指标分析.悬浮物(SS)采用重量法测定,化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法测定,总氮(TN)采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定,总磷(TP)采用钼锑抗分光光度法测定[17-18].

1.4 水质评价标准

本研究主要参照地表水环境质量标准[19]和污水综合排放标准[20]对不同类型下垫面(草地、屋面、校内路面、校外道路)降雨径流和自然降雨水样中污染物进行评价(表2).

表2 地表水环境质量标准和污水综合排放标准Table 2 Quality standard of surface water and emission standard of sewage

2 结果与讨论

2.1 降雨径流污染物输出特征

受降雨强度、降雨历时、前期晴天数、下垫面性质和污染物类型等因素的影响,单次降雨径流中各项污染物浓度差异较大.根据 2009年 10月～2010年9月27场有效降水事件的监测结果,对4种不同类型下垫面(草地、屋面、校内路面、校外道路)降雨径流和自然降雨水样中 SS、COD、TN和TP 4个监测指标的浓度变化进行分析,得到降雨径流事件各污染物平均浓度历时变化过程图(图 1).结果表明,不同下垫面条件对同一种污染物的贡献率存在差异,但污染物浓度随时间变化的规律相似,一般在降雨初期污染物浓度较高,由于冲刷效应[21],随着降雨历时的延长,污染物浓度呈下降趋势,降雨径流形成前20min内各污染物浓度下降较为明显,90min以后趋于平稳.

不同下垫面条件对降雨径流中污染物浓度有直接影响.草地降雨径流SS、COD、TN平均浓度一般低于相应时间校外道路、校内路面和屋面降雨径流的平均值,这说明草地对这些污染物有削减的作用.校外道路降雨径流中SS、COD、TP浓度明显高于草地、屋面和校内路面.这是因为校外道路受人为活动直接干扰大,汽车和行人等产生大量污染物堆积在道路上,降雨时形成降雨径流污染.降雨初期,校外道路降雨径流中SS、COD浓度的平均值高达584.65、163.45mg/L,超出城镇二级污水处理厂二级排放标准;TP浓度的平均值高达 1.100mg/L,超出地表水Ⅴ类要求的限值和污水综合排放三级标准.

从TN浓度来看,4种不同类型下垫面径流事件平均浓度变化过程线差异不明显.自然降雨水样中TN浓度平均值为(4.631±3.614)mg/L,校外道路、校内路面、屋面、草地降雨径流TN污染负荷较高,均超出地表水Ⅴ类要求的限值.这表明合肥地区大气湿沉降对降雨径流中 TN的贡献很大.于军亭等[22]2007年对济南城区屋面和路面降雨径流污染物研究中,TN的平均浓度为 3.42～5.27mg/L;夏宏生等[9]2008～2009年对广州市城区降雨径流污染物监测中,屋顶和路面降雨径流 TN 的平均值分别为 8.54, 11.74mg/L,变化范围分别为1.65～25.7和4.52～29.82mg/L;张德刚等[23]2007年7～8月份对滇池流域降雨径流污染物监测中,居民生活区、居民生活-集市区和屋面径流 TN的平均值分别为(6.37±4.14),(15.36±7.73),(2.09±0.06) mg/L.降雨淋洗大气中的 NH4+-N可能是降雨径流中 TN的主要来源,降雨径流中的TN污染应引起有关部门的高度重视.

图1 径流事件各种污染物平均浓度随径流形成时间的变化Fig.1 Variations of the contaminants concentration

与屋面和校内路面相比,草地及校外道路降雨径流TP平均浓度较高.校外道路(含路边花坛)和草地降雨径流中 TP值较大,可能与合肥地区高磷含量的土壤[24]被冲刷有关.降雨径流中 TN的含量较大,且巢湖流域土壤磷含量较高,不利于巢湖水体富营养化控制.

评价是否存在初期冲刷现象,通常借助场次降雨累积污染物总量与累积径流总量之比的曲线.本研究采用Geiger[25]的定义,根据降雨量和平均降雨强度的大小从采样较为完整的 9场有效降水事件中选3场监测结果绘制M(V)曲线,结果如图2所示.可以看出,不同类型下垫面降雨径流中各类污染物大多存在初期冲刷现象,但又表现出径流排污规律的复杂性和不确定性[26].降雨较大时屋面径流的初期冲刷现象最明显,校内路面和校外道路可能与人为清扫等活动干扰有关,草地降雨径流形成一段时间后才可能出现初期冲刷效应;TN初期冲刷效应不显著,这与董欣等[14]研究结果一致.

2.2 降雨径流污染物浓度分布差异

各场次降雨事件自身特征的不确定性和差异性导致了不同类型下垫面降雨径流污染物浓度变化幅度较大.通过分析4种不同类型下垫面降雨径流和自然降雨水样中污染物SS、COD、TN和TP瞬时浓度分布的时空差异,统计分析结果见图3.

校外道路降雨径流水样中SS浓度变化范围最大,校内路面次之,屋面、草地和自然降雨较小.一般来说,不同类型下垫面降雨径流水样中 SS浓度的变化范围冬半年大于夏半年.校外道路降雨径流和自然降雨水样中COD浓度分布范围差异较大,校外道路降雨径流水样中 COD浓度值夏半年集中分布在中值附近,自然降雨水样中COD浓度变化范围冬半年大于夏半年.夏半年校内路面和校外道路降雨径流水样中COD平均值约为冬半年平均值的 1/3,差异明显,这表明夏半年降雨稀释作用明显(夏半年降雨量占全年降水 量75.0%).

图2 3场降雨径流污染物初期冲刷效应分析Fig.2 First flush effects of runoff in 3 rainfall events

校外道路降雨径流水样中TN浓度的变化范围冬半年大于夏半年,屋面、校内路面降雨径流和自然降雨水样中 TN浓度的变化范围夏半年大于冬半年.这种差异可能是因为降雨淋洗大气中的NH4+-N占降雨径流TN的主要部分,但降雨量的不同又导致降雨对径流水样中 TN的稀释效果有所差异.4种不同类型下垫面降雨径流和自然降雨水样中TN浓度的变化范围较为相似,这也表明合肥地区大气湿沉降对降雨径流中TN的贡献很大.

校内路面和校外道路降雨径流水样中TP浓度的变化范围冬半年大于夏半年,校内路面和校外道路降雨径流污染物TP平均值冬半年也高于夏半年,而自然降雨、草地、屋面径流污染物TP平均值冬半年与夏半年接近.冬半年降水较少和校内路面、校外道路受人为活动干扰较大可能是出现这种差异的原因.

2.3 场次污染物平均浓度(EMC)

单一场次降雨径流中污染物浓度随时间变化较大,因此通常采用场次污染物平均浓度(EMC)来表示一场降雨径流全过程排放中某种污染物的平均浓度.EMC定义为单场降雨径流的污染物总负荷除与径流总量之比[27].

图3 降雨径流和自然降雨水样中污染物浓度比较Fig.3 Box plots of contaminations concentration in rainfall runoff and natural precipitation

对采样较为完整的9场降雨径流污染物EMC进行计算,结果见图4.降雨量、平均降雨强度较大时,不同场次降雨径流EMC值相对较小;4种不同类型下垫面中,校外道路降雨径流水样中污染物EMC值一般最大,校内路面次之,草地对SS、COD、TN有削减作用.对于一次降雨事件来说,场次降雨径流污染物EMC值与降雨量、降雨强度、下垫面类型和地表清洁状况等因素相关[6,28].

图4 不同场次降雨径流EMC变化Fig.4 Change of EMC in different rainfall events

表3为不同类型下垫面9场降雨径流污染物EMC的平均值.校外道路降雨径流污染物EMC平均值最大,SS远高于城镇二级污水处理厂二级排放标准,COD、TN和TP均超出地表水Ⅴ类要求的限值;COD的EMC平均值小于北京[6]和上海[7],与澳门[10]相近.草地、屋面、校内路面降雨径流COD和TP的EMC平均值符合地表水Ⅴ类要求的限值.草地、屋面、校内路面、校外道路降雨径流TN的EMC平均值超出地表水Ⅴ类要求限值的1～2倍.

表3 降雨径流污染物EMC平均值Table 3 Mean values of EMC in rainfall runoff

3 结论

3.1 不同类型下垫面降雨径流污染物浓度随时间变化的规律相似,且大多存在初期冲刷现象.一般在降雨初期污染物浓度较高,由于冲刷效应,随着降雨历时的延长污染物浓度呈下降趋势,降雨径流形成前 20min内各污染物浓度下降较为明显,90min以后趋于平稳.

3.2 从TN浓度来看,4种不同类型下垫面径流事件平均浓度变化过程差异不明显.自然降雨水样中 TN浓度平均值为(4.631±3.614)mg/L,校外道路、校内路面、屋面、草地降雨径流TN污染负荷较高,均超出地表水Ⅴ类要求的限值,表明大气湿沉降对降雨径流中TN的贡献很大.

3.3 校外道路降雨径流水样中SS、COD、TN、TP浓度的变化范围冬半年大于夏半年,冬半年降水较少是出现这种差异的原因.

3.4 不同下垫面条件对降雨径流中污染物EMC的影响存在差异.草地对SS、COD、TN的EMC有削减作用.校外道路降雨径流中 SS、COD、TN和TP的EMC值明显高于草地、屋面和校内路面.与屋面和校内路面相比,校外道路和草地降雨径流TP的EMC值较高.

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Water quality characteristics of rainfall runoff in Hefei City.

XIE Ji-feng1, HU Zhi-xin1,2*, XU Ting1,3, HAN Hong-yan1, YIN Da-qiang3(1.School of Resources and Environmental Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China；2.School of the Environment, Nanjing University, Nanjing 210046, China；3.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2012,32(6)：1018～1025

Water samples from different underlying surface conditions, including grassplot, top of building, road in campus and road outside campus, were collected from 27 rainfall events in Hefei City. SS, COD, TN and TP were analyzed and compared. The study illustrated the time-varying regularity, the first flush effect, and the even mean concentrations of rainfall runoff pollutants on different underlying surface conditions. Results showed that contamination concentrations were commonly higher at the initial stage, while decreased with prolonging of the rainfall time and gradually became stable at the later stage. TN loading was high in rainfall runoff under both different underlying surface conditions and natural rainfall, indicating that atmospheric wet deposition contributed a lot to the TN of rainfall runoff. Variation of SS, COD, TN and TP in the road runoff outside campus were wider in the period from October 2009 to March 2010 than those in the period from April to September 2010. EMCs in the rainfall runoff depended greatly on different underlying surface conditions.

underlying surface conditions；rainfall runoff；water quality；Hefei City

X522

A

1000-6923(2012)06-1018-08

2011-10-06

国家“水体污染控制与治理”科技重大专项(2008ZX07316-004,2009ZX07106-001-002,2009ZX07316-005)

* 责任作者, 讲师, xin1616@tom.com

致谢：感谢金雯晖、田翠翠、聂莲莲、王 帅、吴俊妹、闫 珍、朱朝云、王 见、蔡 婷、伍孟雄等同学帮助采集和分析水样.

谢继锋(1956-),男,湖南长沙人,实验师,研究方向为环境监测.发表论文10余篇.