濟南市不同下墊面降雨徑流水質變化特征分析

趙登良，徐征和，邊 振，徐 晶

(濟南大學水利與環境學院，濟南 250022)

0 引 言

我國城市的可利用水資源相對匱乏，在我國所有的城市中，有2/3的城市缺水，1/6的城市嚴重缺水[1]，濟南市雖作為享譽全國的“泉城”，但是仍面臨著相當嚴峻缺水問題，市區人均水資源占有量225 m3，約為全國人均水資源占有量的十分之一[2]，導致這一問題的重要原因之一就是水資源污染以及水資源的不充分利用。在我國城市點源污染得到了有效控制的背景下[3]，降雨作為補給地表水的水文過程，既給城市帶來了豐富的水資源，也作為一種面源污染在一定程度上影響了城市的正常發展以及城市居民的正常生活[4]。雖然已有較多學者對城區徑流水質特性、污染物遷移規律等進行了分析和探究[5-6]，但是不同城市的水文、地理位置及經濟發展是不同的，相關的研究結果也不是完全適用。在這樣一種形勢下，展開對降雨時期城區徑流污染變化規律的廣泛研究是非常必要的。本研究對濟南市2018年5-8月的居民區屋面徑流、居民區道路徑流、高架橋雨水徑流、河道進行持續監測，在此基礎上詳細描述不同下墊面污染物的遷移特征，并進行水質時空變化規律分析，相關方法也可以為其他城市類似問題的研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區域及取樣點分布

研究區域位于濟南市市中區(116°59′36″～117°4′54″E,36°35′6″～36°36′54″N)，該區域位于暖溫帶半濕潤季風型季風氣候區，年平均氣溫14.0 ℃，年平均降雨量為638 mm，降雨多集中在6-8月份。屋面徑流取樣點共4個，分別位于南山小區1、2、3、10號樓，居民區道路徑流位于英雄山路、玉函小區南路、舜耕路共3個監測點，高架橋雨水徑流監測點位于二環南路高架橋，共設置3個取樣點，河道監測點共7個(R10及R12-R17)如圖1所示。

圖1 河道取樣點分布圖Fig.1 Distribution of channel sampling points

1.2 水樣采集時間及頻次

河道及屋面徑流的取樣時間為：2018年5月16日、6月25日、8月19日，居民區道路徑流與高架橋雨水徑流取樣時間為2018年8月19日，3次降雨事件的降雨特征統計見表1。屋面徑流與道路徑流采用雨水管與雨水桶結合的方式取得水樣，在降雨產流后的0、15、30 min各取樣一次，之后每隔30 min取樣一次，共取樣6次。河道取樣則是在固定取樣點直接采用取樣器取樣，取樣頻次為產流后的0、20、60、120、180 min各取樣一次。為減少由于取樣時間導致的人為誤差，取樣工作人員在分組后，對不同下墊面的降雨徑流進行同時取樣，并將樣品及時送達實驗室，進行化學分析。

表1 采樣期降雨事件降雨特征Tab.1 Rainfall characteristics of rainfall events in sampling period

1.3 監測項目

在對《地表水環境質量標準》中的常規水質監測指標進行全面檢測的基礎上，確定路面徑流及屋面徑流的水質評價指標為對城區地表徑流水質影響較大的化學需氧量(COD)、總磷(TP)、懸浮物(TSS)、總氮(TN)，河道水質評價包含以上指標并增加了硝酸鹽氮(NO3-N)，氨氮(NH3-N)和溶解氧(DO)三項指標。

1.4 水質分析方法

國內外對水質評價的研究已有幾十年的歷史，水質評價方法也多種多樣，本文采用單因子水質指標分析法描述各下墊面徑流中的不同污染物濃度的變化趨勢[7]，在此基礎上采用綜合水質標識指數評價法進行綜合分析，以求更直觀、更準確地表現研究區內的徑流水質變化。

(1) 單因子水質標識指數評價法。

單因子水質標識指數P表示為：

P=X1.X2X3

(1)

式中：X1表示該指標所屬的水質類別。

當水質指標介于Ⅰ類和Ⅴ類之間時，非溶解氧指標：

(2)

溶解氧指標：

(3)

當水質指標等于Ⅴ類水上限值或劣于Ⅴ類水時，非溶解氧指標：

(4)

溶解氧指標：

(5)

式中：ci為第i項指標的實測濃度；cik上和cik下分別為第i項指標第k類別水質濃度區間的上限值和下限值；cDO為溶解氧的實測濃度；cDOK上和cDOK下分別為第k類別水質溶解氧濃度高和低的區間邊界值，k=X1；ci5上為第i項指標Ⅴ類水濃度的上限值；cDO5下為溶解氧的Ⅴ類水濃度區間的下限值；m為計算公式的修正系數。

當水質類別好于或達到功能區劃類別，則X3=0；當水質類別劣于功能區劃類別且X2=0時，X3=X1-fi-1；X2不等于0時，X3=X1-fi，fi為水環境功能區劃類別。

(2)綜合水質標識指數評價法。

綜合水質標識指數評價法表示為：

IWQ=Y1.Y2Y3Y4

(6)

(7)

式中：Pi為單因子水質標識指數；Y3表示該斷面水質參數超標的項數；Y4表示水質類別劣于功能區劃的類別數(與單因子水質標識指數評價法的X3計算方法相同)。

水質級別判定標準(表2)取自《地表水環境質量標準》(GB 3838 - 2002 )，綜合水質標識指數評價法的綜合水質級別判別標準[8]見表3。

表3 綜合水質級別判定標準Tab.3 Comprehensive water quality grade criteria

表2 地表水水質級別判定標準 mg/LTab.2 Criteria for determining the quality of surface water

2 結果與討論

2.1 單因子水質指標分析

本研究首先從單因子水質指標著手，對不同下墊面的降雨徑流中各監測指標在不同降雨條件下進行對比分析，將同一下墊面的多個取樣點在同一取樣時間的污染物含量取平均值，以避免同一下墊面單次取樣結果的隨機性。

2.1.1 屋面徑流水質變化分析

濟南市居民區屋面材質主要為混凝土材質并鋪設防水材料，所以作為增加城市不透水性的主要因素，在大氣干濕沉降的影響下，其在降雨前污染物堆積嚴重[9]。污染物在屋面徑流的變化趨勢如圖2所示，屋面初期徑流污染較為嚴重，隨著降雨的進行，污染物濃度逐漸降低，初期沖刷作用明顯，具體分析如下。

圖2 屋面徑流水質變化分析Fig.2 Analysis of roof runoff water quality change

屋面徑流中污染物濃度的變化如圖2所示，在3次監測的降雨伊始，有機物COD含量在25～36 mg/L間，TP含量為0.14～0.27 mg/L，TN濃度范圍為4.2～5.17 mg/L，TSS含量為25～39 mg/L，除TSS外，其他3項指標的初期降雨含量均超出Ⅳ類水標準。5月16日屋面徑流的初期污染尤為嚴重，6月25日和8月19日則相對較輕，根據相關學者對污染物累計效應[10]的相關研究成果可知，這種現象是由于6-8月為濟南市的強雨季，且后兩次降雨采樣期前的晴天數低于第一次，所以5月16日的污染物初始含量高于6月25日和8月19日。

隨著降雨的進行，各污染物含量均以不同的速率下降，在降雨90 min后趨于穩定。降雨初期0～30 min內，屋面徑流沖刷作用明顯，各污染物含量下降較快，5月16日的初期降雨雨強較小，但是其COD與TP含量基數較大，所以這兩類污染物下降幅度明顯，但是下降速率略低于后兩次降雨。6月25日和8月19日的初期降雨雨強相差不大，所以污染物下降的趨勢及幅度也相似。在降雨后期，污染物含量基本趨于穩定，COD含量為12～21 mg/L，TP含量為0.02～0.11 mg/L，TN含量為1.85～2.51 mg/L，TSS含量為8～16 mg/L，各污染物含量均優于城區徑流水質Ⅳ類水標準。

2.1.2 道路徑流水質變化分析

降雨時居民區道路與高架橋的徑流水質分析如圖3所示。

圖3 路面徑流水質變化分析圖Fig.3 Pavement runoff water quality change analysis diagram

根據居民區道路和高架橋路面徑流的水質變化對比分析，降雨初期居民區道路路面徑流中4類污染物含量均高于高架橋路面徑流，隨著降雨過程的持續，居民區道路徑流各污染物含量持續下降并于產流后90～120 min時趨于穩定，除總氮指標外，其余指標均符合城區徑流水質Ⅳ類水標準。

在整個降雨過程中，高架橋路面徑流中TN及TSS指標濃度始終低于居民區路面徑流，對于COD和TP指標濃度，降雨初期居民區路面徑流污染程度高于高架橋，但是隨著雨水的沖刷，前者COD含量迅速降低并低于后者，最終穩定在13.5～15 mg/L，前者TP含量也持續下降最終略低于后者并趨于穩定在0.03～0.05 mg/L，符合城區徑流水質Ⅳ類水標準。居民區路面徑流中TN含量雖低于降雨初期，但是仍嚴重劣于城區徑流水質Ⅴ類水標準，含量穩定在4.2～4.5 mg/L，高架橋路面徑流中該指標含量也超過Ⅳ類水標準，接近Ⅴ類水。

2.1.3 河道水質變化分析

本研究將每個河道取樣點3次的檢測結果求平均值來進行分析，避免單次取樣結果的隨機性。通過對河道取樣點各水質指標的監測分析可知，超標比較嚴重的是TN、TSS、NH3-N和TP，各指標在河道上下游空間分布規律如圖4所示。

圖4 河道水質空間變化分析圖Fig.4 Spatial change analysis diagram of river water quality

在上述所有指標中，超標最嚴重的是TN，在河道沿程均超過了Ⅴ類水標準，自上游至下游存在減小的趨勢，R17附近由于部分河道種植農作物，導致該處的TN濃度略有增大，但河道沿程減小趨勢明顯。TSS指標超標也比較嚴重，除河道下游的R16外，其余取樣點均超過了Ⅳ類水標準，TSS濃度自上游至下游同樣存在減小的變化趨勢。NH3-N指標僅在R10取樣點超過了Ⅳ類水標準，且中游R10和R14處NH3-N的濃度明顯高于上游和下游；TP指標在河道中游處的含量明顯小于河道上下游，原因可能與R10是人工補源處，而R14流經居民區，對TP指標略有影響。

硝酸鹽氮(NO3-N)、化學需氧量(COD)和溶解氧(DO)在河道沿程基本未超標，但變化規律比較明顯，NO3和COD均是由上游至下游含量逐漸降低，DO則分為上游至R17取樣點遞減，R15和R16取樣點略有增加。

通過對河道沿程各指標的分析可知，無論指標超標與否，各指標濃度(除溶解氧)沿河道均存在減小的變化規律，即水質由上游至下游存在變好的趨勢。

2.2 綜合水質標識指數法評價結果

對屋面徑流、居民區路面徑流、高架橋路面徑流、河道水質使用綜合標識指數評價法進行水質評價，結果如表4所示。

表4 水質單因子及綜合標識指數評價結果Tab.4 Evaluation results of single factor and comprehensive index of water quality

由綜合標識指數評價法結果可知，屋面徑流中的TN污染程度已超出Ⅴ類水，綜合水質類別屬于Ⅲ類水，河道水中COD污染較嚴重，綜合水質類別為Ⅴ類水，TSS評價結果在居民區道路處取得最大值，高架橋路面徑流中4類主要污染物均未超標，綜合水質類別為Ⅲ類水，水質較好。

3 結 語

(1) 降雨時期城區各下墊面徑流中總氮超標最為嚴重，該污染物是影響城區徑流綜合水質的重要因素，在路面徑流及屋面徑流中，初期沖刷作用明顯，初期降雨強度越大，初期沖刷作用越明顯。

(2) 在不同下墊面中，水質污染程度為：高架橋路面徑流<屋面徑流<居民區道路路面徑流<河道水。

(3) 屋面徑流水質在降雨初期水質較差，但是綜合水質較好，二環南路高架橋路面徑流綜合水質為Ⅲ類水，根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中對不同水質水體的使用要求，可以將分離初期雨水后的屋面雨水和高架橋雨水徑流直接應用于園林灌溉等市政綠化建設。

(4) 降雨時期河道雖然自上游至下游水體綜合污染逐漸減小，但是綜合水質仍為Ⅴ類水，這表明城區徑流水質仍需進一步優化治理。