白 瑩,阮曉紅,李榮富,王 瓊,鄭 菲

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院水科學(xué)系,江蘇 南京 210093)

1 研究背景

隨著城市化進(jìn)程的加快、人類活動影響強(qiáng)度的增加及其土地利用狀況的改變,城市降雨酸雨頻率、降雨強(qiáng)度及其地面匯流過程都發(fā)生了顯著變化。城市降雨水質(zhì)對城市徑流水質(zhì)有著重要影響[1],城市徑流所帶來的面源污染也已成為城市水體的主要污染源[2]。

目前,國內(nèi)對城島效應(yīng)與城市濕沉降之間的關(guān)系有較多研究[3-6]。王建鵬等[7]對西安及其周邊氣象觀測資料的分析發(fā)現(xiàn),城市下墊面變化與城郊濕度差異和污染物濃度效應(yīng)有著密切關(guān)系。馬鳳蓮等[8]采用趨勢分析的統(tǒng)計方法,對比了承德市城區(qū)、郊區(qū)降水變化特征,研究下墊面變化對降水量的影響規(guī)律。但多數(shù)研究著重分析降雨量變化,而對雨水水質(zhì)的地域性差異研究仍不充分。因此,系統(tǒng)地開展降雨動態(tài)污染的時空分布規(guī)律研究,分析城市降雨污染成分特征,對科學(xué)認(rèn)識和有效控制城市雨水徑流所帶來的面源污染具有重要意義[8-12]。

圖1 雨水采樣點分布

筆者通過監(jiān)測分析,對南京市中心城區(qū)和城郊地區(qū)降雨的水質(zhì)成分進(jìn)行對比,同時觀測降雨干濕周期對雨水水質(zhì)的影響,分析降雨動態(tài)污染的時空分布規(guī)律,以期為城市環(huán)境水體的面源污染控制提供依據(jù)。

2 研究區(qū)域及樣品采集

雨水觀測站設(shè)于南京市中心的南京大學(xué)鼓樓校區(qū)和南京市郊的南京大學(xué)仙林校區(qū)(以下簡稱鼓樓校區(qū)監(jiān)測點、仙林校區(qū)監(jiān)測點),采樣點設(shè)在南京大學(xué)鼓樓校區(qū)和仙林校區(qū)的學(xué)生宿舍天臺上,分布位置見圖1。鼓樓校區(qū)人口密度大,商業(yè)活動頻繁,交通擁堵,城市下墊面以水泥柏油路面為主;仙林校區(qū)位于南京市東北郊,背倚鐘山,距鼓樓校區(qū)18 km,周邊多分布林業(yè)用地和生態(tài)環(huán)境安全控制區(qū),人口密度小,地域開闊,植被豐富,下墊面以草甸、泥土為主。南京大學(xué)鼓樓校區(qū)和仙林校區(qū)分別位于南京市典型市中心和典型近郊地區(qū),從人口密度、工農(nóng)業(yè)用地分布及下墊面特征,都能充分反映南京市城區(qū)與郊區(qū)的特點,取其作為雨水采樣點,具有充分的代表性。

實驗觀測時間為2009年12月到2011年7月,分別對鼓樓校區(qū)和仙林校區(qū)的降雨進(jìn)行同步采集和監(jiān)測,共采集有效雨水樣品18組。現(xiàn)場收集雨水、記錄降雨歷時,雨水樣品各水質(zhì)指標(biāo)分析方法參照文獻(xiàn)[13],具體見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

注: G為玻璃容器,P為聚乙烯容器。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 降雨主要污染成分特征分析

表2 雨水水質(zhì)主成分分析

表3 主因子與各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

3.2 研究區(qū)域降雨水質(zhì)特征對比

3.2.1硫酸鹽濃度特征

表4 鼓樓、仙林雨水SO42-質(zhì)量濃度對比

鼓樓校區(qū)與仙林校區(qū)雨水樣本中pH值的變化特征見表4。鼓樓校區(qū)雨水的pH值在7～8間波動,平均值為7.59;仙林地區(qū)雨水的pH值在4～7間波動,平均值為6.18。

SO2和NO2是降水中致酸離子的重要前體物,因而是降水酸度的主要貢獻(xiàn)者[9],其中SO2對全球酸沉降的貢獻(xiàn)率達(dá)60%～70%。從采樣分析結(jié)果來看,南京仙林校區(qū)雨水pH值較鼓樓校區(qū)持續(xù)偏低,雨水酸性更大。據(jù)2009年環(huán)境報告,南京城區(qū)的酸雨發(fā)生頻率為33.2%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于郊區(qū)的50.1%,與本研究結(jié)果一致。但是仙林校區(qū)雨水硫酸鹽濃度卻比鼓樓校區(qū)雨水低,說明仙林地區(qū)濕沉降中主要致酸因子已不是SO2。據(jù)2009年的氣象報告及環(huán)境監(jiān)測中心站10多年的跟蹤研究顯示[9],江蘇省的酸雨污染已從硫酸型向硝酸型轉(zhuǎn)化,SO2對南京市酸雨的貢獻(xiàn)率有所下降。

另外,雨水pH值還與降雨背景、降雨持續(xù)時間、雨強(qiáng)、降雨云系等因素有關(guān)[11],因此要進(jìn)一步分析南京市區(qū)與郊區(qū)降雨酸度差異性原因,需要對相關(guān)信息進(jìn)行綜合分析。

3.2.2含氮污染物濃度特征

仙林校區(qū)和鼓樓校區(qū)的雨水含氮污染物質(zhì)量濃度對比分析結(jié)果見表5。

表5 鼓樓、仙林雨水含氮污染物質(zhì)量濃度及其百分含量對比

仙林校區(qū)降雨中TN的質(zhì)量濃度為3 mg/L左右,含氮污染物主要以氨氮和硝態(tài)氮形式存在,占總含氮量的80%以上。鼓樓地區(qū)雨水含氮污染物也是以氨氮和硝態(tài)氮形式為主,但硝態(tài)氮含量較仙林地區(qū)雨水相比更高,一般占總氮濃度的50%左右,表明鼓樓地區(qū)雨水經(jīng)過了更長的氧化歷程。

南京市從1998年開始,空氣污染特征已經(jīng)處于煤煙型污染向機(jī)動車尾氣污染變化的轉(zhuǎn)型期,機(jī)動車尾氣污染增長迅速,酸雨中的氮氧化物所占的比例不斷提高,酸雨結(jié)構(gòu)正悄悄發(fā)生變化。文獻(xiàn)[9]表明,鼓樓地區(qū)和仙林地區(qū)空氣中氮氧化合物較SO2濃度均偏高,見表6。

表6 2012年3月19日南京市空氣質(zhì)量指標(biāo) mg/m3

3.2.3COD質(zhì)量濃度特征

鼓樓校區(qū)雨水樣本的COD質(zhì)量濃度一般在5～20 mg/L之間,平均值為9.38 mg/L;仙林校區(qū)雨水樣本的COD質(zhì)量濃度平均值為3.25 mg/L,具體見表7。

表7 鼓樓、仙林雨水COD質(zhì)量濃度對比

從對比結(jié)果來看,鼓樓校區(qū)雨水COD質(zhì)量濃度較仙林校區(qū)雨水偏高,而且波動范圍更大,說明鼓樓地區(qū)雨水中有機(jī)物含量高。南京地區(qū)大氣顆粒物中的有機(jī)物主要來自燃煤、交通排放、礦物燃料殘留物排放和焚燒。相關(guān)研究表明,由于鼓樓地處市中心,交通流量大,汽車尾氣排放量高,市區(qū)大氣中氣溶膠PM2.5含量高出郊區(qū)4倍[12],這解釋了鼓樓校區(qū)雨水水質(zhì)與仙林雨水水質(zhì)差異的原因。

3.2.4仙林校區(qū)與鼓樓校區(qū)雨水水質(zhì)綜合對比

對鼓樓校區(qū)觀測站及仙林校區(qū)觀測站采集的18組雨水樣本的監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行濃度對比分析,各項監(jiān)測指標(biāo)平均值對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 鼓樓校區(qū)、仙林校區(qū)雨水水質(zhì)綜合對比

3.3 干濕周期對降雨水質(zhì)的影響

表8 不同降雨間隔時間雨水水質(zhì)對比

圖3 不同降雨間隔時間下鼓樓、仙林雨水中硫酸鹽質(zhì)量濃度對比

4 結(jié)果與討論

[ 1 ] 陳炬鋒,劉磊磊.雨水水質(zhì)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(7):2045-2046.(CHEN Jufeng,LIU Leilei.Progress of rainwater quality[J].Journal of Anhui Agricultural,2007,35(7):2045-2046.(in Chinese))

[ 2 ] 李立青,尹澄清,孔玲莉,等.2次降雨間隔時間對城市地表徑流污染負(fù)荷的影響[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(10):2287-2293.(LI Liqing,YIN Chengqing,KONG Lingli,et al.Effect of antecedent dry weather period on urban storm runoff pollution load[J].Environmental Science,2007,28(10):2287-2293.(in Chinese))

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