宜兴典型村落不同下垫面降雨径流污染物排放特征

汪楚乔，陈柔君，吴　磊，宋海亮，范忠保，刘秋菊，李先宁

(东南大学能源与环境学院，江苏 南京　210096)



宜兴典型村落不同下垫面降雨径流污染物排放特征

汪楚乔，陈柔君，吴磊，宋海亮，范忠保，刘秋菊，李先宁①

(东南大学能源与环境学院，江苏 南京210096)

摘要：选取太湖沿岸宜兴市农村自然村落为研究对象，对研究区域降雨量和4种不同下垫面(屋面、庭院、道路和自留地)降雨径流中污染物进行监测，通过计算污染物的事件平均浓度(EMC)，探讨了在天然降雨和人工模拟降雨条件下4种下垫面径流污染物的排放特征及影响因素。结果表明，4种下垫面的降雨径流污染都较严重，若直接排入受纳水体会造成严重污染。包含天然降雨和模拟降雨的综合降雨事件中4种下垫面径流中COD、SS、TN和TP的EMC均值分别为52.77～133.94、55.02～935.65、2.20～8.59和0.066～2.96 mg·L-1，其中，自留地的各项污染指标均最大。降雨量和降雨强度是影响村落地表径流中COD和SS浓度的重要因素。前期晴天时间与庭院、道路和自留地下垫面径流中污染物EMC之间呈正相关，而与屋面径流中污染物EMC之间相关性不明显。

关键词：村落；降雨径流；排放特征；降雨特征；下垫面

随着城镇工业废水和生活污水治理的不断加强,农村污染逐渐成为太湖流域污染的主要来源,太湖流域农村污染带来的TN、TP和COD负荷占总污染负荷的比例呈现逐年增加的趋势[1]。农村居民的不良生活方式,如垃圾无序排放并堆积、杂用水无序排放、散养畜禽产生的粪便等,不仅产生渗漏液污染地表水和地下水,在降雨时更会冲刷地表累积的污染物,产生高浓度的径流污染,造成生活居住区有机污染、氮和磷的迁移,影响受纳水体水质。蔬菜地是太湖流域重要的土地利用方式之一,太湖沿岸地区分布了很多蔬菜地且大多复种指数较高,化肥施用量大,表层土壤中氮、磷明显积累,且在降雨时被雨水冲刷会通过径流流入水体[2]。

降雨径流携带大量污染物进入水体是太湖流域水环境污染的重要原因,尤其是降雨径流初期携带的大量污染物。从污染来源与形成过程来看,降雨径流具有分散性、不易监测性、空间异质性、高冲击负荷性和高污染性等特点[3]。目前,对于降雨径流污染物的研究很多,任玉芬等[4]对城市屋面、道路和草坪3种不同下垫面径流污染物进行分析和相关性研究,发现降雨强度和降雨量是影响径流水质的主要因素;苏保林等[5]研究了太滆运河流域葡萄园径流的污染物特征和影响因素;刘平等[6]对广州市流溪河流域典型农业集水区降雨地表径流进行定点监测,并分析不同利用类型的地表景观对非点源污染的贡献情况。但是,针对村落降雨径流的污染源性质、影响程度和污染过程的定量研究还不多,因此有必要深入开展村落降雨径流研究,以期为村落地表径流的污染治理提供基础数据和支撑,以及为改善村落周边水体的水环境提供参考。

1研究方法

1.1研究区概况

降雨径流监测选取的采样点位于江苏省宜兴市周铁镇沙塘港村。宜兴市全年气候温暖湿润,日照条件好,属湿润的北亚热带气候区,具有明显的季风气候特征,四季分明,年平均气温为15.7 ℃。降水丰沛,全年有雨,年平均雨日136.6 d,多年平均降水量为1 181 mm,其中75%的降雨集中在4—11月。春夏之交,暖湿气流北上,冷暖气流相遇形成持续阴雨,称为梅雨,易引起洪涝灾害;盛夏受副热带高压控制,天气晴热,此时常受热带风暴和台风影响,形成暴雨狂风的灾害天气。降水年内年际变化较大,最大年降水量与最小年降水量的比值为2.4,而年径流量年际变化更大,最大年径流量与最小年径流量的比值为15.7[7]。

周铁镇沙塘港村是位于太湖西岸重污染区的典型村落。村落硬化程度较高,可达90%以上。大部分屋面为瓦屋面,庭院特征较明显,大部分庭院已经全部硬化,90%以上的道路也已经全部硬化,部分居民的庭院前留有小面积的自留地,用于种植蔬菜等。该处村落下垫面通常有屋面、庭院、道路和自留地4种类型。

1.2降雨径流的监测

采用8000D型水质自动采样器(内配12个1 L聚乙烯采样瓶)对4种下垫面的降雨径流进行采样。从地表产流开始采样,到产流结束为止。根据降雨强度的大小,每隔一定时间从采样点收集径流,一般在初期和大强度降雨时,每隔5 min采样1次,其后采样间隔根据降雨情况延长。对于小雨和降雨后期取样间隔可以适当延长至20～30 min。同时,采用YM-21型雨量计测定降雨量和降雨历时。

为弥补天然降雨研究的不足,设计了人工模拟降雨装置,在晴天时进行人工模拟降雨,研究不同降雨类型(主要是大到暴雨)庭院、道路和自留地径流的排污规律。人工模拟降雨的下垫面为道路、庭院和自留地,装置的降雨面积为8 m2,由供水系统和喷洒系统组成。由于屋面的人工模拟降雨装置搭建难度较大,未对屋面径流进行采样。径流的收集主要利用现场的地形地势。降雨强度是指规定历时的累计降水量,根据监测数据和王文欣等[8]的研究,设计了6种降雨强度和3种降雨类型,分别为1(大暴雨)、0.8(大暴雨)、0.6(大暴雨)、0.5(暴雨)、0.3(暴雨)和0.2(大雨) mm·min-1,降雨历时均为1 h。径流产生时,前30 min采样间隔为5 min,之后采样间隔为10 min。

1.3降雨径流中污染物的事件平均浓度(EMC,CEM)

降雨的随机性使得降雨径流中污染物浓度也具有较大的随机性[9]。虽然单场降雨过程的径流中污染物浓度变化较大,EMC仍然是描述径流污染特征的首要指标[10]。采用EMC作为主要指标来反映单次径流的污染程度,其定义为单场降雨的污染物总负荷除以径流总量,计算公式为

(1)

1.4水样分析

分析的水质指标包括化学需氧量(COD)、悬浮物(SS)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(以NH4+-N计)和硝态氮(NO3--N)。所有指标测定方法均参照原国家环境保护总局推荐的方法[11]。

采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析,显著性水平设为α=0.05;图表采用Excel 2010和Origin 8.0软件制作。

2结果与分析

2.1降雨特征

2013年8—11月期间,对9次有效降雨进行采样,降雨情况见表1。按照开始降雨后的前1 h降雨量来划分,08-19、08-21、08-26、09-05、09-11和09-28的降雨为中雨(开始降雨的1 h降雨量为>2.5～8.0 mm);10-31和11-24的降雨为小雨(开始降雨的1 h降雨量≤2.5 mm);10-06的降雨为暴雨(开始降雨的1 h降雨量为16～32 mm)。其中,08-21和09-11的降雨历时短,降雨强度较大,是典型的夏季阵雨;10-06降雨历时不长,降雨强度大,是典型的夏季暴雨;10-31和11-24的降雨历时长,降雨强度小,是典型的秋季降雨。08-19、09-28、10-31和11-24的前期晴天时间都较长,后2次降雨之前有近1个月的晴天。

表12013年9场天然降雨事件的降雨特征

Table 1Characteristics of 9 natural rainfall events in 2013

编号日期开始1h降雨量/mm单场降雨量/mm降雨时间/min平均雨强/(mm·min-1)前期晴天时间/d108-193.23.2600.05319208-214.04.0250.162308-267.912.01200.15409-053.66.02400.02510509-113.53.5200.1756609-283.34.8900.05317710-0620.720.7600.3458810-310.32.01800.01125911-240.91.61800.00924

2.2不同下垫面EMC与降雨量和降雨强度的关系

分别选取具有代表性的暴雨(10-06)、中雨(08-26)和小雨(11-24)共3场降雨进行分析,不同下垫面径流污染见图1。屋顶、庭院和道路3种硬化下垫面只需小雨条件就会在很短的时间内形成径流;自留地在中雨和暴雨条件下会很快形成径流,但在小雨条件下会出现短暂的产流滞后现象。由于选取的小雨前出现较长时间的干旱天气,村民对蔬菜地进行人工浇灌,土壤含水率接近饱和状态,所以在小雨条件下也能在较短的时间(5～26 min)内产流。在选取的小雨条件下,自留地在16 min时开始产流。

不同下垫面径流污染物浓度在降雨的前段和后段时间存在较大差别,一般研究中将全部降雨过程中污染物的平均值进行对比分析,不同时间段不同下垫面污染物在不同降雨量和降雨强度条件下的动态变化见图1。由图1可知,不同下垫面在不同降雨条件下的径流污染物浓度差异较大。各污染物在不同降雨强度下有不同的历时特征。在暴雨条件下,屋面、庭院和道路初始径流COD,SS、TN和TP浓度都达到最高值,并在之后的10～20 min时迅速降低,在20～60 min时保持较低值到降雨结束;自留地COD,SS、TN和TP浓度在前期小幅下降后,到降雨结束时仍能保持较高浓度。在中雨条件下,3种硬化下垫面降雨径流中各污染物同样在开始产流后达到最高又缓慢降低；自留地中各污染物也呈现与暴雨条件下相似的规律,但COD,SS、TN和TP浓度最大值都明显低于暴雨条件。在小雨条件下,3种硬化下垫面径流污染物在开始产流后达到最高,之后以较平缓的速率下降;自留地径流污染物也呈现初始阶段上升后稳定在一定范围内的趋势。根据污染物最大浓度数据分析,3种硬化下垫面的COD,SS和TP浓度最大值均出现在暴雨条件下,暴雨条件下COD显著大于中雨条件下COD(P<0.05),与小雨条件下COD差异未达显著水平(P>0.05);自留地小雨条件下径流污染物浓度低于暴雨条件下各污染物浓度,高于中雨条件下各污染物浓度。

虽然暴雨条件下污染物浓度初始值大,但下降速度更快,后期反而更低,这是因为暴雨对下垫面积累污染物冲刷作用大,溶解稀释作用强,而在大强度降雨条件下,自留地土壤含水率处于不饱和状态,所以土壤中污染物会在整个降雨过程中持续溶解进入水中,而且雨强的增加可以加大对土壤的扰动作用,加快表层土壤中污染物的溶解速率,但大水量会将污染物稀释致其浓度变低。若雨水本身的污染贡献可忽略,径流的污染来源主要为各种干沉降累积,故可将径流污染物浓度的计算公式粗略简化为污染物总量/此面积产生的径流量。由此可见,污染较大值应是污染物完全进入径流的最小降雨量,从而也可以说明降雨量和降雨强度是影响地表径流污染物的重要因素。这与胡晓东等[12]对农用地的降雨径流污染物研究结果类似。

通过对3场降雨事件在4种下垫面的径流污染物排放规律进行综合分析可知,3种硬化下垫面在暴雨和中雨条件下初期冲刷效应较明显；而降雨强度对蔬菜自留地也有较明显的影响,小雨和暴雨条件下自留地均会产生较高浓度的污染物。对比3种硬化下垫面,道路的TN和TP浓度波动比屋面、庭院都要明显,这可能是因为村落道路除了用于车辆行驶和行人行走外,还被用于晾晒农作物,且村落道路清扫频率低。小雨时道路降雨径流中COD较高,这可能是因为小雨时恰好处于秋季,并且此次降雨的前期晴天时间较长,道路上积聚了大量落叶,落叶中腐殖质使得径流中COD较高。

图1　降雨量和降雨强度变化对不同下垫面污染物的影响

由于天然降雨主要是中、小强度的降雨,人工模拟降雨是大暴雨,将不同下垫面天然降雨和人工模拟降雨用式(1)计算,包含天然降雨和模拟降雨的综合降雨事件中不同下垫面各污染物的EMC均值见表2。由表2可知,沙塘港村4种下垫面的降雨径流污染都较严重。将综合降雨事件中不同下垫面各污染物的EMC均值与GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[13]进行对比分析。屋面、道路和庭院降雨径流中COD和TN的EMC均值都超过地表V类水标准(COD,≤40 mg·L-1; TN,≤2.0 mg·L-1),屋面和庭院降雨径流中TP的EMC均值分别达到Ⅱ和Ⅲ类标准(≤0.1和≤0.2 mg·L-1),道路和自留地降雨径流中TP的EMC均值都超过地表Ⅴ类水标准(≤0.4 mg·L-1)。

表2综合降雨事件中不同下垫面径流中污染物EMC均值

Table 2Summary of EMCs of the pollutants in runoffs from different types of underlying surface during rainfall events

下垫面类型EMC均值/(mg·L-1)CODSSTNTP屋面67.9755.027.320.066庭院52.7799.622.200.130道路79.76178.313.190.514自留地133.94935.658.592.960

自留地径流中COD的EMC均值超过地表Ⅴ类水标准,TN的EMC均值超过地表Ⅴ类水标准。村落降雨径流污染严重,若直接排入受纳水体,会造成严重污染。

2.3天然降雨和人工模拟降雨径流EMC均值

对沙塘港村天然降雨和人工模拟降雨屋面、庭院、道路和自留地径流中COD、SS、TN和TP的EMC均值进行分析,结果见表3～4。

表3天然降雨径流中污染物浓度范围和EMC均值

Table 3Event mean concentrations (EMC) of the pollutants in runoffs triggered by natural rainfallmg·L-1

表4模拟降雨径流中污染物浓度范围和EMC均值

Table 4Event mean concentrations (EMC) of the pollutants in runoffs triggered by simulated rainfallmg·L-1

由表3～4可知,2种降雨条件下COD,TN和TP浓度的差异情况与SS浓度相似,这与颗粒物是携带污染物的主要载体的结论较一致。模拟降雨和天然降雨水质存在较大差异,其中差异最显著的是自留地,在天然降雨条件下自留地COD和SS的EMC均值都较小,分别为37.94和38.88 mg·L-1,而在人工模拟降雨条件下却较大,分别为205.94和1 608.22 mg·L-1。这与天然降雨与人工模拟降雨主要代表的降雨类型不同有很大关系,天然降雨主要是中、小强度的降雨,而人工模拟降雨是暴雨和大暴雨。自留地为种植蔬菜的土壤,其径流系数经验值为0.3,而屋面材料为瓦屋面,道路和庭院都为水泥材料,经验值为0.9,可见自留地的径流系数小于其他3种下垫面。降雨时,雨水需要先满足下垫面的下渗,当饱和后才会形成径流。当降雨量或降雨强度不是很大时,屋面、庭院和道路都较快地形成径流,而自留地则稍后才会形成径流,因颗粒物不容易被冲刷,同时土壤对污染物还具有一定的截留作用,因此EMC均值较小。而且自留地和其他3种硬化下垫面污染物来源有所不同,庭院、道路和屋面的污染来源均以外来污染源为主,而自留地污染物来源还包括土壤水蚀等。当降雨量或降雨强度增大时,降雨对土壤冲刷会形成高SS浓度的径流[14]。大暴雨、暴雨和大雨对颗粒物的冲刷能力很强,导致自留地EMC均值增大,因此降雨量或降雨强度对污染物,尤其是对自留地裸露地面的EMC均值有较大影响。

2.4EMC与前期晴天时间的关系

前期晴天时间是影响污染物径流浓度的一个重要因素。目前的研究结论认为污染物累积与前期晴天时间的关系可归结为线性关系、幂函数关系和双曲线关系[15-16]。前期晴天时间不同,下垫面污染物的累积程度不同,进而影响到可被降雨径流冲刷、携带污染物的数量[17]。随着晴天时间的增加,累积于地表的污染物数量增加,意味着地表可被降雨径流冲刷的污染物数量在增加,即增加了降雨径流的污染潜力。选择2013年降雨量相近的3场降雨(08-19、08-21和09-28),降雨径流中污染物EMC与晴天累积时间(分别为19、2和17 d)的关系见表5。

由表5可知,庭院降雨径流中COD,SS、TN和TP浓度,道路降雨径流中COD,TN和TP浓度,自留地降雨径流中COD、SS、TN和TP的EMC均随着前期晴天时间的增加而增大。相关性分析结果表明,屋面径流中COD、SS、TN和TP的EMC与前期晴天时间之间相关性都不强,相关系数分别为0.202、0.097、0.193和0.442。屋面污染物的累积主要受到大气污染状况和风速等的影响,因此理论上晴天时间对其影响较大,但径流污染物浓度是降雨量、降雨强度、屋面材料和前期晴天时间等共同作用的结果。笔者研究中前期晴天时间与屋面EMC之间的相关性不强,一方面,由于在调查区域降雨量、降雨强度对屋面径流污染物的影响大于前期晴天时间的影响所致;另一方面,是由于当地屋面都为倾斜面,不利于污染物的积累,且不像庭院、道路等会在晴天时由于车辆、人类活动而导致污染源强度增大。庭院降雨径流中COD、SS和TN的EMC与前期晴天时间相关性强,相关系数分别为0.816、0.790和0.906,TP的EMC与前期晴天时间有一定的的相关性,相关系数为0.673。道路降雨径流中COD、TN和TP的EMC与前期晴天时间具有相关性,相关系数分别为0.918、0.913和0.688,SS的EMC与前期晴天时间之间的相关性不强,相关系数为0.291。

表5前期晴天时间对降雨径流污染物EMC的影响

Table 5Effect of the number of sunny days prior to raining on EMC of pollutants in rainfall-triggered runoff

下垫面类型前期晴天时间/dEMC/(mg·L-1)CODSSTNTP屋面292.5069.589.500.851767.0832.085.670.281991.2573.759.410.67庭院242.3639.321.980.111749.4154.433.920.151956.9772.545.250.22道路246.2754.932.420.481783.2746.924.930.8019108.64153.554.531.44自留地222.5221.273.340.661721.8537.843.491.131947.6152.528.241.48

近年来,生活和生产中产生的废气和粉尘等污染物导致了严重的大气污染,而雨水在从大气降至地面的过程中,将空气中的粉尘颗粒物和有害废气等带到地面,导致雨水源头产生污染。屋面的污染来源中有很大一部分为大气干沉降产物,而道路雨水污染则更加复杂,庭院和道路污染物的来源和累积除了主要受到大气污染状况、风速和人类活动(包括交通量和地面清扫等)的影响外,还是晴天累积时间和降雨量(或降雨强度)耦合作用的结果。经过多次现场调研,庭院一般是比较脏了再打扫,而道路有定期清扫,污染物不会一直积累,所以前期晴天时间对庭院污染物积累影响较大,对道路污染物积累影响较小。自留地降雨径流中SS和TP的EMC与前期晴天时间之间相关性强,相关系数分别为0.898和0.897,COD和TN的EMC与前期晴天时间之间相关性不强,相关系数分别为0.353和0.381。自留地污染物EMC也随着前期晴天时间的增加而增加,因为自留地存在一定的容污能力,其污染物积累应与庭院、道路呈现类似的增加趋势,但由于自留地径流污染物来源除了包括与庭院、道路一样的外来污染物以外,还包括土壤水蚀;且随着前期晴天时间的延长,自留地施肥量会逐渐积累,这也是造成自留地污染物EMC与前期晴天时间之间呈正相关的原因。因此,对于屋面径流,前期晴天时间对污染物EMC影响较小;对于庭院径流,前期晴天时间是影响COD、SS、TN的EMC的重要因素,对TP也有较大影响;对于道路径流,前期晴天时间是影响COD、TN和TP的EMC的重要因素,对SS影响较小;对于自留地径流,前期晴天时间是影响SS和TP的EMC的重要因素,对COD和TN影响较小。罗专溪等[18]对村镇的降雨径流污染物进行研究,发现当地COD和SS与雨强和前期晴天时间之间存在正相关性,主要是由于当地集水区中COD和SS分布比较均匀,同时在前期晴天时间较长时,SS浓度和COD都呈增长趋势,笔者研究结果与之一致。

据此,可以根据不同降雨量和降雨强度在不同下垫面条件下污染物浓度规律,通过清扫庭院道路、在雨水径流路径中对雨水进行收集并再生循环利用等方式,有效地控制污染物向水体排放;自留地污染物流失受到降雨量、降雨强度和施肥等各种条件的影响,根据不同降雨条件下自留地污染物浓度规律,可以采取将暴雨和中雨初期径流分流减控、改变自留地施肥条件等方法防范径流中污染物对村落周边水体的污染。

3结论

(1)综合比较天然降雨和人工模拟降雨地表径流污染物的EMC均值,发现自留地各项污染指标EMC均值都达最大,这是因为其污染物来源主要是土壤水蚀和营养物质流失,与其他硬化下垫面的污染物来源主要为外来污染不同。

(2)将综合降雨事件中径流的各类污染物的EMC均值与GB 3838—2002的相应指标值进行对比分析,发现沙塘港村4种下垫面的降雨径流污染都较严重,若直接排入受纳水体,会造成严重污染。

(3)降雨量和降雨强度是村落地表径流污染物中COD和SS浓度的重要影响因素,而大气污染状况、外来污染源等对地表径流中TN、TP浓度的影响大于降雨特征的影响。前期晴天时间与庭院、道路2种下垫面地表径流中污染物EMC之间呈正相关,而由于当地屋面为倾斜面等特点,前期晴天时间与屋面径流中污染物EMC相关性不明显。由于自留地在晴天有容污能力和施肥作用,前期晴天时间也与其污染物EMC之间呈正相关性。

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(责任编辑： 李祥敏)

收稿日期：2015-06-11

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-005);国家科技支撑计划(2013BAJ10B12-02)

通信作者①E-mail: lxn@seu.edu.cn

中图分类号：X52

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0632-07

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.018

作者简介：汪楚乔(1988—),男,江西九江人,博士生,主要研究方向为水处理技术与生物质厌氧发酵技术。E-mail: wangchuqiao1988@126.com

Release of Pollutants With Rainfall-Triggered Runoff From Different Underlying Surfaces in Villages Typical of Yixing.

WANG Chu-qiao, CHEN Rou-jun, WU Lei, SONG Hai-liang, FAN Zhong-bao, LIU Qiu-ju, LI Xian-ning

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract:Natural villages on the shore of the Taihu Lake in Yixing were selected as objects in the study. Rainfall and pollutants in the rainfall-triggered runoff from 4 different types of underlying surface (roof, courtyard, road and private plot) were monitored and event mean concentrations (EMC) of the pollutants were calculated so as to explore characteristics of the release of pollutants with runoff from different types of underlying surface under natural rainfalls and simulated rainfalls and their affecting factors. Results show that the runoffs were seriously polluted regardless of type of underlying surface, and direct discharge of the runoff into receptor waterbodies would cause serious environment pollution. EMC of COD, SS, TN and TP in the runoff from 4 different types of underlying surface after each natural and simulated rainfall event varied in the range of 52.77-133.94, 55.02-935.65, 2.20-8.59 and 0.066-2.96 mg·L-1, respectively. Among 4 types of interlying surface, private plot was the highest in all the pollution indices. Rainfall and rainfall intensity were the two important factors affecting COD and SS concentrations in the rural runoff, EMCs of the pollutants in runoffs from courtyard, road and private plot, were positively related to the number of sunny days prior to the start of rainfall events, but EMCs of the pollutants in runoffs from roof were not significantly related.

Key words:rural;rainfall-triggered runoff;discharge characteristics;rainfall characteristics;underlying surface