城市降雨及雨水径流对河道水质的影响

2022-08-17刘加强葛松健

供水技术 2022年3期

李昂，刘加强，刘超，葛松健

(徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州 221111)

城市地表径流是第二大水体面污染源，也是第二大城市水环境污染源[1]。美国国家环境保护局(USEPA)在对河流水质的监测中发现，非点源污染贡献了约2/3的污染负荷[2]。城市非点源污染已成为引发河流湖泊水质下降的第三大污染源[3]。降雨对大气污染物的淋洗及其对地表污染物的冲刷，使得大量生物可降解及非生物降解的耗氧物质流入水体[4]，导致水体中的氧气快速消耗，进而影响鱼类等水生物的生存，同时产生甲烷、硫化氢、氨等难闻物质，对水生态系统产生严重影响。笔者对徐州市某开发区2021年的三场典型降雨、雨水径流及河道水质进行了分析，考察雨水径流对河道水质的影响，以期为河道水质提升提供依据。

1 研究方法

1.1 取样地点

徐州位于华北平原东南部，属温带季风气候，年均降水量为800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。地形以平原为主，地势整体由西北向东南降低，平均坡度为1/7 000～1/8 000。选取开发区某商业街、某学校及位于商业街与学校之间的某河道上下游等4处取样地，特点见表1。

表1 取样地和下垫面特点Tab.1 Characteristics of sampling site and underlying surface

1.2 取样方法与要求

① 取样地出现径流后即开始采样，初期15 min内采样间隔为5 min，不少于3个水样。

② 中期采样间隔为10 min，不少于1个水样。

③ 后期采样间隔为30 min，最后1个水样以无径流时结束。

降雨0 min即开始采集雨水，此后每间隔30 min采样1次；在此过程中若出现降雨突增状况，加增1个水样；若降雨时间较长，取样控制在8个以内。若降雨历时较短，适当减少采样数量，但一般不少于5个。采样结束后及时将样品置于4 ℃冰箱中保存，并在48 h内完成检测。

1.3 监测指标和检测方法

试验分别采集三场降雨时的天然雨水以及取样地1、2处的路面、屋面径流与河道上、下游水样，根据《水和废水监测分析方法》[5]，采用重铬酸钾法检测COD，采用重量法检测SS。

2 结果和分析

2.1 降雨水质分析

试验选取三场典型降雨时的天然雨水进行检测，三次降雨前的干旱天数分别为5，10和7 d。降雨水质监测数据见表2。

表2 降雨水质Tab.2 Quality of rainfall mg·L-1

由表2可以看出，第二场降雨的各指标值普遍高于第一场和第三场降雨。这是因为降雨前的干旱天数会影响污染物的累积量，从而影响雨水径流所携带的污染物的量，反映为测量结果存在差异。雨水中可沉降物的初值与前次降雨发生的时间间隔有明显关系[6]，间隔越长，初值越大，这也从一定程度上说明污染物的来源是粉尘积累[7]。

2.2 雨水径流污染特性分析

试验分别采集三场降雨时2处取样地的路面和屋面径流水样，各采样点降雨径流水质情况如表3和图1所示。

表3 三场降雨径流雨水水质监测数据Tab.3 Monitoring datas of rainfall runoff water quality in three rainfall events mg·L-1

续表3 (Continue) mg·L-1

由表3和图1可以看出，2个取样地在三场典型降雨中的路面雨水径流的CODCr和SS浓度均比屋面雨水径流高，这主要与下垫面条件的不同有关[8]。取样地1、2的屋面雨水径流在初期由于受到轻度污染水质较差，而后期径流一般水质良好；路面雨水径流则由于受机动车辆轮胎和刹车垫磨损、道路表面磨损以及腐蚀产物等诸多不稳定因素的影响，水质较差。有研究表明，屋面的初期雨水径流污染最为严重，水体较混浊，各指标浓度在雨季后期径流较前期降低较为明显，径流中各指标浓度变化主要受降雨量、降雨强度、屋面材料、季节和气温等因素影响[9]；路面的雨水径流则含有大量的金属、橡胶和燃油等污染物质，污染物随径流的迁移受降雨特性、交通流量、道路周围土地利用类型及环境特征等多种因素的综合影响，交通流量与颗粒态污染物的浓度呈较好的正相关性，且道路周围若有餐饮、娱乐废水排入、人流车流量大、污染物来源复杂等情况，路面径流污染程度则较高[10]。

图1 三场降雨各采样点径流雨水水质对比Fig.1 Comparison of runoff and rainwater quality at each sampling point of three rainfall events

不同取样地的污染物浓度差异较为明显。与取样地2相比，取样地1的路面和屋面雨水径流的COD浓度均相应较高，SS浓度相应较低。这说明雨水径流的污染物浓度与下垫面特性、人车流量以及管理水平等因素有关。研究所选的取样地1位于商业区，附近存在生活污水以及人员、车辆流动的情况，同时也与一些不确定因素相关，例如风向等；而取样地2位于学校附近，周边多以道路、绿地为主，除上学、放学期间外，人员车辆流动较少，产生的污染物也较少。有研究表明，与其他下垫面相比，绿地径流水体的大部分污染指标都低于其他下垫面，说明绿地对降雨径流有净化作用[11-12]。

进一步分析发现，三场降雨中取样点1、2的路面和屋面雨水径流的CODCr、SS浓度多以第二场降雨时为最高，其次是第三场降雨，第一场雨水径流污染物含量相对最低，原因可能与降雨前的干旱天数有关，干旱天数越长导致累积的污染物量越多。而取样地1、2在三场降雨时的路面、屋顶雨水径流水质指标值波动范围较大，这主要是由于降雨初期雨量较少，产生的径流量小，但携带了大量污染物，导致污染物浓度较高；随着降雨的持续，雨量增大、污染物减少，浓度开始呈下降趋势。降雨临近结束，雨量减小，径流变小，污染物浓度有少许回升。汪明明[11]在对北京城区降雨径流水质的分析中也发现降雨初期的路面径流雨水水质较差，但经长历时降雨后，路面雨水径流水质和屋面相差不多，差别较大的是浊度。需要说明的是，第三场降雨路面径流雨水SS含量波动较大，这可能与采样时取样地2周围正在施工有关。

2.3 降雨前后河道水质污染特性分析

为进一步分析雨水径流对河道水质的影响，试验同时采集三场降雨前后河道上、下游水样进行检测，水质见表4和图2。

从表4和图2可以看出，降雨前河道下游水质略优于河道上游，这应该是由于河水从上游到下游经历了一段河道的沉淀，减少了水中的固体悬浮物，同时存在水体的自净等作用；三场降雨前后的河道水质变化有所差别，原因应该在于天然雨水对河流水质的稀释作用使污染物浓度降低，而降雨量小、雨水径流污染物含量高，可能造成河水中CODCr浓度升高，降雨及雨水径流可搅动河水且降雨和径流中均含有一定浓度的SS等可导致SS浓度升高，这从一定程度上表明降雨后河道水质与降雨强度、天然雨水水质以及径流量与降雨量比值等因素有关；降雨后河道下游水质变化更为明显，说明径流雨水对河道水质有明显影响。

表4 三场典型降雨前后河道水质监测数据Tab.4 River water quality monitoring data before and after three typical rainfall events mg·L-1

图2 三场降雨前后河道上下游水质Fig.2 Water quality of upper and lower reaches of river before and after three rainfall events

3 控制措施

为了解决河道面源污染问题，首先需要对面源污染来源进行研究和削减。研究发现，降雨在一定程度上影响着地表水体所含污染物的浓度，影响因素主要包括降雨特征与下垫面特征等，而市政清扫频率及卫生管理等人为因素也影响很大。因此，单靠河道治理以改善水环境是不够的，而采取有效措施收集、处理径流雨水，对于提升地表水环境质量具有重要意义。德国一般将来自不同下垫面的降雨径流分别收集处理并加以利用；王博等[13]对某小区采集到的雨水进行检测，结果表明屋顶收集到的雨水经简单处理后各项水质指标能满足灌溉及地表水水质要求，这也为城市雨水收集利用的推广提供了依据；而一些低影响开发技术，如生物滞留(bio-retention)[14]、绿色屋顶(green roof)[15]、可渗透/漏路面铺装系统(peameable/porous pavement system，PPS)等措施，通过在源头、传输路径、末端等环节采用多种分散式的技术措施蓄滞、缓流、渗透、净化、回用雨水，已达到就地消纳，减少径流产生的目的[16-17]。