北京城區(qū)不同下墊面降雨徑流產(chǎn)污特征分析

歐陽威,王 瑋,郝芳華,宋凱宇,王云慧 (北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875)

城市化進(jìn)程的加速伴隨著城市自然景觀的改變,不同于自然地表?xiàng)l件的大面積瀝青路面和硬質(zhì)屋頂形成了“城市第二自然格局”[1],這不僅嚴(yán)重影響了景觀中的物質(zhì)循環(huán)和能量分配,而且對(duì)區(qū)域氣候、土壤、水量和水質(zhì)的影響具有深遠(yuǎn)的影響[2],其中,城市非點(diǎn)源污染問題日益突出.

城市非點(diǎn)源污染指城市降雨徑流淋洗與沖刷大氣和匯水面各種污染物引起的受納水體的污染,是城市水環(huán)境污染的重要因素[3].降雨是城市非點(diǎn)源污染形成的動(dòng)力因素,而降雨形成的徑流是非點(diǎn)源污染物遷移的載體[4].因此,狹義上的城市非點(diǎn)源污染即指城市降雨徑流污染,它是城市非點(diǎn)源污染的最主要形式.城市降雨徑流污染的形成機(jī)制復(fù)雜,受到區(qū)域降雨特征、城市生態(tài)水文機(jī)制、區(qū)域交通生活狀況及下墊面條件等諸多因素的影響,已經(jīng)成為城市水環(huán)境污染和生態(tài)退化的主要影響因素,是水體水質(zhì)惡化和生態(tài)功能退化的第三大污染源[5].當(dāng)前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市降雨徑流污染的研究主要包括以下幾個(gè)方面:城市暴雨徑流污染物的時(shí)空分布[6-8];城市瀝青路面[9]和綠化路面[10]等不同下墊面[11]暴雨徑流產(chǎn)污特征;城市綠化對(duì)污染物的控制效應(yīng)[12-13];暴雨徑流的沖刷效應(yīng)及城市降雨徑流模型開發(fā)[14-15]等.其中,城市降雨徑流產(chǎn)物特征研究是深入開展城市非點(diǎn)源污染研究的基礎(chǔ).

本研究在對(duì)年內(nèi)逐日降雨特征觀測(cè)的基礎(chǔ)上,通過對(duì)瀝青路面、硬質(zhì)屋頂、草地屋頂這三類不同城市下墊面條件下的降雨徑流過程及污染進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)和分析,揭示不同下墊面條件下雨水徑流污染的輸出的時(shí)空規(guī)律,在此基礎(chǔ)上估算場(chǎng)次降雨徑流污染物質(zhì)的平均濃度(EMCs),利用統(tǒng)計(jì)分析軟件分析降雨徑流水質(zhì)的影響因素,并探討草地屋頂對(duì)徑流污染物質(zhì)的削減效率,以期為不同下墊面形態(tài)下的雨水徑流污染物的預(yù)測(cè)、管理和控制提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

圖1 北京市逐年降水量趨勢(shì)Fig.1 Diagram on the yearly distribution of Beijing

北京市氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥,春、秋短促,多年年平均氣溫 14.0℃.通過對(duì)北京市 50余年降雨數(shù)據(jù)分析得知(圖1),其歷年降雨量分布很不均勻,年份差異大,但是總體降雨量呈逐年下降趨勢(shì),多年平均降雨量 600mm 左右,年內(nèi)降雨主要分布在夏季,以短促暴雨出現(xiàn).結(jié)合北京市降雨特點(diǎn),考慮到本研究中實(shí)驗(yàn)規(guī)模和實(shí)驗(yàn)的可操作性,采樣區(qū)選擇在北京師范大學(xué)校園內(nèi).

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取及樣品采集

出于實(shí)驗(yàn)過程安全方面因素的考慮,城市暴雨徑流樣品采集對(duì)水樣的要求大多是非夜間的有效降雨樣品,因此,結(jié)合北京城區(qū)下墊面特點(diǎn)和雨水樣品采集原則,本研究選擇3類不同下墊面的集水口作為樣品收集點(diǎn),分別為:瀝青路面集水井口,硬質(zhì)屋頂雨水豎排管口和草地屋頂雨水豎排管口(屋頂草地為用于降低室內(nèi)溫度而人工種植的).3個(gè)采樣點(diǎn)分布在以樣品集中處理區(qū)為中心的100m范圍內(nèi),并在硬質(zhì)屋頂架設(shè)了HOBO小型自動(dòng)監(jiān)測(cè)氣象站,對(duì) 2009年降雨過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具體監(jiān)取樣時(shí)刻為:對(duì)于每次有效降雨,從下墊面產(chǎn)生徑流開始,分別在 5、10、15、25、35、50、70, 100min時(shí),用550mL聚乙烯瓶各取1次水樣,水樣的采集方法遵守《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》[16].

1.3 樣品分析

采集的徑流水樣及時(shí)送至實(shí)驗(yàn)室并于 24h內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)的分析.根據(jù)城區(qū)暴雨徑流污染特征,選定7個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析,分別為CODcr、氨氮、硝氮、總磷、重金屬,具體測(cè)定的指標(biāo)及分析方法見表1.

表1 水質(zhì)指標(biāo)分析方法Table 1 Analysis of water quality indicators

1.4 有效降雨特征

利用自動(dòng)氣象站,對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)2009年全年降雨量進(jìn)行了每日監(jiān)測(cè),研究期間采集到的2009年北京城區(qū)降雨特征見圖3.全年降雨量為356.6mm其中24h內(nèi)降雨大于3mm的次數(shù)為18次,產(chǎn)生有效徑流的降雨次數(shù)為12次,但是出于保證實(shí)驗(yàn)過程安全方面因素的考慮,水樣采集需要在白天、無雷擊的情況下進(jìn)行,最終成功取樣的有效降雨事件有4次(表2).降雨量為3.8～18mm,降雨歷時(shí)為100～320min,最大降雨強(qiáng)度為0.04～0.50mm/min,平均降雨強(qiáng)度為0.0219～0.1800mm/min,前期晴天數(shù)為7～112d.

表2 監(jiān)測(cè)的典型降雨事件的降雨特征Table2 The characteristics of the typical monitoring rainfall

1.5 場(chǎng)次降雨徑流事件的污染物負(fù)荷(EMC)

氣候特點(diǎn)及區(qū)域下墊面性質(zhì)等影響因素的不確定性導(dǎo)致了同一區(qū)域在不同降雨事件中或不同區(qū)域在同一場(chǎng)次降雨事件中的各項(xiàng)污染物質(zhì)濃度差異很大;并且各場(chǎng)次降雨事件本身特征的差異性也導(dǎo)致了徑流污染物質(zhì)濃度變化差異顯著[17].美國環(huán)境保護(hù)署發(fā)布的美國城市徑流計(jì)劃建議[18]對(duì)場(chǎng)次降雨徑流事件的污染物負(fù)荷采用EMC指標(biāo)進(jìn)行量化.EMC是用來表示一場(chǎng)降雨事件徑流全過程排放的某種污染物質(zhì)的平均濃度,其計(jì)算方法如下:

式中:M為整個(gè)降雨過程中某種污染物的總含量,g;V為相對(duì)應(yīng)的總凈流量,m3;t為總的徑流時(shí)間,min;Ct為隨時(shí)間變化的污染物的含量,mg/L;Qt為隨時(shí)間變化的徑流速率,m3/min;△t為不連續(xù)的時(shí)間間隔.由于實(shí)測(cè)中無法監(jiān)測(cè)污染物質(zhì)的連續(xù)濃度數(shù)據(jù),所以在實(shí)際計(jì)算過程中用某一時(shí)刻的污染物質(zhì)濃度來代替其所在時(shí)間段的濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同下墊面污染輸出規(guī)律

對(duì)3類不同下墊面條件下降雨徑流中7個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的濃度變化進(jìn)行分析,得到徑流事件各污染物平均濃度指標(biāo)歷時(shí)變化過程圖(圖2).圖2表明,3種下墊面條件對(duì)同一種污染物的貢獻(xiàn)率差異較大,但污染物濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律相似,初期污染物濃度非常高,由于沖刷效應(yīng),后期濃度明顯下降.此外第一場(chǎng)有效降雨2009年第一場(chǎng)降雨,之前連續(xù)112d無降水,導(dǎo)致4次有效檢測(cè)濃度值偏差較大.降雨初期,硬質(zhì)屋頂和瀝青路面CODcr平均濃度為達(dá)到1200mg/L,最大值1660mg/L,超出國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[19]中的V類標(biāo)準(zhǔn)28倍,但經(jīng)歷100min后,濃度下降為初期的15%左右.其他6類污染物在上述2種下墊面條件下初始NH3-N,NO3-N,TP濃度亦分別高達(dá)83.0,129.5,14.6mg/L和53.1,92.1,3.32mg/L,甚至超過《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[20]中的三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn).

通過對(duì)4場(chǎng)降雨事件在3類不同下墊面條件下的徑流出流規(guī)律進(jìn)行綜合分析得知,在同場(chǎng)次降雨事件中,不同下墊面的透水性的強(qiáng)弱對(duì)徑流的沖刷效應(yīng)有直接影響.草地屋頂較瀝青路面與硬質(zhì)屋頂透水率高,雨水下滲能力強(qiáng),產(chǎn)生的徑流量相對(duì)較少,對(duì)累積污染物質(zhì)沖刷力弱,因此草地屋頂徑流中除TP外地其他6類污染物的初始濃度都要低于其在瀝青路面和硬質(zhì)屋頂徑流中的濃度,這也說明草地屋頂對(duì)這些污染物質(zhì)能夠起到削減作用.草地屋頂 TP濃度高于硬質(zhì)屋頂之間,這與降雨對(duì)草地原有土壤的沖刷以及植物腐解作用等有關(guān).降雨徑流對(duì)硬質(zhì)屋面、綠草屋面、瀝青路面這 3類下墊面上污染物質(zhì)的初始沖刷效應(yīng)顯著,超過80%的污染負(fù)荷為占總徑流時(shí)間40%的初期徑流所運(yùn)移.利用4次實(shí)驗(yàn)中的96個(gè)樣品,所有7類污染物均有相似的過程線,且均符合指數(shù)回歸方程,相關(guān)系數(shù)均在0.75以上.

2.2 降雨徑流產(chǎn)污負(fù)荷分析

由表4可見,表明瀝青路面和硬質(zhì)屋頂雨水徑流具有較高的污染強(qiáng)度,CODcr污染尤為嚴(yán)重.由于在2008年冬季至2009年之春季連續(xù)112d無有效降水,使得本文監(jiān)測(cè)到的第1次降雨事件的徑流污染最為嚴(yán)重.瀝青路面徑流與硬質(zhì)屋頂徑流中的CODcr濃度EMC值分別高達(dá)643mg/L和561mg/L,與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的V類水標(biāo)準(zhǔn)相比,平均分別超標(biāo)16倍與14倍.NH3-N、NO3-N和TP等氮磷污染物也均超出V類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).Pb、Zn和Cu這3類重金屬元素的EMC值僅符合V類地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

圖2 徑流事件各污染物平均濃度指標(biāo)歷時(shí)變化過程Fig.2 Variations of the contaminations concentration

表3 實(shí)測(cè)不同下墊面條件下雨水徑流的EMC值(mg/L)Table 3 EMCs of monitoring runoff on the different underlying surface

表4 實(shí)測(cè)不同下墊面條件下雨水徑流的EMC值(mg/L)Table 4 EMCs of monitoring runoff on the different underlying surface (mg/L)

第4次降雨事件之前有1次未能監(jiān)測(cè)到的夜間降雨,所以此次降雨徑流各項(xiàng)特征污染物濃度相對(duì)前 3次降雨有明顯的下降趨勢(shì),但是CODcr、NH3-N和NO3-N的EMC值仍然超出V 類水標(biāo)準(zhǔn).此外,各污染物在不同下墊面條件下表現(xiàn)出相似的分布特征,瀝青路面徑流中污染物質(zhì)的含量明顯高于同場(chǎng)次降雨事件中硬質(zhì)屋頂徑流的污染物含量.通過對(duì) 4次降雨的徑流污染物濃度指標(biāo)綜合分析得知,2次有效降水之間的時(shí)間間隔越長(zhǎng),即干期時(shí)間越長(zhǎng),降雨徑流的特征污染物濃度越高.這與上海、武漢的研究結(jié)果一致[21-22].

2.3 降雨特征對(duì)徑流水質(zhì)影響分析

降雨量、降雨歷時(shí)、最大降雨強(qiáng)度、平均降雨強(qiáng)度和前期干期長(zhǎng)短等降雨特征對(duì)不同下墊面條件下的降雨徑流水質(zhì)有直接影響.運(yùn)用皮爾森相關(guān)關(guān)系分析法對(duì)所監(jiān)測(cè)的各場(chǎng)次降雨事件中各污染物質(zhì)的EMC值與降雨特征的相關(guān)關(guān)系作統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表5.CODcr與最大降雨強(qiáng)度、平均降雨強(qiáng)度在0.01的顯著水平下呈顯著負(fù)相關(guān);與降雨量、降雨歷時(shí)在0.05的顯著水平下分別呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)與顯著正相關(guān);與前期晴天數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān),表明CODcr隨降雨強(qiáng)度、降雨量的增加而趨于減少,隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)趨于增加,隨前期晴天數(shù)增加略有增加趨勢(shì).NH3-N與降雨歷時(shí)、前期晴天數(shù)在0.01的顯著水平下呈顯著正相關(guān);與降雨強(qiáng)度在0.05的顯著水平下呈顯著負(fù)相關(guān);與降雨量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān).NO3-N與降雨量、降雨強(qiáng)度在0.05的顯著水平下呈顯著負(fù)相關(guān);與降雨歷時(shí)、前期晴天數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān).TP、Pb、Zn、Cu與降雨量、降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,與降雨歷時(shí)、前期晴天數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.

表5 徑流水質(zhì)與降雨特征的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between runoff quality and characteristics of the rainfall

統(tǒng)計(jì)分析表明污染物質(zhì)在瀝青路面與硬質(zhì)屋頂大量累積,在降雨初期由于徑流的沖刷而具有較高的濃度,表現(xiàn)出良好的初始沖刷效應(yīng),但是降雨量及降雨強(qiáng)度的增大,導(dǎo)致污染物質(zhì)被迅速稀釋從而發(fā)生污染源的衰減及耗竭效應(yīng)[23],使得各項(xiàng)污染物質(zhì)的EMC值趨于減小,與降雨量、降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系.降雨歷時(shí)的增加使得下墊面的污染物質(zhì)得以充分釋放,隨之而來的效應(yīng)就是 EMC值的增加.此外前期晴天數(shù)的增長(zhǎng),導(dǎo)致污染物質(zhì)在下墊面發(fā)生累積,時(shí)間越長(zhǎng)污染物質(zhì)累積越豐富,所以EMC值與降雨前期晴天數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系.

2.4 草地屋頂污染截留分析

本研究所選取的硬質(zhì)屋頂與草地屋頂為相鄰兩處建筑物的房頂,降雨前期大氣干濕沉降等污染特征基本一致,而這兩類下墊面對(duì)各污染物質(zhì)的截留差異以及遇降雨而發(fā)生的污染物排放差異是由其本身的性質(zhì)決定的.根據(jù)EMC濃度和降雨強(qiáng)度,計(jì)算得到硬質(zhì)屋頂和草地屋頂上CODcr、NH3-N、NO3-N、TP、Pb、Zn、Cu的平均負(fù)荷分別為2308.95、56.69、81.56、3.11、0.06、4.28、0.21g/m2和1492.85、34.25、55.51、11.07、0.04、1.09、0.14g/m2,同比硬質(zhì)屋頂,草地屋頂對(duì)4場(chǎng)降雨徑流6種污染物指標(biāo)(不包括 TP)均有明顯的削減作用.根據(jù)EMC濃度計(jì)算可知,草地屋頂對(duì)CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn和Cu的平均削減率分別為31%、37%、31%、46%、75%和29%. 在所監(jiān)測(cè)的重金屬元素中,草地屋頂對(duì)Zn的削減率最為顯著,表明草地屋頂對(duì)含有較高濃度重金屬元素的降雨徑流具有很好的重金屬削減效率.在此基礎(chǔ)上,對(duì)降雨過程中截留效應(yīng)在時(shí)間尺度上的特征進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示.

圖3 草地屋頂徑流污染物削減率Fig.3 Green roof runoff pollutant reduction rate

在整個(gè)降雨事件中,草地屋頂對(duì)于 Zn有持續(xù)的高效去除率,對(duì)NO3-N也有持續(xù)的去除效果,對(duì) NO3-N也有較好的去除效果. 草地屋頂對(duì)Cu、CODcr、Pb的去除主要集中在降雨事件初期的高濃度階段,后期草地屋頂濃度均高于硬質(zhì)屋頂. 結(jié)合降雨過程中雨量和流量特征可知草地屋頂可以控制絕大部分暴雨徑流污染物,在降雨事件后期,雖然去除率明顯下降,但此時(shí)污染物濃度和流量較初期已經(jīng)明顯減少,不影響整體去除效果.

運(yùn)用EMC值并結(jié)合降雨量、下墊面面積計(jì)算削減的各污染物量,具體計(jì)算方法如下:

式中: MXJ為污染物削減值;EMCPJ為4場(chǎng)降雨事件的污染物質(zhì)平均濃度mg/L;S為硬質(zhì)屋頂集水面積m2;Q為平均降雨量mm;η為草地屋頂相對(duì)硬質(zhì)屋頂對(duì)徑流污染物質(zhì)的平均削減率%.

本文所選定的硬質(zhì)屋頂面積為510m2,4場(chǎng)降雨事件的平均降雨量為8.6mm,CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn、Cu的平均濃度分別為354、8.5、13.6、0.009、0.59、0.03mg/L,如果將此硬質(zhì)屋頂替換為草地屋頂,計(jì)算可得,草地屋頂相對(duì)硬質(zhì)屋頂所可以削減 CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn、Cu分別為1552644、37281、59650、39.5、2587.7、131.6mg.

基于同樣的原理,可以計(jì)算單位面積綠地屋頂相對(duì)于硬質(zhì)屋頂?shù)奈廴疚锵鳒p量,具體計(jì)算方法如下:

式中: MXJ為每百平米污染物削減值;EMCPJ為4場(chǎng)降雨事件的污染物質(zhì)平均濃度mg/L;Q為平均降雨量 mm;η為草地屋頂相對(duì)硬質(zhì)屋頂對(duì)徑流污染物質(zhì)的平均削減率%.100為每百平方米.

據(jù)此,如果北京市每年綠化硬質(zhì)屋頂10×104m2,而2009年降雨大于8.6mm的次數(shù)為8次,可以估算新增加的綠化面積就可以減少上述6類暴雨徑流污染物 1242115.2kg,29824.8kg,4.7720kg,31.6kg,2070.16kg,105.28kg,由此可見屋面綠化可以有效控制城市暴雨徑流污染.

3 結(jié)論

3.1 城市中最為常見的3類下墊面條件下雨水徑流主要污染物為CODcr及氮磷營養(yǎng)鹽類,所監(jiān)測(cè)的降雨徑流中CODcr、NH3-N、NO3-N和TP的EMC值大多超出V類國家地表水標(biāo)準(zhǔn),某些場(chǎng)次降雨徑流中個(gè)別污染物濃度超出污水排放三級(jí)標(biāo)準(zhǔn).

3.2 通過草地屋頂和硬質(zhì)物質(zhì)的對(duì)比分析,評(píng)估了屋頂綠化對(duì)于控制暴雨徑流污染物的效果.同比硬質(zhì)屋頂,草地屋頂對(duì) CODcr、NH3-N、NO3-N、Pb、Zn、Cu的平均削減率分別為31%、37%、31%、46%、75%、29%.

3.3 對(duì)各場(chǎng)次降雨徑流污染物質(zhì)的EMC值與降雨特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明,污染物質(zhì)與前期晴天數(shù)、降雨歷時(shí)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,與降雨量、降雨強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,所以通過控制初期徑流污染及加強(qiáng)下墊面清掃工作可以在一定程度上減少城市降雨徑流污染危害.

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