深圳大工業區初期雨水水質污染特征研究*

賴后偉 黎京士 龐志華 周秀秀 何晨暉

(環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655)

初期雨水為降雨初期形成的地面徑流，國外稱為“first-flush”[1]。初期雨水具有較高的污染負荷，夾帶著地面殘留污染物，其COD、氨氮等指標接近甚至高于典型城市生活污水的濃度[2-3]。近年來，初期雨水所帶來的面源污染問題已經引起國內外的關注。初期雨水污染除與降雨強度、季節氣候相關而引起的年際變化以外[4]，還與地域和地區功能相關[5-6]。性質不同的城市功能區，其地表所富集的污染物在數量和性質上均有所不同，初期雨水形成的徑流污染特征也有所不同。有研究表明，工業區、商業區初期雨水污染較居民區污染嚴重得多，尤其是工業區地表徑流的初次沖刷效應更顯著[7]。近年來，我國工業區逐漸發展壯大，由于工業種類多樣，下墊面及功能區不同，導致工業區初期雨水成分復雜，不同區域污染特征各異[8]1801,[9-11]。目前，國內外關于初期雨水的研究主要集中于城市雨水，將工業區作為特定研究區域的較少。這主要是由于工業區復雜多樣，除存在居民區、商業區外，工業制造、加工業多樣，以實際工業區初期雨水作為研究對象受天氣、地域等因素制約嚴重，而模擬不同工業區初期雨水缺乏必要的數據，這導致工業區初期雨水處理技術研究存在較大困難。

為解決工業區初期雨水污染特征研究不足的問題，課題組選擇深圳大工業區6個區域作為初期雨水監測點進行采樣，分析在不同下墊面的初期雨水中常規污染物濃度，為工業區初期雨水處理技術研究提供必要的基礎數據支撐。

表1 深圳大工業區監測點的情況

表2 深圳大工業區1#～5#監測點初期雨水污染情況

1 材料與方法

1.1 監測點

以深圳大工業區坪山文化廣場—國惠康、比亞迪路、蘭竹路—創景路、金牛路—荔景南路、田頭老圍村、坪山河(上洋段)6個區域為主要監測點，分析初期雨水中常規污染物濃度。采樣時間集中在7—11月，每月采樣1次，每次降雨總量均超過50 mm，7—11月每次采樣初期小時降雨強度分別為30.2、25.4、52.5、30.3、35.7 mm，監測點的情況見表1。

1.2 分析方法

暴雨時期在各監測點收集初期雨水，在10、20、30 min時進行取樣，而坪山河(上洋段)監測點分別在暴雨期30 min、60 min、1 d進行取樣，檢測初期雨水中污染物情況，檢測指標包括COD、TN、氨氮、TP、SS等常規污染物以及雙酚A、汞、銅、錳等毒害性有機物和部分重金屬指標。

2 結果與討論

2.1 深圳大工業區各功能區初期雨水的污染特征

深圳大工業區1#～5#監測點前30 min的初期雨水污染情況見表2。

從總體數據上看，深圳大工業區各監測點的初期雨水常規污染物指標已經接近典型城市生活污水處理廠進水水質，甚至COD最高可達1 467.00 mg/L，高于典型城市生活污水的COD，不過略低于中國臺灣中心區工業園區的初期雨水COD[8]1805。由于下墊面與人口流量不同，大工業區商業區的SS質量濃度最高，平均達到968.70 mg/L；商業區及居住區的COD遠高于工業區。居住區的TN、氨氮、TP濃度最大值最高，其原因主要是該居住區管理水平低，城中村人口集中，路面堆積物、垃圾較多，污水直排嚴重，造成氮、磷污染嚴重，其TN、氨氮、TP最高質量濃度分別可達到29.43、19.64、3.16 mg/L。以汽車為主的制造業區域與以化妝品、制藥、電子等為主的制造業區域初期雨水污染情況相近，出口加工區及高科技工業和現代物流業區域的初期雨水TN、TP濃度略低于其他區域。

有研究表明，地面道路徑流SS濃度與COD、TN、TP濃度存在一定的線性相關性[12]。通過對比深圳大工業區初期雨水的SS濃度與COD、氨氮、TN、TP濃度，發現SS濃度與COD、氨氮、TP濃度存在線性相關關系，而SS濃度與TN濃度的線性相關性較差，見表3。

表3 初期雨水中的污染物與SS的線性相關性1)

注：1)Y為初期雨水中各污染物質量濃度，mg/L；X為SS質量濃度，mg/L。

大工業區初期雨水除包含常規污染物外，還含有毒害性有機物及重金屬[13]。對初期雨水中的汞、銅、錳重金屬進行監測，其結果見圖1。從圖1可看出，深圳大工業區各監測點初期雨水均檢測出汞、銅、錳3種重金屬，且汞質量濃度較接近，維持在0.06～0.09 μg/L；以汽車為主的制造業區域的銅質量濃度最高，達到0.37 mg/L；出口加工區及高科技工業和現代物流業區域的錳質量濃度最低，為0.17 mg/L。

圖1 深圳大工業區初期雨水中重金屬質量濃度

2.2 深圳大工業區初期雨水污染物隨時間的變化

深圳大工業區1#～5#監測點COD、TN、氨氮、TP、SS隨時間的變化見圖2。一般認為，隨著降雨歷時的進行，雨水徑流污染物濃度呈現遞減的趨勢。從圖2可以看出，污染物在不同區域隨降雨歷時的變化規律是不同的，各監測點初期雨水污染物濃度呈現不同的波動狀態。1#監測點在30 min內COD與SS濃度均先降后升，而5#監測點COD與SS濃度先升后降。氨氮、TN濃度在1#監測點呈現先升后降趨勢；氮、磷濃度在2#監測點30 min內總體呈上升趨勢；氮、磷濃度在3#監測點總體呈下降趨勢；在4#監測點TN濃度隨時間下降，而氨氮、TP濃度先升后降；5#監測點氨氮濃度先升后降，TN濃度持續上升，而TP濃度總體略有下降。

針對多監測點出現初期雨水污染物濃度隨時間波動甚至持續上升的情況，日本學者在對城市初期雨水污染特征研究時也發現，污染物濃度存在隨時間上升的現象，其原因可能是：(1)由于下墊面各類污染物濃度不同，降雨強度變化，導致初期雨水中各類污染物濃度出現不一致的波動；(2)由于居住區、商業區、典型城中村地區人口流動大，人為因素將導致初期雨水污染物濃度的波動；而以化妝品、藥物、電子等為主的制造業區域的車輛運輸，易造成初期雨水污染物濃度暫時增加[14]。即使有部分功能區初期雨水污染物濃度在30 min內存在波動，基于國內外研究結果推測，初期雨水污染物濃度在30 min后將逐漸下降并趨于穩定。一般認為，由于降雨強度較大的雨水徑流沖刷徹底，將造成初期雨水中污染物濃度在較短時間內達到峰值[15]。根據檢測數據，深圳大工業區初期雨水各污染物濃度在暴雨強度較大的情況下，在更短時間內達到污染物濃度最大值，并在更短時間內達到污染物濃度下降狀態。

2.3 深圳大工業區初期雨水對附近水體的影響

深圳坪山河位于深圳大工業區，由于初期雨水沖刷所攜帶的污染物部分流入坪山河，為探究大工業區初期雨水對附近水體水質的影響，對從降雨開始至降雨結束1 d內的坪山河(上洋段)水質變化情況進行了監測，坪山河(上洋段)在降雨過程中水質變化情況見表4、圖3。

表4 坪山河(上洋段)正常情況與降雨時期水質對比

由表4可以看出，坪山河(上洋段)正常情況下的COD、TN、氨氮、TP、SS平均質量濃度分別為14.60、5.01、0.50、0.22、40.33 mg/L，而監測的降雨期間坪山河(上洋段)COD、TN、氨氮、TP、SS平均質量濃度分別為33.33、6.03、1.42、0.45、66.67 mg/L，分別升高128.3%、20.4%、184.0%、104.5%、65.3%，降雨及產生的雨水徑流對坪山河(上洋段)造成了影響，說明雨水初期沖刷所攜帶的污染物是影響坪山河水質的因素之一，尤其是在降雨間隔較大的情況下，前30 min雨水徑流對附近水體造成的影響巨大。

從圖3可以看出，在降雨過程中，坪山河SS、COD濃度受初期雨水影響有所上升，TN濃度在30 min內有所下降后逐漸上升，其中SS濃度影響巨大，降雨歷時60 min即升高48.8%；而坪山河氨氮、TP濃度受初期雨水影響較小，變化不大。前30 min初期雨水SS、COD、TN、氨氮、TP平均值分別為467.10、911.10、10.56、8.04、1.81 mg/L，分別比降雨前附近河水高1 058%、2 829%、111%、159%、155%，說明坪山河水質受初期雨水影響大。據此，對初期雨水中的毒害性有機物雙酚A進行監測，發現其達到1.49～4.89 μg/L，而河水中的雙酚A質量濃度為165 ng/L，相差10倍以上，推測坪山河水中的雙酚A濃度受附近大工業區初期雨水的影響大。

圖2 各監測點常規污染物隨降雨歷時的變化

3 結 論

(1) 深圳大工業區初期雨水污染嚴重，COD濃度高于典型城市生活污水COD濃度。深圳大工業區居住區和商業區初期雨水COD污染最嚴重，出口加工區及高科技工業和現代物流業區域的初期雨水TN、TP濃度略低于其他區域。整個大工業區初期雨水中COD、氨氮、TP濃度與SS濃度存在線性相關關系，而SS濃度與TN濃度的線性相關性較差。大工業區各區域均檢測出微量的汞、銅、錳重金屬。

(2) 污染物在深圳大工業區不同區域隨降雨歷時的變化規律是不同的，各區域初期雨水污染物濃度呈現各異的波動變化。

圖3 坪山河(上洋段)在降雨過程中水質變化情況

(3) 深圳大工業區各區域初期雨水SS、COD、TN、氨氮、TP濃度遠高于附近河水，一定程度上影響了附近河水水質。

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