城市降雨及雨水徑流對河道水質(zhì)的影響

李 昂， 劉加強， 劉 超， 葛松健

(徐州工程學院 環(huán)境工程學院， 江蘇 徐州 221111)

城市地表徑流是第二大水體面污染源，也是第二大城市水環(huán)境污染源[1]。美國國家環(huán)境保護局(USEPA)在對河流水質(zhì)的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，非點源污染貢獻了約2/3的污染負荷[2]。城市非點源污染已成為引發(fā)河流湖泊水質(zhì)下降的第三大污染源[3]。降雨對大氣污染物的淋洗及其對地表污染物的沖刷，使得大量生物可降解及非生物降解的耗氧物質(zhì)流入水體[4]，導致水體中的氧氣快速消耗，進而影響魚類等水生物的生存，同時產(chǎn)生甲烷、硫化氫、氨等難聞物質(zhì)，對水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重影響。筆者對徐州市某開發(fā)區(qū)2021年的三場典型降雨、雨水徑流及河道水質(zhì)進行了分析，考察雨水徑流對河道水質(zhì)的影響，以期為河道水質(zhì)提升提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 取樣地點

徐州位于華北平原東南部，屬溫帶季風氣候，年均降水量為800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。地形以平原為主，地勢整體由西北向東南降低，平均坡度為1/7 000～1/8 000。選取開發(fā)區(qū)某商業(yè)街、某學校及位于商業(yè)街與學校之間的某河道上下游等4處取樣地，特點見表1。

表1 取樣地和下墊面特點Tab.1 Characteristics of sampling site and underlying surface

1.2 取樣方法與要求

① 取樣地出現(xiàn)徑流后即開始采樣，初期15 min內(nèi)采樣間隔為5 min，不少于3個水樣。

② 中期采樣間隔為10 min，不少于1個水樣。

③ 后期采樣間隔為30 min，最后1個水樣以無徑流時結(jié)束。

降雨0 min即開始采集雨水，此后每間隔30 min采樣1次；在此過程中若出現(xiàn)降雨突增狀況，加增1個水樣；若降雨時間較長，取樣控制在8個以內(nèi)。若降雨歷時較短，適當減少采樣數(shù)量，但一般不少于5個。采樣結(jié)束后及時將樣品置于4 ℃冰箱中保存，并在48 h內(nèi)完成檢測。

1.3 監(jiān)測指標和檢測方法

試驗分別采集三場降雨時的天然雨水以及取樣地1、2處的路面、屋面徑流與河道上、下游水樣，根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》[5]，采用重鉻酸鉀法檢測COD，采用重量法檢測SS。

2 結(jié)果和分析

2.1 降雨水質(zhì)分析

試驗選取三場典型降雨時的天然雨水進行檢測，三次降雨前的干旱天數(shù)分別為5，10和7 d。降雨水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 降雨水質(zhì)Tab.2 Quality of rainfall mg·L-1

由表2可以看出，第二場降雨的各指標值普遍高于第一場和第三場降雨。這是因為降雨前的干旱天數(shù)會影響污染物的累積量，從而影響雨水徑流所攜帶的污染物的量，反映為測量結(jié)果存在差異。雨水中可沉降物的初值與前次降雨發(fā)生的時間間隔有明顯關系[6]，間隔越長，初值越大，這也從一定程度上說明污染物的來源是粉塵積累[7]。

2.2 雨水徑流污染特性分析

試驗分別采集三場降雨時2處取樣地的路面和屋面徑流水樣，各采樣點降雨徑流水質(zhì)情況如表3和圖1所示。

表3 三場降雨徑流雨水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.3 Monitoring datas of rainfall runoff water quality in three rainfall events mg·L-1

續(xù)表3 (Continue) mg·L-1

由表3和圖1可以看出，2個取樣地在三場典型降雨中的路面雨水徑流的CODCr和SS濃度均比屋面雨水徑流高，這主要與下墊面條件的不同有關[8]。取樣地1、2的屋面雨水徑流在初期由于受到輕度污染水質(zhì)較差，而后期徑流一般水質(zhì)良好；路面雨水徑流則由于受機動車輛輪胎和剎車墊磨損、道路表面磨損以及腐蝕產(chǎn)物等諸多不穩(wěn)定因素的影響，水質(zhì)較差。有研究表明，屋面的初期雨水徑流污染最為嚴重，水體較混濁，各指標濃度在雨季后期徑流較前期降低較為明顯，徑流中各指標濃度變化主要受降雨量、降雨強度、屋面材料、季節(jié)和氣溫等因素影響[9]；路面的雨水徑流則含有大量的金屬、橡膠和燃油等污染物質(zhì)，污染物隨徑流的遷移受降雨特性、交通流量、道路周圍土地利用類型及環(huán)境特征等多種因素的綜合影響，交通流量與顆粒態(tài)污染物的濃度呈較好的正相關性，且道路周圍若有餐飲、娛樂廢水排入、人流車流量大、污染物來源復雜等情況，路面徑流污染程度則較高[10]。

圖1 三場降雨各采樣點徑流雨水水質(zhì)對比Fig.1 Comparison of runoff and rainwater quality at each sampling point of three rainfall events

不同取樣地的污染物濃度差異較為明顯。與取樣地2相比，取樣地1的路面和屋面雨水徑流的COD濃度均相應較高，SS濃度相應較低。這說明雨水徑流的污染物濃度與下墊面特性、人車流量以及管理水平等因素有關。研究所選的取樣地1位于商業(yè)區(qū)，附近存在生活污水以及人員、車輛流動的情況，同時也與一些不確定因素相關，例如風向等；而取樣地2位于學校附近，周邊多以道路、綠地為主，除上學、放學期間外，人員車輛流動較少，產(chǎn)生的污染物也較少。有研究表明，與其他下墊面相比，綠地徑流水體的大部分污染指標都低于其他下墊面，說明綠地對降雨徑流有凈化作用[11-12]。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，三場降雨中取樣點1、2的路面和屋面雨水徑流的CODCr、SS濃度多以第二場降雨時為最高，其次是第三場降雨，第一場雨水徑流污染物含量相對最低，原因可能與降雨前的干旱天數(shù)有關，干旱天數(shù)越長導致累積的污染物量越多。而取樣地1、2在三場降雨時的路面、屋頂雨水徑流水質(zhì)指標值波動范圍較大，這主要是由于降雨初期雨量較少，產(chǎn)生的徑流量小，但攜帶了大量污染物，導致污染物濃度較高；隨著降雨的持續(xù)，雨量增大、污染物減少，濃度開始呈下降趨勢。降雨臨近結(jié)束，雨量減小，徑流變小，污染物濃度有少許回升。汪明明[11]在對北京城區(qū)降雨徑流水質(zhì)的分析中也發(fā)現(xiàn)降雨初期的路面徑流雨水水質(zhì)較差，但經(jīng)長歷時降雨后，路面雨水徑流水質(zhì)和屋面相差不多，差別較大的是濁度。需要說明的是，第三場降雨路面徑流雨水SS含量波動較大，這可能與采樣時取樣地2周圍正在施工有關。

2.3 降雨前后河道水質(zhì)污染特性分析

為進一步分析雨水徑流對河道水質(zhì)的影響，試驗同時采集三場降雨前后河道上、下游水樣進行檢測，水質(zhì)見表4和圖2。

從表4和圖2可以看出，降雨前河道下游水質(zhì)略優(yōu)于河道上游，這應該是由于河水從上游到下游經(jīng)歷了一段河道的沉淀，減少了水中的固體懸浮物，同時存在水體的自凈等作用；三場降雨前后的河道水質(zhì)變化有所差別，原因應該在于天然雨水對河流水質(zhì)的稀釋作用使污染物濃度降低，而降雨量小、雨水徑流污染物含量高，可能造成河水中CODCr濃度升高，降雨及雨水徑流可攪動河水且降雨和徑流中均含有一定濃度的SS等可導致SS濃度升高，這從一定程度上表明降雨后河道水質(zhì)與降雨強度、天然雨水水質(zhì)以及徑流量與降雨量比值等因素有關；降雨后河道下游水質(zhì)變化更為明顯，說明徑流雨水對河道水質(zhì)有明顯影響。

表4 三場典型降雨前后河道水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.4 River water quality monitoring data before and after three typical rainfall events mg·L-1

圖2 三場降雨前后河道上下游水質(zhì)Fig.2 Water quality of upper and lower reaches of river before and after three rainfall events

3 控制措施

為了解決河道面源污染問題，首先需要對面源污染來源進行研究和削減。研究發(fā)現(xiàn)，降雨在一定程度上影響著地表水體所含污染物的濃度，影響因素主要包括降雨特征與下墊面特征等，而市政清掃頻率及衛(wèi)生管理等人為因素也影響很大。因此，單靠河道治理以改善水環(huán)境是不夠的，而采取有效措施收集、處理徑流雨水，對于提升地表水環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。德國一般將來自不同下墊面的降雨徑流分別收集處理并加以利用；王博等[13]對某小區(qū)采集到的雨水進行檢測，結(jié)果表明屋頂收集到的雨水經(jīng)簡單處理后各項水質(zhì)指標能滿足灌溉及地表水水質(zhì)要求，這也為城市雨水收集利用的推廣提供了依據(jù)；而一些低影響開發(fā)技術，如生物滯留(bio-retention)[14]、綠色屋頂(green roof)[15]、可滲透/漏路面鋪裝系統(tǒng)(peameable/porous pavement system，PPS)等措施，通過在源頭、傳輸路徑、末端等環(huán)節(jié)采用多種分散式的技術措施蓄滯、緩流、滲透、凈化、回用雨水，已達到就地消納，減少徑流產(chǎn)生的目的[16-17]。

4 結(jié)論

雨水徑流污染是城市面源污染的主要形式，而天然降雨水質(zhì)、下墊面特征等因素均會對雨水徑流水質(zhì)產(chǎn)生影響。

① 降雨前的干旱天數(shù)會影響污染物的累積量，干旱天數(shù)越長，天然雨水及徑流所含污染物濃度越高。

② 徑流雨水污染指標波動性較大，初期雨水徑流水質(zhì)較差。

③ 與屋面徑流相比，路面徑流雨水水質(zhì)較差；以學校、道路、綠地為主的徑流雨水比來自商業(yè)街、居民區(qū)為主的混凝土路面和不透水屋面的徑流雨水水質(zhì)好。

④ 河流水質(zhì)受降雨及雨水徑流影響較為明顯，盡管降雨期間河道污染物濃度有降低現(xiàn)象，但仍需關注污染物量的輸入和累積效應。