南京市典型區(qū)域城市濕沉降污染成分特征分析

白 瑩,阮曉紅,李榮富,王 瓊,鄭 菲

(南京大學地球科學與工程學院水科學系,江蘇 南京 210093)

1 研究背景

隨著城市化進程的加快、人類活動影響強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)對城島效應與城市濕沉降之間的關系有較多研究[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有著密切關系。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,對科學認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

雨水觀測站設于南京市中心的南京大學鼓樓校區(qū)和南京市郊的南京大學仙林校區(qū)(以下簡稱鼓樓校區(qū)監(jiān)測點、仙林校區(qū)監(jiān)測點),采樣點設在南京大學鼓樓校區(qū)和仙林校區(qū)的學生宿舍天臺上,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)指標分析方法參照文獻[13],具體見表1。

表1 水質(zhì)指標分析方法

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)指標的相關系數(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者[9],其中SO2對全球酸沉降的貢獻率達60%～70%。從采樣分析結果來看,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%,遠遠小于郊區(qū)的50.1%,與本研究結果一致。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、降雨云系等因素有關[11],因此要進一步分析南京市區(qū)與郊區(qū)降雨酸度差異性原因,需要對相關信息進行綜合分析。

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動車尾氣污染變化的轉(zhuǎn)型期,機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,酸雨結構正悄悄發(fā)生變化。文獻[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 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)雨水中有機物含量高。南京地區(qū)大氣顆粒物中的有機物主要來自燃煤、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)測指標進行濃度對比分析,各項監(jiān)測指標平均值對比結果如圖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 結果與討論

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