馬學(xué)琳 ，李洪波 ，趙 琪 ，劉新軍 ，羅 寧 ，趙建國(guó)

（1.河北省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，050037，石家莊；2.河北省水環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，050037，石家莊；3.河北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，050037，石家莊）

城市化進(jìn)程的加快使城市屋面、街道等不透水面積不斷增加，促進(jìn)地表徑流的形成，挾帶各種污染物在降雨沖刷下進(jìn)入受納水體，城市地表徑流污染成為僅次于農(nóng)村面源污染的第二大面污染源。 通過(guò)研究城市地表徑流污染特征， 了解污染物隨降雨及徑流的變化趨勢(shì)， 對(duì)控制城市面源污染物具有重要意義。

保定市位于白洋淀上游，其城市地表徑流污染物直接影響入淀河流的水質(zhì)狀況，并進(jìn)一步對(duì)白洋淀水質(zhì)產(chǎn)生影響。 為了解上游城市地表徑流污染對(duì)白洋淀水質(zhì)的影響程度，為白洋淀流域外源污染治理提供理論依據(jù)，本文選取河北農(nóng)大作為屋面徑流采樣點(diǎn)，南金莊、東魯崗作為道路徑流采樣點(diǎn)， 采樣時(shí)間為2019 年6—10 月， 選取保定市作為白洋淀上游典型城市對(duì)地表徑流污染進(jìn)行研究，并對(duì)本地化累積-沖刷模型進(jìn)行修正預(yù)測(cè)。

為獲取保定市城市地表徑流的污染特征，在本研究計(jì)算中，城市徑流污染負(fù)荷L（g/m2）表征為場(chǎng)次地表徑流深R（mm）與水樣中污染物濃度C（mg/L）之積，城市徑流深的計(jì)算采用美國(guó)SCS 模型，城市地表徑流污染負(fù)荷計(jì)算采用累積-沖刷模型模擬污染物在晴天積累、 降雨沖刷的過(guò)程。以總氮為代表污染物，進(jìn)行保定市城市地表徑流污染特征研究。

一、地表徑流污染負(fù)荷時(shí)空變化特征

本研究監(jiān)測(cè)的保定市有效降雨徑流過(guò)程中各點(diǎn)位總氮濃度為6.066±4.203 mg/L，除東魯崗 9 月監(jiān)測(cè)值外，其他月份各點(diǎn)位總氮濃度均大于2.0 mg/L，劣于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水質(zhì)，這也與其他研究中的分析結(jié)果相近。 地表徑流污染物進(jìn)入受納水體后會(huì)直接影響其水質(zhì)， 進(jìn)而對(duì)白洋淀水質(zhì)產(chǎn)生一定程度的影響。

城市地表徑流污染作為一種依托降雨產(chǎn)生的污染源，其時(shí)空變化具有很大的隨機(jī)性。 本研究監(jiān)測(cè)有效降雨徑流過(guò)程中各點(diǎn)位總氮污染負(fù)荷為 0.144±0.132 g/m2（圖 1），時(shí)空差異較大。 城市地表徑流一般隨降水產(chǎn)生，其污染負(fù)荷在雨季和非雨季有明顯的時(shí)間變幅。7—8 月總氮污染負(fù)荷明顯高于其他月份，這與7、8 月份降雨量較大，能夠沖刷裹挾的污染物總量較大有關(guān)。 東魯崗與南金莊總氮污染負(fù)荷有明顯差異，主要是因?yàn)槌鞘胁煌c(diǎn)位降雨特征不同，引起的地表徑流不同，且人為活動(dòng)、道路交通量等因素也會(huì)直接影響污染物的累積，進(jìn)而影響總氮負(fù)荷。 河北農(nóng)大與南金莊分別代表屋面及道路兩種城市典型不透水下墊面，道路徑流的總氮污染負(fù)荷略高于屋面，屋面徑流主要表現(xiàn)為以降塵為代表的大氣干沉降的污染物累積過(guò)程和降水沖刷過(guò)程，而道路徑流還會(huì)富集交通源、雨污管道源等，且受道路清掃的影響，其表現(xiàn)的總氮徑流負(fù)荷是受人為活動(dòng)影響更大的復(fù)雜過(guò)程。

圖1 降雨徑流中各點(diǎn)位總氮污染負(fù)荷

二、地表徑流水質(zhì)與降雨特征的關(guān)系

降雨是將污染物引入地表徑流中的載體，雨前干期和降雨量分別通過(guò)影響污染物的累積和沖刷過(guò)程直接影響城市地表徑流污染特征。將監(jiān)測(cè)徑流中總氮濃度、總氮污染負(fù)荷分別與雨前干期和降雨量進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果表明總氮濃度與雨前干期呈顯著正相關(guān)（P<0.01），總氮污染負(fù)荷與雨前干期呈正相關(guān)，總氮濃度與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05），總氮污染負(fù)荷與降雨量呈顯著正相關(guān)（P<0.01）。雨前干期越長(zhǎng)，地面沉降的污染物總量越多，降雨形成的徑流裹挾這些污染物導(dǎo)致場(chǎng)次降雨徑流中的污染物濃度和污染負(fù)荷也隨之增加。 降雨量大，對(duì)地表污染物的沖刷作用大， 場(chǎng)次降雨總氮污染負(fù)荷高， 但大量的雨水對(duì)地面徑流污染物表現(xiàn)為更多的稀釋作用， 導(dǎo)致地面徑流中總氮污染物濃度較低。

三、地表徑流水質(zhì)與環(huán)境空氣質(zhì)量的關(guān)系

城市地表徑流中污染物的強(qiáng)度往往與大氣污染程度有關(guān)，降雨過(guò)程同時(shí)也伴隨著雨水對(duì)大氣的洗淋，大氣污染較嚴(yán)重時(shí)，空氣中懸浮顆粒物較多， 其吸附的各類污染物較多，降雨發(fā)生時(shí)這些污染物被雨水沖刷至地面從而影響徑流中污染物含量。

對(duì)地表徑流中總氮濃度分別與降雨前5 日空氣質(zhì)量指數(shù)及各類空氣污染物日均值進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，結(jié)果表明地表徑流中總氮濃度與 AQI 及 PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO濃度均呈正相關(guān)，其中與NO2濃度呈顯著正相關(guān)（P<0.01），這表明城市地表徑流中總氮濃度受到大氣污染物尤其是NO2的影響。 空氣中污染物濃度較高時(shí)，這些污染物富集在城市地表上空，并通過(guò)雨水的沖刷作用轉(zhuǎn)移到地表徑流中，進(jìn)而導(dǎo)致城市地表徑流水體中總氮濃度的升高。

四、降雨徑流污染負(fù)荷預(yù)測(cè)

根據(jù) SCS 模型及累積-沖刷模型，可通過(guò)降雨特征估算保定市城市地表徑流污染負(fù)荷。

經(jīng)模型計(jì)算， 對(duì)測(cè)定降雨量、徑流量及總氮含量的18 場(chǎng)有效降雨中總氮污染負(fù)荷預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比（圖 2），均方根誤差（RMSE）、平均 偏 差 （MBE） 分 別 為 0.0218 及0.0424， 均小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集均值0.0539，相關(guān)系數(shù)為0.9423，表明模型具有較好的預(yù)測(cè)精度，符合保定市城市地表徑流現(xiàn)狀。

圖2 有效降雨中總氮污染負(fù)荷預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

五、結(jié) 論

保定市城市地表徑流總氮污染負(fù)荷中時(shí)空差異較大， 總氮濃度為6.066±4.203 mg/L，總氮污染負(fù)荷為 0.144±0.132 g/m2， 降雨量、 下墊面、 人為活動(dòng)都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定程度的影響。 城市地表徑流總氮濃度與雨前干期呈正相關(guān)， 與降雨量呈負(fù)相關(guān)， 總氮負(fù)荷與雨前干期呈正相關(guān)， 與降雨量呈顯著正相關(guān)。 城市地表徑流總氮濃度與降雨前5 日空氣質(zhì)量指數(shù)與各空氣污染物濃度均呈正相關(guān)。 累積-沖刷模型對(duì)保定市城市地表徑流污染負(fù)荷有較好的預(yù)測(cè)精度。