南京市梅雨期雨水水質(zhì)特性分析

周舒宇，駱輝，趙塵

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

南京市梅雨期雨水水質(zhì)特性分析

周舒宇，駱輝，趙塵*

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037)

為了解南京市梅雨季節(jié)降雨在不同下墊面類型水質(zhì)變化狀況和污染特性，于2016年6月-7月進(jìn)行5場(chǎng)雨水徑流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，分別對(duì)其pH、懸浮物、色度和重金屬含量進(jìn)行分析。結(jié)果表明：①南京市梅雨期天然降水以中性為主；瓦屋面和油氈屋面降水質(zhì)呈酸性，而水泥屋面則為呈堿性，在路面徑流中均呈酸性。②路面雨水徑流中固體懸浮物(SS)含量均顯著高于天然雨水和屋面雨水。③路面雨水由黑褐色最終變?yōu)闇\黃色；油氈屋面，由黃色最終變?yōu)闇\黃色；路面雨水的色度遠(yuǎn)大于屋面雨水色度。④降雨中Mn、Zn、Pb、Cd、Fe均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，重金屬污染先后順序?yàn)椋航煌▍^(qū)機(jī)動(dòng)車道>住宅區(qū)機(jī)動(dòng)車道>屋面(油氈)>屋面(瓦房)>天然降雨。研究結(jié)論對(duì)南京市梅雨季節(jié)雨水中重金屬污染評(píng)價(jià)及污染治理等提供了理論參考。

水質(zhì)；pH；色度；懸浮固體；重金屬

0 引言

降雨形成的徑流將城市地表中大量的懸浮物、空氣沉降物、車輛排放物及有毒有害物等沖刷匯集進(jìn)入受納水體，使得城市地表徑流中的污染物濃度急劇升高，尤其在城市道路中尤為突出。研究表明，城市道路徑流的污染負(fù)荷中，懸浮固體和重金屬的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到50%和40%～75%，重金屬不易降解并且能在生物體內(nèi)富集，最終通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體產(chǎn)生毒害作用[1-4]。

國(guó)外對(duì)城市地表徑流污染的研究始于20世紀(jì)70年代初，結(jié)果表明：城市道路雨水徑流水質(zhì)與其他匯水下墊面相比，污染情況最為嚴(yán)重，尤其是初期徑流[5-6]。也有研究[7-9]指出SS是公路徑流最主要的污染物，其主要來(lái)源是輪胎和筑路材料的磨損、大氣沉降等。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，車伍等[10]認(rèn)為污染物將溶解或懸浮于降雨形成的徑流中，使雨水徑流的流量、污染負(fù)荷都迅速增大。如果不經(jīng)處理直接排入水體，極易引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[11]。

本文以南京市重交通區(qū)和住宅區(qū)為研究區(qū)域，選取具有代表性的路段，通過(guò)梅雨季節(jié)降雨期間對(duì)雨水徑流的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了三種典型降雨條件下雨水水質(zhì)的pH、懸浮顆粒物(SS)、色度、重金屬含量。研究成果可為南京市梅雨期雨水徑流污染物定量分析及制訂合理的管控措施提供參考。

1 樣品采集與收集

1.1 樣品采集

天然雨水：由于天然雨水采集困難，故設(shè)計(jì)一種自制簡(jiǎn)易取樣裝置(如圖1所示)，可以容易的取到天然降雨，設(shè)計(jì)較大的取樣面積目的在于在短時(shí)間內(nèi)取到足夠量的雨水。放置于南京林業(yè)大學(xué)逸夫科技實(shí)驗(yàn)樓頂樓，距離屋頂5 m高度處。取樣前，將集水面、燒杯放入濃度為20%的HNO3中浸泡12 h，超純水清洗3遍，自然狀態(tài)下風(fēng)干，備用。

圖1 天然降雨取樣示意圖Fig.1 Illustration of sampling method for natural rainfall

屋頂雨水：將直徑200 mm，高度500 mm的聚乙烯塑料桶置于南京林業(yè)大學(xué)正門口屋檐漏水口正下方，采集降雨全過(guò)程雨水。

路面雨水：采用聚乙烯桶收集路面雨水徑流，水樣采集后立即冷藏保存，按國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行水質(zhì)分析。

采集雨水分別于2016年6月28日、7月1日、7月4日、7月10日、7月14日進(jìn)行，每個(gè)采樣點(diǎn)選擇3處集水口平行采樣，并使用SL1-3型記錄式雨量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨量，采樣地點(diǎn)見表1。

表1 采樣地點(diǎn)及特征

1.2 分析內(nèi)容及方法

選取的污染物指標(biāo)為對(duì)城市水環(huán)境有較大影響的常規(guī)污染物，包括色度、懸浮顆粒物(SS)、pH、重金屬含量，實(shí)驗(yàn)方法與意義見表2。

表2 雨水水質(zhì)分析指標(biāo)及測(cè)定方法

2 結(jié)果與分析

2.1 有效降雨監(jiān)測(cè)分析

于2016年6月-7月份的梅雨季節(jié)對(duì)5場(chǎng)有效降雨過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其降雨特征見表3。按24 h降雨標(biāo)準(zhǔn)劃分，7月10日、6月28日、7月14日分別屬于小雨、中雨、大雨降雨類型。研究顯示[12]，平均雨強(qiáng)大于0.2 mm/min時(shí)，降雨特征越明顯，故本研究選取6月28日和7月14日這兩場(chǎng)降雨進(jìn)行分析，具有較好的代表性。

從監(jiān)測(cè)的5場(chǎng)有效降雨分布情況來(lái)看，研究區(qū)域降水量分布不均勻，降雨量都比較高，梅雨季節(jié)為全年降雨的集中期，南京為東亞季風(fēng)氣候區(qū)，東亞大氣環(huán)流季節(jié)性轉(zhuǎn)變的特征顯著。在氣候平均狀態(tài)下，東亞夏季風(fēng)于6月中旬推進(jìn)至江淮流域至韓國(guó)、日本一帶，這時(shí)江淮流域連續(xù)陰雨天氣。

表3 降雨場(chǎng)次的降雨特征

2.2 水質(zhì)酸堿度

南京市梅雨期天然降水酸堿度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：雨水的pH在5.21到7.52間變化，只有15.9%的天然雨水的pH值介于4.5～5.5之間，具體如圖2所示，79.1%的雨水pH值在5.6～7.0，梅雨期降水的pH平均值為6.03，因此可認(rèn)為是中性降水。

屋面徑流中，由于材料不同，pH值變化區(qū)間較大，其中油氈屋面pH范圍為5.72～6.68，均值為6.35，水泥屋面pH范圍為6.37～8.28，均值為7.38，瓦屋面pH范圍為6.18～7.34，均值為6.57。瓦屋面和瀝青屋面降雨徑流水質(zhì)呈酸性，而水泥屋面則為呈堿性，這可能是由于干沉降和水泥屋面中大量可溶性的碳酸鹽，以及水泥混凝土表面裸露的集料風(fēng)化物和堿性顆粒所致，說(shuō)明地殼源顆粒物也對(duì)雨水的pH值具有較大的貢獻(xiàn)[13-15]。

路面徑流中，pH值在各采樣點(diǎn)間存在明顯的變化。最強(qiáng)酸度發(fā)生在玄武大道機(jī)動(dòng)車道上，pH值為4.55，可能是由于較大的機(jī)動(dòng)車流量尾氣排放所致。在交通區(qū)雨水采集期間，離采樣點(diǎn)不遠(yuǎn)處在修建科研樓，工程施工機(jī)械輪胎的磨損及排放的大量尾氣對(duì)該區(qū)域的大氣環(huán)境及路面徑流造成了一定程度的影響。

圖2 南京市梅雨期天然雨水pH值的頻率直方圖Fig.2 The frequency histogram of pH of natural rainfall in plum rains season in Nanjing

2.3 懸浮固體(SS)

固體懸浮物是評(píng)價(jià)雨水徑流水質(zhì)的又一重要指標(biāo)。南京市梅雨季節(jié)雨水徑流SS的水質(zhì)分析結(jié)果表明，其值小于北京、濟(jì)南，高于蘇州、西安等城市[16]，如7月1日瀝青屋面、水泥屋面及瓦屋面降雨初期徑流SS值為86、78、21 mg/L，7月4日(與上場(chǎng)雨間隔時(shí)間為3天)三種屋面降雨初期徑流SS值僅為42、81、32 mg/L。路面雨水徑流由于清掃不及時(shí)、交通量大的因素，固體懸浮物含量均高于天然雨水和屋面雨水。SS與雨水中重金屬含量有較好的相關(guān)性，徑流重金屬含量較多，其SS值也較大。

2.4 色度

對(duì)于收集的水樣來(lái)說(shuō)，初期路面雨水，無(wú)論是水泥還是瀝青下墊面，均呈現(xiàn)黑褐色，半小時(shí)后，水樣逐漸變?yōu)辄S褐色，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉淀以后，水樣逐步變?yōu)闇\黃色；屋面徑流中，對(duì)于油氈屋面，初期雨水呈現(xiàn)黃色，隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸變淡，經(jīng)過(guò)沉淀后，仍呈淺黃色，水泥和瓦屋屋面徑流中，初期為灰色，后逐漸變清，具體如圖3所示，路面雨水的色度遠(yuǎn)大于屋面雨水色度，并且隨時(shí)間延長(zhǎng)，色度變小。

圖3 色度變化圖Fig.3 The graph of the chroma

2.5 重金屬

2.5.1 雨水重金屬含量

表4是研究期間所測(cè)定的3次有效降雨中5種重金屬的濃度范圍，從數(shù)據(jù)看，徑流雨水中含有較多種類的重金屬，與GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[17]相比，重金屬均有超標(biāo)現(xiàn)象。與國(guó)內(nèi)外其它城市相比[18-19]，南京市梅雨期雨水中重金屬Zn、Mn高于成都、貴陽(yáng)、日本以及中國(guó)臺(tái)灣等城市，說(shuō)明南京地區(qū)的路面徑流雨水中重金屬污染狀況較為嚴(yán)重。

表4 重金屬濃度檢測(cè)結(jié)果表

2.5.2 重金屬含量受地面環(huán)境影響特征

為了反映重金屬含量受下墊面及環(huán)境狀況影響特征，按照采樣點(diǎn)的不同，樣品中各種重金屬含量的平均濃度，如圖4所示。

圖4 雨水重金屬含量Fig.4 Contentsof heavy metal elemets in the rainfall

每處采樣點(diǎn)中，F(xiàn)e的含量顯著高于其他任何重金屬，其次是Mn、Zn、Pb、Cd。Fe在地殼中的含量較高，釋放到自然界的幾率要大于其他元素，造成在雨水中含量高；機(jī)動(dòng)車道，無(wú)論是住宅區(qū)還是交通區(qū)，其Fe、Mn和Zn的含量較其他地方均高，說(shuō)明受人類活動(dòng)、車流量的影響大；Cd在各處差距不大，說(shuō)明Cd在雨水中的含量較為均衡，與下墊面及環(huán)境關(guān)系不大；Pb在各個(gè)采樣點(diǎn)處較其他重金屬，含量較低，說(shuō)明道路與屋頂上的雨水徑流中Pb多以顆粒態(tài)的形式存在，賦存于道路表面的溶解態(tài)含量較少。從整體情況看，重金屬污染先后順序?yàn)椋航煌▍^(qū)機(jī)動(dòng)車道>住宅區(qū)機(jī)動(dòng)車道>屋面(油氈)>屋面(瓦房)>天然降雨，說(shuō)明人流量大小是影響重金屬含量的重要原因，尤其是對(duì)Fe的影響，下墊面類型對(duì)重金屬含量影響并不明顯。

3 結(jié)論

(1)南京市梅雨期天然降水pH平均值為6.03，以中性降水為主；屋面徑流中，瓦屋面和油氈屋面降水質(zhì)呈酸性，而水泥屋面則為呈堿性；在路面徑流中，無(wú)論是水泥還是瀝青下墊面，其水質(zhì)均呈酸性。

(2)梅雨季節(jié)雨水徑流SS的水質(zhì)分析結(jié)果表明，其值低于北京、濟(jì)南，高于蘇州、西安等城市，路面雨水徑流中固體懸浮物含量均顯著高于天然雨水和屋面雨水。

(3)路面雨水，黑褐色，逐漸變?yōu)辄S褐色，然后為淺黃色；油氈屋面，由黃色最終變?yōu)闇\黃色；水泥和瓦屋屋面徑流中，灰色，逐漸變清，且路面雨水的色度遠(yuǎn)大于屋面雨水色度，并且隨時(shí)間延長(zhǎng)，色度變小。

(4)降雨中Mn、Zn、Pb、Cd、Fe均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，其中Zn、Mn高于成都、貴陽(yáng)、日本以及中國(guó)臺(tái)灣等城市。重金屬污染先后順序?yàn)椋航煌▍^(qū)機(jī)動(dòng)車道>住宅區(qū)機(jī)動(dòng)車道>屋面(油氈)>屋面(瓦房)>天然降雨。

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Analysis on Rainwater Quality of Rainy Season in Nanjing

Zhou shuyu，Luo hui，Zhao cheng

(School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)

In order to understand rainfall water quality change of and pollution characteristics in different types of underlying surface condition in plum rains season in Nanjing，5 times evolution process of rainfall water quality were monitored and analyzed in the aspects of pH、SS、chroma、heavy metal contents from June to July in 2016.The research results showed the water quality of natural precipitation mainly presented neutrality in plum rains season in Nanjing.The runoff on the roof and linoleum presented acid，the runoff water on cement roof was alkalineand the water of road runoff was acidic.SS in the road runoff was obiviouly higher than that of the natural rain and on the roof.The water color of road runoff changed from dark brown into pale yellow eventually.The water color of roof became to be a light yellow from yellow eventually.The water chroma of road runoff was heavier than that of roof runoff.The content of Mn,Zn,Pb,Cd and Fe in rainfall all exceed standards.The pollution of heavy metal elementswas in the following orderroad traffic area of motor vehicle > residential area of motor vehicle> the roof(linoleum)> the roof(tile)> natural rainfall.The research and evaluation of heavy metal pollution in plum rains season in Nanjing provides a theoretical basis for pollution control.

water quality；pH；chroma；SS；heavy metal elements

2016-08-08

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

周舒宇，碩士研究生。研究方向：林區(qū)道路。

*通信作者：趙塵，教授。研究方向：工程環(huán)境。E-mail：czh@njfu.edu.cn

周舒宇，駱輝，趙塵.南京市梅雨期雨水水質(zhì)特性分析[J].森林工程，2017，33(2)：60-63.

X 53；X 825

A

1001-005X(2017)02-0060-04