多级雨水塘径流污染特征及底泥氮、磷污染风险评价研究

雷晓玲 韩程远 魏泽军 杨程 李璐

关键词：海绵城市；多级雨水塘；污染特征；底泥风险评价

前言

随着城市化的不断发展，不透水下垫面急剧增加，雨水径流对受纳水体的生态系统产生扰动。雨水塘可以有效的减缓雨水径流对于城市的影响，雨水塘在雨水径流削峰调蓄、污染物控制及水体景观游憩、地下水涵养、动物水生栖息等海绵功能、生态服务等方面的独特作用在海绵城市建设过程中广泛应用。并在雨水径流管控方面取得了良好的效果。多级雨水塘在雨水调节、污染物净化和城市水体景观营造方面作用更为突出。由于雨水塘水源主要来自上游径流，其塘内水体及底部沉积物受其所服务范围内环境情况、管网接纳等影响，同时其水体长期暴露在人类活动下，从而具有生态脆弱性和易损性，围绕雨水塘在降雨期间，因降雨及上游来水的首批海绵城市建设示范城市重庆市悦来新城内某二级雨水塘（两个雨水塘串联）和三级雨水塘（三个雨水塘串联）为研究对象，实地取样监测其在降雨期间和降雨后塘内水体水质变化，评估其底泥中营养元素氮、磷含量、变化及存在生态风险，以期为中国海绵城市建设中雨水塘的管理提供参考。

1材料和方法

1.1现场采样

重庆悦来国博中心位于重庆市渝北区如图l所示，地势东高西低，南高北低，区域内地势起伏较大，海拔高程在170m～400m之间，为典型的山地特征。所在地区常年的降雨量在1200mm～1300mm范围内变化，降雨主要集中在6-8月份。本次研究对象位于国博中心区域。二级雨水塘（经度106.5345，纬度29.7156）分为1号和2号，三级雨水塘（经度106.5402，纬度29.7218）分为1号、2号、3号。采样时间为6-12月，水质取样为降雨时和降雨5天后，取样水层为水面下10～30cm，底泥取样层为水层往下0～10cm。监测期间塘内水体pH在6.83～7.98，水温31.2℃～12.5℃，夏季溶氧4～6mg/L冬季4～8mg/L。

1.2监测项目与评价方法

水样监测指标为温度、溶解氧（DO）、pH、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD.r）、氨氮（NH3-N），水质监测方法依据《水和废水监测分析方法》（第四版）中规定方法。底泥全氮（TN）、全磷（TP）监测方法参考《湖泊沉积物水界面过程基本理论与常用测定方法》。通过综合污染指数法对底泥中氮磷的污染风险进行评价，底泥有机质含量均为健康状态不作为文章主要研究内容。

2结果与分析

2.1雨水塘降雨前后污染物变化

在6月-12月期间，受降雨不确定性影响，跟踪取样7场次降雨，7次取样水质均值作图，如图2所示雨水塘降雨前后污染物变化情况，降雨时和降雨后5日雨水塘的COD浓度分别在4～54mg/L、13～57mg/L的范围变化，二级雨水塘和三级雨水塘CODfr降雨时的平均浓度分别为17.6mg/L、27.5mg/L，降雨后5日的平均浓度分别为26.48mg/L、32.32mg/L，雨后5日水体COD。指标四类水和五类水占比分别为17.1%、22.9%。在降雨后5日监测过程中雨水塘的COD。出现了上升，二级雨水塘下部降雨后CODr的污染程度要大于上部分。三级雨水塘1、2、3号塘在几次降雨过程中COD浓度均表现出下降如图2（a）所示。监测期间COD含量在雨水塘内呈动态变化，夏季水温较高日寸，水体内的COD含量变化幅度明显大于冬季，表明温度对塘内有机物的释放、迁移有较大影响。

雨水塘降雨前后总磷变化如图2（b）所示，监测期内多级雨水塘的TP在0.02～0.24mg/L的范围变化，总体看降雨5日后，总磷浓度低于降雨前，雨水塘内以磷沉降为主。在降雨期间，雨水塘TP的浓度范围为0.02～0.24mg/L．二级塘和三级塘平均浓度分别为0.08mg/L、0.09mg/L，其中三类水占比54%，四类水占比31.4%，五类水占比8.6%（雨水塘接近封闭水域，按湖库标准）。降雨后5日，雨水塘TP的浓度范围为0.02～0.23mg/L，二级塘三级塘平均浓度分别为0.05mg/L、0.089mg/L，其中总磷指标三、四、五类水分别占比48.6%、22.8%、8.6%。从多次监测数据看，夏季总磷数据变化更为显著，且三级雨水塘的总磷浓度波动较大。

多级雨水塘降雨前后氮素情况如图2（c）、图2（d）所示，监测期内，其中NH3-N在0.08～0.54mg/L的范围内变化，TN在0.2～2.4mg/L的范围变化。二级雨水塘和三级雨水塘NH-N降雨时的平均浓度分别为0.18mg/L、0.35mg/L，降雨后5日的平均浓度分别为0.12mg/L、0.24mg/L。TN降雨时的平均浓度分别为0.92mg/L、1.04mg/L，降雨后5日的平均浓度分别为0.71mg/L、0.99mg/L。降雨后5日水体TN指标四类水占比11.4%五类水占比11.4%。

蒋荣廷监测悦来新城雨水径流结果表明，初期雨水径流COD、TN、TP浓度分别为79～119mg/L、4.48～7.18mg/L、0.28～0.34mg/L，中后期径流分别为42～67mg/L、2.65～3.86mg/L、0.10～0.31mg/L。雨水塘一般采用截留井模式进行雨水调蓄即小于设计截留量的雨水通过截留井进入雨水塘，超过设计截留量部分通过雨水管道排人下游，因此初期雨水一般是进入雨水塘且是雨水塘的主要补水来源；通过降雨期间对雨水塘水体监测发现，本次研究雨水塘设计截留雨量为4mm，水质在降雨期间污染物浓度并未显著升高，表明雨水塘在降雨中受到上游地表径流的冲击时，塘内水环境容量可以有效缓冲上游径流污染物的瞬时高负荷冲击，且在降雨后5日水体水质均有一定程度提高，降雨期间的四、五类水占比分别由20%、22.9%提高到22.8%、25.7%。

2.2雨水塘底泥氮磷污染现状

如图3、图4所示多级雨水塘在7个月的时间内，底泥全氮和全磷的含量变化趋势，总体看，底泥全氮呈下降趋势，全磷呈逐渐上升趋势。氮含量在雨季最高（6-7月）达到750～929mg/kg，到监测后期（12月）全氮含量在220～450mg/kg，主要原因是雨季雨水塘接纳上游雨水径流频次高，氮输入量大于自净量，是外源净输入阶段；雨季后，外源输入减少，氮在底泥中发生硝化、反硝化自净过程，产生氮气从底泥中逸出系统。底泥全磷则从监测初期的157～283mg/kg到监测后期269～342mg/kg，磷素的变化整体以积累为主，监测期间各塘累积量分别达到了58～112mg/kg。尹宇莹等对洞庭湖表层沉积物中TN、TP的测定显示，范围介于576～1526mg/kg.482～982mg/kg，杨兰琴等对北运河流域中坝河底泥TN、TP的测定显示，范围介于431～3473mg/kg、425～1124mg/kg。由此可推测一般情况下多级雨水塘的底泥氮磷总量均小于一些湖泊、水库以及受污染河道的底泥中氮磷的含量。

2.3底泥生态风险评价

采用综合污染指数法评价二级和三级雨水塘底泥中氮、磷污染程度。计算公式如下：

沉积物单项和综合污染指数会受到氮和磷评价基准值影响，不同基准值下单项污染指数不同。目前常用的沉积物氮磷评价基准值有加拿大基准值、美国沉积物基准值。和中国东部典型湖泊沉积物氮磷基准值。文章以美国沉积物基准值（1000mg/kg和420mg/kg）作为氮磷污染评价的基准值，评价结果见表2。

经综合污染等级计算得出，二级雨水塘底泥氮素和磷素的污染评价都属于清洁状态，而三级雨水塘底泥氮素污染评价为清洁状态，磷素的污染评价为轻度污染。综合污染指数由大到小排序为三级雨水塘（中）>三级雨水塘（上）>三级雨水塘（下）>二级雨水塘（上）>二级雨水塘（下）。总体来说，雨水塘底泥的氮、磷元素整体处于清洁和尚清洁之间，且悦来国博中心的多级雨水塘已运行5年，尚未受到较为严重的污染，表明雨水塘在雨水调蓄和净化方面表现出较强的适应性。

3结论

设计雨水截留量为4mm时，二、三级雨水塘能有效缓冲初期雨水径流带来的污染负荷冲击，降雨期各塘水体有机物（COD.r）、氮、磷（氨氮、总氮、总磷）浓度范围分别为4～57mg/L、0.08～0.54mg/L、0.2～2.4mg/L、0.02～0.24mg/L，四、五类水比例为23%、25.7%。运行5年的雨水塘底泥全氮、全磷含量分别为220～979mg/kg、157～342mg/kg，氮素在雨季含量达到最高，雨季后逐渐降低，磷则表现为逐渐积累。综合污染指数法对底泥中氮、磷污染风险评价显示，除了三级雨水塘底泥磷污染处于轻度污染外，其余各塘整体处于尚清洁和清洁状态。