多級(jí)雨水塘徑流污染特征及底泥氮、磷污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

雷曉玲 韓程遠(yuǎn) 魏澤軍 楊程 李璐

關(guān)鍵詞：海綿城市；多級(jí)雨水塘；污染特征；底泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

前言

隨著城市化的不斷發(fā)展，不透水下墊面急劇增加，雨水徑流對(duì)受納水體的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)。雨水塘可以有效的減緩雨水徑流對(duì)于城市的影響，雨水塘在雨水徑流削峰調(diào)蓄、污染物控制及水體景觀游憩、地下水涵養(yǎng)、動(dòng)物水生棲息等海綿功能、生態(tài)服務(wù)等方面的獨(dú)特作用在海綿城市建設(shè)過(guò)程中廣泛應(yīng)用。并在雨水徑流管控方面取得了良好的效果。多級(jí)雨水塘在雨水調(diào)節(jié)、污染物凈化和城市水體景觀營(yíng)造方面作用更為突出。由于雨水塘水源主要來(lái)自上游徑流，其塘內(nèi)水體及底部沉積物受其所服務(wù)范圍內(nèi)環(huán)境情況、管網(wǎng)接納等影響，同時(shí)其水體長(zhǎng)期暴露在人類活動(dòng)下，從而具有生態(tài)脆弱性和易損性，圍繞雨水塘在降雨期間，因降雨及上游來(lái)水的首批海綿城市建設(shè)示范城市重慶市悅來(lái)新城內(nèi)某二級(jí)雨水塘（兩個(gè)雨水塘串聯(lián)）和三級(jí)雨水塘（三個(gè)雨水塘串聯(lián)）為研究對(duì)象，實(shí)地取樣監(jiān)測(cè)其在降雨期間和降雨后塘內(nèi)水體水質(zhì)變化，評(píng)估其底泥中營(yíng)養(yǎng)元素氮、磷含量、變化及存在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，以期為中國(guó)海綿城市建設(shè)中雨水塘的管理提供參考。

1材料和方法

1.1現(xiàn)場(chǎng)采樣

重慶悅來(lái)國(guó)博中心位于重慶市渝北區(qū)如圖l所示，地勢(shì)東高西低，南高北低，區(qū)域內(nèi)地勢(shì)起伏較大，海拔高程在170m～400m之間，為典型的山地特征。所在地區(qū)常年的降雨量在1200mm～1300mm范圍內(nèi)變化，降雨主要集中在6-8月份。本次研究對(duì)象位于國(guó)博中心區(qū)域。二級(jí)雨水塘（經(jīng)度106.5345，緯度29.7156）分為1號(hào)和2號(hào)，三級(jí)雨水塘（經(jīng)度106.5402，緯度29.7218）分為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。采樣時(shí)間為6-12月，水質(zhì)取樣為降雨時(shí)和降雨5天后，取樣水層為水面下10～30cm，底泥取樣層為水層往下0～10cm。監(jiān)測(cè)期間塘內(nèi)水體pH在6.83～7.98，水溫31.2℃～12.5℃，夏季溶氧4～6mg/L冬季4～8mg/L。

1.2監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與評(píng)價(jià)方法

水樣監(jiān)測(cè)指標(biāo)為溫度、溶解氧（DO）、pH、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD.r）、氨氮（NH3-N），水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法依據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）中規(guī)定方法。底泥全氮（TN）、全磷（TP）監(jiān)測(cè)方法參考《湖泊沉積物水界面過(guò)程基本理論與常用測(cè)定方法》。通過(guò)綜合污染指數(shù)法對(duì)底泥中氮磷的污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，底泥有機(jī)質(zhì)含量均為健康狀態(tài)不作為文章主要研究?jī)?nèi)容。

2結(jié)果與分析

2.1雨水塘降雨前后污染物變化

在6月-12月期間，受降雨不確定性影響，跟蹤取樣7場(chǎng)次降雨，7次取樣水質(zhì)均值作圖，如圖2所示雨水塘降雨前后污染物變化情況，降雨時(shí)和降雨后5日雨水塘的COD濃度分別在4～54mg/L、13～57mg/L的范圍變化，二級(jí)雨水塘和三級(jí)雨水塘CODfr降雨時(shí)的平均濃度分別為17.6mg/L、27.5mg/L，降雨后5日的平均濃度分別為26.48mg/L、32.32mg/L，雨后5日水體COD。指標(biāo)四類水和五類水占比分別為17.1%、22.9%。在降雨后5日監(jiān)測(cè)過(guò)程中雨水塘的COD。出現(xiàn)了上升，二級(jí)雨水塘下部降雨后CODr的污染程度要大于上部分。三級(jí)雨水塘1、2、3號(hào)塘在幾次降雨過(guò)程中COD濃度均表現(xiàn)出下降如圖2（a）所示。監(jiān)測(cè)期間COD含量在雨水塘內(nèi)呈動(dòng)態(tài)變化，夏季水溫較高日寸，水體內(nèi)的COD含量變化幅度明顯大于冬季，表明溫度對(duì)塘內(nèi)有機(jī)物的釋放、遷移有較大影響。

雨水塘降雨前后總磷變化如圖2（b）所示，監(jiān)測(cè)期內(nèi)多級(jí)雨水塘的TP在0.02～0.24mg/L的范圍變化，總體看降雨5日后，總磷濃度低于降雨前，雨水塘內(nèi)以磷沉降為主。在降雨期間，雨水塘TP的濃度范圍為0.02～0.24mg/L．二級(jí)塘和三級(jí)塘平均濃度分別為0.08mg/L、0.09mg/L，其中三類水占比54%，四類水占比31.4%，五類水占比8.6%（雨水塘接近封閉水域，按湖庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)）。降雨后5日，雨水塘TP的濃度范圍為0.02～0.23mg/L，二級(jí)塘三級(jí)塘平均濃度分別為0.05mg/L、0.089mg/L，其中總磷指標(biāo)三、四、五類水分別占比48.6%、22.8%、8.6%。從多次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，夏季總磷數(shù)據(jù)變化更為顯著，且三級(jí)雨水塘的總磷濃度波動(dòng)較大。

多級(jí)雨水塘降雨前后氮素情況如圖2（c）、圖2（d）所示，監(jiān)測(cè)期內(nèi)，其中NH3-N在0.08～0.54mg/L的范圍內(nèi)變化，TN在0.2～2.4mg/L的范圍變化。二級(jí)雨水塘和三級(jí)雨水塘NH-N降雨時(shí)的平均濃度分別為0.18mg/L、0.35mg/L，降雨后5日的平均濃度分別為0.12mg/L、0.24mg/L。TN降雨時(shí)的平均濃度分別為0.92mg/L、1.04mg/L，降雨后5日的平均濃度分別為0.71mg/L、0.99mg/L。降雨后5日水體TN指標(biāo)四類水占比11.4%五類水占比11.4%。

蔣榮廷監(jiān)測(cè)悅來(lái)新城雨水徑流結(jié)果表明，初期雨水徑流COD、TN、TP濃度分別為79～119mg/L、4.48～7.18mg/L、0.28～0.34mg/L，中后期徑流分別為42～67mg/L、2.65～3.86mg/L、0.10～0.31mg/L。雨水塘一般采用截留井模式進(jìn)行雨水調(diào)蓄即小于設(shè)計(jì)截留量的雨水通過(guò)截留井進(jìn)入雨水塘，超過(guò)設(shè)計(jì)截留量部分通過(guò)雨水管道排人下游，因此初期雨水一般是進(jìn)入雨水塘且是雨水塘的主要補(bǔ)水來(lái)源；通過(guò)降雨期間對(duì)雨水塘水體監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，本次研究雨水塘設(shè)計(jì)截留雨量為4mm，水質(zhì)在降雨期間污染物濃度并未顯著升高，表明雨水塘在降雨中受到上游地表徑流的沖擊時(shí)，塘內(nèi)水環(huán)境容量可以有效緩沖上游徑流污染物的瞬時(shí)高負(fù)荷沖擊，且在降雨后5日水體水質(zhì)均有一定程度提高，降雨期間的四、五類水占比分別由20%、22.9%提高到22.8%、25.7%。

2.2雨水塘底泥氮磷污染現(xiàn)狀

如圖3、圖4所示多級(jí)雨水塘在7個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，底泥全氮和全磷的含量變化趨勢(shì)，總體看，底泥全氮呈下降趨勢(shì)，全磷呈逐漸上升趨勢(shì)。氮含量在雨季最高（6-7月）達(dá)到750～929mg/kg，到監(jiān)測(cè)后期（12月）全氮含量在220～450mg/kg，主要原因是雨季雨水塘接納上游雨水徑流頻次高，氮輸入量大于自凈量，是外源凈輸入階段；雨季后，外源輸入減少，氮在底泥中發(fā)生硝化、反硝化自凈過(guò)程，產(chǎn)生氮?dú)鈴牡啄嘀幸莩鱿到y(tǒng)。底泥全磷則從監(jiān)測(cè)初期的157～283mg/kg到監(jiān)測(cè)后期269～342mg/kg，磷素的變化整體以積累為主，監(jiān)測(cè)期間各塘累積量分別達(dá)到了58～112mg/kg。尹宇瑩等對(duì)洞庭湖表層沉積物中TN、TP的測(cè)定顯示，范圍介于576～1526mg/kg.482～982mg/kg，楊蘭琴等對(duì)北運(yùn)河流域中壩河底泥TN、TP的測(cè)定顯示，范圍介于431～3473mg/kg、425～1124mg/kg。由此可推測(cè)一般情況下多級(jí)雨水塘的底泥氮磷總量均小于一些湖泊、水庫(kù)以及受污染河道的底泥中氮磷的含量。

2.3底泥生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)二級(jí)和三級(jí)雨水塘底泥中氮、磷污染程度。計(jì)算公式如下：

沉積物單項(xiàng)和綜合污染指數(shù)會(huì)受到氮和磷評(píng)價(jià)基準(zhǔn)值影響，不同基準(zhǔn)值下單項(xiàng)污染指數(shù)不同。目前常用的沉積物氮磷評(píng)價(jià)基準(zhǔn)值有加拿大基準(zhǔn)值、美國(guó)沉積物基準(zhǔn)值。和中國(guó)東部典型湖泊沉積物氮磷基準(zhǔn)值。文章以美國(guó)沉積物基準(zhǔn)值（1000mg/kg和420mg/kg）作為氮磷污染評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)值，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

經(jīng)綜合污染等級(jí)計(jì)算得出，二級(jí)雨水塘底泥氮素和磷素的污染評(píng)價(jià)都屬于清潔狀態(tài)，而三級(jí)雨水塘底泥氮素污染評(píng)價(jià)為清潔狀態(tài)，磷素的污染評(píng)價(jià)為輕度污染。綜合污染指數(shù)由大到小排序?yàn)槿?jí)雨水塘（中）>三級(jí)雨水塘（上）>三級(jí)雨水塘（下）>二級(jí)雨水塘（上）>二級(jí)雨水塘（下）?？傮w來(lái)說(shuō)，雨水塘底泥的氮、磷元素整體處于清潔和尚清潔之間，且悅來(lái)國(guó)博中心的多級(jí)雨水塘已運(yùn)行5年，尚未受到較為嚴(yán)重的污染，表明雨水塘在雨水調(diào)蓄和凈化方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。

3結(jié)論

設(shè)計(jì)雨水截留量為4mm時(shí)，二、三級(jí)雨水塘能有效緩沖初期雨水徑流帶來(lái)的污染負(fù)荷沖擊，降雨期各塘水體有機(jī)物（COD.r）、氮、磷（氨氮、總氮、總磷）濃度范圍分別為4～57mg/L、0.08～0.54mg/L、0.2～2.4mg/L、0.02～0.24mg/L，四、五類水比例為23%、25.7%。運(yùn)行5年的雨水塘底泥全氮、全磷含量分別為220～979mg/kg、157～342mg/kg，氮素在雨季含量達(dá)到最高，雨季后逐漸降低，磷則表現(xiàn)為逐漸積累。綜合污染指數(shù)法對(duì)底泥中氮、磷污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)顯示，除了三級(jí)雨水塘底泥磷污染處于輕度污染外，其余各塘整體處于尚清潔和清潔狀態(tài)。