长江经济带城市降雨径流污染特征分析

刘 敏,徐 明 杰,左 倬

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200335)

0 引 言

长江经济带是党中央重点实施的“三大战略”之一,人口和经济总量超过全国的40%[1-2]。随着长江经济带城市化进程的加快,城市高密度人口和经济高水平发展对城市环境质量提出更高要求,而城市水环境治理工程一般先解决直排污水、合流制溢流污水、雨污混错接排水问题,这是近期多数长江大保护试点城市水环境治理工作的切入点和重点研究方向,对降雨径流污染的治理相对滞后。

长江经济带城市工商业发达,城市下垫面硬化率高,大气干湿沉降污染严重,由此造成的径流面源往往携带大量污染物进入地表河湖。以长江经济带典型城市九江中心城区、岳阳中心城区、武汉汤逊湖流域、重庆长寿区为例,通过污水处理设施尾水排放和地表径流带来的面源污染占区域总污染负荷的15%～35%,是城市地表水环境质量提升工作中无法回避的问题[3-6]。

国外关于城市降雨径流污染的研究相对较成熟,在20世纪70年代已开始对城市降雨径流污染开展研究工作[7-9],美国的NURP历时5 a,对81个采样点和2 300多次独立降雨事件进行监测,发现下垫面特征对降雨径流水质有较大影响[10];法国不同类型城市径流污染特征的调查结果表明,不同类型城市径流中,街道径流污染情况最严重[11]。

国内城市降雨径流污染研究起步较晚,20世纪80年代初开始对北京的城市径流污染进行了研究,随后在上海、南京、杭州、成都等大中城市逐渐开展起来,但对长江经济带沿线城市降雨径流污染特征尚无系统梳理,只有部分城市个别点位的研究[12-14]。本文围绕长江经济带城市降雨径流引起的水环境恶化问题,梳理分析长江经济带各省(直辖市)的城市下垫面和功能区雨水径流污染特征,有助于了解长江经济带城市面源污染状况,为长江经济带城市降雨径流污染综合治理的规划与设计提供科学参考。

1 研究方法

本次研究对近年来长江经济带上海、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、云南、贵州共11个省(直辖市)的城市下垫面和不同功能区降雨径流污染物的次降雨径流平均浓度(EMC)及城市经济发展水平进行统计整理。其中,降雨径流污染物主要包括固体悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)共4种,下垫面包括路面、屋面、绿地3种,功能区包括交通、商业、工业、居住区4种,城市经济发展水平采用经济综合竞争力指标[15]。

研究数据来自近10 a公开发表的相关文献[16-48],结合城市建设统计年鉴[49]筛选出有效样本,并将数据进行分区划分整理(见表1)。对比分析3种典型下垫面和4种主要功能区降雨径流中4种污染物特征,采用相关性分析比较长江经济带上游、中游、下游降雨径流污染物浓度,采用线性混合效应模型(Linear Mixed-Effects Model)[16],分析4种污染物的EMC与经济发展水平的相关性。使用R语言进行计算。

表1 数据来源及划分处理Tab.1 Data source and division processing

2 污染特征及经济发展水平相关性分析

2.1 不同下垫面降雨径流污染特征

如表2所列,路面降雨径流4种污染物平均浓度均高于屋面和绿地,并高于地表Ⅴ类水标准;屋面和绿地仅COD浓度略高于地表Ⅴ类标准。

表2 长江经济带城市各下垫面降雨径流污染物EMC值Tab.2 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different underlying surfaces in the Yangtze River Economic Belt cities mg/L

与屋面和绿地相比,路面的降雨径流污染物浓度较高,其原因主要是道路受人为活动干扰大,车辆和行人产生的污染物易在道路上积累,降雨时形成降雨径流污染。屋面污染物以大气干湿沉降累积为主,长江沿线城市降雨充沛,大气干湿沉降累积的污染物较低;绿地对降雨径流的污染物具有消减作用,但对COD的消减作用不明显[50]。

2.2 长江经济带不同区域各下垫面降雨径流污染

如图1所示,路面降雨径流污染物SS、COD、TP、NH3-N在长江经济带下游地区平均浓度较高,上游与中游地区的污染物浓度差异不显著。屋面、绿地降雨径流污染平均浓度均较低,而屋面和绿地下垫面中,长江经济带中游地区NH3-N平均浓度高于下游、上游地区。

图1 长江经济带城市各下垫面降雨径流污染物EMC值Fig.1 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different underlying surfaces in the Yangtze River Economic Belt cities

分析出现这种特征的原因可能为:① 长江经济带下游地区经济发达、人口稠密、交通繁忙,汽车和行人等产生的污染物较多,使长江下游地区路面降雨径流污染物浓度较高;② 迫切的环境需要和雄厚的经济实力,使下游地区大力投入绿色创新活动,大气环境的有效改善,加上近些年的屋顶绿化、海绵城市等行动[51-52],屋面和绿地降雨径流污染物的浓度均较低;③ 长江经济带中游地区作为中国主要粮食产区,施肥等农业活动导致其径流中氮素较高。

2.3 不同功能区降雨径流污染特征

如表3所列,交通区降雨径流4种污染物平均浓度均高于地表Ⅴ类水标准;商业区、工业区和居住区除NH3-N浓度略低于地表Ⅴ类标准外,其余污染物浓度均高于地表Ⅴ类标准。

表3 长江经济带城市各功能区降雨径流污染物EMC值Tab.3 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different functional areas in the Yangtze River Economic Belt cities mg/L

交通区污染最为严重,其次为商业区、工业区和居住区。交通区车流量大,作为城市中最活跃的区域,是城市面源污染的主要贡献者;商业区集餐饮、娱乐、休闲于一体,人流量和车流量也相对较多,而工业区工业生产生活中产生的废气使得大气中污染物较为复杂,因而商业区和工业区的污染次之;居民区一般有人定期维护区域环境,污染程度最低[53-54]。

2.4 长江经济带不同区域各功能区降雨径流污染

如图2所示,交通区降雨径流污染物SS、COD、TP、NH3-N平均浓度为下游地区>中游地区>上游地区,其中SS、TP在上游地区与下游地区存在显著差异,其余差异不显著。商业区降雨径流污染物SS、COD、TP、NH3-N浓度均较高的是下游地区,其中TP在上游地区与下游地区存在显著差异,NH3-N在上、中、下游地区存在显著差异。居住区降雨径流污染中COD、TP表现为中游地区较高。

图2 长江经济带城市各功能区降雨径流污染物EMC值Fig.2 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different functional areas in the Yangtze River Economic Belt cities

从长江经济带上游到下游,汽车尾气的排放、轮胎及制动器的磨损等产生的污染物逐渐增多,下游地区参与商业活动的人流量和车流量也显著大于上游地区[55-58],导致下游地区交通区、商业区污染物平均浓度较高;中游地区人口较为稠密,生活污水导致其径流污染中COD与TP较高。

2.5 各下垫面降雨径流污染物与经济发展水平相关性分析

如图3所示,总体上长江经济带城市各下垫面降雨径流污染SS、COD、TP平均浓度与经济发展水平呈显著正相关性(p值分别为0.036,0.045,<0.001;R值分别是0.72,0.57,0.76),NH3-N平均浓度与经济发展水平相关性不显著。

图3 长江经济带城市各下垫面降雨径流污染物EMC值与经济发展水平的相关性Fig.3 Correlation between EMC value of pollutants in rainfall runoff from underlying surfaces and economic development level of the Yangtze River Economic Belt cities

在不同下垫面中,路面降雨径流污染SS、COD、TP、NH3-N平均浓度均与经济发展水平呈显著正相关性(p值分别为0.019,0.010,0.001,0.036;R值分别是0.79,0.84,0.92,0.74);屋面和绿地4种降雨径流污染物浓度与经济发展水平的相关性不显著,但SS、COD、NH3-N平均浓度与经济发展水平呈现一定负相关性。

2.6 各功能区降雨径流污染物与经济发展水平相关性分析

如图4所示,总体上,长江经济带城市各功能区降雨径流污染SS、COD、TP、NH3-N平均浓度均与经济发展水平呈极显著正相关性(p值分别为<0.001,0.003,<0.001,<0.001;R值分别是0.63,0.61,0.68,0.65)。该结果与下垫面一致,经济发展水平越高的省(市)降雨径流中污染物的浓度也越高。

图4 长江经济带城市各功能区降雨径流污染物EMC值与经济发展水平的相关性Fig.4 Correlation between EMC value of pollutants in rainfall runoff in functional areas and economic development level of the Yangtze River Economic Belt cities

在不同功能区中,交通区降雨径流污染SS、TP、NH3-N平均浓度均与经济发展水平呈较显著的正相关性(p值分别为0.019,<0.010,0.001;R值分别是0.79,0.94,0.92);商业区降雨径流的4种污染物平均浓度均与经济发展水平呈较显著的正相关性(p值分别为0.013,0.021,0.003,<0.001;R值分别是0.82,0.79,0.89,0.93);此外,工业区和居住区仅SS平均浓度与经济发展水平呈显著正相关性(p值分别为0.002,0.047;R值分别是0.90,0.71)。

3 结果与建议

3.1 结 果

(1) 长江经济带城市下垫面降雨径流污染SS、COD、TP、NH3-N主要来自路面,污染程度远高于屋面和绿地;长江中下游各省(直辖市)的城市路面降雨径流污染物SS、COD浓度较高,其中上海较为突出;屋面和绿地降雨径流污染物NH3-N浓度较高,以长江中游地区城市较为显著。

(2) 长江经济带城市交通区降雨径流污染物SS、COD、TP、NH3-N污染程度最严重,其次为商业区、工业区和居住区;交通区、商业区和工业区降雨径流各污染物浓度基本表现为下游城市>中游城市>上游城市,居住区的COD、TP浓度表现为中游城市较高。

(3) 长江经济带城市各下垫面降雨径流污染物SS、COD、TP浓度与经济发展水平显著正相关,NH3-N平均浓度与经济发展水平相关性不显著;不同下垫面中,路面降雨径流中各污染物浓度均与经济发展水平呈显著正相关性,屋面和绿地径流污染物浓度与经济发展水平的相关性不显著。各功能区降雨径流污染SS、COD、TP、NH3-N平均浓度均与经济发展水平呈极显著正相关性;不同功能区中,交通区降雨径流污染SS、TP、NH3-N平均浓度均与经济发展水平呈较显著的正相关性;商业区降雨径流4种污染物平均浓度均与经济发展水平呈较显著的正相关性,工业区和居住区仅SS平均浓度与经济发展水平呈显著正相关性。

3.2 建 议

长江经济带城市地表径流中SS、COD、TP等浓度均高于地表V类水,在城市点源污染得到有效控制的同时,长江大保护中降雨径流污染不容忽视,根据研究结果,提出以下建议。

(1) 中国雨水径流污染治理的相应法规、标准不够全面,应进一步完善长江经济带城市降雨径流污染数据,或开展全面系统的专项调查研究,结合城市水质状况与发展水平,制定雨水排放标准。

(2) 前期规划中,在充分利用透水铺装和分流体系的同时,综合考虑不同功能区、不同下垫面的分布比例和组合形式,利用自然系统进行径流污染的消纳。

(3) 综合治理中,因地因区施策,如中下游城市用地较为紧张,经济较发达,径流污染中以SS、COD较显著,在过程控制中可以管网分流制改造及溢流污染控制为主,末端治理中注重强化净化措施的开发和设计;中上游城市具备开发和改造条件,径流污染中以NH3-N等较显著,在过程控制中以低影响开发思路为主,末端治理中以自然净化措施为主(详见图5)。

图5 径流污染分区控制初步建议技术路线Fig.5 Preliminary suggested technical route of runoff pollution zoning control

4 结 语

中国城市降雨径流污染研究工作已有一定的探索和积累,但目前大量城市个别点位的研究数据尚未被有效梳理,缺乏系统性的区域比较研究。本文选择4种雨水径流污染指标,梳理长江经济带各省(市)下垫面和功能区的雨水径流污染状况并展开比较分析,结果显示:长江经济带降雨径流污染物浓度较高的是长江中下游地区,经济发展水平越高的省(市)降雨径流污染物浓度越高,其中下垫面降雨径流污染主要来自路面;城市功能区降雨径流污染浓度最高的是交通区,其次是商业区和工业区,居住区最低。因此,在长江大保护中,降雨径流污染不容忽视。目前中国城市降雨径流污染控制技术的单项技术成熟度还需进一步提高,有效的道路径流污染削减方案有待研究和实践,并需进一步开展技术集成创新,使整体技术系列能够达到满足任务需求的设计、运行和处理能力,向在系统生命周期内应用效益最佳的方向优化和发展。