趙子成，禹華謙

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031)

造成城市水體污染的原因主要有:點(diǎn)源污染和非點(diǎn)源污染兩類。當(dāng)點(diǎn)源污染得到有效控制后，非點(diǎn)源污染日益得到重視，成為城市水環(huán)境污染的主要原因之一。城市非點(diǎn)源污染主要指［1］在降雨過程中，雨水及所形成的徑流流經(jīng)城市地面、建筑物、綠化帶等，沖刷、聚集了一系列污染物，如有機(jī)物、油類、鹽分、氮、磷、有毒物質(zhì)及雜物等，隨之排入河流、湖泊等受納水體，污染地表水或地下水。顯然，城市徑流污染屬于非點(diǎn)源污染，是僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大非點(diǎn)源污染［2］?？梢娧芯课覈鞘袕搅魑廴緦Τ鞘蟹屈c(diǎn)源污染控制模型的建立、徑流管理措施的制定和城市長足發(fā)展都有一定意義。本次選擇西南交通大學(xué)集水區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，是成都主城區(qū)的一部分，具有一定代表性。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)地處成都平原，亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、雨量充沛。年總降雨量為918.2 mm，雨量主要集中在7月、8月，月降雨量分別為225 mm和229 mm;降雨最少月份為12月和1月，月降雨量分別為6 mm左右;暴雨期普遍出現(xiàn)在5～9月;常年暴雨出現(xiàn)的始終期分別在6月底、7月初和8月下旬。

西南交通大學(xué)集水區(qū)面積60 hm2，人口密度大，不透水面積比例大。集水區(qū)的土地利用以教師居住區(qū)為主，且配套有街道路面(雙向四車道，兩邊兩車道為主要停車區(qū)，中間兩車道為使用路面)和綠化帶，屋面和庭院設(shè)施齊全完善。除每天清掃地面外，降雨徑流是去除地表累積污染物的另一主要方式。集水區(qū)的排水設(shè)施基本完善，實(shí)行雨、污分流制。降雨時(shí)，排水系統(tǒng)承擔(dān)著排放集水區(qū)降雨徑流的功能，且都直接排入了鏡湖。

1.2 樣品采集與分析

降雨徑流監(jiān)測斷面設(shè)在西南交大集水區(qū)的出水口，距雨水受納水體鏡湖10 m。降雨徑流的監(jiān)測是通過在集水區(qū)出口處設(shè)一個(gè)矩形容器(高1 m、寬1 m)實(shí)現(xiàn)的，在發(fā)生降雨徑流期間采集徑流水樣，降雨產(chǎn)流時(shí)即開始采樣。在初期徑流10 min以內(nèi)時(shí)采樣間隔是2 min，徑流10 min～1 h內(nèi)采樣間隔是5 min，其后采樣間隔根據(jù)徑流情況增加為10 min或20 min。在采集徑流樣的同時(shí)，測定流速和記錄水位，并計(jì)算流量。所有采集的水樣保存好后運(yùn)回流體力學(xué)教研室統(tǒng)一測量，監(jiān)測指標(biāo)為TSS、COD、TN和TP，以及pH值，均按國家環(huán)?？偩謽?biāo)準(zhǔn)［3］:TSS用濾紙法，T－N用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法，T－P用過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法，COD用重鉻酸鉀法，pH值采用玻璃電極法。水質(zhì)分析須在采樣72 h內(nèi)完成，其中pH、COD等在24 h內(nèi)完成。

1.3 城市降雨徑流污染負(fù)荷

城市降雨徑流污染負(fù)荷［4］是指由一場降雨或一次中的多場降雨所引起地表徑流排放的污染物總量。降雨徑流的污染負(fù)荷可用下式計(jì)算:

式中:L是指一場降雨徑流的污染負(fù)荷(g);ct是指一場降雨徑流中某污染物在t時(shí)的瞬時(shí)濃度(mg/L);qt是指一場降雨徑流在t時(shí)的徑流流量(m3/s);tr是指一場降雨形成徑流的總歷時(shí)(s)。

由于在降雨徑流監(jiān)測和采樣過程中很難做到連續(xù)性，為了便于分析，采用數(shù)值插值法，式(1)可表示為:

式中:cj和cj+1是指一場降雨徑流中第j次和第j+1次監(jiān)測的污染物濃度(mg/L);qj和qj+1是指一場降雨徑流中第j次和第j+1監(jiān)測的徑流流量(m3/s);Δt是指相鄰2次采樣、測流間隔時(shí)間(s);n是指一場降雨徑流過程中的采樣和測流次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

所有數(shù)據(jù)的整理與統(tǒng)計(jì)均采用Excel和SPSS軟件。本次檢測中TP、TN、Cu、Pb、Zn等含量相對較小，歸為一類。表1是在西南交通大學(xué)內(nèi)集水區(qū)測得的12次降雨情況。

監(jiān)測結(jié)果表明:首先，可見該集水區(qū)徑流污染較為嚴(yán)重，主要污染物為TSS、COD、TN、TP等，平均含量均超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中TSS和COD污染最嚴(yán)重，含量明顯高于其它各項(xiàng)，而污染物質(zhì)之間或多或少也存在著相關(guān)關(guān)系;再者，降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等降雨因子及雨前污染物的累積程度不同，降雨徑流污染負(fù)荷也存在明顯的差異，可見降雨徑流污染負(fù)荷與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和晴天累積天數(shù)密切相關(guān)。下面對上述結(jié)果作詳細(xì)分析。

表1 西南交大集水區(qū)降雨徑流污染負(fù)荷的監(jiān)測結(jié)果

3 集水區(qū)降雨徑流污染物之間的相關(guān)關(guān)系

3.1 降雨中pH值及情況分析

“酸雨”通常是指［5］pH值小于5.6的大氣降水，包括酸性雪、冰雹、露水、霜等多種形式。本次集水區(qū)內(nèi)測到的平均pH為7.33，處在國家環(huán)保部規(guī)定的范圍內(nèi)，可見近幾年成都市酸雨污染形勢見好。

3.2 總體可測污染物質(zhì)濃度與TSS的關(guān)系

由于城市降雨徑流中污染物之間存在著不同程度的相關(guān)性，其中尤以總體可測污染物質(zhì)濃度與TSS線性相關(guān)性最為顯著(R2=0.9335)，參見圖1。由此可知，TSS不僅是城市降雨徑流污染過程中的主要污染物，而且是其它污染物的載體。再者，測定TSS時(shí)，操作簡單，指標(biāo)唯一，雨水總體可測污染物質(zhì)濃度用TSS來代替帶來了方便。故下面分析降雨特征和降雨間隔時(shí)間對徑流污染負(fù)荷的影響時(shí)，僅以TSS為代表進(jìn)行分析。

圖1 總體可測污染物質(zhì)濃度與TSS的關(guān)系

3.3 總體可測污染物質(zhì)濃度與TSS、COD之間的關(guān)系

污染物質(zhì)的指標(biāo)多固然可以刻畫詳盡，但過多容易造成主次不清，對雨水難以直觀清晰地描述。從表1中不難看出TSS與COD之和在總體可測污染物質(zhì)濃度的比值大于85%。

即:

式中:ci1、ci2、ci3分別表示第 i次事件 TSS、COD、TN 和 TP等其它粒子的濃度(mg/L);ci1+ci2+ci3表示第i次事件可測污染物質(zhì)的的濃度(mg/L);ci1+ci2表示第i次事件TSS與COD之和的濃度(mg/L)。

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中主成分分析［6］的概念，可以用 TSS和COD的濃度來代替和預(yù)測那四個(gè)指標(biāo)，這里用TSS和COD的濃度來代替降雨污染濃度，在檢測指標(biāo)上和試驗(yàn)中帶來很多方便，并且也是可行的。用線性回歸分析可得:

式中:L為雨水的總體指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)量;l1、l2為TSS、COD指標(biāo)的相關(guān)參數(shù);X1、X2為TSS、COD指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)量;b為主成分與TSS和COD的相關(guān)參數(shù)。

本次數(shù)據(jù)Excel分析后可得:

3.4 TSS和COD之間的關(guān)系

COD與SS是城市雨水徑流中的主要污染物。對SS和COD進(jìn)行分析，表明SS與COD之間存在較好的正相關(guān)關(guān)系(見圖2)。另外，通過SS/COD的比值，可以了解污染物的主要類型，從而對集水區(qū)污染物的管理控制從定性分析過渡到定量分析。例如:在分析研究城市雨水徑流水質(zhì)時(shí)，如城區(qū)主要道路雨水徑流的SS約為COD的1～2倍，通過路面環(huán)境衛(wèi)生管理和清掃、對雨水徑流的截污、沉淀和過濾，可有效地控制污染物總量;而對受屋面雨水徑流或其它因素影響，含較多溶解性有機(jī)物的院內(nèi)或生活區(qū)道路雨水，則需要考慮源頭控制措施或補(bǔ)充化學(xué)和生物凈化方法［7］。本例中，圖中關(guān)系式對x求導(dǎo)數(shù)就可以得出它們的關(guān)系，集水區(qū)內(nèi)TSS約為COD的1～2倍。

圖2 TSS和COD之間的相關(guān)關(guān)系

3.5 TSS與TN、TP等其它粒子之間的關(guān)系

研究TN和TP與SS的相關(guān)關(guān)系，可以對降雨徑流污染控制中較易去除和監(jiān)測的TSS來實(shí)現(xiàn)對TN和TP的監(jiān)測控制。從資料［8］看來，SS能較好地吸附 COD、BOD、TP等污染物，顆粒吸附態(tài)的污染物對總污染物的貢獻(xiàn)，總磷(TP)的顆粒吸附態(tài)的比重最大，而總氮(TN)的顆粒吸附態(tài)的貢獻(xiàn)較低;TP與SS有較好的相關(guān)關(guān)系，而TN與SS的相關(guān)性不很明確。這可能與SS對TN和TP的不同吸附特性有關(guān)，也是導(dǎo)致圖3中TSS與TN、TP的呈冪關(guān)系比線性關(guān)系耦合程度要好的原因。另外，因測區(qū)所在的鏡湖水系環(huán)境容量較小，氮磷含量較高，極易發(fā)生富營養(yǎng)化、長滿浮漂和水質(zhì)惡化。因此，氮磷是雨水徑流不可忽視的污染因素，控制徑流攜帶的SS量可有效地削減帶入水體的氮磷負(fù)荷。

圖3 TSS與TN、TP等的相關(guān)關(guān)系

4 集水區(qū)降雨徑流影響因子之間的相關(guān)關(guān)系

4.1 單位時(shí)間的TSS與降雨強(qiáng)度的關(guān)系

降雨強(qiáng)度和降雨量是影響徑流水質(zhì)的重要因素，降雨強(qiáng)度越大，雨水對城市下墊面的沖刷就越強(qiáng);在相同的污染物累積條件下，降雨量越大，徑流中污染物濃度越低［9］。城市污染負(fù)荷與降雨強(qiáng)度有著明顯的正相關(guān)關(guān)系。這與實(shí)際關(guān)系相符，見圖4。

4.2 TSS與2次降雨間隔時(shí)間之間的關(guān)系

圖4 TSS與降雨強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系

在研究城市降雨徑流污染過程中，2次降雨間隔時(shí)間常用來反映地表污染物的累積程度，具有晴天累積、雨天排放的特征［10］。除了反映地表衛(wèi)生管理狀況以外，與排水系統(tǒng)也存在密切的關(guān)系。此次西南交大集水區(qū)是雨污分流制排水系統(tǒng)，不過，在降雨量不大時(shí)(指降雨量超過10 mm降雨事件)，城市污染負(fù)荷相當(dāng)一部分會(huì)沉積在排水管道，這部分的污染物也是下次降雨徑流的污染來源?？傊?，隨著2次降雨間隔時(shí)間的增加，排水系統(tǒng)污染物的累積，降雨徑流污染負(fù)荷也會(huì)增加。

圖5 TSS與2次降雨間隔時(shí)間之間的關(guān)系

參見圖5，可以得出:第一，降雨集水區(qū)，2次降雨間隔時(shí)間與城市降雨徑流污染負(fù)荷存在顯著的正線性相關(guān)，說明該地區(qū)地表衛(wèi)生狀況和雨污分流系統(tǒng)對降雨徑流污染負(fù)荷的作用是顯著的;第二，集水區(qū)不透水面積比例高，大量居住小區(qū)存在，建筑密度大。因此隨著晴天累積天數(shù)的增加，累積于城市地表的污染物數(shù)量可能會(huì)增加，而晴天累積天數(shù)的增加意味著城市地表可被降雨徑流沖刷的污染物數(shù)量在增加，即增加了降雨徑流的污染潛力［11］;第三，城市降雨徑流污染負(fù)荷是在2次降雨間隔時(shí)間和降雨徑流量的耦合作用下形成的，利用2次降雨間隔時(shí)間和降雨徑流量可以預(yù)測城市降雨徑流污染負(fù)荷;第四，加強(qiáng)城市地表衛(wèi)生的管理和排水系統(tǒng)的管理，降低污染物的晴天累積效應(yīng)，從源頭上減少污染物的數(shù)量，是控制城市降雨徑流污染的首先途徑［12］。

4.3 TSS與各個(gè)影響因子的關(guān)系

降雨對城市下墊面上的污染物具有沖刷、稀釋和溶解等多重作用。TSS(C)的大小受多種因素影響，包括降雨強(qiáng)度(q)、降雨歷時(shí)(t)、兩次降雨之間的時(shí)間間隔(T)等。降雨強(qiáng)度(即單位時(shí)間的降雨量)越大，雨水對地表的沖刷作用就越強(qiáng)，攜帶的污染物就越多;同樣，降雨對污染物有稀釋的作用，在相同的污染物累積條件下，降雨歷時(shí)越大，雨水對污染物的沖刷時(shí)間作用越強(qiáng)，徑流中污染物的負(fù)荷就會(huì)越大?？梢奣SS是各個(gè)影響因素的復(fù)雜函數(shù)。

根據(jù)量綱分析［13］，可設(shè)

將式(6)改寫成指數(shù)乘積的數(shù)學(xué)模型形式為:

E(e)=0表示e的數(shù)學(xué)期望為零。e是其它隨機(jī)因素綜合作用所引起的波動(dòng)，它與2次降雨間隔時(shí)間(T)、降雨歷時(shí)(t)、降雨強(qiáng)度(q)的疊加，決定了C的取值。

2次降雨間隔時(shí)間(T)、降雨歷時(shí)(t)、降雨強(qiáng)度(q)刻畫了對C取值的主導(dǎo)性作用，e的存在導(dǎo)致了C實(shí)踐取值的不可準(zhǔn)確預(yù)言。

式(7)兩邊取對數(shù)可得如下三元線性回歸模型:

式中:a、b、c為回歸系數(shù);d=ln K+ln e。

用Excel對原數(shù)據(jù)線性回歸分析可得各參數(shù)為:

代入原式可得西南交大集水區(qū)污染物濃度C的計(jì)算公式:

即:

5 結(jié)束語

(1)城市降雨污染是通過降雨及其徑流沖刷地表等因素累積的污染物而形成的，可見地表污染物的累積狀況與降雨作用耦合是影響城市徑流污染程度的主要因素;

(2)集水區(qū)徑流污染較為嚴(yán)重，主要污染物為 TSS、COD、TN、TP等，平均含量均超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);

(3)總體可測污染物質(zhì)濃度與TSS、TSS和COD、TSS與TN、TP等其它粒子之間有較好的相關(guān)性。若用TSS和COD的濃度來代替降雨污染濃度，在檢測上和試驗(yàn)中會(huì)帶來很多方便;

(4)徑流中大部分的污染物質(zhì)是以顆粒吸附態(tài)存在的，根據(jù)這一性質(zhì)，通過對城市環(huán)境衛(wèi)生進(jìn)行清掃、對雨水徑流截污、沉淀和過濾，可以有效地控制污染物總量;

(5)徑流中污染物濃度受多個(gè)因素的影響，其中降雨強(qiáng)度是一個(gè)重要因素，降雨強(qiáng)度越大，雨水對城市下墊面的沖刷就越強(qiáng)，在相同的污染物累積條件下，降雨量越大，徑流中污染物濃度越低;

(6)城市2次降雨間隔時(shí)間同徑流污染存在明顯的相關(guān)關(guān)系，是影響城市降雨徑流污染的一個(gè)重要的水文變量。對于該地區(qū)加強(qiáng)地表衛(wèi)生管理和排水系統(tǒng)的管理，降低污染物的晴天累積效應(yīng)，從源頭上控制城市降雨徑流污染會(huì)起到有用的效果;

(7)TSS是各影響因子的復(fù)合函數(shù)。

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