南方典型小流域城市地表污染物特性研究

陳 鐵，周志鵬，楊松文，母家樂，蘇小莉，董文藝，孫飛云*，張健君，楊淑芳，陳立春

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院 廣東深圳518055；2. 深圳市市政設(shè)計研究院有限公司 廣東深圳518029)

城市面源污染是地表水體污染中僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第二大面源污染源[1]。城市面源污染產(chǎn)生的主要方式為降雨沖刷地表污染物形成徑流污染，降雨徑流污染形成主要包括 3個過程：地表污染物的累積、降雨對地表污染物的沖刷以及降雨徑流污染物的傳輸進(jìn)入收納水體[2]。地表污染物是降雨徑流污染的主要污染來源，其中所含的污染物質(zhì)的種類、含量及特性直接影響降雨徑流污染特征以及對收納水體的污染程度[3]。因此，開展對于城市地表污染物的系統(tǒng)研究，對于有效控制城市面源污染以及地表水體污染具有重大的意義。

目前，國內(nèi)外對于地表污染物的研究多集中在地表污染物的物質(zhì)組成、累積強度、空間分布、累積規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)等方面。地表污染物的累積過程是一個動態(tài)的過程，國外的很多學(xué)者通過對地表污染物的累積規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，地表污染物隨著雨前干旱天數(shù)增加最終會趨于一個極值[4]，不同地域的地表污染物的累積規(guī)律有不同的描述，主要方式有描述累積速率和累積量等[5]。通過研究美國南加州8個高速公路上地表污染物中總懸浮固體(TSS)、化學(xué)需要量(COD)、油脂、總氮(TN)和總磷(TP)隨前期干旱天數(shù)的累積速率，發(fā)現(xiàn)前期干旱天數(shù)為 10～70d內(nèi)的TSS、COD與油脂的累積速率相比1～10d內(nèi)的累積速率分別下降了 79%、78%與 61%。Chow等[6]通過對馬來西亞南部城市內(nèi)居住區(qū)、商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)用地的道路灰塵累積過程觀測，發(fā)現(xiàn)在連續(xù) 5個干旱天后，道路沉積污染物達(dá)到最大值。

地表污染物的累積強度、空間分布及環(huán)境效應(yīng)等方面的研究，大多集中于重金屬、PAHs等污染物上。左竟成等[7]通過對重慶城區(qū) 15個街道地表灰塵的As、Cd、Cr的累積強度研究，發(fā)現(xiàn)地表物重金屬的污染程度顯著受到交通與功能定位的影響，即車流量越大污染越重，且繁華區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞其他功能區(qū)。Wei等[8]通過研究廣州城市區(qū)域的地表灰塵樣品中 16類PAHs的累積強度與來源，發(fā)現(xiàn)城市地表灰塵中總PAHs的含量在0.84～12.3μg/g，其中4～6環(huán)的多環(huán)芳烴占總PAHs的62%～94%，累積強度最大的3個區(qū)域分別是：市中心、高速公路與工業(yè)區(qū)，地表灰塵的主要來源為車輛排放與煤炭燃燒。任玉芬等[9]通過研究北京不同功能區(qū)的道路沉積物中TN、TP與重金屬等污染物的污染特性，發(fā)現(xiàn)文教區(qū)道路沉積物中TN與TP的含量最高，氮主要以溶解態(tài)的形式存在，磷與重金屬主要以顆粒態(tài)的形式存在。

通過上述分析，雖然國內(nèi)外對于城市地表污染物的累積過程及污染特性進(jìn)行了較多的研究，但是研究缺乏系統(tǒng)性，對于地表污染物的累積過程的研究不夠全面。由于面源污染的空間差異性、隨機性與不確定的特點，不同地域地表污染物的累積過程的部分特征研究成果對于流域城市面源污染控制方案的制定幫助不大。本研究從觀瀾河流域水體污染的角度出發(fā)，通過分析流域水體主要污染物，確定面源污染的主要研究對象，系統(tǒng)研究地表污染物的累積過程及污染特性，為制定科學(xué)、合理的流域面源污染控制方案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

南方地區(qū)主要的氣候條件為亞熱帶季風(fēng)氣候、熱帶季風(fēng)氣候和赤道季風(fēng)氣候，本研究選取的研究區(qū)域為亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候的深圳市觀瀾河流域。

深圳市觀瀾河流域位于深圳市中北部，北與東莞市交界，南鄰深圳市福田區(qū)，包括深圳市龍華區(qū)、光明區(qū)與部分龍崗區(qū)，流域總集水面積為 189.66km2。觀瀾河流域地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季盛行東南風(fēng)和西南風(fēng)。根據(jù)深圳氣象臺資料統(tǒng)計，觀瀾河流域多年平均氣溫為 22℃，多年平均降雨量為 1825mm，且降雨量在全年分布不均，4～9月為雨季，降雨量約占全年降雨量的 84%。觀瀾河流域內(nèi)主要河流為觀瀾河及其 14條一級支流，通過《深圳市土地利用規(guī)劃圖》與現(xiàn)場踏勘確定深圳市觀瀾河流域建成區(qū)總面積為 161.26km2，其中工業(yè)區(qū)占 32.23%，城中村占 17.74%，住宅區(qū)占16.10%，交通道路占 11.65%，商業(yè)區(qū)占 7.60%，公共服務(wù)與管理用地(以下簡稱公管區(qū))占 14.61%。觀瀾河集水區(qū)域現(xiàn)場研究區(qū)域的土地利用類型分布圖見圖 1。

圖1 觀瀾河集水區(qū)域現(xiàn)場研究區(qū)域的土地利用類型分布圖Fig.1 Distribution of land use types in field study area

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 采樣方法

目前，國內(nèi)外對地表灰塵的采樣方法還沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的方法。通常的采樣方法有兩大類：毛刷或笤帚清掃法和真空采樣法。其中，前者容易造成小粒徑地表灰塵在采集過程中損失過高；后者采集精確度高，為準(zhǔn)確研究街塵動態(tài)模擬粒徑組成及污染特征提供保障[10]。為了保證較遠(yuǎn)距離的大范圍的采樣質(zhì)量，本研究采用羊毛刷與真空吸塵器。

1.2.2 樣品處理方法

將收集到的地表累積物使用金屬篩進(jìn)行篩分，遺棄地表累積物粒徑大于1mm物質(zhì)，小于1mm的顆粒物樣品充分混合后取5g溶于1L去離子水中，測混合后水樣的化學(xué)需要量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)以及總磷(TP)4個指標(biāo)，每組樣品設(shè)置3組平行樣品。

對于水質(zhì)檢測指標(biāo)化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、總氮(TN)的檢測方法皆采用地表水質(zhì)指標(biāo)檢測方法——國標(biāo)法，各項指標(biāo)的檢測方法如表1所示。

表1 檢測方法Tab.1 Detection methods

1.2.3 采樣點位

為保證采集地表污染物樣品的有效性和全面性，在每種功能區(qū)選擇 4～5個采集點位，地表污染物總計30個采集點位。其中，工業(yè)區(qū)選擇衛(wèi)東龍工業(yè)區(qū)、龍華工業(yè)區(qū)、老圍第二工業(yè)區(qū)、和平工業(yè)園等 6個點位，城中村選擇共和新村、錦繡新村、景華新村等4個點位，住宅區(qū)選擇世紀(jì)華庭、江南華府、全僑花園、錦繡御園等 5個點位，交通道路選擇梅龍大道、龍華和平路、景龍建設(shè)路、東環(huán)一路等 5個點位，公共管理服務(wù)區(qū)選擇龍華文化廣場、龍華中英文實驗學(xué)校、新華中學(xué)、龍華公園等 5個點位，商業(yè)區(qū)選擇龍華商業(yè)中心、龍華商業(yè)中心、龍華梅苑商業(yè)街、龍華星光城等5個點位。具體采集點位信息見表2。

表2 地表污染物采集點位信息Tab.2 Information of collecting points of surface pollutants

為研究不同用地類型的累積強度差異特征與地表污染物的累積變化規(guī)律，對累積監(jiān)測點位進(jìn)行有序的地表累積物采樣監(jiān)測。在 2018年 9月～2019年9月間，共進(jìn)行了10次地表污染物累積采樣監(jiān)測，已進(jìn)行的地表污染物監(jiān)測場次見表3。

表3 地表污染物采集記錄Tab.3 Collection and record of surface pollutants

降雨沖刷監(jiān)測的用地類型包括工業(yè)用地、高密度住宅區(qū)、中密度住宅區(qū)、商業(yè)用地、交通道路與公共管理服務(wù)區(qū)6類觀瀾河流域主要的城市用地類型，采樣監(jiān)測分析各用地類型COD、氨氮、TN與TP隨降雨歷時的地表徑流濃度變化。在2019年2月～2019年10月間，進(jìn)行了多次降雨沖刷產(chǎn)流監(jiān)測，其中有效監(jiān)測降雨場次共7次。監(jiān)測場次見表4。

表4 流域已進(jìn)行的降雨沖刷產(chǎn)流監(jiān)測場次信息Tab.4 Information of rainfall erosion runoff monitoring sites in Guanlan River basin

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能區(qū)地表污染物含量差異性分析

選擇地表污染累積監(jiān)測場次中晴天累積天數(shù)在9d 以上的 5 場：L-1(29d)、L-1(23d)、L-8(10d)、L-9(14d)與L-10(9d)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行不同用地類型地表污染物中 COD、氨氮、TN與 TP的累積強度差異分析。

2.1.1 COD累積強度差異

由表5可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中除商業(yè)用地、公共管理與服務(wù)用地的地表 COD累積強度沒有顯著性差異外，其他各類城市用地類型間地表COD累積強度差異顯著。結(jié)合圖 2可知，觀瀾河流域地表 COD累積強度排序依次為：高密度住宅用地>工業(yè)用地>交通用地>中密度住宅用地>商業(yè)用地與公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表COD平均累積強度為1040.91mg/m2，工業(yè)用地的地表 COD平均累積強度為 680.44mg/m2，交通用地的地表 COD平均累積強度為 537.97mg/m2，商業(yè)用地的地表 COD平均累積強度為 300.82mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表 COD 平均累積強度275.25mg/m2。

圖2 COD累積強度Fig.2 COD cumulative strength

表5 不同用地類型地表 COD累積強度獨立樣本 t差異性檢驗的結(jié)果Tab.5 Differential test for independent samplesof COD cumulative strength on land surface of different land types

2.1.2 氨氮累積強度差異

由表6可知，觀瀾河流域6類城市用地類型之間的地表 NH4+-N累積強度具有顯著性差異。結(jié)合圖 3可知，觀瀾河流域各城市用地類型地表 NH4+-N累積強度排序依次為：高密度住宅用地>商業(yè)用地>工業(yè)用地>交通用地>中密度住宅用地與公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表 NH4+-N平均累積強度為 2.73mg/m2，商業(yè)用地的地表 NH4+-N平均累積強度為 1.52mg/m2，工業(yè)用地的地表 NH4+-N平均累積強度為 1.21mg/m2，交通用地的地表 NH4+-N平均累積強度為 1.03mg/m2，中密度住宅用地的地表NH4+-N 平均累積強度為 0.84mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表NH4+-N平均累積強度為0.59mg/m2。

表6 不同用地類型地表NH4+-N累積強度獨立樣本t差異性檢驗的結(jié)果Tab.6 Differential test for independent samples of accumulated strength of NH4+-N on land surface of different land types

圖3 氨氮累積強度Fig.3 Cumulative strength of ammonia nitrogen

2.1.3 TN累積強度差異

由表7可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中除商業(yè)用地與中密度住宅用地的地表 TN累積強度沒有顯著性差異外，其他各類城市用地類型間地表 TN累積強度具有顯著性差異。結(jié)合圖 4可知，觀瀾河流域各城市用地類型地表TN累積強度排序依次為：高密度住宅用地＞工業(yè)用地＞交通用地＞中密度住宅用地與商業(yè)用地＞公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表 TN平均累積強度為 12.67mg/m2，工業(yè)用地的地表TN平均累積強度為6.83mg/m2，交通用地的地表TN平均累積強度為5.17mg/m2，中密度住宅用地的地表TN平均累積強度為4.17mg/m2，商業(yè)用地的地表TN平均累積強度為4.01mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表 TN平均累積強度為2.74mg/m2。

表7 不同用地類型地表TN累積強度獨立樣本t差異性檢驗的結(jié)果Tab.7 Differential test for independent samples of TN cumulative strength on land surface of different land types

圖4 TN累積強度Fig.4 Cumulative strength of TN

2.1.4 TP累積強度差異

由表8可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中除商業(yè)用地與中密度住宅用地的地表 TP累積強度沒有顯著性差異外，其他各類城市用地類型間地表 TP累積強度差異具有顯著性差異。結(jié)合圖 5可知，觀瀾河流域各城市用地類型地表 TP累積強度排序依次為：高密度住宅用地＞工業(yè)用地＞交通用地＞中密度住宅用地與商業(yè)用地＞公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表 TP平均累積強度為6.04mg/m2，工業(yè)用地的地表 TP平均累積強度為3.61mg/m2，交通用地的地表 TP平均累積強度為2.96mg/m2，中密度住宅用地的地表 TP平均累積強度為 2.49mg/m2，商業(yè)用地的地表 TP平均累積強度為2.39mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表TN平均累積強度為1.35mg/m2。

圖5 TP累積強度Fig.5 Cumulative strength of TP

表8 不同用地類型地表TP累積強度獨立樣本 t差異性檢驗的結(jié)果Tab.8 Differential test for independent samples of TP cumulative strength on land surface of different land types

2.2 不同功能區(qū)地表污染物隨干旱天數(shù)累積特征

為研究不同功能區(qū)地表污染物累積強度隨晴天累積時長的變化規(guī)律，取前一場降雨強度為大雨后(即地表污染物沖刷完全后)的地表污染物樣品進(jìn)行分析。不同功能區(qū)的COD、氨氮、TN與TP的累積過程分別如圖6所示。

圖6 不同功能區(qū)污染物隨晴天干旱天數(shù)累積特征Fig.6 Accumulation characteristics of pollutants in different functional areas with sunny and dry days

由圖6可知，各功能區(qū)的地表累積污染物COD、氨氮、TN、TP隨著晴天干旱天數(shù)有相同的累積特征，具體表現(xiàn)為：前期(1～4d)累積迅速，中期(4～7d)累積變緩，在后期(7d之后)地表污染物含量達(dá)到飽和。

2.3 不同功能區(qū)地表污染物的顆粒物粒徑分布規(guī)律

通過對 L-1與 L-9累積監(jiān)測場次所采集的各功能區(qū)地表污染物樣品使用 1000、500、250、150、100μm以及50μm的不銹鋼篩網(wǎng)篩分收集到的樣品進(jìn)行分析。不同用地類型地表污染物顆粒物粒徑分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 地表累積污染物粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of accumulated pollutants on land surface

由圖7可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中：工業(yè)用地、商業(yè)用地、交通用地、高密度住宅用地與公共管理服務(wù)用地的地表污染物粒徑小于500μm的顆粒物質(zhì)量占比均大于 59%，而中密度住宅用地地表污染物中粒徑小于500μm的顆粒物質(zhì)量占比小于50%。觀瀾河流域6類城市用地類型地表污染物顆粒物粒徑分布規(guī)律較為一致，表現(xiàn)為：中間粒徑(150～1000μm)質(zhì)量占比最大，在地表污染物中占比為 50%～60%；細(xì)粒徑(＜150μm)與大粒徑(＞1000μm)質(zhì)量占比較少，在地表污染物中占比均為10%～30%。

通過分析 L-1與 L-9地表累積監(jiān)測所采集的觀瀾河流域 6類用地類型地表污染物樣品進(jìn)行不同粒徑污染物含量占比研究，選擇研究的顆粒物粒徑劃分為＜150μm、150～500μm 與 500～1000μm，其分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同粒徑地表污染物含量占比Fig.8 Proportion of surface pollutants with different particle sizes

由圖 8(a)可知，觀瀾河流域 6類城市用地類型地表COD在粒徑500～1000μm的地表顆粒物中占比為 4%～11%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為 35%～47%，在＜150μm 地表顆粒物中占比為42%～59%。由圖8(b)可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表氨氮在粒徑 500～1000μm 的地表顆粒物中占比為 12%～34%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為21%～43%，在＜150μm地表顆粒物中占比為49%～58%。由圖8(c)可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表TN在粒徑500～1000μm的地表顆粒物中占比為 3%～14%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為35%～47%，在＜150μm地表顆粒物中占比為43%～56%。由圖8(d)可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表氨氮在粒徑 500～1000μm 的地表顆粒物中占比為 3%～12%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為 37%～38%，在＜150μm 地表顆粒物中占比為49%～59%。綜上可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表 COD、NH4+-N、TN與 TP主要存在于＜500μm地表顆粒物中，各用地類型NH4+-N含量占比均在 66%以上，各用地類型 COD、TN與 TP含量占比均在86%以上。

2.4 不同功能區(qū)地表污染物存在形態(tài)及分布

地表污染物中污染物的存在形態(tài)分為2種：溶解態(tài)和顆粒態(tài)，基于 9次對不同功能區(qū)的采樣和共計114個樣品的分析，得到不同功能區(qū)地表污染物存在形態(tài)占比，具體見圖9～11。

由圖9可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中地表污染物中 COD的顆粒態(tài)含量均在 75%以上，交通用地、高密度住宅用地與中密度住宅用地的溶解態(tài)COD 占比較高，分別為 21.66%、24.56%、19.73%；由圖 10可知，6類用地類型中地表污染物中 TN的顆粒態(tài)含量均在70%以上，高密度住宅用地與商業(yè)用地的溶解態(tài) TN 占比較高，分別為 24.84%、29.99%；由圖11可知，6類用地類型中地表污染物中TP的顆粒態(tài)含量均在88%以上，商業(yè)用地與高密度住宅用地的溶解態(tài) TP占比較大，分別為 10.12%、11.52%。綜合分析，觀瀾河流域各用地類型地表污COD、TN與TP主要以顆粒態(tài)形式存在，且顆粒態(tài)含量占比均在70%以上。

圖9 不同功能區(qū)COD存在形態(tài)占比Fig.9 Proportion of COD in different functional areas

圖10 不同功能區(qū)TN存在形態(tài)占比Fig.10 Proportion of TN in different functional areas

圖11 不同功能區(qū)TP存在形態(tài)占比Fig.11 Proportion of TP in different functional areas

3 結(jié) 論

①城市不同功能區(qū)地表污染物的含量分布差異明顯，其中NH4+-N、TN與TP含量順序為：城中村＞工業(yè)區(qū)＞交通道路＞商業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞公共管理服務(wù)區(qū)。COD含量順序為：城中村＞工業(yè)區(qū)＞交通道路＞住宅區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞公共管理服務(wù)區(qū)。

②城市不同功能區(qū)地表污染物含量隨晴天干旱天數(shù)具有相同累積特征，具體表現(xiàn)為：前期(1～4d)污染物累積迅速，中期(4～7d)累積速度變緩，在后期(7d之后)地表污染物累積含量達(dá)到飽和。

③城市不同功能區(qū)地表污染物的顆粒物粒徑分布存在一定差異，其中住宅區(qū)污染物顆粒粒徑以大顆粒(大于 500μm)為主，粒徑為 1000～2000μm 顆粒最多；城中村、工業(yè)區(qū)、交通道路、商業(yè)區(qū)、公共管理服務(wù)區(qū)污染物顆粒粒徑分布較為平均，粒徑為 250～500μm最多。

④城市不同功能區(qū)地表污染物存在形態(tài)均以顆粒態(tài)為主，溶解態(tài) TP、COD、TN 占比最大的分別為商業(yè)區(qū)、交通道路、商業(yè)區(qū)。