陳 鐵，周志鵬，楊松文，母家樂，蘇小莉，董文藝，孫飛云*，張健君，楊淑芳，陳立春

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院 廣東深圳518055；2. 深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東深圳518029)

城市面源污染是地表水體污染中僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第二大面源污染源[1]。城市面源污染產(chǎn)生的主要方式為降雨沖刷地表污染物形成徑流污染，降雨徑流污染形成主要包括 3個(gè)過程：地表污染物的累積、降雨對(duì)地表污染物的沖刷以及降雨徑流污染物的傳輸進(jìn)入收納水體[2]。地表污染物是降雨徑流污染的主要污染來源，其中所含的污染物質(zhì)的種類、含量及特性直接影響降雨徑流污染特征以及對(duì)收納水體的污染程度[3]。因此，開展對(duì)于城市地表污染物的系統(tǒng)研究，對(duì)于有效控制城市面源污染以及地表水體污染具有重大的意義。

目前，國內(nèi)外對(duì)于地表污染物的研究多集中在地表污染物的物質(zhì)組成、累積強(qiáng)度、空間分布、累積規(guī)律和環(huán)境效應(yīng)等方面。地表污染物的累積過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，國外的很多學(xué)者通過對(duì)地表污染物的累積規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，地表污染物隨著雨前干旱天數(shù)增加最終會(huì)趨于一個(gè)極值[4]，不同地域的地表污染物的累積規(guī)律有不同的描述，主要方式有描述累積速率和累積量等[5]。通過研究美國南加州8個(gè)高速公路上地表污染物中總懸浮固體(TSS)、化學(xué)需要量(COD)、油脂、總氮(TN)和總磷(TP)隨前期干旱天數(shù)的累積速率，發(fā)現(xiàn)前期干旱天數(shù)為 10～70d內(nèi)的TSS、COD與油脂的累積速率相比1～10d內(nèi)的累積速率分別下降了 79%、78%與 61%。Chow等[6]通過對(duì)馬來西亞南部城市內(nèi)居住區(qū)、商業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)用地的道路灰塵累積過程觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在連續(xù) 5個(gè)干旱天后，道路沉積污染物達(dá)到最大值。

地表污染物的累積強(qiáng)度、空間分布及環(huán)境效應(yīng)等方面的研究，大多集中于重金屬、PAHs等污染物上。左竟成等[7]通過對(duì)重慶城區(qū) 15個(gè)街道地表灰塵的As、Cd、Cr的累積強(qiáng)度研究，發(fā)現(xiàn)地表物重金屬的污染程度顯著受到交通與功能定位的影響，即車流量越大污染越重，且繁華區(qū)＞工業(yè)區(qū)＞其他功能區(qū)。Wei等[8]通過研究廣州城市區(qū)域的地表灰塵樣品中 16類PAHs的累積強(qiáng)度與來源，發(fā)現(xiàn)城市地表灰塵中總PAHs的含量在0.84～12.3μg/g，其中4～6環(huán)的多環(huán)芳烴占總PAHs的62%～94%，累積強(qiáng)度最大的3個(gè)區(qū)域分別是：市中心、高速公路與工業(yè)區(qū)，地表灰塵的主要來源為車輛排放與煤炭燃燒。任玉芬等[9]通過研究北京不同功能區(qū)的道路沉積物中TN、TP與重金屬等污染物的污染特性，發(fā)現(xiàn)文教區(qū)道路沉積物中TN與TP的含量最高，氮主要以溶解態(tài)的形式存在，磷與重金屬主要以顆粒態(tài)的形式存在。

通過上述分析，雖然國內(nèi)外對(duì)于城市地表污染物的累積過程及污染特性進(jìn)行了較多的研究，但是研究缺乏系統(tǒng)性，對(duì)于地表污染物的累積過程的研究不夠全面。由于面源污染的空間差異性、隨機(jī)性與不確定的特點(diǎn)，不同地域地表污染物的累積過程的部分特征研究成果對(duì)于流域城市面源污染控制方案的制定幫助不大。本研究從觀瀾河流域水體污染的角度出發(fā)，通過分析流域水體主要污染物，確定面源污染的主要研究對(duì)象，系統(tǒng)研究地表污染物的累積過程及污染特性，為制定科學(xué)、合理的流域面源污染控制方案提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

南方地區(qū)主要的氣候條件為亞熱帶季風(fēng)氣候、熱帶季風(fēng)氣候和赤道季風(fēng)氣候，本研究選取的研究區(qū)域?yàn)閬啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候的深圳市觀瀾河流域。

深圳市觀瀾河流域位于深圳市中北部，北與東莞市交界，南鄰深圳市福田區(qū)，包括深圳市龍華區(qū)、光明區(qū)與部分龍崗區(qū)，流域總集水面積為 189.66km2。觀瀾河流域地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季盛行東南風(fēng)和西南風(fēng)。根據(jù)深圳氣象臺(tái)資料統(tǒng)計(jì)，觀瀾河流域多年平均氣溫為 22℃，多年平均降雨量為 1825mm，且降雨量在全年分布不均，4～9月為雨季，降雨量約占全年降雨量的 84%。觀瀾河流域內(nèi)主要河流為觀瀾河及其 14條一級(jí)支流，通過《深圳市土地利用規(guī)劃圖》與現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定深圳市觀瀾河流域建成區(qū)總面積為 161.26km2，其中工業(yè)區(qū)占 32.23%，城中村占 17.74%，住宅區(qū)占16.10%，交通道路占 11.65%，商業(yè)區(qū)占 7.60%，公共服務(wù)與管理用地(以下簡稱公管區(qū))占 14.61%。觀瀾河集水區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)研究區(qū)域的土地利用類型分布圖見圖 1。

圖1 觀瀾河集水區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)研究區(qū)域的土地利用類型分布圖Fig.1 Distribution of land use types in field study area

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 采樣方法

目前，國內(nèi)外對(duì)地表灰塵的采樣方法還沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的方法。通常的采樣方法有兩大類：毛刷或笤帚清掃法和真空采樣法。其中，前者容易造成小粒徑地表灰塵在采集過程中損失過高；后者采集精確度高，為準(zhǔn)確研究街塵動(dòng)態(tài)模擬粒徑組成及污染特征提供保障[10]。為了保證較遠(yuǎn)距離的大范圍的采樣質(zhì)量，本研究采用羊毛刷與真空吸塵器。

1.2.2 樣品處理方法

將收集到的地表累積物使用金屬篩進(jìn)行篩分，遺棄地表累積物粒徑大于1mm物質(zhì)，小于1mm的顆粒物樣品充分混合后取5g溶于1L去離子水中，測(cè)混合后水樣的化學(xué)需要量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)以及總磷(TP)4個(gè)指標(biāo)，每組樣品設(shè)置3組平行樣品。

對(duì)于水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、總氮(TN)的檢測(cè)方法皆采用地表水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法——國標(biāo)法，各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)方法如表1所示。

表1 檢測(cè)方法Tab.1 Detection methods

1.2.3 采樣點(diǎn)位

為保證采集地表污染物樣品的有效性和全面性，在每種功能區(qū)選擇 4～5個(gè)采集點(diǎn)位，地表污染物總計(jì)30個(gè)采集點(diǎn)位。其中，工業(yè)區(qū)選擇衛(wèi)東龍工業(yè)區(qū)、龍華工業(yè)區(qū)、老圍第二工業(yè)區(qū)、和平工業(yè)園等 6個(gè)點(diǎn)位，城中村選擇共和新村、錦繡新村、景華新村等4個(gè)點(diǎn)位，住宅區(qū)選擇世紀(jì)華庭、江南華府、全僑花園、錦繡御園等 5個(gè)點(diǎn)位，交通道路選擇梅龍大道、龍華和平路、景龍建設(shè)路、東環(huán)一路等 5個(gè)點(diǎn)位，公共管理服務(wù)區(qū)選擇龍華文化廣場(chǎng)、龍華中英文實(shí)驗(yàn)學(xué)校、新華中學(xué)、龍華公園等 5個(gè)點(diǎn)位，商業(yè)區(qū)選擇龍華商業(yè)中心、龍華商業(yè)中心、龍華梅苑商業(yè)街、龍華星光城等5個(gè)點(diǎn)位。具體采集點(diǎn)位信息見表2。

表2 地表污染物采集點(diǎn)位信息Tab.2 Information of collecting points of surface pollutants

為研究不同用地類型的累積強(qiáng)度差異特征與地表污染物的累積變化規(guī)律，對(duì)累積監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行有序的地表累積物采樣監(jiān)測(cè)。在 2018年 9月～2019年9月間，共進(jìn)行了10次地表污染物累積采樣監(jiān)測(cè)，已進(jìn)行的地表污染物監(jiān)測(cè)場(chǎng)次見表3。

表3 地表污染物采集記錄Tab.3 Collection and record of surface pollutants

降雨沖刷監(jiān)測(cè)的用地類型包括工業(yè)用地、高密度住宅區(qū)、中密度住宅區(qū)、商業(yè)用地、交通道路與公共管理服務(wù)區(qū)6類觀瀾河流域主要的城市用地類型，采樣監(jiān)測(cè)分析各用地類型COD、氨氮、TN與TP隨降雨歷時(shí)的地表徑流濃度變化。在2019年2月～2019年10月間，進(jìn)行了多次降雨沖刷產(chǎn)流監(jiān)測(cè)，其中有效監(jiān)測(cè)降雨場(chǎng)次共7次。監(jiān)測(cè)場(chǎng)次見表4。

表4 流域已進(jìn)行的降雨沖刷產(chǎn)流監(jiān)測(cè)場(chǎng)次信息Tab.4 Information of rainfall erosion runoff monitoring sites in Guanlan River basin

2 結(jié)果與分析

2.1 不同功能區(qū)地表污染物含量差異性分析

選擇地表污染累積監(jiān)測(cè)場(chǎng)次中晴天累積天數(shù)在9d 以上的 5 場(chǎng)：L-1(29d)、L-1(23d)、L-8(10d)、L-9(14d)與L-10(9d)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同用地類型地表污染物中 COD、氨氮、TN與 TP的累積強(qiáng)度差異分析。

2.1.1 COD累積強(qiáng)度差異

由表5可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中除商業(yè)用地、公共管理與服務(wù)用地的地表 COD累積強(qiáng)度沒有顯著性差異外，其他各類城市用地類型間地表COD累積強(qiáng)度差異顯著。結(jié)合圖 2可知，觀瀾河流域地表 COD累積強(qiáng)度排序依次為：高密度住宅用地>工業(yè)用地>交通用地>中密度住宅用地>商業(yè)用地與公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表COD平均累積強(qiáng)度為1040.91mg/m2，工業(yè)用地的地表 COD平均累積強(qiáng)度為 680.44mg/m2，交通用地的地表 COD平均累積強(qiáng)度為 537.97mg/m2，商業(yè)用地的地表 COD平均累積強(qiáng)度為 300.82mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表 COD 平均累積強(qiáng)度275.25mg/m2。

圖2 COD累積強(qiáng)度Fig.2 COD cumulative strength

表5 不同用地類型地表 COD累積強(qiáng)度獨(dú)立樣本 t差異性檢驗(yàn)的結(jié)果Tab.5 Differential test for independent samplesof COD cumulative strength on land surface of different land types

2.1.2 氨氮累積強(qiáng)度差異

由表6可知，觀瀾河流域6類城市用地類型之間的地表 NH4+-N累積強(qiáng)度具有顯著性差異。結(jié)合圖 3可知，觀瀾河流域各城市用地類型地表 NH4+-N累積強(qiáng)度排序依次為：高密度住宅用地>商業(yè)用地>工業(yè)用地>交通用地>中密度住宅用地與公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表 NH4+-N平均累積強(qiáng)度為 2.73mg/m2，商業(yè)用地的地表 NH4+-N平均累積強(qiáng)度為 1.52mg/m2，工業(yè)用地的地表 NH4+-N平均累積強(qiáng)度為 1.21mg/m2，交通用地的地表 NH4+-N平均累積強(qiáng)度為 1.03mg/m2，中密度住宅用地的地表NH4+-N 平均累積強(qiáng)度為 0.84mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表NH4+-N平均累積強(qiáng)度為0.59mg/m2。

表6 不同用地類型地表NH4+-N累積強(qiáng)度獨(dú)立樣本t差異性檢驗(yàn)的結(jié)果Tab.6 Differential test for independent samples of accumulated strength of NH4+-N on land surface of different land types

圖3 氨氮累積強(qiáng)度Fig.3 Cumulative strength of ammonia nitrogen

2.1.3 TN累積強(qiáng)度差異

由表7可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中除商業(yè)用地與中密度住宅用地的地表 TN累積強(qiáng)度沒有顯著性差異外，其他各類城市用地類型間地表 TN累積強(qiáng)度具有顯著性差異。結(jié)合圖 4可知，觀瀾河流域各城市用地類型地表TN累積強(qiáng)度排序依次為：高密度住宅用地＞工業(yè)用地＞交通用地＞中密度住宅用地與商業(yè)用地＞公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表 TN平均累積強(qiáng)度為 12.67mg/m2，工業(yè)用地的地表TN平均累積強(qiáng)度為6.83mg/m2，交通用地的地表TN平均累積強(qiáng)度為5.17mg/m2，中密度住宅用地的地表TN平均累積強(qiáng)度為4.17mg/m2，商業(yè)用地的地表TN平均累積強(qiáng)度為4.01mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表 TN平均累積強(qiáng)度為2.74mg/m2。

表7 不同用地類型地表TN累積強(qiáng)度獨(dú)立樣本t差異性檢驗(yàn)的結(jié)果Tab.7 Differential test for independent samples of TN cumulative strength on land surface of different land types

圖4 TN累積強(qiáng)度Fig.4 Cumulative strength of TN

2.1.4 TP累積強(qiáng)度差異

由表8可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中除商業(yè)用地與中密度住宅用地的地表 TP累積強(qiáng)度沒有顯著性差異外，其他各類城市用地類型間地表 TP累積強(qiáng)度差異具有顯著性差異。結(jié)合圖 5可知，觀瀾河流域各城市用地類型地表 TP累積強(qiáng)度排序依次為：高密度住宅用地＞工業(yè)用地＞交通用地＞中密度住宅用地與商業(yè)用地＞公共管理服務(wù)用地。其中，高密度住宅用地的地表 TP平均累積強(qiáng)度為6.04mg/m2，工業(yè)用地的地表 TP平均累積強(qiáng)度為3.61mg/m2，交通用地的地表 TP平均累積強(qiáng)度為2.96mg/m2，中密度住宅用地的地表 TP平均累積強(qiáng)度為 2.49mg/m2，商業(yè)用地的地表 TP平均累積強(qiáng)度為2.39mg/m2，公共管理服務(wù)用地的地表TN平均累積強(qiáng)度為1.35mg/m2。

圖5 TP累積強(qiáng)度Fig.5 Cumulative strength of TP

表8 不同用地類型地表TP累積強(qiáng)度獨(dú)立樣本 t差異性檢驗(yàn)的結(jié)果Tab.8 Differential test for independent samples of TP cumulative strength on land surface of different land types

2.2 不同功能區(qū)地表污染物隨干旱天數(shù)累積特征

為研究不同功能區(qū)地表污染物累積強(qiáng)度隨晴天累積時(shí)長的變化規(guī)律，取前一場(chǎng)降雨強(qiáng)度為大雨后(即地表污染物沖刷完全后)的地表污染物樣品進(jìn)行分析。不同功能區(qū)的COD、氨氮、TN與TP的累積過程分別如圖6所示。

圖6 不同功能區(qū)污染物隨晴天干旱天數(shù)累積特征Fig.6 Accumulation characteristics of pollutants in different functional areas with sunny and dry days

由圖6可知，各功能區(qū)的地表累積污染物COD、氨氮、TN、TP隨著晴天干旱天數(shù)有相同的累積特征，具體表現(xiàn)為：前期(1～4d)累積迅速，中期(4～7d)累積變緩，在后期(7d之后)地表污染物含量達(dá)到飽和。

2.3 不同功能區(qū)地表污染物的顆粒物粒徑分布規(guī)律

通過對(duì) L-1與 L-9累積監(jiān)測(cè)場(chǎng)次所采集的各功能區(qū)地表污染物樣品使用 1000、500、250、150、100μm以及50μm的不銹鋼篩網(wǎng)篩分收集到的樣品進(jìn)行分析。不同用地類型地表污染物顆粒物粒徑分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 地表累積污染物粒徑分布Fig.7 Particle size distribution of accumulated pollutants on land surface

由圖7可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中：工業(yè)用地、商業(yè)用地、交通用地、高密度住宅用地與公共管理服務(wù)用地的地表污染物粒徑小于500μm的顆粒物質(zhì)量占比均大于 59%，而中密度住宅用地地表污染物中粒徑小于500μm的顆粒物質(zhì)量占比小于50%。觀瀾河流域6類城市用地類型地表污染物顆粒物粒徑分布規(guī)律較為一致，表現(xiàn)為：中間粒徑(150～1000μm)質(zhì)量占比最大，在地表污染物中占比為 50%～60%；細(xì)粒徑(＜150μm)與大粒徑(＞1000μm)質(zhì)量占比較少，在地表污染物中占比均為10%～30%。

通過分析 L-1與 L-9地表累積監(jiān)測(cè)所采集的觀瀾河流域 6類用地類型地表污染物樣品進(jìn)行不同粒徑污染物含量占比研究，選擇研究的顆粒物粒徑劃分為＜150μm、150～500μm 與 500～1000μm，其分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同粒徑地表污染物含量占比Fig.8 Proportion of surface pollutants with different particle sizes

由圖 8(a)可知，觀瀾河流域 6類城市用地類型地表COD在粒徑500～1000μm的地表顆粒物中占比為 4%～11%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為 35%～47%，在＜150μm 地表顆粒物中占比為42%～59%。由圖8(b)可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表氨氮在粒徑 500～1000μm 的地表顆粒物中占比為 12%～34%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為21%～43%，在＜150μm地表顆粒物中占比為49%～58%。由圖8(c)可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表TN在粒徑500～1000μm的地表顆粒物中占比為 3%～14%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為35%～47%，在＜150μm地表顆粒物中占比為43%～56%。由圖8(d)可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表氨氮在粒徑 500～1000μm 的地表顆粒物中占比為 3%～12%，在 150～500μm 地表顆粒物中占比為 37%～38%，在＜150μm 地表顆粒物中占比為49%～59%。綜上可知，觀瀾河流域6類城市用地類型地表 COD、NH4+-N、TN與 TP主要存在于＜500μm地表顆粒物中，各用地類型NH4+-N含量占比均在 66%以上，各用地類型 COD、TN與 TP含量占比均在86%以上。

2.4 不同功能區(qū)地表污染物存在形態(tài)及分布

地表污染物中污染物的存在形態(tài)分為2種：溶解態(tài)和顆粒態(tài)，基于 9次對(duì)不同功能區(qū)的采樣和共計(jì)114個(gè)樣品的分析，得到不同功能區(qū)地表污染物存在形態(tài)占比，具體見圖9～11。

由圖9可知，觀瀾河流域6類城市用地類型中地表污染物中 COD的顆粒態(tài)含量均在 75%以上，交通用地、高密度住宅用地與中密度住宅用地的溶解態(tài)COD 占比較高，分別為 21.66%、24.56%、19.73%；由圖 10可知，6類用地類型中地表污染物中 TN的顆粒態(tài)含量均在70%以上，高密度住宅用地與商業(yè)用地的溶解態(tài) TN 占比較高，分別為 24.84%、29.99%；由圖11可知，6類用地類型中地表污染物中TP的顆粒態(tài)含量均在88%以上，商業(yè)用地與高密度住宅用地的溶解態(tài) TP占比較大，分別為 10.12%、11.52%。綜合分析，觀瀾河流域各用地類型地表污COD、TN與TP主要以顆粒態(tài)形式存在，且顆粒態(tài)含量占比均在70%以上。

圖9 不同功能區(qū)COD存在形態(tài)占比Fig.9 Proportion of COD in different functional areas

圖10 不同功能區(qū)TN存在形態(tài)占比Fig.10 Proportion of TN in different functional areas

圖11 不同功能區(qū)TP存在形態(tài)占比Fig.11 Proportion of TP in different functional areas

3 結(jié) 論

①城市不同功能區(qū)地表污染物的含量分布差異明顯，其中NH4+-N、TN與TP含量順序?yàn)椋撼侵写澹竟I(yè)區(qū)＞交通道路＞商業(yè)區(qū)＞住宅區(qū)＞公共管理服務(wù)區(qū)。COD含量順序?yàn)椋撼侵写澹竟I(yè)區(qū)＞交通道路＞住宅區(qū)＞商業(yè)區(qū)＞公共管理服務(wù)區(qū)。

②城市不同功能區(qū)地表污染物含量隨晴天干旱天數(shù)具有相同累積特征，具體表現(xiàn)為：前期(1～4d)污染物累積迅速，中期(4～7d)累積速度變緩，在后期(7d之后)地表污染物累積含量達(dá)到飽和。

③城市不同功能區(qū)地表污染物的顆粒物粒徑分布存在一定差異，其中住宅區(qū)污染物顆粒粒徑以大顆粒(大于 500μm)為主，粒徑為 1000～2000μm 顆粒最多；城中村、工業(yè)區(qū)、交通道路、商業(yè)區(qū)、公共管理服務(wù)區(qū)污染物顆粒粒徑分布較為平均，粒徑為 250～500μm最多。

④城市不同功能區(qū)地表污染物存在形態(tài)均以顆粒態(tài)為主，溶解態(tài) TP、COD、TN 占比最大的分別為商業(yè)區(qū)、交通道路、商業(yè)區(qū)。