太原市工業區不同下墊面降雨徑流污染特征

來雪慧, 趙金安, 李 丹, 高 宇, 周 航

(太原工業學院 環境與安全工程系, 山西 太原 030008)

太原市工業區不同下墊面降雨徑流污染特征

來雪慧, 趙金安, 李 丹, 高 宇, 周 航

(太原工業學院 環境與安全工程系, 山西 太原 030008)

摘要：[目的] 揭示太原市工業區不同下墊面降雨徑流的污染特征，為探明工業水體污染的來源以及工業水污染治理提供科學依據。 [方法] 基于研究區2類不同下墊面的降雨徑流水質監測數據，計算場次降雨徑流污染物的平均濃度(EMCs)。監測項目包括化學需氧量—N，TN，TP，Cu和Zn。 [結果] 2種下墊面條件下降雨徑流的—N，TN和TP的濃度均超出Ⅴ類國家地表水標準，重金屬污染不明顯；污染物負荷(EMC)與降雨歷時呈現負相關關系，符合指數回歸方程。 [結論] 研究區降雨沖刷效應顯著，隨著降雨歷時的增加，污染物濃度趨于降低。同時，與國內其他城市工業區相比，太原市工業區的污染程度較輕。

關鍵詞：徑流水質; 事件降雨徑流污染負荷(EMC); 下墊面; 太原市工業區

自20世紀80年代國內開展非點源污染研究以來，雖然取得了諸多的成果，但關于城市降雨徑流污染的研究比較少[1-3]，尤其是城市工業區的研究更少見報道。雨水作為一個城市區域水資源最根本的來源，是解決水資源危機、改善城市水環境的重要途徑[4]。屋面、路面和綠地是城市主要的下墊面類型，當暴雨產生時，下墊面上大量污染物在雨水的沖刷下隨徑流一起進入受納水體，進而威脅城市生態環境。另外，隨著城市化進程的加快，城市不透水面積呈上升趨勢，暴雨產生的徑流量也大大增加[5]。本研究在對太原市工業區硬質屋面和瀝青路面降雨徑流水質進行監測分析的基礎上，探討兩種下墊面條件下的雨水徑流污染物歷時變化規律，并計算場次瀝青路面降雨徑流污染物的事件平均濃度(EMCs)，分析影響徑流水質的主要因素，研究結果不僅有助于了解工業區水體污染的來源，還可以為城市工業的水污染治理提供科學依據。

1材料與方法

1.1　區域概況

太原市氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，降水集中，全年光照充足，多年年平均氣溫為9.5 ℃，年均降水量為468.4 mm。通過對太原市近20 a的降雨數據分析得知，其降雨量年份差異很大，總體降雨量呈上升趨勢。同時，年內降雨主要分布在夏秋季，7—9月降雨集中。尖草坪區位于太原市北端，是一個農業和工業兼容的新型城區，但其中的工業比例占56.82%，工業基礎比較雄厚，已基本形成了以冶金、石化、建材、機械加工制造為主的工業產業布局。因此，結合太原市降雨特點與尖草坪區的工業基礎，考慮到本研究中試驗的可操作性，采樣區選擇在位于尖草坪區的太原工業學院校園內。

1.2　采樣點選取及樣品采集

根據太原工業區下墊面的特點和雨水樣品的采集原則，本研究選擇了2類不同下墊面的集水口作為樣品采集點，分別為硬質屋面雨水豎排管口和瀝青路面集水井口。由于考慮到試驗的方便性，2個采樣點分布在以實驗室為中心的100 m范圍內。太原市每年6—8月為降雨高峰期，本研究在此期間對日間降雨產生的地表徑流共進行4次集中采樣，2類不同下墊面的雨水樣品分別為28個，每個樣品測試3次，取平均值進行分析。采樣時間從徑流形成開始計為0 min，之后分別在10，20，30，40，50，70，100 min時分別采集1個樣品，將所采集的水樣保存于聚乙烯瓶。在采樣時，如果降雨暫停或所形成的徑流很小而難以收集水樣，則采樣暫停，待降雨及其形成的徑流增大再接著采樣。降雨暫停或所形成的徑流很小的時間不計入降雨或產流時間，在取樣累計時間時應該將這段時間予以扣除，并準確記錄降雨間隙的開始時間與結束時間。

1.3　分析方法

采集的徑流水樣及時送至實驗室并于24 h內進行水質指標分析。監測指標主要有CODcr、氨氮、總氮、硝氮、總磷和重金屬(Zn和Cu)，具體的水質指標分析方法詳見表1。

表1　徑流水樣中水質指標分析方法

1.4　降雨徑流的污染物負荷(EMC)

根據國內外文獻查閱，在場次降雨徑流中所產生的污染物負荷通常采用EMC指標[6]進行量化。EMC指一場降雨徑流事件全過程中排放的污染物平均濃度，其計算方法[7-8]為：

(1)

式中：M——整個降雨過程中某種污染物的總含量(g)；V——相對應的總徑流量(m3)；t——總的徑流時間(min)；Ct——隨時間變化的污染物含量(mg/L)；Qt——隨時間變化的徑流速率(m3/min)； Δt——不連續的時間間隔。由于實測中無法監測污染物的連續濃度數據，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結果與分析

2.1　不同下墊面徑流污染輸出規律

通過對2類不同下墊面條件下的降雨徑流水質監測，對7個指標的污染物平均濃度歷時變化進行分析(圖1—2)。由圖1—2表明，2種下墊面條件下不同污染物的濃度均具有隨著時間的變化逐漸減小的規律。降雨初期污染物濃度較高，但由于沖刷效應，污染物濃度明顯下降。硬質屋面和瀝青路面的CODcr平均濃度在降雨初期為293.5 mg/L，超出國家《地表水環境質量標準》[9]中的Ⅴ類標準7倍多，在經歷50 min后，濃度下降為初期的26%左右，經歷100 min后，濃度已經下降至43.5 mg/L，但仍超出Ⅴ類標準中的40 mg/L。2種下墊面條件下TN的平均濃度為9.8 mg/L，超過國家標準中的Ⅴ類標準將近5倍，在經歷100 min的沖刷后，濃度下降為初期的33.7%。NH3—N，NO3—N和TP略超出Ⅴ類標準，經過雨水沖刷后達到Ⅲ類標準。Cu和Zn的平均濃度在降雨初期達到國家Ⅱ類標準。另外，硬質屋頂徑流中除CODcr和Cu外，其他5類污染物的初始濃度都要低于其在瀝青路面徑流中的濃度，這說明硬質屋頂對這些污染物質的削減作用強于瀝青路面。硬質屋頂CODcr濃度高于瀝青路面，這與降雨對路面的沖刷、地表的清潔狀況以及污染物的化學特性等有關。

圖1降雨徑流中平均濃度的歷時變化

圖2　降雨徑流中TN,TP,Cu,Zn各污染物平均濃度的歷時變化

2.2　降雨徑流污染負荷分析

根據降雨徑流污染負荷的計算方法，表2為實測不同下墊面條件下的徑流污染物EMC值。由表2可以看出，硬質屋面和瀝青路面條件下的CODcr和TN具有較高的污染強度。CODcr在監測到的第1次降雨事件中的徑流污染最為嚴重，硬質屋面和瀝青路面徑流中的CODcr濃度EMC值分別為238.2和219.0 mg/L，與《地表水環境質量標準》中的V類標準相比，分別超標6和5.5倍。而TN在文中的第2次降雨中徑流污染最為嚴重，2種下墊面條件下的濃度EMC值分別高達6.14和8.50 mg/L，超出國家V類標準的3～5倍，同時瀝青路面的濃度高于硬質屋面。TP，Cu和Zn的污染濃度EMC值較低，均符合Ⅳ類標準以下。

2.3　降雨徑流對污染物質的沖刷效應

通過對4場降雨時間在2類不同下墊面條件下的徑流污染物流出規律進行綜合分析得知，對于硬質屋面和瀝青路面，降雨徑流對其污染物的沖刷效應相近，這可能是由于兩者的透水率類似，導致雨水下滲能力和產生的徑流量也差不多，從而對累積污染物質的沖刷力也相似。另外，硬質屋面和瀝青路面下墊面上污染物質的初始沖刷效應較為明顯，隨著降雨歷時的延長，污染物濃度逐漸降低，整個100 min的徑流時間運移50%的污染負荷，這與其他城市的研究結果[10]基本一致。與硬質屋面相比，瀝青路面的徑流沖刷效應更為顯著。通過徑流可以去除超過50%以上的污染物，尤其是對于CODcr和重金屬的去除。相關分析結果表明，7類污染物濃度EMC隨著徑流時間均具有相似的變化規律，且均符合指數回歸方程，相關系數均在0.98以上。降雨前的干期污染物進行積累，降雨初期由于雨水沖刷使得污染物進行匯聚，隨著降雨歷時的延續，下墊面經過沖刷，污染物濃度逐漸降低并趨于平穩。

2.4　徑流污染與其他城市工業區的比較

根據已有的研究，以太原市硬質屋面和瀝青路面降雨徑流水質的平均EMC值與杭州、福州、東莞以及廈門4個城市的工業區徑流水質加以比較(表3)。根據表3可知，太原市工業區降雨徑流中各污染物的濃度均低于東莞。主要原因可能是太原與東莞在工業發展的差距，導致太原市工業區受到的污染較小。同時，與福州相比，太原市的CODcr和TP濃度偏高，而各種形態氮濃度偏低。相反，太原工業區各種形態的氮濃度卻高于杭州和廈門市，說明太原工業發展過程中主要受到氮污染。另外，相對于杭州和廈門沿海城市，年降雨量大，雨季降水豐富，即使大量的氮污染物沉積于城市下墊面，但仍然能夠通過雨水的沖刷而不至于大量積累。值得注意的是，對于大多數城市來說，在降雨徑流水質監測中重金屬污染小，甚至低于檢測限。

本研究中，除東莞市Zn的濃度超過國家《地表水環境質量標準》[9]中Ⅴ類標準的1倍多，其他各項均符合Ⅱ類標準。

表2　太原工業區實測不同下墊面條件下的降雨徑流EMC值　mg/L

表3　與其他城市工業區降雨徑流污染物負荷EMC的對比　mg/L

3結 論

(1) 城市工業區中硬質屋面和瀝青路面是2種最為常見的下墊面，其雨水徑流污染物主要包括CODcr及氮磷等營養物質。在本研究中，所監測的2種下墊面條件下的降雨徑流CODcr，NH3—N，NO3—N，TN和TP的濃度均超出國家地表水標準中的Ⅴ類標準，Cu和Zn的平均濃度在降雨初期符合國家Ⅱ類標準。

(2) 通過場次降雨徑流事件的污染物負荷(EMC)計算，硬質屋面和瀝青路面的降雨徑流CODcr和TN具有較高的污染負荷。TP，Cu和Zn的污染負荷較低，均符合Ⅳ類標準以下，重金屬污染不顯著。

(3) 硬質屋面和瀝青路面徑流在降雨初期，各污染物濃度達到最大值，并發現隨著降雨歷時的增加，徑流中各污染物濃度逐漸減小趨于穩定。各污染物負荷與降雨歷時之間符合指數回歸方程，其相關系數均在0.98以上。

[參考文獻]

[1]沈桂芬,張敬東,嚴小軒,等.武漢降雨徑流水質特性及主要影響因素分析[J].水資源保護,2005,21(2):57-58.

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[3]Lee J H, Woong B. Characterization of urban storm water runoff [J]. Water Resources, 2000,34(6):1773-1780.

[4]楊建鋒.城市化和雨水利用[J].北京水利,2001(1):22-23.

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[8]Kim G, Yur J, Kim J. Diffuse pollution loading from urban stormwater runoff in Daejeon City, Korea [J]. Journal of Environmental Management, 2007,85(1):9-16.

[9]中華人民共和國環境保護部.GB3838—2002中國人民共和國地表水環境質量標準[S].北京：中國環境出版社，2002.

[10]李春榮,劉坤,林積泉,等.海口市城區不同下墊面降雨徑流污染特征[J].中國環境監測,2013,29(5):80-83.

Pollution Characteristics of Runoff on Different Underlying Surfaces in Industrial Area of Taiyuan City

LAI Xuehui, ZHAO Jinan, LI Dan, GAO Yu, ZHOU Hang

(DepartmentofEnvironmentandSafetyEngineering,TaiyuanInstituteofTechnology,Taiyuan,Shanxi030008,China)

Abstract：[Objective] The pollution characteristics of rainfall runoff on different underlying surfaces in Taiyuan industrial area were investigated in order to provide some scientific bases for water conservation and ascertainment of industrial water pollution sources. [Methods] Based on the monitoring data of runoff water quality from two underlying surfaces, the mean pollutant concentrations of event rainfall(EMCs) were calculated. The monitoring ingredients including: CODcr, NH3—N, —N, TN, TP, Cu and Zn. [Results] Concentrations of CODcr, NH3—N, —N, TN and TP in Taiyuan industrial area were all above the surface water range of standard Ⅴ.No obvious pollution of heavy metal pollution was observed. There was a negative correlation between pollutant loads(EMCs) and the rainfall time, it conformed with an exponential equation. [Conclusion] There was a remarkable rainfall erosion effect on pollutants, and the pollutants concentration decreased with the increase of rainfall duration. In contrast with the cases of other domestic cities, the runoff water quality was in a lesser contamination degree for Taiyuan industrial area.

Keywords:runoff quality; mean pollutant concentration of event rainfall(EMC); underlying surface; Taiyuan industrial area

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0097-04

中圖分類號：X824

收稿日期：2014-09-22修回日期：2014-10-17

資助項目：山西省高等學校科技創新項目“農業活動影響下的寒地土壤氮和有機碳運移機制及規律研究”(2014151)； 山西省重點學科建設經費項目

第一作者：來雪慧(1984—),女(漢族),山西省大同市人,博士,講師,主要從事環境規劃、農業面源等方面研究。E-mail:laixuehui@mail.bnu.edu.cn。