城中村不同降雨特征下的徑流污染變化規(guī)律研究

張曉菊

(深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心，廣東 深圳 518040)

城市路面徑流因其污染強度大、對地表水體的影響嚴重而受到廣泛的關注[1]。相關研究成果主要包括3個方面：①路面徑流污染物的初始沖刷現(xiàn)象[2]；②場次降雨路面徑流的污染物平均質量濃度(EMC)[3]；③影響路面徑流水質的因素，主要包括路面情況(路面的交通情況、路面材質、路面的清掃情況和周圍土地使用類型等)、降雨特征(降雨量、降雨歷時、徑流量、降雨強度和降雨間隔時間)和氣候因素(風向、風速、季節(jié)降雨的特點和溫度等)[4]。

針對市政道路、屋面、住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)等不同用地特征的徑流污染特征的研究結果表明，管理維護較好的住宅小區(qū)、校園徑流水質較好，車流量較大的市政道路、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)水質較差[5-6]，但目前對城中村路面徑流的研究相對有限。城中村作為游離于現(xiàn)代化城市發(fā)展之外的區(qū)域，與傳統(tǒng)城市相比，用地類型以及污染來源更為復雜，水環(huán)境也格外脆弱，加之人口密集，排水排污等基礎設施不完善，土地利用緊張等因素，因而對于城中村內非點源污染的控制和管理方面具有相當的特殊性和迫切性。不同降雨雨型、降雨量、前期干旱天數以及降雨強度都會對道路雨水徑流中污染物濃度造成影響，但這種影響存在一定程度的分歧和差異，現(xiàn)有的研究并沒有得到一致的結論[3-6]。深入分析各種影響因子對徑流水質的影響程度，剖析不同降雨特征下的徑流污染物變化規(guī)律，對控制城市雨水徑流污染與雨水資源化管理十分必要。

本次研究選擇深圳市某城中村，并同時選擇了城中村附近的居住、工業(yè)、市政道路用地作為對比，在2 a時間里對雨水排水口進行了15場降雨和徑流污染監(jiān)測，分析了城中村場次降雨徑流中EMC；比較了在典型小雨、中雨、大雨場次下的徑流水質污染程度，以期為城中村市政環(huán)境的改造、雨水的處理及回用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

深圳市屬亞熱帶海洋季風氣候，年平均降水日數為145 d，多年平均降雨量為1 606 mm。汛期發(fā)生在4—9月，降雨量大、強度高而且集中，約占全年降雨總量的80%。深圳近幾十年以來暴雨雨型主要以單峰雨型為主，包括單峰前部(I)、單峰后部(II)和單峰中部(III)，占雨型統(tǒng)計總數68.9%以上。本研究選取深圳市某典型社區(qū)，該社區(qū)包括城中村，以及城中村周邊市政道路、工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)為研究對象。城中村路面徑流污染狀況與其余3個用地區(qū)進行對比分析，4個區(qū)域的監(jiān)測點分布見圖1。

1.2 監(jiān)測方案

在2 a的時間內，完整地監(jiān)測了15場典型降雨和相應的雨水徑流，具體監(jiān)測信息見表1。本研究對比分析了15場降雨中，城中村與市政道路、工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)的場次降雨徑流污染物平均濃度，另外選取典型小雨、典型中雨及典型大雨場次，分析城中村雨水口各徑流水質指標隨降雨歷時的變化規(guī)律。

圖1 采樣點分布

表1 降雨基本資料統(tǒng)計

1.3 污染負荷計算方法

一場降雨事件中地表徑流所攜帶的污染物的平均濃度稱為“場次降雨徑流平均濃度”，以降雨事件總污染物負荷與總徑流體積的比值來表征，EMC計算如下式：

(1)

式中 Δt——采品采集的時間間隔，min；Vt——t時段徑流雨水量，m3；Ct——t時段徑流污染物濃度，mg/L。

2 雨水徑流污染特征分析

2.1 分類用地徑流污染比較

通過比較15場降雨場次降雨平均污染物濃度EMC得出，不同用地功能區(qū)EMC平均濃度有很大的差異(表2)。研究社區(qū)路面徑流中pH值、電導率和水溫均滿足生活雜用水水質標準。不同功能區(qū)的路面徑流中懸浮固體(SS)最高值都超過生活雜用水水質標準，且SS最大濃度差異大。

路面徑流污染程度統(tǒng)計結果表明，城中村路面、市政道路路面、工業(yè)園區(qū)路面污染程度高于生活小區(qū)路面。污染物濃度最高的是城中村，主要指標包括氮、磷、生化需氧量(COD)、Fe、Zn，原因與城中村的用地利用方式有關。城中村內人口密集，存在大量的沿街餐館、商鋪，人群車輛餐飲等活動產生大量餐飲廢物和污染物沉積，加之排水排污等基礎設施不完善，導致該區(qū)域徑流污染物濃度顯著偏高。市政道路雨水徑流中SS和重金屬污染物濃度最高，主要來自車輛排放的碳氫化合物、氮氧化物、硫氧化物、鉛等尾氣以及車輛剎車蹄片和輪胎摩擦產生的石棉塵、橡膠塵等[7-8]。

2.2 與其他城市相比較

地表徑流中污染物EMC平均濃度與杭州[1]、西安[2]、廣州[4]等其他城市監(jiān)測EMC結果相比，波動范圍基本相似。地表徑流中重金屬污染程度要遠遠低于北京、天津、沈陽等北方城市。北京市路面徑流地面雨水Pb、Zn的濃度分別達到50～770、150～1 340 μg /L[9-10];天津市路面徑流地面雨水中Fe的平均濃度分別為387～586 μg /L[11]，沈陽路面徑流中Fe的濃度達到325.17～2 562.91 μg /L[12]，而研究區(qū)域的各功能區(qū)重金屬濃度要低于以上這些城市，見表2。

表2 研究社區(qū)不同下墊面場次降雨污染物濃度平均值

3 城中村典型場次降雨的污染物變化規(guī)律

污染物的沖刷過程是一個復雜的動態(tài)過程，根據以往的研究成果，受匯水面積、降雨強度、降雨歷時、污染物特征、下墊面類型、前期干旱天、環(huán)衛(wèi)清掃頻率等因素的影響。選取城中村為研究對象，分析典型降雨下的徑流污染物濃度隨時間的變化情況。

3.1 典型小雨

典型小雨的特征降雨雨強為0.08 mm/min，歷時50 min，降雨量為3.8 mm，前期干旱天數為1 d。由于監(jiān)測前一天有降雨，因此這場降雨中監(jiān)測的徑流污染物濃度較前一天比較有所降低。圖2a顯示降雨過程中城中村的氨氮、總磷濃度在雨水的沖刷下，總體呈下降的趨勢。總磷濃度變化范圍在0.1～0.3 mg/L，總體濃度不高，不超過V類地表水標準限值。氨氮初始濃度為1.1 mg/L，超出了V類地表水水質標準，隨著降雨量的增加，氨氮的濃度開始出現(xiàn)明顯的下降，初始沖刷效應顯著。

城中村SS 的變化與COD類似，見圖2b，呈現(xiàn)波動性，隨著降雨歷時的延長，總體呈下降趨勢，初期沖刷效應明顯。降雨初期COD最高濃度為248 mg/L，之后逐漸降低到24 mg/L。SS濃度最高為245 mg/L，降雨后期降至71 mg/L，均超過了地表V類地表水標準。初期徑流中氨氮、總磷、SS、COD濃度分別是降雨后期濃度的2.8、5.0、3.5、10.3倍。

a)氨氮和總磷

b)SS和COD圖2 典型小雨時水質指標隨降雨歷時的變化

3.2 典型中雨

選取降雨歷時260 min，降雨量為14.6 mm的典型中雨，前期干旱天數171 d作為分析對象。由于前期干旱天數較長，城中村衛(wèi)生管理條件較差，路面沉積了大量的污染物，因此整場降雨過程中，路面徑流中的污染物濃度普遍比較高，徑流污染嚴重。

初期雨水徑流中的氨氮濃度為2.1 mg/L，總磷濃度為0.45 mg/L，懸浮固體濃度為196 mg/L，COD濃度為320 mg/L，均超出了地表水V類水水質標準，COD濃度與生活污水濃度相當，見圖3。總磷總體濃度不高，濃度隨降雨呈現(xiàn)波動性，但幅度不大，變幅在0.34～0.68 mg/L，初始沖刷效應不明顯。其余污染物濃度在降雨后20 min內有顯著的降低，隨著降雨量的增大以及地表徑流匯集的增多，污染物濃度又逐漸升高，后期又逐漸降低趨于穩(wěn)定。氨氮濃度存在2個明顯的峰值：一個出現(xiàn)在降雨初期，濃度峰值為2.1 mg/L；第二個峰值出現(xiàn)在降雨120 min，氨氮濃度從降雨20 min時的1.12 mg/L逐漸升高到2.45 mg/L，之后又呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，見圖3a。在本場降雨過程中，COD出現(xiàn)了2個濃度峰值，分別出現(xiàn)在第30、120 min，峰值濃度分別為856、560 mg/L，遠遠超出了生活污水中COD的濃度，在120 min之后呈下降趨勢。懸浮固體濃度峰值出現(xiàn)在第30 min，峰值濃度為334 mg/L，隨著降雨量的增加，后期小幅波動，最后趨于穩(wěn)定，懸浮固體濃度逐漸降低至140 mg/L，見圖3b。本場降雨初期徑流中氨氮、總磷、SS、COD濃度與降雨后期濃度相差不明顯，顯示本次降雨整個過程中，污染物濃度都很高。

a)氨氮和總磷

b)SS和COD圖3 典型中雨時水質指標隨降雨歷時的變化

以上結果表明，在前期降雨天數較長的情況下，城中村雨水徑流污染非常嚴重，污染物濃度超過了生活污水的濃度。加強對城中村路面衛(wèi)生的管理，可以有效的控制降雨徑流的整體水質，減少降雨徑流對受納水體的危害。

3.3 典型大雨

選取降雨歷時60 min，降雨量為50.2 mm，降雨強度0.84 mm/min的典型大雨，前期干旱天數為13 d作為分析對象。本場降雨中，各水質指標的波動均較大，污染物濃度隨著降雨量和降雨強度的增加呈持續(xù)降低趨勢，呈現(xiàn)出明顯的初始沖刷效應，見圖4。氨氮峰值出現(xiàn)在降雨7 min，濃度為3.44 mg/L，之后持續(xù)降低，在降雨后期氨氮濃度降至0.47 mg/L，優(yōu)于地表水環(huán)境質量標準II類(0.5 mg/L)。TP第一個峰值出現(xiàn)在降雨10 min時，濃度為4.8 mg/L，隨著降雨量和降雨強度的增大，TP濃度降至0.08 mg/L，優(yōu)于地表水環(huán)境質量標準II類(0.1 mg/L)。SS和COD的濃度變化規(guī)律基本一致，峰值均出現(xiàn)在降雨10 min，SS濃度為729 mg/L，COD濃度為1 164 mg/L，遠遠超出了生活污水的污染物濃度；降雨后期SS和COD的濃度分別降至17、92 mg/L，優(yōu)于污水綜合排放一級標準，但這些徑流匯入市政雨水管道中依舊將加重受納水體的SS和COD污染物負荷。初期徑流中氨氮、總磷、SS、COD濃度分別是降雨后期濃度的7.3、26.3、26.6、6.9倍。以上監(jiān)測結果表明，隨著降雨強度的增大，引起地面徑流中的污染物濃度得到了快速的降低，導致一些指標優(yōu)于地表水環(huán)境質量標準，例如氨氮、TP、SS和COD的濃度優(yōu)于污水綜合排放標準，但今后的研究中如何有效控制降雨徑流中的污染物濃度將是很重要的內容之一。

a)氨氮和總磷

b)SS和COD圖4 典型大雨時水質指標隨降雨歷時的變化

4 結論

本研究對深圳某社區(qū)內城中村內典型雨水口進行了降雨的徑流污染物監(jiān)測，并與該社區(qū)內市政道路、工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)路面徑流水質特征進行對比，之后選擇城中村3場典型小雨、中雨及大雨下排水口各水質指標隨降雨歷時的變化規(guī)律。研究結果如下。

a)城中村路面的徑流污染水平遠遠高于市政路面、工業(yè)區(qū)路面和住宅區(qū)路面徑流污染物水平，主要污染物以SS和COD為主，初期徑流COD濃度可達500 mg/L以上。

b)降雨前期晴天時間長的徑流污染物平均濃度明顯高于前期晴天時間短的降雨。城中村的監(jiān)測結果表明，在前期干旱天數較長的情況下，初期徑流水質劣于生活污水；而降雨前期有另外一場降雨的情況下，再次降雨即便是小雨，初期徑流水質明顯低于后期的徑流水質。

c)選取的城中村在典型大雨的情況下，路面徑流污染物濃度在短時間內快速降低。如何在不同強度降雨條件下，合理地控制污染合理的進入受納水體，減少對水體的污染，是地面徑流污染物控制的重要工作。