中小城市不同功能区降雨径流氮污染特征及其对水体的影响*

2017-11-02李飞星王舒馨史坤博吕玉甲

环境污染与防治 2017年2期

关键词：滨州硝酸盐亚硝酸盐

李飞星王舒馨史坤博吕玉甲荣琨

(1.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000；2.滨州学院资源环境系，山东滨州 256600)

中小城市不同功能区降雨径流氮污染特征及其对水体的影响*

李飞星1王舒馨1史坤博1吕玉甲1荣琨2

(1.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000；2.滨州学院资源环境系，山东滨州 256600)

研究了典型中小城市滨州的不同功能区降雨径流中的氮污染特征及其对水体污染的影响。结果表明，滨州城区不同功能区降雨径流总无机氮(TIN)、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮质量浓度分别为0.22～10.19、0.01～1.73、0～6.61、0～1.84mg/L。部分降雨径流样品的TIN已经超过了《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中总氮的Ⅴ类水体标准限值。各形态无机氮浓度在不同功能区存在显著差异。TIN浓度均值表现为：农业区>文教区>工业区>居住区>商业区>交通要道。降雨径流中的氮元素主要以硝酸盐氮形式存在。河流中TIN主要来自氨氮，其浓度水平与降雨径流相当。因此，降雨径流的氮污染对河流有重要影响，应引起重视。

非点源中小城市降雨径流氮污染特征滨州

城市降雨径流污染是指大气污染物随雨水冲刷与地面污染物汇合后进入水体的过程[1]。近年来，城市点源污染已得到较好地控制，非点源污染已成为城市水体水质恶化的主要原因[2]2634,[3]625。国外从20世纪60年代开始就关注城市降雨径流污染引起的地表水非点源污染问题[4-5]，主要研究了城市降雨径流的水质特性、污染物时空分布、径流模型、对地表水水质的影响及污染控制措施等方面[6-12]。1990年，美国环境保护署(USEPA)公布的不同污染物对河流污染贡献比中，城市降雨径流贡献率占到9%[13]。1993年，USEPA更是把城市降雨径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[14]。我国对城市降雨径流污染的研究主要集中于北京[15]、上海[16]17、西安[17]、武汉[18]、厦门[3]628等大城市，而针对中小城市降雨径流污染的研究很少。中小城市占我国城市总数的近4/5[19]。与大城市相比，中小城市具有明显不同的社会经济运作机制，其污染特征也不同，因此有必要对中小城市的降雨径流污染问题给予充分关注。

滨州位于黄河三角洲腹地，经济发达，城区人口50多万，面积1 041 km2，是我国典型的中小城市[20]。2015年的“中国最佳表现城市”中，滨州在232个中小城市中位列第42位[21]。近20年来，滨州经济发展迅速，但环境污染问题也日益突出[22]。大气降尘、城市交通、建筑活动等不仅影响空气质量，还会通过降雨径流污染水体，影响水环境质量[23]。因此，本研究对滨州城区不同功能区降雨径流样品进行采集，分析了其氮污染特征及对城区水体的影响，以期促进我国中小城市降雨径流污染的研究，为中小城市非点源污染控制与管理提供科学参考。

注：1#、2#、3#为居住区；4#、5#、6#为农业区；7#、8#、9#为文教区；10#、11#、12#为商业区；13#、14#、15#为工业区；16#、17#、18#为交通要道；19#、20#、21#为河流。

图1采样点分布
Fig.1 Distribution of sampling sites

1 材料与方法

1.1 样品采集

2014年5月10日，雨天，降雨量为193 mm，是5月份降雨量最大的一天。在滨州城区的居住区、农业区、文教区、商业区、工业区、交通要道6个具有代表性的功能区内选择汇水面积较大的雨水口汇水路面采集降雨径流样品，降雨后立即采集城区3条河流的样品作为对比，共设21个采样点，如图1所示。

由于降雨径流中的污染物存在初期冲刷效应，故采用“前密后疏”的采样方式[2]2635。降雨持续时间为165 min，从降雨开始每隔5 min取1次样至30 min，共采集6个；之后每隔10 min取1次样至60 min，共采集3个；然后每隔20 min取1次样至120 min，共采集3个；再过45 min后降雨结束，采集1个样品，共采集1个。将各时间段采集的降雨径流样品混合后保存于500 mL聚乙烯瓶中，运回实验室，24 h内完成样品分析。

降雨结束后，在河流表面采集河流样品，保存于500 mL聚乙烯瓶中，运回实验室，24 h内完成样品分析。

1.2 样品分析

样品经滤纸过滤后用0.45 μm微孔滤膜过滤，氨氮采用《水质氨氮的测定气相分子吸收光谱法》(HJ/T 195—2005)测定，硝酸盐氮采用《水质硝酸盐氮的测定气相分子吸收光谱法》(HJ/T 198—2005)测定，亚硝酸盐氮采用《水质亚硝酸盐氮的测定气相分子吸收光谱法》(HJ/T 197—2005)测定，总无机氮(TIN)为氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮之和。分析仪器为GMA3360型气相分子吸收光谱仪。

2 结果与讨论

2.1 各降雨径流采样点中的氮污染

降雨径流对氮的迁移有重要影响[24]。降雨径流中有机氮的含量很低，总氮大部分都是无机氮，TIN近似等于总氮[25-26]。因此，本研究重点分析氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等不同形态的无机氮，结果如图2所示。根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，Ⅴ类水体的总氮和氨氮限值均为2.00 mg/L。由图2可见，各降雨径流采样点中的TIN质量浓度为0.22～10.19 mg/L，氨氮为0.01～1.73 mg/L，硝酸盐氮为0～6.61 mg/L，亚硝酸盐氮为0～1.84 mg/L。大部分样品的TIN质量浓度都低于2.00 mg/L，但有3个样品超过了2.00 mg/L，其中有1个样品高达10.19 mg/L；大部分样品氨氮质量浓度都低于1.00 mg/L，但有1个样品已经接近2.00 mg/L。可见，目前滨州城区的降雨径流进入水体可能导致水体氮污染，虽然水体会对降雨径流有一定的稀释作用，不至于很严重，但随着城市化的不断推进，若不加强控制和管理，降雨径流引起的污染势必会增强。虽然GB 3838—2002并没有对地表水中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮进行限定，但两者均有可能导致水体富营养化，特别是亚硝酸盐还对人体有毒。因此，分析了硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，结果发现，大部分样品的硝酸盐氮质量浓度都低于2.00 mg/L，只有4#样品达到了6.61 mg/L；大部分样品的亚硝酸盐氮质量浓度都低于0.50 mg/L，只有4#样品达到了1.84 mg/L。TIN浓度也是4#最高，因此后续研究应重点关注4#采样点的氮污染来源。

图2 各降雨径流采样点的不同形态氮质量浓度Fig.2 Mass concentrations of different nitrogen forms in sampling sites of rainfall runoff

2.2 不同功能区降雨径流中的氮污染

降雨径流中氮的可能来源有大气干湿沉降、腐烂物质、化肥施用、机动车尾气排放及粪便等[27]，受到降雨强度、活动人群、车流量、排放的污染物种类等诸多因素的影响[3]627。不同功能区在城市中所起的作用不同，导致各功能区降雨径流中氮污染差异较大。滨州城区不同功能区降雨径流中各形态的无机氮浓度如表1所示。不同功能区降雨径流中TIN浓度均值：农业区>文教区>工业区>居住区>商业区>交通要道；氨氮浓度均值：农业区>工业区>文教区>交通要道>居住区>商业区；硝酸盐氮浓度均值：农业区>商业区=文教区>居住区>工业区>交通要道；亚硝酸盐氮浓度均值：农业区>居住区>交通要道>商业区>文教区>工业区。可见，农业区降雨径流中的氮污染最严重。滨州的农业区多分布在城郊，传统化肥以及有机肥料施用是氮的主要来源；工业区主要分布在城区周边，涵盖纺织服装、石油化工、机械制造、建筑建材、能源环保、生物科技、电力供应等产业；文教区、居住区和商业区多集中于城区，这些区域人口众多，车辆也多，氮污染主要来源于人们的生活；交通要道车流量大，汽车尾气排放的NOx很容易造成降雨径流中氮污染。

从表1分析氮的形态组成，TIN主要由硝酸盐氮和氨氮构成，尤其是硝酸盐氮，亚硝酸盐氮含量很低，说明滨州城区降雨径流中氮污染多以硝酸盐氮形态存在，与杨德敏等[3]628的研究结果一致。亚硝酸盐氮是氮循环的中间产物，在水中很不稳定，极易被氧化为硝酸盐氮，因此亚硝酸盐氮在降雨径流样品中含量很低。

王吉苹等[28]应用地理信息系统(GIS)技术研究了厦门岛内降雨径流的总氮污染特征，发现总氮浓度：道路>商住区>工业区>交通用地>文教区>滩涂>居住区>公园>绿地>林地。杨德敏等[3]626发现，厦门降雨径流总氮浓度：工业区>商住区>文教区>居住区。蒋海燕等[16]16研究了上海市区和郊区不同功能区内降水径流中氮的特征，发现无机氮浓度：工业区>交通要道>居住区>商业区。本研究的结果与大城市的研究结果差异较大，说明中小城市降雨径流氮污染特征可能与大城市不同，值得关注。

2.3 降雨径流样品与河流样品对比

河流样品中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量低于检出限，因此TIN和氨氮浓度相同，结果如表2所示。总体而言，河流样品的TIN和氨氮浓度水平与降雨径流数量级相当，所以降雨径流的氮污染对河流有重要影响。与降雨径流不同的是，河流中TIN基本都是氨氮，其质量浓度均值为2.09 mg/L，属于劣Ⅴ类水体。氨氮易被硝化细菌转化为硝酸盐氮，所以正常水体中氨氮含量通常小于硝酸盐氮。但本研究中河流样品氨氮浓度过高，说明河流受到了污染，有研究表明高浓度氨氮可能是人畜排泄物及生活污水所致[29]。滨州城区内的水体多为“死水”，流动性差，自净能力有限，可能有大量生活污水及部分高氨氮工业废水不加处理直接排入。

表1 不同功能区降雨径流中不同形态氮质量浓度

表2 河流样品中不同形态氮质量浓度

3 结论

(1) 滨州城区不同功能区各采样点降雨径流中TIN、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的质量浓度分别为0.22～10.19、0.01～1.73、0～6.61、0～1.84 mg/L。部分降雨径流样品的TIN已经超过了GB 3838—2002中总氮的Ⅴ类水体标准限值。

(2) 不同功能区降雨径流中TIN浓度均值：农业区>文教区>工业区>居住区>商业区>交通要道，主要以硝酸盐氮形态存在。

(3) 河流样品的TIN和氨氮浓度水平与降雨径流数量级相当，所以降雨径流的氮污染对河流有重要影响。

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Nitrogenpollutioncharacteristicsofrainfallrunoffanditsimpactonriverwaterindifferentfunctionalareasofsmall-mediumcity

LIFeixing1,WANGShuxin1,SHIKunbo1,LYUYujia1,RONGKun2.

(1.CollegeofEarthEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,LanzhouGansu730000;2.DepartmentofResourcesandEnvironment,BinzhouUniversity,BinzhouShandong256600)