基于自动监测的台风“利奇马”降雨对城市地表水水质影响分析

耿 晔，杜天君，谢建辉，乔国栋，闫学军

（山东省济南生态环境监测中心，山东 济南 250101）

0 引言

引起地表水水质变化的原因很多，作为地表水主要的补给来源的雨水径流，其带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素[1-2]。 我国7 至9月夏季台风引起的暴雨，占全年降雨量的70%，大量的降雨形成地表径流雨水在汇集过程中，携带了一定浓度的N，P、有机物、可溶解性气体及溶解性固体、细菌、重金属等污染物。 2019年8月10日～12日，1909号台风“利奇马”登录山东，并带来了大范围降雨。山东中南部地区雨势最大，造成的过程降雨强度位列山东历史第一。 济南市普降大暴雨、局部特大暴雨，从10日08∶00 ～12日17∶00，市区平均降水量193.3 mm,43 个观测点中有18 个降水量已超200 mm, 最大降水量达到346 mm[3-4]。

许多学者对台风降雨引起的地表径流影响进行了一定的研究，多数学者利用手工监测数据选取我国南方城市的地表径流作为样本，如赵玉坤等[5]选取太湖流域城市地表径流污染进行了研究；张琼华等[6]选取西安作为研究重点[5-7]，目前针对华东地区雨水径流的受纳水体—城市河流的研究较少。 小清河起源于济南市西部睦里庄村泉群，自西向东流经济南市5 区，从东部辛丰庄出济南界，全长为70.3 km，流域面积为2 803 km2。 小清河具有排污、灌溉等功能，同时也是济南市最主要的排水、防洪、排涝河道。 因此，开展台风降雨对小清河水质变化的影响研究，对从源头分析、控制水环境的变化尤其重要。本文选取小清河济南段2 个监测断面作为研究对象，利用水质自动监测站24 h 自动监测数据来研究 “利奇马”台风降雨期间小清河水质变化的规律及影响，并对监测指标质量浓度波动的原因进行了分析。

1 实验

1.1 样本选取

本次实验选取小清河济南段2 个监测断面作为采样点位，各监测点位信息见表1。1#睦里庄断面是小清河的源头，为本底监测断面，水质类别为III 类；2# 辛丰庄断面为小清河济南出境断面，有生活及工业污水的大量支流单侧梳齿状水系汇入，属于灌溉区域，水质类别为V 类。

表1 监测点位信息

1.2 监测指标及方法

监测8月份日均值质量浓度和降雨期间的小时质量浓度，日均值监测项目为CODMn，NH3-N，TP，TN；小时均值选取8月10日08：00 ～8月12日08：00“利奇马”过境期间降雨时段，分析间隔为4 h，监测项目为CODMn，NH3-N，TP，TN，电导率，DO，上述监测数据均来自济南市环境监测监控系统V5.0 平台地表水水质自动监测站，降雨量相关数据来源于济南市气象局。 1# 睦里庄断面DO，电导率 （哈希SC1000 膜电极法），CODMn（AVVOR9000 高锰酸钾氧化-ORP 电位滴定法），NH3-N（中兴C310 水杨酸分光光度法），TP （岛津TNP-4200 钼酸铵分光光度法），TN （岛津TNP-4200 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）；2# 辛丰庄断面DO，电导率（WTWIQ Sensor Net 膜电极法），CODMn（AVVOR9000 高锰酸钾氧化-ORP 电位滴定法），NH3-N （WTW TresCon A111 氨气敏电极法），TP（岛津TNP-4200 钼酸铵分光光度法），TN （岛津TNP-4200 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法）。

1.3 数据处理

所得的数据采用Origin 8.0 软件进行数据处理和图表绘制。

2 结果与讨论

2.1日均值监测浓度与降雨量结果分析

1#睦里庄断面CODMn，NH3-N，TP，TN 与济南市日均降雨量资料见图1。 由图1 可知，8月5日～7日、10日～13日全市有2 次明显降雨过程，其中10日08：00 ～12日08：00 利奇马过境期间，降雨量突增，日最大降雨量为11日，雨量为148.9 mm。 8月1日～31日NH3-N，TP，TN 质量浓度日均值波动较明显，CODMn无明显波动。 全月ρ（CODMn）为2.65 ～3.78 mg/L，ρ（TP）为0.04 ～0.17 mg/L，均能达到III 类地表水环境质量标准。 12日NH3-N，TP 和15日TN 质量浓度为当月最大值，分别为1.45，0.17，7.65 mg/L；12日～16日ρ（NH3-N） 均超出III 类地表水环境质量标准，最大超标倍数为0.45 倍；10日～31日ρ（TN）超出III 类地表水环境质量标准，最大超标倍数为6.17倍；8月份ρ（CODMn）处于较低水平，均能达到地表水III 类标准，全月2 次降雨过程对CODMn变化影响不显著；自13日降雨完全结束，NH3-N，TP，TN 质量浓度日均值均随降雨量的减少呈现衰减趋势，17日ρ（NH3-N）监测值降至0.59 mg/L；31日ρ（TN）降至1.13 mg/L。 2 次降雨期间，1# 睦里庄断面NH3-N，TP，TN 质量浓度均处于较高水平，未达到III 类地表水标准。 降雨1 ～2 d 后污染物质量浓度出现大幅升高，12日NH3-N，TP，TN 质量浓度日均值较11日分别增加4.7，1.4，2.8 倍，降雨量对NH3-N，TP，TN 呈现正相关影响。

图1 睦里庄断面降雨量与污染物质量浓度监测值

2#辛丰庄断面CODMn，NH3-N，TP，TN 质量浓度日均值与济南市日均降雨量资料见图2。 由图2 可知，8月1日~ 31日断面CODMn，NH3-N，TP，TN日均值波动较明显。 11日NH3-N，TP，TN 质量浓度均为当月最大值，分别为4.27，0.51，8.89 mg/L；NH3-N，TP，TN 分别超出V 类地表水环境质量标准1.14，0.28，3.44 倍。CODMn，NH3-N，TP日均质量浓度均随降雨量的减少呈现衰减趋势，自13日降雨完全结束至31日，上述3 类污染物均能稳定达标；全月ρ（TN）在6.16~8.89 mg/L 之间平缓波动；10日~12日“利奇马”过境期间TN 呈现不显著上升趋势。 辛丰庄断面8月份CODMn质量浓度处于较高水平，但均能达到地表水V 类标准，降雨对其影响不显著。 2次降雨期间NH3-N，TP 均处于较高水平，超出V 类水质标准，降雨当天日均质量浓度出现不显著增长，降雨量对NH3-N，TP 呈现正相关影响；8月份TN 质量浓度均处于极高水平，超出V 类地表水水质标准，降雨量对TN 呈现正相关影响。 随着时间的推演，14日起NH3-N，TP 质量浓度逐步降至降雨前水平并趋于稳定，TN 质量浓度呈现不明显降低趋势。

图2 辛丰庄断面降雨量与污染物质量浓度监测值

2.2 降雨量与污染物浓度相关性讨论

分析可知，CODMn与降雨量相关性较差，NH3-N，TP，TN 与降雨量呈正相关，其中1# 睦里庄断面降雨量对TN 影响更显著，2# 辛丰庄断面TN 质量浓度随着降雨量的减少呈不明显降低趋势。 雨水径流带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素，会造成BOD，TP，TN 质量浓度升高，甘华阳等[8]对广州市雨水造成的地表径流进行取样发现： 雨水中大部分水质参数的质量浓度都较低或在检测限之下，只有TN 和NO3-N 的含量较高，说明雨水不是路面雨水径流中污染物的主要来源。 造成NH3-N，TP，TN正相关，COD 相关性较差的原因可能是小清河及其各支流周边部分地区的土壤中含有大量工厂、农业施肥、生活洗涤、养殖等排放的N，P 积存，一旦遭到雨水冲刷，很容易将这些物质随着雨水带入河流，影响水质。另一方面，部分支流黑臭水体积蓄的污水在“利奇马”过境期间随雨水下泄，也是造成小清河水质变差的重要原因。

1# 睦里庄断面属于小清河的源头，支流较少，断面周围多为农业灌溉区，工业企业较少，人口车流量较少，水源多为泉群渗水及处理后的生活污水，TN 中NH3-N 占比较高。 随着10日降雨量的激增，TN 质量浓度随NH3-N 同步先升高再降低，这是10日～12日 “利奇马” 过境期间睦里庄断面TN 和NH3-N 同步变化的主要原因。2#辛丰庄断面属于小清河济南段出境断面，支流较多，距离章丘区刁镇化工园区直线距离不足10 km，该断面水源为上游生活污水和大量生产废水及径流形成的冲刷雨水，TN中有机氮和有机胺占比较高，NH3-N 占比适中，由于TN 长期处于较高水平，虽然NH3-N 会随着降雨量的增加而显著升高，随降雨的减少而衰减，但TN 变化不明显。

2.3 各断面降雨期间小时实验结果分析

8月10日08∶00 ～12日08∶00 选取1# 睦里庄断面、2# 辛丰庄断面NH3-N，TP，TN，电导率，DO 小时均值连续监测数据绘制曲线图，采样间隔为4 h，分析各监测指标降雨期间的变化趋势（因CODMn与降雨量相关性较差，故不再进行相关分析），结果见图3 ～图4。

图3 睦里庄断面各污染物质量浓度小时均值变化趋势

由图3 可知，NH3-N，TP，TN，DO 质量浓度均呈现出先升高后降低再升高的变化趋势，前3 者最高值均出现在8月12日08∶00，分别为1.36，0.14，2.92 mg/L，ρ（DO）最高值出现在12日00∶00，为6.71 mg/L；NH3-N，TP，TN 质量浓度最低值分别出现在11日00∶00（0.17 mg/L），11日00∶00（0.06 mg/L），10日08∶00（1.74 mg/L）；电导率呈现出平缓下降的趋势，最高值为809 μS/cm，最低值为629 μS/cm。10日08∶00 ～11日20∶00 DO 基本稳定。

图4 辛丰庄断面各污染物质量浓度小时均值变化趋势

由图4 可知，NH3-N，TN，TP，电导率，DO 均出现较明显波段变化趋势。ρ（NH3-N）自10日08∶00 开始缓慢上升到20∶00 稳定在4.3 mg/L；ρ（TP）在0.43～0.62 mg/L 之间、ρ（TN）在7.25 ～9.25 mg/L 之间反复波动；受降雨径流的冲击电导率整体呈现下降趋势，从10日08∶00 的最高值935 μS/cm 急速下降，11日04∶00 达到最低值1.76 μS/cm 后出现小幅度反弹，最大下降99.8%；ρ（DO）自10日20∶00 开始缓慢上升，11日12∶00 出现小幅下降，20∶00 达到最高值8.09 mg/L 后趋于稳定。

2.4 降雨期间各污染物变化趋势讨论

2.4.1 睦里庄断面

NH3-N，TP，TN 小时质量浓度在降雨初期缓慢升高，自11日20∶00 开始突增；DO 变化不显著；随着降雨量的增加电导率呈现整体下降趋势，最大下降为22%，说明降雨本身较纯净，电导率处于低位水平。 引起水质变化的主要原因是： 睦里庄断面作为小清河的源头，支流虽然较少，但部分支流作为汛期泄洪使用，晴天处于干涸状态并存有少部分黑臭污水，当雨水径流流入后水位突增，黑臭水体积蓄的污水随雨水发生搅动并下泄至小清河，引起N，P元素增加，致使NH3-N，TP，TN 质量浓度小范围上升。 石春娥等[9]研究表明约90%的降雨中电导率在60 μS/cm 以下，电导率在15 μS/cm 以下的降水发生频率最高，随着降雨量的突增，形成的大量地表径流最终汇入小清河，降水对小清河水量形成一定程度的冲击并产生稀释作用，电导率随之降低。

2.4.2 辛丰庄断面

台风过境期间NH3-N，TP，TN，DO 质量浓度呈整体上升趋势，但伴有小幅波动；随着降雨量的增加，电导率呈现整体下降趋势。由于辛丰庄断面为小清河济南段的出境断面，周围支流较多，水质较复杂，ρ（NH3-N）自降雨开始上升至1 倍后稳定，而ρ（TP）上升后出现小幅下降，说明降雨对济南市城区造成的污染主要来源为氮，而磷占比不高。 TN 未随NH3-N 同步变化的原因与日均值变化趋势原因相同。 8月11日全市平均降雨量148.9 mm，而辛丰庄断面所在章丘区的降雨量为286.3 mm，大于全市约0.9 倍，大量的降雨引起地表径流通过各支流流入小清河，加上同期上游来水与小清河原有水质互相混合，导致电导率下降幅度及DO 上升幅度明显大于睦里庄断面。

2.5 降雨对环境水质的影响时间讨论

作为III 类本底断面的睦里庄断面水质较好，受降雨影响较敏感，降雨1 ～2 d 后污染物质量浓度出现较大激增，12日NH3-N，TP，TN 质量浓度日均值较11日分别升高4.7，1.4，2.8 倍，降雨结束5 d 后降至前期水平，但CODMn变化不显著，上述结论与刘守城等[10]径流初期各污染物浓度便达到峰值的研究相一致。 辛丰庄断面降雨当天NH3-N，TP，TN 质量浓度出现小幅上升，较前1 d 分别上升0.53，0.24，0.06 倍，降雨完全结束1 d 后NH3-N，TP 降至前期水平；TN 质量浓度无明显变化的原因是该断面TN质量浓度长期处于较高水平，雨水对其稀释冲刷作用有限，再加上雨水径流中夹带的多为NH3-N，硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、有机氮占比较低。

3 结论

（1）台风过境期间的降雨对小清河水质造成一定影响，NH3-N，TP，TN，DO 质量浓度会升高，电导率会下降，CODMn质量浓度变化不显著。睦里庄断面CODMn，TP 质量浓度日均值均能达到地表水III 类标准，NH3-N，TN 超出III 类标准，最大超标倍数分别为0.45，6.17；辛丰庄断面CODMn日均值均能达到地表水V 类标准，NH3-N，TP，TN 超出足III 类标准，最大超标倍数分别为1.14，0.28，3.44。

（2） 降雨量与CODMn质量浓度变化相关性较差，与NH3-N，TP，TN，DO 质量浓度变化呈现正相关，睦里庄断面降雨后1 ～2 d 出现大幅升高，降雨结束5 d 后浓度降至前期水平；辛丰庄断面降雨当天NH3-N，TP，TN日均质量浓度出现不显著增长；降雨结束1 ～2 d 后NH3-N，TP 质量浓度降至前期水平，TN 质量浓度长期处于较高水平，变化不显。随着雨量的增大，电导率呈下降趋势。

（3）降雨引起小清河水质变化的主要污染物为NH3-N，TP，首要污染物为NH3-N，引起上升的原因为： 部分支流黑臭水体晴天积蓄的污水随雨水发生搅动并下泄至小清河；部分地区土壤中磷、氮离子含量较高，受降雨冲刷形成径流排入小清河。