北京城區不同下墊面降雨徑流產污特征分析

歐陽威,王 瑋,郝芳華,宋凱宇,王云慧 (北京師范大學環境學院,水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875)

城市化進程的加速伴隨著城市自然景觀的改變,不同于自然地表條件的大面積瀝青路面和硬質屋頂形成了“城市第二自然格局”[1],這不僅嚴重影響了景觀中的物質循環和能量分配,而且對區域氣候、土壤、水量和水質的影響具有深遠的影響[2],其中,城市非點源污染問題日益突出.

城市非點源污染指城市降雨徑流淋洗與沖刷大氣和匯水面各種污染物引起的受納水體的污染,是城市水環境污染的重要因素[3].降雨是城市非點源污染形成的動力因素,而降雨形成的徑流是非點源污染物遷移的載體[4].因此,狹義上的城市非點源污染即指城市降雨徑流污染,它是城市非點源污染的最主要形式.城市降雨徑流污染的形成機制復雜,受到區域降雨特征、城市生態水文機制、區域交通生活狀況及下墊面條件等諸多因素的影響,已經成為城市水環境污染和生態退化的主要影響因素,是水體水質惡化和生態功能退化的第三大污染源[5].當前,國內外學者對城市降雨徑流污染的研究主要包括以下幾個方面:城市暴雨徑流污染物的時空分布[6-8];城市瀝青路面[9]和綠化路面[10]等不同下墊面[11]暴雨徑流產污特征;城市綠化對污染物的控制效應[12-13];暴雨徑流的沖刷效應及城市降雨徑流模型開發[14-15]等.其中,城市降雨徑流產物特征研究是深入開展城市非點源污染研究的基礎.

本研究在對年內逐日降雨特征觀測的基礎上,通過對瀝青路面、硬質屋頂、草地屋頂這三類不同城市下墊面條件下的降雨徑流過程及污染進行同步監測和分析,揭示不同下墊面條件下雨水徑流污染的輸出的時空規律,在此基礎上估算場次降雨徑流污染物質的平均濃度(EMCs),利用統計分析軟件分析降雨徑流水質的影響因素,并探討草地屋頂對徑流污染物質的削減效率,以期為不同下墊面形態下的雨水徑流污染物的預測、管理和控制提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 區域概況

圖1 北京市逐年降水量趨勢Fig.1 Diagram on the yearly distribution of Beijing

北京市氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促,多年年平均氣溫 14.0℃.通過對北京市 50余年降雨數據分析得知(圖1),其歷年降雨量分布很不均勻,年份差異大,但是總體降雨量呈逐年下降趨勢,多年平均降雨量 600mm 左右,年內降雨主要分布在夏季,以短促暴雨出現.結合北京市降雨特點,考慮到本研究中實驗規模和實驗的可操作性,采樣區選擇在北京師范大學校園內.

1.2 監測點選取及樣品采集

出于實驗過程安全方面因素的考慮,城市暴雨徑流樣品采集對水樣的要求大多是非夜間的有效降雨樣品,因此,結合北京城區下墊面特點和雨水樣品采集原則,本研究選擇3類不同下墊面的集水口作為樣品收集點,分別為:瀝青路面集水井口,硬質屋頂雨水豎排管口和草地屋頂雨水豎排管口(屋頂草地為用于降低室內溫度而人工種植的).3個采樣點分布在以樣品集中處理區為中心的100m范圍內,并在硬質屋頂架設了HOBO小型自動監測氣象站,對 2009年降雨過程進行實時監測,具體監取樣時刻為:對于每次有效降雨,從下墊面產生徑流開始,分別在 5、10、15、25、35、50、70, 100min時,用550mL聚乙烯瓶各取1次水樣,水樣的采集方法遵守《水質采樣技術指導》[16].

1.3 樣品分析

采集的徑流水樣及時送至實驗室并于 24h內進行水質指標的分析.根據城區暴雨徑流污染特征,選定7個水質指標進行分析,分別為CODcr、氨氮、硝氮、總磷、重金屬,具體測定的指標及分析方法見表1.

表1 水質指標分析方法Table 1 Analysis of water quality indicators

1.4 有效降雨特征

利用自動氣象站,對試驗點2009年全年降雨量進行了每日監測,研究期間采集到的2009年北京城區降雨特征見圖3.全年降雨量為356.6mm其中24h內降雨大于3mm的次數為18次,產生有效徑流的降雨次數為12次,但是出于保證實驗過程安全方面因素的考慮,水樣采集需要在白天、無雷擊的情況下進行,最終成功取樣的有效降雨事件有4次(表2).降雨量為3.8～18mm,降雨歷時為100～320min,最大降雨強度為0.04～0.50mm/min,平均降雨強度為0.0219～0.1800mm/min,前期晴天數為7～112d.

表2 監測的典型降雨事件的降雨特征Table2 The characteristics of the typical monitoring rainfall

1.5 場次降雨徑流事件的污染物負荷(EMC)

氣候特點及區域下墊面性質等影響因素的不確定性導致了同一區域在不同降雨事件中或不同區域在同一場次降雨事件中的各項污染物質濃度差異很大;并且各場次降雨事件本身特征的差異性也導致了徑流污染物質濃度變化差異顯著[17].美國環境保護署發布的美國城市徑流計劃建議[18]對場次降雨徑流事件的污染物負荷采用EMC指標進行量化.EMC是用來表示一場降雨事件徑流全過程排放的某種污染物質的平均濃度,其計算方法如下:

式中:M為整個降雨過程中某種污染物的總含量,g;V為相對應的總凈流量,m3;t為總的徑流時間,min;Ct為隨時間變化的污染物的含量,mg/L;Qt為隨時間變化的徑流速率,m3/min;△t為不連續的時間間隔.由于實測中無法監測污染物質的連續濃度數據,所以在實際計算過程中用某一時刻的污染物質濃度來代替其所在時間段的濃度.

2 結果與討論

2.1 不同下墊面污染輸出規律

對3類不同下墊面條件下降雨徑流中7個監測指標的濃度變化進行分析,得到徑流事件各污染物平均濃度指標歷時變化過程圖(圖2).圖2表明,3種下墊面條件對同一種污染物的貢獻率差異較大,但污染物濃度隨時間變化的規律相似,初期污染物濃度非常高,由于沖刷效應,后期濃度明顯下降.此外第一場有效降雨2009年第一場降雨,之前連續112d無降水,導致4次有效檢測濃度值偏差較大.降雨初期,硬質屋頂和瀝青路面CODcr平均濃度為達到1200mg/L,最大值1660mg/L,超出國家《地表水環境質量標準》[19]中的V類標準28倍,但經歷100min后,濃度下降為初期的15%左右.其他6類污染物在上述2種下墊面條件下初始NH3-N,NO3-N,TP濃度亦分別高達83.0,129.5,14.6mg/L和53.1,92.1,3.32mg/L,甚至超過《污水綜合排放標準》[20]中的三級排放標準.

通過對4場降雨事件在3類不同下墊面條件下的徑流出流規律進行綜合分析得知,在同場次降雨事件中,不同下墊面的透水性的強弱對徑流的沖刷效應有直接影響.草地屋頂較瀝青路面與硬質屋頂透水率高,雨水下滲能力強,產生的徑流量相對較少,對累積污染物質沖刷力弱,因此草地屋頂徑流中除TP外地其他6類污染物的初始濃度都要低于其在瀝青路面和硬質屋頂徑流中的濃度,這也說明草地屋頂對這些污染物質能夠起到削減作用.草地屋頂 TP濃度高于硬質屋頂之間,這與降雨對草地原有土壤的沖刷以及植物腐解作用等有關.降雨徑流對硬質屋面、綠草屋面、瀝青路面這 3類下墊面上污染物質的初始沖刷效應顯著,超過80%的污染負荷為占總徑流時間40%的初期徑流所運移.利用4次實驗中的96個樣品,所有7類污染物均有相似的過程線,且均符合指數回歸方程,相關系數均在0.75以上.

2.2 降雨徑流產污負荷分析

由表4可見,表明瀝青路面和硬質屋頂雨水徑流具有較高的污染強度,CODcr污染尤為嚴重.由于在2008年冬季至2009年之春季連續112d無有效降水,使得本文監測到的第1次降雨事件的徑流污染最為嚴重.瀝青路面徑流與硬質屋頂徑流中的CODcr濃度EMC值分別高達643mg/L和561mg/L,與《地表水環境質量標準》中的V類水標準相比,平均分別超標16倍與14倍.NH3-N、NO3-N和TP等氮磷污染物也均超出V類地表水質標準.Pb、Zn和Cu這3類重金屬元素的EMC值僅符合V類地表水質標準.

圖2 徑流事件各污染物平均濃度指標歷時變化過程Fig.2 Variations of the contaminations concentration

表3 實測不同下墊面條件下雨水徑流的EMC值(mg/L)Table 3 EMCs of monitoring runoff on the different underlying surface

表4 實測不同下墊面條件下雨水徑流的EMC值(mg/L)Table 4 EMCs of monitoring runoff on the different underlying surface (mg/L)

第4次降雨事件之前有1次未能監測到的夜間降雨,所以此次降雨徑流各項特征污染物濃度相對前 3次降雨有明顯的下降趨勢,但是CODcr、NH3-N和NO3-N的EMC值仍然超出V 類水標準.此外,各污染物在不同下墊面條件下表現出相似的分布特征,瀝青路面徑流中污染物質的含量明顯高于同場次降雨事件中硬質屋頂徑流的污染物含量.通過對 4次降雨的徑流污染物濃度指標綜合分析得知,2次有效降水之間的時間間隔越長,即干期時間越長,降雨徑流的特征污染物濃度越高.這與上海、武漢的研究結果一致[21-22].

2.3 降雨特征對徑流水質影響分析

降雨量、降雨歷時、最大降雨強度、平均降雨強度和前期干期長短等降雨特征對不同下墊面條件下的降雨徑流水質有直接影響.運用皮爾森相關關系分析法對所監測的各場次降雨事件中各污染物質的EMC值與降雨特征的相關關系作統計分析,結果見表5.CODcr與最大降雨強度、平均降雨強度在0.01的顯著水平下呈顯著負相關;與降雨量、降雨歷時在0.05的顯著水平下分別呈現顯著負相關與顯著正相關;與前期晴天數呈現正相關,表明CODcr隨降雨強度、降雨量的增加而趨于減少,隨降雨歷時的延長趨于增加,隨前期晴天數增加略有增加趨勢.NH3-N與降雨歷時、前期晴天數在0.01的顯著水平下呈顯著正相關;與降雨強度在0.05的顯著水平下呈顯著負相關;與降雨量呈現負相關.NO3-N與降雨量、降雨強度在0.05的顯著水平下呈顯著負相關;與降雨歷時、前期晴天數呈現正相關.TP、Pb、Zn、Cu與降雨量、降雨強度呈現負相關關系,與降雨歷時、前期晴天數呈現正相關關系.

表5 徑流水質與降雨特征的相關性分析Table 5 Correlation analysis between runoff quality and characteristics of the rainfall

統計分析表明污染物質在瀝青路面與硬質屋頂大量累積,在降雨初期由于徑流的沖刷而具有較高的濃度,表現出良好的初始沖刷效應,但是降雨量及降雨強度的增大,導致污染物質被迅速稀釋從而發生污染源的衰減及耗竭效應[23],使得各項污染物質的EMC值趨于減小,與降雨量、降雨強度呈現負相關關系.降雨歷時的增加使得下墊面的污染物質得以充分釋放,隨之而來的效應就是 EMC值的增加.此外前期晴天數的增長,導致污染物質在下墊面發生累積,時間越長污染物質累積越豐富,所以EMC值與降雨前期晴天數呈現正相關關系.

2.4 草地屋頂污染截留分析

本研究所選取的硬質屋頂與草地屋頂為相鄰兩處建筑物的房頂,降雨前期大氣干濕沉降等污染特征基本一致,而這兩類下墊面對各污染物質的截留差異以及遇降雨而發生的污染物排放差異是由其本身的性質決定的.根據EMC濃度和降雨強度,計算得到硬質屋頂和草地屋頂上CODcr、NH3-N、NO3-N、TP、Pb、Zn、Cu的平均負荷分別為2308.95、56.69、81.56、3.11、0.06、4.28、0.21g/m2和1492.85、34.25、55.51、11.07、0.04、1.09、0.14g/m2,同比硬質屋頂,草地屋頂對4場降雨徑流6種污染物指標(不包括 TP)均有明顯的削減作用.根據EMC濃度計算可知,草地屋頂對CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn和Cu的平均削減率分別為31%、37%、31%、46%、75%和29%. 在所監測的重金屬元素中,草地屋頂對Zn的削減率最為顯著,表明草地屋頂對含有較高濃度重金屬元素的降雨徑流具有很好的重金屬削減效率.在此基礎上,對降雨過程中截留效應在時間尺度上的特征進行分析,結果如圖3所示.

圖3 草地屋頂徑流污染物削減率Fig.3 Green roof runoff pollutant reduction rate

在整個降雨事件中,草地屋頂對于 Zn有持續的高效去除率,對NO3-N也有持續的去除效果,對 NO3-N也有較好的去除效果. 草地屋頂對Cu、CODcr、Pb的去除主要集中在降雨事件初期的高濃度階段,后期草地屋頂濃度均高于硬質屋頂. 結合降雨過程中雨量和流量特征可知草地屋頂可以控制絕大部分暴雨徑流污染物,在降雨事件后期,雖然去除率明顯下降,但此時污染物濃度和流量較初期已經明顯減少,不影響整體去除效果.

運用EMC值并結合降雨量、下墊面面積計算削減的各污染物量,具體計算方法如下:

式中: MXJ為污染物削減值;EMCPJ為4場降雨事件的污染物質平均濃度mg/L;S為硬質屋頂集水面積m2;Q為平均降雨量mm;η為草地屋頂相對硬質屋頂對徑流污染物質的平均削減率%.

本文所選定的硬質屋頂面積為510m2,4場降雨事件的平均降雨量為8.6mm,CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn、Cu的平均濃度分別為354、8.5、13.6、0.009、0.59、0.03mg/L,如果將此硬質屋頂替換為草地屋頂,計算可得,草地屋頂相對硬質屋頂所可以削減 CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn、Cu分別為1552644、37281、59650、39.5、2587.7、131.6mg.

基于同樣的原理,可以計算單位面積綠地屋頂相對于硬質屋頂的污染物削減量,具體計算方法如下:

式中: MXJ為每百平米污染物削減值;EMCPJ為4場降雨事件的污染物質平均濃度mg/L;Q為平均降雨量 mm;η為草地屋頂相對硬質屋頂對徑流污染物質的平均削減率%.100為每百平方米.

據此,如果北京市每年綠化硬質屋頂10×104m2,而2009年降雨大于8.6mm的次數為8次,可以估算新增加的綠化面積就可以減少上述6類暴雨徑流污染物 1242115.2kg,29824.8kg,4.7720kg,31.6kg,2070.16kg,105.28kg,由此可見屋面綠化可以有效控制城市暴雨徑流污染.

3 結論

3.1 城市中最為常見的3類下墊面條件下雨水徑流主要污染物為CODcr及氮磷營養鹽類,所監測的降雨徑流中CODcr、NH3-N、NO3-N和TP的EMC值大多超出V類國家地表水標準,某些場次降雨徑流中個別污染物濃度超出污水排放三級標準.

3.2 通過草地屋頂和硬質物質的對比分析,評估了屋頂綠化對于控制暴雨徑流污染物的效果.同比硬質屋頂,草地屋頂對 CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn、Cu的平均削減率分別為31%、37%、31%、46%、75%、29%.

3.3 對各場次降雨徑流污染物質的EMC值與降雨特征進行統計分析表明,污染物質與前期晴天數、降雨歷時呈現正相關關系,與降雨量、降雨強度呈現負相關關系,所以通過控制初期徑流污染及加強下墊面清掃工作可以在一定程度上減少城市降雨徑流污染危害.

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