深圳市某区降雨径流污染特征研究

2021-05-31石少山

广东水利水电 2021年5期

关键词：生活区场次冲刷

石少山

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

以往学者多以雨水排放口或不同类型地表汇流水体为研究对象，未考虑不同区域径流汇合后水质变化。本文从支流河道末端为研究对象，旨在探析支流降雨径流水质特征、冲刷特征及污染物间相关性，为研究区域内降雨径流污染末端治理提供理论依据。

1 研究方法

1.1 监测点及采集方法

居民生活区A河流为一级支流，长度为2.96 km，流域面积为2.54 km2，其中不透水率为87.3%，沿河都进行了截污，主要是商业和居住，区域内建筑多数为老旧小区，雨污分流制排水体制，城市管理状况相对较差，人流量大且集中，监测点布设见图1。工业区B河流域面积为0.623 km2，渠道长度为1.71 km。区域内主要为研发型工业聚集地，城市管理水平较高，人流量小，商业区少且零散，监测点布设见图2。

图1 区域A监测点卫星示意

图2 区域B监测点卫星示意

1.2 时间及频率

为科学合理的控制降雨径流过程中的污染，且重点研究对象为初期雨水产生的地表水质变化。径流雨水中污染物浓度在初期含量高且持续时间相对较短，径流中后期污染物浓度将趋于稳定且值较低。故为准确的掌握降雨初期变化规律，采样频率定为：每个监测点在地表径流产生后前30 min内，每5 min采集1次水样，30～60 min内，每10 min采集1次水样。90 min后每隔30 min采集1次样本。根据降雨时间和降雨强度不同可适当调整取样间隔时间，1个采样点采集至少8个水样，每个水样采集500 mL。

1.3 检测指标及分析方法

检测指标为SS、COD、NH3-N、TP污染物，反映地表径流污染有机物水平和颗粒物含量，分析方法见表1。

表1 指标化验方法

2 监测结果与分析

选取位于2020年7—8月6场降雨采样数据，对监测渠道进行水质浓度、冲刷特征、污染负荷特征、相关性分析，探析本地区降雨径流污染规律。

2.1 降雨径流污染物水质浓度分析

场次降雨径流过程中污染物浓度变化是复杂的，对降雨径流事件中瞬时浓度统计分析有助于深入认识区域内径流污染物浓度变化特征，为区域内污染负荷预测提供依据。以2020年6场次降雨径流污染水质资料为基础，对其进行最大值、最小值、平均值、标准偏差、变异系数统计，结果见表2～3。

表2 居民生活区A瞬时浓度统计特征 mg/L

表3 工业区B瞬时浓度统计特征 mg/L

居民生活区A内场次降雨径流中瞬时浓度最大值出现在7月31日，工业区B场次降雨径流中瞬时浓度最大值出现在8月11日。两场次降雨时间最大的相同点是前期干燥时间相对其他降雨场次为时间最长的，可知前期干燥时间对污染物累积起到重要作用。

7月31日和8月4日场次降雨径流中COD、NH3-N、TP、SS平均浓度大于其他4场降雨。分析原因为，两场次降雨径流数据来源于居民生活区A，其他4场降雨皆来自工业区B。说明研究区域降雨径流污染中商业和居民区的污染程度大于工业区。

居民生活区A和工业区B内COD、NH3-N、TP、SS瞬时浓度最大标准偏差较大。可见在降雨径流过程中瞬时浓度分布较为离散，浓度变化随机性较大，算数平均值不能作为降雨径流污染的代表值。

居民生活区A各污染物瞬时浓度变异系数在0.33～0.84之间，工业区B变异系数在0.23～1.03之间。各污染物瞬时浓度呈现宽幅变化，表明降雨径流污染受多种随机因素影响。

2.2 降雨径流污染物平均浓度分析

2.2.1降雨径流污染物平均浓度分布特征

计算各场次降雨径流平均污染物浓度EMC值[10]，得出COD、NH3-N、TP、SS污染物EMC值(见表4)，其存在数量级的差距，但存在一定协同性，即同一场次不同污染物浓度增长或降低趋势相同。分析原因为同一场次降雨径流对不同污染物的冲刷、携带能力相同，故各污染物EMC存在一定的协同性。

表4 各场次污染物EMC值 mg/L

2.2.2降雨径流污染物平均浓度影响因素

为明确降雨特征对城市径流污染的影响，将降雨特征因子与特征污染物的EMC进行相关分析，径流EMC与降雨特征的Pearson相关系数见表5。

表5 EMC与降雨特征的Pearson相关系数

前期干燥小时数与SS在显著性水平0.05时影响显著，相关系数为0.811。表明污染物累积是SS含量增多的主要原因。COD、NH3-N、TP与前期干燥小时数成正相关，相关系数为0.674、0.436、0.735，表明各污染物均是旱季逐渐积累，雨季集中排放的特点，即“零存整取”。

平均降雨强度与NH3-N、TP成负相关，相关系数为-0.555、-0.219，说明平均降雨强度越大，地表径流污染物浓度越小，这与地表NH3-N、TP的释放能力有关。SS与降雨历时成负相关，降雨时间越长，地表累积污染物量越少，经径流冲刷地表悬浮物被逐步冲刷干净。NH3-N与降雨历时成正相关，相关系数为0.792，表明NH3-N浓度在降雨径流后期呈现增加趋势，可见降雨后期存在NH3-N的二次释放。各污染物与日降雨量相关性不强，相关系数基本维持在0.33～0.491，不能以单一日降雨量判断径流污染强度。

2.3 降雨径流污染物冲刷特征

国内外多以Geiger[11]方法判断初期效应，即45°线以上由远及近初期效应程度为强烈(区域1)、中等(区域2)、微弱(区域3)，45°线以下未产生初期效应(区域4)。绘制各场次降雨径流污染物累积冲刷曲线，即M～V曲线，依据各曲线所在区域判断各污染物的冲刷程度(如图3～8所示)。

图3 7月31日场次降雨径流冲刷曲线

图4 8月4日场次降雨径流冲刷曲线

图5 8月11日场次降雨径流冲刷曲线

图6 8月13日场次降雨径流冲刷曲线

图7 8月18日场次降雨径流冲刷曲线

图8 8月26日场次降雨径流冲刷曲线

结果显示，通过以上各场次降雨径流累积冲刷曲线分析知，两个研究区域六场次降雨事件中存在一定的冲刷现象，但在30%的累积径流量仅有四场降雨存在中等冲刷。同一地点不同场次降雨发生的初期冲刷程度不同，如图3和图4为居民生活区A区域，图5～8为工业区B区域。表明初期冲刷效应产生的原因与场次降雨强度、降雨历时、降雨过程相关。