暴雨徑流污染物濃度變化特征分析及氣象影響因素研究

文章編號：1674-6139（2025）08-0079-06

中圖分類號：X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Analysis on Variation Characteristics of Pollutant Concentration in Rainstorm Runoff and Analysis of Meteorological Influencing Factors

Zhao Yunlong

（LiaoyangMeteorologicalBureau，Liaoyang111OOo，China）

Abstractuetosdcaintyofantctratiogsisooffitisiulttoate dictitshangeractestisdlti.Insadractestisofantoceatiogsist andteaalyisfeelocalctoseopodingduslndetaleseae，eytl environmental pollution data in the region，calculates and statisticallyanalyzes sample rainfall and pH values.It divides the whole rainfall period，measureelatoeatiodoffndaiseaeltocratioofsofal zingthevariatioracteristofantocetatiostofdmeeolalctsitisatthta centratiowillesaonfalldallilltgatoen perature inversioncreateconditions fortheformationofacidrain，leading toanincreaseinpolltantconcentration.

Keywordsoncentationarationcharacteristics；ainstounoff；poltantconcentration；eteorologicalfactors；avragaal concentration

前言

暴雨徑流污染物是指在暴雨過程中，由于降雨徑流的淋洗和沖涮作用，大氣、地面和地下的污染物被帶入江河、湖泊、水庫和海洋等水體中，從而造成的水體污染[1-2]。若不及時(shí)對暴雨徑流中攜帶的污染物進(jìn)行處理，將加劇水體的污染程度，特別是營養(yǎng)鹽的增加，容易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，影響水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡[3]。通過對污染物濃度變化特征及氣象影響因素的深入分析，可以推動城市水資源管理和水環(huán)境保護(hù)的持續(xù)改善，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

例如莫崇勛等[4]采用相對變率分析法、趨勢分析法、多元ENSO指數(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)降水和降水侵蝕力的年內(nèi)和年際變化特征、相關(guān)關(guān)系及影響因子分析。余香英等5以1年以上的長時(shí)間降雨及斷面水質(zhì)監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建4小時(shí)降雨事件分割方法，研究不同降雨事件下的水質(zhì)變化特征和規(guī)律，結(jié)合SPSS相關(guān)分析法，完成降雨與水質(zhì)污染物指標(biāo)的相關(guān)性分析。

但上述文獻(xiàn)無法精確掌握降水對污染物的變化特性的影響，很可能導(dǎo)致區(qū)域污染加劇。為此，提出了暴雨徑流污染物濃度變化特征分析及氣象影響因素分析。通過對酸雨、污染物數(shù)據(jù)的收集、處理，厘清污染物的分區(qū)準(zhǔn)則，獲得次暴雨徑流平均濃度，完成暴雨徑流污染物濃度變化規(guī)律及氣象因素研究。

1污染物資料采集處理與劃分標(biāo)準(zhǔn)

1. 1 資料采集處理

選擇某城市的氣象酸雨觀測站與2個(gè)環(huán)境監(jiān)測站為研究對象，監(jiān)測站1位置在工業(yè)區(qū)，監(jiān)測站2位置在生活區(qū)。收集這些站點(diǎn)2015年至2022年之間的酸雨和降雨環(huán)境污染數(shù)據(jù)。逐日觀察酸雨的變化。從當(dāng)天08時(shí)到第二天08時(shí)，雨量大于 1.0mm ，就是一次降雨采樣點(diǎn)。在對降雨樣本處理時(shí)，若遇持續(xù)降雨，則只取一次。但對于非連續(xù)性的降雨，則需多次采樣，最后得到一天的降雨量。對采集的樣本進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，包含降雨量 ??pH 值、電導(dǎo)率K值以及地面風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)。pH值采用雷磁PHS-3B型設(shè)備測量[，電導(dǎo)率K值用雷磁DDS-307型設(shè)備測量。通過氫離子濃度－雨量加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)法，對7年間的日降水樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)月、季、年分別計(jì)算出平均值，以表征該區(qū)域暴雨徑流污染物強(qiáng)度與變化特征?？紤]到酸雨等污染物與云霧降水、大氣污染環(huán)境之間具有緊密聯(lián)系，決定對該城市的2個(gè)環(huán)境觀測站與氣象酸雨觀測站的同時(shí)間數(shù)據(jù)實(shí)行分析比較。這些數(shù)據(jù)包含：TN（總氮）、TP（總磷）、COD（化學(xué)需氧量）7]、無機(jī)磷等4種污染物的濃度。這些污染物濃度的變化可以有效地反映城市暴雨徑流污染物濃度變化特征，也可以更好地了解環(huán)境狀況。

1.2 污染物劃分標(biāo)準(zhǔn)

（1）酸雨：酸雨導(dǎo)致的土壤酸化會加劇土壤侵蝕過程。在暴雨期間，侵蝕的土壤顆粒會隨徑流進(jìn)入水體，增加暴雨徑流中的懸浮物濃度，影響土壤肥力和植物生長，進(jìn)而破壞陸地生態(tài)系統(tǒng)。酸雨區(qū)強(qiáng)度的分級依據(jù)是：年均降雨 pH 值不低于5.6，有 0% ～20% 發(fā)生酸雨，即無酸雨區(qū)；在 ΔpH 值為5.3～5.6的范圍內(nèi)，有 10%～40% 發(fā)生酸雨，即輕度酸雨區(qū)；在5～5.3的 ΔpH 值范圍內(nèi)， 30%～60% 發(fā)生酸雨，即中等酸雨區(qū)；在 pH 值為4.7～5的范圍內(nèi)，有 50% ～80% 發(fā)生酸雨，即偏重度酸雨；在 pH 值 lt;4.7 的條件下， 70%～100% 發(fā)生酸雨，即重酸雨區(qū)。

（2）TN（總氮）：總氮是暴雨徑流中重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一，濃度過高會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，進(jìn)而引發(fā)“水華”現(xiàn)象，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，影響水生生物的生存和繁殖。水質(zhì)總磷含量的標(biāo)準(zhǔn)是：I類水質(zhì)總氮標(biāo)準(zhǔn)濃度為 ?0.2mg/L / I 類水質(zhì)總氮標(biāo)準(zhǔn)濃度?0.5mg/L， Ⅲ類水質(zhì)總氮標(biāo)準(zhǔn)濃度為 ?1mg/L，IV 類水質(zhì)總氮標(biāo)準(zhǔn)濃度為 ?1.5mg/L，V 類水質(zhì)總氮標(biāo)準(zhǔn)濃度為 ?2mg/L

（3）TP（總磷）：對總磷的要求為：一類水質(zhì)總磷標(biāo)準(zhǔn)濃度不超過 0.02mg/L ，二類不超過 0.1mg/L ，三類不超過 0.2mg/L ，四類不超過 0.3mg/L ，五類不超過 0.4mg/L 。

（4）COD（化學(xué)需氧量）：COD是衡量水環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)主要指示因子，數(shù)值越大，則污染濃度含量越大。按水環(huán)境質(zhì)量分級，一、二類COD 在 15mg/L 以下，可基本滿足生活飲用水的要求；三類COD不超過 20mg/L ;四類COD不超過 30mg/L ；五類COD不超過 40mg/L 。

（5）無機(jī)磷：無機(jī)磷是暴雨徑流中另一種重要的營養(yǎng)物質(zhì)。濃度過高同樣會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。歐盟濃度標(biāo)準(zhǔn)為 0.03～0.2mg/L ;中國濃度標(biāo)準(zhǔn)為0.02～0.1mg/L

2次暴雨徑流平均污染濃度計(jì)算

對于每一次降雨產(chǎn)生的地表徑流，水質(zhì)會受到多種因素的影響，導(dǎo)致污染物濃度值不停改變。使用暴雨徑流平均值表示一場雨下的地表徑流中某種污染物的平均濃度?？梢杂檬剑?）來描述該污染平均濃度為式（1）：

式（1）中， M 描述的是一次暴雨徑流過程中的污染物總排放量； V 描述的是一次降雨造成的地面徑流體積； C（t） 描述的是某一污染物在 Ψ_t 時(shí)刻的瞬間濃度； Q（t） 描述的是道路表面暴雨徑流 Ψ_t 時(shí)的徑流量； T 描述的是一次降雨的累計(jì)持續(xù)時(shí)間。降雨強(qiáng)度的持續(xù)改變，徑流量與污染物濃度也會隨之改變。而目前觀測到的徑流、污染物濃度等數(shù)據(jù)往往具有非連續(xù)性。平均濃度本質(zhì)上就是污染物濃度流量的加權(quán)平均數(shù)[8]，因此，為了把整個(gè)降雨過程劃分為不同區(qū)段，在每個(gè)區(qū)段上測量一種污染物濃度，然后測定這一時(shí)間內(nèi)的徑流體積，求出大致的平均濃度數(shù)值如式（2）：

式（2）中， C_j 描述的是在時(shí)段j期間測量到的污染物濃度； V_j 描述的是在第 j 個(gè)時(shí)段內(nèi)的暴雨徑流體積； n 描述的是一時(shí)段內(nèi)的總流量。

3暴雨徑流污染物濃度變化特征分析

為了更好分析暴雨徑流污染物濃度變化特征，此次實(shí)驗(yàn)按照每次降雨的采樣頻率，對不同季節(jié)降雨日期采集樣品中的污染物TN（總氮）、TP（總磷）、COD（化學(xué)需氧量）、無機(jī)磷進(jìn)行測定。選擇某城市為研究對象，研究區(qū)域分為工業(yè)區(qū)和生活區(qū)（居民區(qū)和商業(yè)區(qū)），各選取四季中的某1天的降雨日作為監(jiān)測日，在降雨初期，由于降雨強(qiáng)度大，沖刷力強(qiáng)，污染物被迅速帶走，導(dǎo)致污染物濃度在徑流形成的初期急劇下降。在降雨中后期，隨著降雨強(qiáng)度的減小，地面徑流的沖刷力減弱，污染物濃度趨于穩(wěn)定。工業(yè)區(qū)與生活區(qū)在四個(gè)季節(jié)的暴雨過程中，各種污染物的總量的變化曲線見圖1、圖2。

從圖1（a）、圖2（a）能夠得知，降水初期污染物濃度有相對明顯的降低趨勢，在雨后，濃度基本維持在比較穩(wěn)定的區(qū)間，但隨著降雨強(qiáng)度的增加，一些污染物在徑流后期也會有所增加。從污染出流濃度隨時(shí)間的變化情況來看，在降雨過程中，兩個(gè)區(qū)域的污染物濃度都在徑流形成的30多分鐘內(nèi)急劇下降，這是因?yàn)樽畛醯慕涤陱?qiáng)度很大，所以沖刷力[9]很強(qiáng)，污染物會被水流帶走;隨著降雨強(qiáng)度減小，地面徑流的沖刷力減弱，污染物沒有完全被帶走，而在大雨再一次發(fā)生時(shí)，沖刷力又驟然增大，從而使重金屬的出流濃度增加。

從圖1（b）、圖2（b）可以看到，這場降雨污染物濃度在開始的一段時(shí)間里，會有顯著下降，而到了暴雨徑流的后期，則基本維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，而隨著雨量的增加，一些污染物的徑流濃度在后期有所增加。

如圖1（c）、圖2（c）所示，工業(yè)區(qū)、生活區(qū)在此次降雨過程中，各種污染物排放的變化規(guī)律大體相同，即在徑流采樣開始的時(shí)候，各種污染物的濃度都處于比較高的水平，而在降雨后期時(shí)，則出現(xiàn)減少的現(xiàn)象，尤其是TN濃度含量存在非常顯著的變化。從總體上來看，降雨30分鐘以后，兩個(gè)區(qū)域的污染物濃度都出現(xiàn)降低，后期污染物濃度基本保持平穩(wěn)。

從圖1（d）、圖2（d）可知，在這場降雨過程中，工業(yè)區(qū)和生活區(qū)的各種污染物出流大體相同，在徑流采樣的初始階段，各污染物濃度都較高，而在徑流后期污染物的濃度會下降。

4暴雨徑流污染物平均濃度分析

利用次暴雨徑流的平均濃度表征一次地表徑流的污染物負(fù)荷。四季暴雨徑流污染物平均濃度見表1。

通過對平均濃度的分析，結(jié)果表明工業(yè)區(qū)和生活區(qū)的污染物含量相近。TN污染較重，COD污染較低，TP污染偏低，無機(jī)磷則在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

通過表1能夠看到，在工業(yè)區(qū)與生活區(qū)的污染濃度區(qū)間內(nèi)，季節(jié)降水過程具有相似的規(guī)律，而地面徑流污染物的濃度則存在著明顯差異。污染物濃度為工業(yè)區(qū) gt; 生活區(qū)。此外，其中春季工業(yè)區(qū)的TN、COD污染物數(shù)值最高，TN值達(dá)到 3.24mg/L ，COD值達(dá)到 59.69mg/L 。觀察兩個(gè)地區(qū)的四次降雨，對比四季的 TN，TP 、無機(jī)磷、COD平均濃度，夏季基本是最小數(shù)值，可能是因?yàn)楸┯陱搅鲗Φ乇頉_洗強(qiáng)度較大，使得該區(qū)域的污染物減少。

表1四季暴雨徑流污染物平均濃度 mg/L

5氣象因素下暴雨徑流污染濃度影響分析

酸雨中含有的二氧化硫、氮氧化物等酸性氣體及與空氣中的水蒸氣和氧反應(yīng)生成的硫酸、硝酸等酸性物質(zhì)，會在降雨過程中被沖刷到地面，進(jìn)而進(jìn)入地表徑流系統(tǒng)。如果連續(xù)遭遇酸雨天氣，地表徑流中的污染物濃度會逐漸累積，導(dǎo)致暴雨徑流的污染濃度上升。而風(fēng)向和逆溫因素均會影響酸雨的形成，導(dǎo)致其擴(kuò)散和傳輸，進(jìn)而影響暴雨徑流污染濃度。對此，研究通過對這兩項(xiàng)因素對酸雨產(chǎn)生的情況進(jìn)行分析，從而得出暴雨徑流污染濃度的影響情況。

5.1 風(fēng)向影響

風(fēng)向決定了污染物的傳輸路徑。在暴雨期間，如果風(fēng)向?qū)⑽廴疚飶奈廴緟^(qū)吹向水體，這些污染物可能會通過降雨過程進(jìn)入水體，從而增加暴雨徑流的污染濃度[10]。同時(shí)，大氣中的酸性物質(zhì)可經(jīng)大氣傳輸?shù)较掠螀^(qū)域，在某些情況下會產(chǎn)生酸雨。而酸雨進(jìn)入水體后會使水體酸度增加。在暴雨期間，這些酸性水體可能與暴雨徑流混合，進(jìn)一步降低暴雨徑流的pH值，增加酸性污染程度。

深入研究在不同氣象條件下，特別是當(dāng)風(fēng)向變化時(shí)，暴雨徑流中，酸雨的強(qiáng)度導(dǎo)致污染物的濃度和等級變化情況?？紤]到污染物在 850hPa 高度上的傳輸特性，研究不同等級的風(fēng)向，如微風(fēng)、輕風(fēng)、中風(fēng)、大風(fēng)等，如何影響酸雨污染的發(fā)生頻率，以及這些酸雨污染如何通過降雨過程進(jìn)入地表徑流，從而影響暴雨徑流的污染濃度，結(jié)果見圖3。

圖3不同酸雨等級污染出現(xiàn)頻率風(fēng)向圖

從圖3可以看出，在東風(fēng)（如E、ESE、SSE）和北風(fēng)（如NNW、NW、N）的作用下，酸雨污染的發(fā)生頻率和強(qiáng)度存在顯著差異。具體來說，NNE和NE方向的風(fēng)向?qū)е滤嵊晡廴景l(fā)生次數(shù)最多，其中弱、中、強(qiáng)酸雨的發(fā)生概率都大于 50% ，顯示出這些風(fēng)向下酸雨污染的高頻和高強(qiáng)度特性。這表明，當(dāng)風(fēng)向?yàn)镹NE或NE時(shí)，酸雨污染更易形成，且污染程度較重。此外，N和ENE兩種風(fēng)場對酸雨的影響也很大，盡管略低于NNE和NE，但在這些風(fēng)場條件下，弱酸雨的發(fā)生概率為 24% ，中等強(qiáng)度的酸雨發(fā)生概率為 16% ，依然表明這些風(fēng)向下酸雨污染的風(fēng)險(xiǎn)較高。相對地，在E、ESE、SSW風(fēng)場條件下，弱酸雨的發(fā)生頻率很低，甚至沒有，這說明這些風(fēng)向下酸雨污染的風(fēng)險(xiǎn)較小。而在NNW、SW等風(fēng)向出現(xiàn)時(shí)，只有零星的中到強(qiáng)酸雨，說明這些風(fēng)向下酸雨污染雖然存在，但頻率和強(qiáng)度都較低。

考慮到酸雨污染通過降雨過程進(jìn)入地表徑流，從而影響暴雨徑流的污染濃度，可以推斷出，當(dāng)風(fēng)向?yàn)镹NE、NE時(shí)，暴雨徑流的污染濃度可能會顯著上升，因?yàn)檫@些風(fēng)向下酸雨污染的頻率和強(qiáng)度都較高。相反，當(dāng)風(fēng)向?yàn)镋、ESE、SSW時(shí)，因?yàn)轱L(fēng)向下酸雨污染的風(fēng)險(xiǎn)較小，所以暴雨徑流的污染濃度可能會較低。

5.2 逆溫影響

逆溫也就是在大氣邊界層相對穩(wěn)定，且擴(kuò)散條件不佳時(shí)，常會阻礙大氣中的垂直運(yùn)動與湍流交換，令污染物在地表積聚，此時(shí)降雨容易造成酸雨。

在289份酸雨監(jiān)測樣本中，28份為中等以上酸雨樣本， pH 值小于5。在降雨前一天出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象的有23份，占 ΔpH 值小于5的中等以上酸雨樣品總數(shù) 82.0% ;在降雨當(dāng)日，有16份樣品出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象，占 ΔpH 值小于5的中等以上酸雨樣品數(shù) 57.0% 。這說明逆溫層會造成酸雨，且降雨前一天發(fā)生逆溫更有利酸雨的形成，但也可能與污染積累的時(shí)間有關(guān)。求出降雨 ΔpH 值與逆溫溫差、厚度、強(qiáng)度的相關(guān)性，見表2。

表2降雨pH值與逆溫溫差、厚度、強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)

通過表2能夠明顯看出，降雨 ΔpH 值與降雨前一天、當(dāng)天逆溫溫差和厚度具有緊密的關(guān)系，且呈現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，并為 90.0% 以上信度檢驗(yàn)。這就意味著，在暴雨發(fā)生的前一天，當(dāng)天的逆溫差異數(shù)值越大，逆溫層就會越厚，更易于發(fā)生酸雨現(xiàn)象，令暴雨徑流污染物濃度升高。而降雨pH值和逆溫強(qiáng)度沒有相關(guān)性。

6 結(jié)束語

降雨會導(dǎo)致固體懸浮物、重金屬及大腸桿菌等污染物排入河流，將會造成嚴(yán)重的水質(zhì)污染。因此，提出了暴雨徑流污染物濃度變化特征分析及氣象影響因素分析。通過收集并處理酸雨、污染物數(shù)據(jù)，確定污染物劃分標(biāo)準(zhǔn)，獲得次暴雨徑流平均濃度，實(shí)現(xiàn)暴雨徑流污染物濃度變化特征與氣象影響因素分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，暴雨徑流污染物濃度會受季節(jié)的變化的影響，在每個(gè)季節(jié)的降雨初期會出現(xiàn)或多或少的降低，但在降雨后期污染物濃度則會小幅上升，其中，污染物的平均濃度在夏季最小。通過對氣象影響因素進(jìn)行分析可知，風(fēng)向和逆溫均會對污染物濃度造成影響，其中，逆溫差異數(shù)值越大，逆溫層就會越厚，更易于發(fā)生酸雨現(xiàn)象，從而導(dǎo)致暴雨徑流污染物濃度升高。

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