西安市某文教區典型下墊面徑流污染特征

吳亞剛,陳 瑩,陳 望,任怡靜,劉 記,朱俊彥,張宇浩

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西安市某文教區典型下墊面徑流污染特征

吳亞剛,陳 瑩*,陳 望,任怡靜,劉 記,朱俊彥,張宇浩

(長安大學環境科學與工程學院,旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

在西安市某文教區路面、屋面和綠地設置徑流采樣點,采用人工時間間隔采樣法對2016年8月~2017年2月的3場降雨徑流和2場融雪徑流全程采樣,測試徑流過程SS、COD、TN、TP、Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr、PAHs、溶解態COD、溶解態重金屬和溶解態PAHs的濃度以及顆粒物粒徑d50,研究各下墊面降雨徑流污染水平及出流規律,比較不同下墊面降雨徑流和融雪徑流污染特征.結果表明,各類下墊面降雨徑流主要污染物均為SS、COD、TN、Pb、Cr,路面和綠地徑流中SS的EMCs均超過《污水綜合排放標準》二級標準,3類下墊面降雨徑流COD、TN、Pb、Cr的EMCs均超出《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準, PAHs與國內相關研究相比屬于中等污染水平,路面、屋面和綠地徑流的EMC分別為266.8~389.8ng/L、254.9~303.0ng/L和231.2ng/L.路面徑流SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs濃度高于屋面徑流,而TN、TP、Cr等指標則相反,表明徑流中TN、TP、Cr主要源于大氣干濕沉降,而交通排污對SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs等有較大輸入貢獻.3類下墊面降雨徑流污染濃度輸出規律差異顯著,路面徑流污染物初期濃度較大,受雨期交通排污影響中后段波動劇烈,屋面徑流污染物濃度隨徑流歷時持續降低且趨于穩定,綠地徑流污染物濃度沿程變化相對較小.降雨強度對總量污染物濃度輸出的影響大于溶解態污染物,表現為d50與降雨強度呈現良好的相關性.因降雪期間污染物持續累積且徑流量較小,路面融雪徑流污染物濃度遠大于降雨徑流,而屋面融雪徑流因流量較小導致攜帶污染物的能力較弱故水質優于降雨徑流.

降雨徑流；融雪徑流；事件平均濃度(EMC)；污染水平；出流規律

城市地表徑流污染是指大氣降水淋洗、沖刷大氣和匯水面各種污染物引起的受納水體污染[1],是影響城市水環境質量的第二大污染源[2],也是僅次于農業污染源的第二大面污染源[3],主要包括降雨徑流和融雪徑流.眾多研究表明,城市地表徑流污染受地理區域、環境空氣質量、降雨特征、下墊面條件等諸多因素影響,具有來源廣泛、機制復雜、區域差異、治理困難等特征[4-6].目前國內外學者關于城市地表徑流污染的研究主要包括以下幾個方面:城市降雨徑流污染輸出特征、污染負荷及預測模型研究[5,7-10];污染物地表累積、沖刷規律研究以及水質模型的開發利用[10-12];污染控制與治理[13-14]等.實踐證明,探明徑流污染輸出特征及其影響因素是準確估計徑流污染負荷、建立水質模型、合理確定處理設施規模的前提[5,14-16].自20世紀末起,國內研究者對城市地表徑流展開了大量研究,但大多研究均針對具有較高車流量、污染較嚴重的城市道路或公路路面徑流[17-19],也有部分學者對不同材質、不同使用年限及不同城市功能區的屋面徑流污染水平進行了測試[20-22],也有部分學者研究了綠地徑流[23-24].然而針對城市小區3類主要下墊面同步、系統的研究相對較少,關于融雪徑流污染的研究更是鮮見報道.與城市道路徑流相比,小區內道路、屋頂、綠地徑流水質相對較好,但因其占城市下墊面面積的比例大故徑流量大,其徑流污染負荷不容忽視.另一方面,小區下墊面大面積的收集空間及相對較好的水質也給雨水資源集蓄利用提供了良好的基礎,而全國正廣泛推行的海綿城市建設也需基于各類下墊面徑流水質及污染排放特征合理開發設計LID雨水利用系統.

為探明西安市文教區3類主要下墊面徑流污染特征,本研究選擇西安市某文教區3類典型下墊面路面、屋面和綠地設徑流采樣點,對2016年8月~2017年2月的3場降雨徑流和2場融雪徑流進行采樣測試,研究各下墊面降雨徑流污染水平及出流規律,比較不同下墊面降雨徑流和融雪徑流污染特征,以期為西安市典型小區徑流污染控制和雨水資源的集蓄利用提供參考.

1 研究方法

1.1 采樣地點

小區是城市的主要構成單元,占據城市下墊面較大的比例,而路面、屋面和綠地是小區內3類典型下墊面.為探明城市主要構成單元——城市小區3類主要下墊面徑流污染特征,本研究選擇西安市某文教區3類典型下墊面設徑流采樣點,雨期采用人工時間間隔采樣法采集徑流全程樣品,采樣點特征如表1所示.

表1 徑流采樣點概況

1.2 采樣方法

降雨期間采用人工時間間隔采樣法在3類下墊面集水口采集降雨徑流.采樣原則為:徑流開始30min內,用棕色玻璃瓶每5min采樣一次,30min~1h每10min采樣一次,1~2h每20min采樣一次,2~3h每30min采樣一次,此后每1h采樣一次直至徑流結束,采樣時若雨強變化較大則隨機加密采樣次數.每次采樣1000mL.2場融雪徑流采樣原則為:降雪結束且融雪開始后每30min采樣一次,具體采樣時間間隔根據徑流量大小隨機調整.徑流結束后將徑流樣品帶回實驗室分析水質. 2016年9月26日降雨事件、2場降雪事件綠地均未產生徑流,故綠地僅有2次降雨徑流測試結果.

1.3 水質測定

水質測試指標選擇徑流的典型污染物,即表征顆粒物及其粒徑的SS和50,表征有機污染物的COD和溶解態COD(SCOD),表征營養物質的TN和TP,表征重金屬的Pb、Zn、Cu、Cd、Ni、Cr及其溶解態,US EPA優控的16種多環芳烴(PAHs)及其溶解態.測試方法: SS采用重量法,TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外線分光光度法,TP采用鉬酸銨分光光度法,COD采用快速密閉催化消解法,重金屬采用ICP-MS測定,PAHs采用GC-MS測定,d50采用激光粒度儀測定,溶解態污染物需將水樣經0.45μm濾膜過濾后測定.

1.4 降水特征

采樣期間使用JDZ01-1型數字雨量計對降雨特征同步監測,3場降雨事件降雨特征及2場降雪事件統計結果見表2. 5場降水均為該地區出現頻次較高的降水類型,具有較好的代表性.

表2 監測場次降水特征

1.5 分析方法

1.5.1 EMC和EMCs估計 由事件平均濃度(EMC)的定義,采用式(1)近似估算場次徑流EMC;多場降雨徑流事件平均濃度(EMCs)采用式(2)計算,公式如下:

式中:為場次徑流排放某污染物的總質量,g;為場次徑流總體積,m3;()為徑流過程某污染物濃度隨時間t的分布,mg/L;()為時刻的徑流量,m3/s;為場次徑流總歷時,s;為時間分段數;C為第時間段樣品某污染物的濃度,mg/L;V為第時間段的徑流體積,即上次采樣至本次采樣時段內的徑流量,m3;EMC為第場徑流事件的EMC;為徑流事件次數.

1.5.2 徑流量估算 受條件限制,本研究未能實測路面和屋面徑流量.因路面和屋面為內滲量與蒸發量很小的硬質下墊面,且采樣時記錄了降雨開始與徑流形成時間,進而可計算消除徑流的滯后性,各采樣時段徑流體積可用扣除產流時間的各時段的降雨量與集雨面積的乘積估算[25].綠地因滲透率大、出水口處徑流量較小,故分時段收集了各時段的全部徑流統計徑流量.

2 結果與討論

2.1 降雨徑流污染水平分析

路面、屋面和綠地是城市小區內3類主要下墊面,其徑流污染來源不盡相同.屋面受外界干擾相對較小,其污染主要源自大氣干濕沉降;路面除大氣干濕沉降外,交通排污、人類活動、綠化行為和道路清掃等因素對污染物的累積影響較大;綠地為透水性下墊面,污染累積、排放規律更加復雜.西安市典型小區3類下墊面徑流污染測試結果見表3.表4對比了不同城市的相關研究結果.以下分別從顆粒物、有機物、營養物、重金屬、多環芳烴5類污染物分析西安市典型小區3類下墊面降雨徑流污染水平.

國內外眾多相關研究均表明,顆粒物是徑流中最重要的污染物,是有機物、營養物、重金屬等多種污染物的載體[5].由本研究測試結果可知,西安市文教區路面、綠地、屋面徑流SS的EMC分別為113.4~622.7mg/L、201.4~257.6mg/L和17.9~ 124.2mg/L,其EMCs分別為418.7, 229.5和63.5mg/L,路面和綠地徑流SS的EMCs超出《污水綜合排放標準》二級標準[26],污染較為嚴重.由表4可知,西安市文教區路面徑流中SS高于北京[23,28]和西安其他地區[29],屋面低于北京[23]、天津[32],與重慶[31]和西安其他地區[29]接近,綠地徑流SS與北京[23]接近.與具有較高車流量的西安市城市道路相比,校園內路面徑流SS濃度較小[17],約占城市道路徑流的20%~ 31%,說明交通排污對城市道路SS污染有絕對貢獻.

表3 不同下墊面降水徑流污染測試結果

注:S-PAHs為溶解態PAHs,“*”表示未檢出,“-”表示無相關數值(標準).

有機物也是降雨徑流的主要污染物,城市地表徑流對受納水體有機物污染的貢獻不容忽視[34].相關研究表明,徑流中的有機物多為難于生物降解的有機污染物,常用COD來表征[5].本研究測試結果表明,西安市文教區3類下墊面降雨徑流COD污染嚴重,路面、屋面和綠地徑流COD的EMC分別為59.4~385.9mg/L、78.2~179.0mg/L和59.2~94.1mg/L,其EMCs分別為179.9, 138.2, 76.7mg/L,均超出《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準[33],路面和屋面徑流甚至超出《污水綜合排放標準》一級標準[26].由表4可知,本研究所測文教區路面徑流COD高于西安其他地區[29],低于北京[23,27],屋面高于重慶[31]和西安其他地區[29],低于北京[27-28],與天津[32]接近,綠地徑流COD低于北京[23].與具有較高車流量的西安市城市道路相比,校園內路面徑流COD濃度明顯較低[17].

營養物是引起水體富營養化的主要因素,城市地表徑流對受納水體N、P有較大輸入貢獻[35].本研究測試結果表明,西安市文教區路面、屋面和綠地徑流TN的EMCs分別為8.1, 19.1和5.7mg/L,均超出《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準,而TP污染相對較輕,僅部分場次屋面和綠地徑流EMC超出Ⅲ類標準.由表4可見,西安市文教區路面徑流TN高于西安其他地區[29],低于北京[23],屋面高于重慶[31]和西安其他地區[29],與北京[23]、天津[32]接近,綠地徑流TN低于北京[23];路面徑流TP低于北京[23,27-28]和西安其他地區[29],屋面低于北京[23,27-28]、天津[32],與重慶[31]和西安其他地區[29]接近,綠地徑流TP低于北京[23].

重金屬因具有污染的累積性、不可降解性,一直是環境科學領域研究的熱點,路面徑流因其攜帶大量的重金屬,一直被相關學者廣泛關注[5,9].Ellis等[35]研究表明,城市地表徑流貢獻了受納水體總污染負荷中的35%~75%的重金屬.本研究測試的西安市文教區路面、屋面和綠地徑流中Pb的EMCs分別為231.2, 71.5, 77.7mg/L,Cr的EMCs分別為99.0, 154.2和81.0mg/L,Cu的EMCs分別為86.1, 54.1, 55.9mg/L. 3類下墊面降雨徑流Pb、Cr均超過《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準.由表4可見,西安市文教區路面徑流Pb、Cu高于北京[27],而Zn則相反,屋面Pb、Cu高于北京[27]、南京[30],Zn高于南京[30],低于北京[27],溶解態Zn高于重慶[31],溶解態Cu與重慶[31]接近.與西安市城市道路相比,校園內路面徑流Pb、Zn較高,Cu、溶解態Zn較低,溶解態Cu與城市道路徑流接近[20].校園內路面徑流Pb、Zn、Cu濃度較高,可能與文教區衛生維護方式簡單、污染源復雜、混合交通導致車速較低且剎車頻繁、道路兩側停放較多車輛有關.

表4 不同城市各類下墊面降雨徑流水質比較

注:“-”表示無值.

多環芳烴(PAHs)是一類典型的持久性有機污染物,具有強烈的三致作用,國外學者對徑流中PAHs研究較多,但國內鮮見關于小區徑流PAHs的研究報道[18-19].本研究測試結果表明,西安市文教區路面、屋面和綠地徑流PAHs的EMC分別為266.8~ 389.8ng/L、254.9~303.0ng/L和231.2ng/L.與國內相關研究相比,西安市文教區路面徑流PAHs與上海[18]接近,屋面低于上海[18,22]和南京市[21]水泥屋面,與南京市[21]瓦屋面接近,綠地徑流PAHs低于合肥[36].可見,西安市文教區降雨徑流PAHs屬于中等污染水平.與具有較高車流量的城市道路相比,校園內路面徑流PAHs顯著低于北京[19]、上海[18]、合肥[36]等城市的測試結果,說明交通排污對城市道路PAHs污染有較大輸入貢獻.

圖1 路面和屋面降雨徑流污染物EMCs比較

2.2 路面和屋面降雨徑流污染比較

本研究所監測的3場路面和屋面降雨徑流事件各污染物EMCs對比如圖1所示.由圖1可見,路面徑流SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs等污染物的EMCs大于屋面徑流,其中SS、Pb是屋面徑流的6.6、3.2倍,表明交通污染源對其貢獻顯著;路面徑流中Zn和PAHs的EMCs略大于屋面徑流,表明大氣干濕沉降可能是其主要來源;路面徑流COD、SCOD的EMCs分別為179.9, 56.1mg/L,SCOD占COD的31.2%,表明交通行為和人類活動排放的有機物以顆粒態為主,屋面徑流COD、SCOD的EMCs分別為138.2, 100.2mg/L,SCOD占COD的72.5%,表明大氣干濕沉降帶來的有機物主要以溶解態存在;路面和屋面徑流Ni、Cd、溶解態Ni、溶解態Cd的EMCs接近,路面徑流TN、TP、Cr的EMCs略低于屋面徑流,表明徑流中Ni、Cd、N、P、Cr主要來源于大氣干濕沉降,交通排放對其貢獻很少.

2.3 不同下墊面降雨徑流污染排放特征

相關研究表明,降雨徑流污染排放受前期污染物累積和降雨特征等因素綜合影響,機制復雜,難以統一刻畫[9,24].分析本研究所測3場降雨徑流事件各污染物質量濃度隨徑流時間變化可知,不同場次降雨徑流事件各污染物濃度存在較大差異,但同類型下墊面具有相似的沿程變化特征.選擇2016年9月18日降雨徑流事件繪制徑流污染物濃度變化曲線(圖2).

由圖2可見,路面和屋面徑流中顆粒物、營養物、重金屬、多環芳烴等污染物均具有初期徑流污染物濃度較大,之后呈鋸齒形波動逐步降低并趨于穩定的排放特征,其中,路面徑流受雨期交通排污及降雨強度變化影響,污染物濃度沿程波動較劇烈,而屋面徑流因降雨期間無外源污染物輸入基本呈現沖刷模型所描述的“一衰到底”的排放規律;綠地因具有較高的滲透率,當降雨強度超過土壤入滲率后才會產生徑流,故徑流開始時間較降雨時間有所延遲且徑流歷時較短,各污染物濃度沿程變化相對較小,COD、TP等污染物末期濃度反而有所升高,這可能與土壤中有機質、營養物的溶出有關.

此外,總量污染物與溶解態污染物的排放特征也存在一定差異,總量污染物濃度隨降雨強度變化波動較大,表現為路面和屋面徑流過程顆粒物粒徑50與降雨強度呈現良好的相關性,而溶解態污染物濃度受雨強變化影響相對較小.雨強決定著徑流沖刷地表的能量,雨強越大,徑流沖刷地表的能力越強,更大粒徑的顆粒物能夠被徑流裹挾從地表輸出[9],從而影響徑流中污染物的濃度,表現為雨強較大時,徑流中顆粒物粒徑50的增大及SS、TP、重金屬等污染物濃度的增高,這也揭示出顆粒物是徑流中多種污染物的載體,徑流中TP、重金屬、多環芳烴等多以顆粒態賦存.

2.4 降雨徑流和融雪徑流污染比較

2016年11月~2017年2月對相同地點的2場路面和屋面融雪徑流進行了監測,其測試統計結果如表3所示.為比較降雨徑流和融雪徑流污染特征,將2場融雪徑流各污染物濃度均值與3場降雨徑流各污染物EMCs比較,結果如圖3、圖4所示.除PAHs和溶解態PAHs外,路面融雪徑流其余污染物均比降雨徑流污染嚴重,其中COD、SCOD、TP、Pb、Cr的平均濃度分別為408.34, 329.54, 0.48mg/L和512.84, 321.18mg/L,分別是降雨徑流的2.3、5.9、4.4、2.2和3.2倍,而屋面融雪徑流水質相對較好,這與李懷恩等[37]的研究結果基本一致.分析認為,因降雪過程降雪可將大氣中的顆粒物裹挾沉降至下墊面,降雪期間汽車和行人排放的污染物在路面持續累積,且冬季路面枯枝落葉較多,而融雪時徑流量相對較小,故路面融雪徑流比降雨徑流污染更加嚴重,而屋面因僅存在大氣干濕沉降貢獻,且融雪徑流量小、沖刷裹挾能力較弱,較難將屋面沉積的污染物全部帶入徑流,故屋面融雪徑流水質優于降雨徑流,表現為雪后屋面仍存有大量灰塵未被融雪徑流沖刷干凈.

圖3 路面降雨徑流和融雪徑流污染水平比較

圖4 屋面降雨徑流和融雪徑流污染水平比較

3 結論

3.1 西安市文教區3類典型下墊面降雨徑流主要污染物為SS、COD、TN、Pb、Cr,路面和綠地徑流SS的EMCs均超過《污水綜合排放標準》二級標準,3類下墊面降雨徑流COD、TN、Pb、Cr的EMCs均超出《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準,路面、屋面和綠地徑流PAHs的EMC分別為266.8~389.8ng/L、254.9~303.0ng/L和231.2ng/L,與國內相關研究相比屬于中等污染水平.

3.2 路面徑流SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs等濃度高于屋面徑流,而TN、TP、Cr等指標則相反,表明徑流中TN、TP、Cr主要源于大氣干濕沉降,而交通排污對SS、COD、Zn、Pb、Cu、PAHs等有較大輸入貢獻.

3.3 不同下墊面降雨徑流污染輸出規律差異顯著.路面徑流污染物初期濃度較大,受雨期交通排污影響中后段波動劇烈,屋面徑流污染物濃度隨徑流歷時持續降低且趨于穩定,綠地徑流污染物濃度沿程變化相對較小;降雨強度對總量污染物濃度輸出的影響大于溶解態污染物,表現為雨強較大時,徑流中顆粒物粒徑50的增大及SS、TP、重金屬等污染物濃度的增高.

3.4 因降雪期間污染物持續累積且徑流量較小,路面融雪徑流污染程度遠大于降雨徑流,而屋面融雪徑流攜帶污染物的能力較弱使得水質優于降雨徑流.

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Characteristics of runoff pollution of different underlying surfaces in typical cultural and educational area of Xi’an.

WU Ya-gang, CHEN Ying*, CHEN Wang, REN Yi-jing, LIU Ji, ZHU Jun-yan, ZHANG Yu-hao

(Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effect in Arid Region of Ministry of Education, School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710054, China)., 2018,38(8)：3104~3112

In order to investigate rainfall runoff pollution level and effluent characteristics of different underlying surfaces in urban community, three kinds of underlying surfaces, such as road, roof and grass land at a cultural and educational area in Xi’an, Shaanxi province were selected as sampling areas, and runoff samples over the whole time range of 3storm events and 2 snowmelt events were collected by the manual time-interval sampling method from Aug. 2016 to Feb. 2017. The concentrations of SS, COD, TN, TP, Pb, Zn Cu, Cd, Ni, Cr, PAHs, dissolved COD, dissolved heavy metals and dissolved PAHs, as well as particulate matters size d50of samples were determined. Pollution characteristics were compared between rainfall runoff and snowmelt runff. The results showed that the main contaminants of urban surface runoff were SS, COD, TN, Pb and Cr. The average event mean concentrations (EMCs) of SS in road and grass land rainfall runoff exceeded grade two level of integrated wastewater discharge standard, and the EMCs of COD, TN, Pb and Cr exceeded grade Ⅲ level of environmental quality standards for surface water. The event mean concentration (EMC) of PAHs in road, roof and grass land rainfall runoff were 266.8~389.8ng/L, 254.9~303.0ng/L and 231.2ng/L respectively, which were at medium pollution level compared with domestic related research. The concentrations of SS, COD, Zn, Pb, Cu and PAHs in road runoff were higher than which in roof runoff. However, the concentrations of TN, TP and Cr in road runoff were slightly lower than roof runoff, which indicated that TN, TP and Cr mainly derived from atmospheric dry and wet deposition,while the main sources of SS, COD, Zn, Pb, Cu and PAHs were traffic pollution emission. Pollutants effluent characteristics of these three kinds of underlying surfaces rainfall runoff were different obviously. The pollutants concentration of road runoff were rather high in the initial duration of runoff, and fluctuated violently affected by traffic pollution emission in the later runoff. However, the pollutants concentration of roof runoff continuously decreased with runoff time and finally tended stablely. While the pollutants concentration of grass land runoff were rather stable during the whole time. The impact of rainfall intensity on the total pollutants concentration emission were greater than on the dissolved pollutants, and d50showed a good correlation with rainfall intensity. Pollutants concentration of road snowmelt runoff were far greater than rainfall runoff, due to pollutants accumulated continuously during the snowfall events and snowmelt runoff flow was rather small. Nevertheless, water quality of roof snowmelt runoff was better than rainfall runoff, owing to the ability of carrying contaminants of snowmelt runoff were more weak than rainfall runoff.

rainfall runoff；snowmelt runoff；event mean concentration (EMC)；pollution level；effluent characteristics

X522

A

1000-6923(2018)08-3104-09

吳亞剛(1991-),甘肅慶陽人,長安大學環境科學與工程學院碩士研究生,主要研究方向為城市面源污染.發表論文1篇.

2017-12-20

國家自然科學基金資助項目(51308050)

* 責任作者, 副教授, cy0818cy@126.com