長江經濟帶城市降雨徑流污染特征分析

劉 敏,徐 明 杰,左 倬

(上海勘測設計研究院有限公司,上海 200335)

0 引 言

長江經濟帶是黨中央重點實施的“三大戰略”之一,人口和經濟總量超過全國的40%[1-2]。隨著長江經濟帶城市化進程的加快,城市高密度人口和經濟高水平發展對城市環境質量提出更高要求,而城市水環境治理工程一般先解決直排污水、合流制溢流污水、雨污混錯接排水問題,這是近期多數長江大保護試點城市水環境治理工作的切入點和重點研究方向,對降雨徑流污染的治理相對滯后。

長江經濟帶城市工商業發達,城市下墊面硬化率高,大氣干濕沉降污染嚴重,由此造成的徑流面源往往攜帶大量污染物進入地表河湖。以長江經濟帶典型城市九江中心城區、岳陽中心城區、武漢湯遜湖流域、重慶長壽區為例,通過污水處理設施尾水排放和地表徑流帶來的面源污染占區域總污染負荷的15%～35%,是城市地表水環境質量提升工作中無法回避的問題[3-6]。

國外關于城市降雨徑流污染的研究相對較成熟,在20世紀70年代已開始對城市降雨徑流污染開展研究工作[7-9],美國的NURP歷時5 a,對81個采樣點和2 300多次獨立降雨事件進行監測,發現下墊面特征對降雨徑流水質有較大影響[10];法國不同類型城市徑流污染特征的調查結果表明,不同類型城市徑流中,街道徑流污染情況最嚴重[11]。

國內城市降雨徑流污染研究起步較晚,20世紀80年代初開始對北京的城市徑流污染進行了研究,隨后在上海、南京、杭州、成都等大中城市逐漸開展起來,但對長江經濟帶沿線城市降雨徑流污染特征尚無系統梳理,只有部分城市個別點位的研究[12-14]。本文圍繞長江經濟帶城市降雨徑流引起的水環境惡化問題,梳理分析長江經濟帶各省(直轄市)的城市下墊面和功能區雨水徑流污染特征,有助于了解長江經濟帶城市面源污染狀況,為長江經濟帶城市降雨徑流污染綜合治理的規劃與設計提供科學參考。

1 研究方法

本次研究對近年來長江經濟帶上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州共11個省(直轄市)的城市下墊面和不同功能區降雨徑流污染物的次降雨徑流平均濃度(EMC)及城市經濟發展水平進行統計整理。其中,降雨徑流污染物主要包括固體懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)共4種,下墊面包括路面、屋面、綠地3種,功能區包括交通、商業、工業、居住區4種,城市經濟發展水平采用經濟綜合競爭力指標[15]。

研究數據來自近10 a公開發表的相關文獻[16-48],結合城市建設統計年鑒[49]篩選出有效樣本,并將數據進行分區劃分整理(見表1)。對比分析3種典型下墊面和4種主要功能區降雨徑流中4種污染物特征,采用相關性分析比較長江經濟帶上游、中游、下游降雨徑流污染物濃度,采用線性混合效應模型(Linear Mixed-Effects Model)[16],分析4種污染物的EMC與經濟發展水平的相關性。使用R語言進行計算。

表1 數據來源及劃分處理Tab.1 Data source and division processing

2 污染特征及經濟發展水平相關性分析

2.1 不同下墊面降雨徑流污染特征

如表2所列,路面降雨徑流4種污染物平均濃度均高于屋面和綠地,并高于地表Ⅴ類水標準;屋面和綠地僅COD濃度略高于地表Ⅴ類標準。

表2 長江經濟帶城市各下墊面降雨徑流污染物EMC值Tab.2 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different underlying surfaces in the Yangtze River Economic Belt cities mg/L

與屋面和綠地相比,路面的降雨徑流污染物濃度較高,其原因主要是道路受人為活動干擾大,車輛和行人產生的污染物易在道路上積累,降雨時形成降雨徑流污染。屋面污染物以大氣干濕沉降累積為主,長江沿線城市降雨充沛,大氣干濕沉降累積的污染物較低;綠地對降雨徑流的污染物具有消減作用,但對COD的消減作用不明顯[50]。

2.2 長江經濟帶不同區域各下墊面降雨徑流污染

如圖1所示,路面降雨徑流污染物SS、COD、TP、NH3-N在長江經濟帶下游地區平均濃度較高,上游與中游地區的污染物濃度差異不顯著。屋面、綠地降雨徑流污染平均濃度均較低,而屋面和綠地下墊面中,長江經濟帶中游地區NH3-N平均濃度高于下游、上游地區。

圖1 長江經濟帶城市各下墊面降雨徑流污染物EMC值Fig.1 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different underlying surfaces in the Yangtze River Economic Belt cities

分析出現這種特征的原因可能為:① 長江經濟帶下游地區經濟發達、人口稠密、交通繁忙,汽車和行人等產生的污染物較多,使長江下游地區路面降雨徑流污染物濃度較高;② 迫切的環境需要和雄厚的經濟實力,使下游地區大力投入綠色創新活動,大氣環境的有效改善,加上近些年的屋頂綠化、海綿城市等行動[51-52],屋面和綠地降雨徑流污染物的濃度均較低;③ 長江經濟帶中游地區作為中國主要糧食產區,施肥等農業活動導致其徑流中氮素較高。

2.3 不同功能區降雨徑流污染特征

如表3所列,交通區降雨徑流4種污染物平均濃度均高于地表Ⅴ類水標準;商業區、工業區和居住區除NH3-N濃度略低于地表Ⅴ類標準外,其余污染物濃度均高于地表Ⅴ類標準。

表3 長江經濟帶城市各功能區降雨徑流污染物EMC值Tab.3 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different functional areas in the Yangtze River Economic Belt cities mg/L

交通區污染最為嚴重,其次為商業區、工業區和居住區。交通區車流量大,作為城市中最活躍的區域,是城市面源污染的主要貢獻者;商業區集餐飲、娛樂、休閑于一體,人流量和車流量也相對較多,而工業區工業生產生活中產生的廢氣使得大氣中污染物較為復雜,因而商業區和工業區的污染次之;居民區一般有人定期維護區域環境,污染程度最低[53-54]。

2.4 長江經濟帶不同區域各功能區降雨徑流污染

如圖2所示,交通區降雨徑流污染物SS、COD、TP、NH3-N平均濃度為下游地區>中游地區>上游地區,其中SS、TP在上游地區與下游地區存在顯著差異,其余差異不顯著。商業區降雨徑流污染物SS、COD、TP、NH3-N濃度均較高的是下游地區,其中TP在上游地區與下游地區存在顯著差異,NH3-N在上、中、下游地區存在顯著差異。居住區降雨徑流污染中COD、TP表現為中游地區較高。

圖2 長江經濟帶城市各功能區降雨徑流污染物EMC值Fig.2 EMC values of pollutants in rainfall runoff from different functional areas in the Yangtze River Economic Belt cities

從長江經濟帶上游到下游,汽車尾氣的排放、輪胎及制動器的磨損等產生的污染物逐漸增多,下游地區參與商業活動的人流量和車流量也顯著大于上游地區[55-58],導致下游地區交通區、商業區污染物平均濃度較高;中游地區人口較為稠密,生活污水導致其徑流污染中COD與TP較高。

2.5 各下墊面降雨徑流污染物與經濟發展水平相關性分析

如圖3所示,總體上長江經濟帶城市各下墊面降雨徑流污染SS、COD、TP平均濃度與經濟發展水平呈顯著正相關性(p值分別為0.036,0.045,<0.001;R值分別是0.72,0.57,0.76),NH3-N平均濃度與經濟發展水平相關性不顯著。

圖3 長江經濟帶城市各下墊面降雨徑流污染物EMC值與經濟發展水平的相關性Fig.3 Correlation between EMC value of pollutants in rainfall runoff from underlying surfaces and economic development level of the Yangtze River Economic Belt cities

在不同下墊面中,路面降雨徑流污染SS、COD、TP、NH3-N平均濃度均與經濟發展水平呈顯著正相關性(p值分別為0.019,0.010,0.001,0.036;R值分別是0.79,0.84,0.92,0.74);屋面和綠地4種降雨徑流污染物濃度與經濟發展水平的相關性不顯著,但SS、COD、NH3-N平均濃度與經濟發展水平呈現一定負相關性。

2.6 各功能區降雨徑流污染物與經濟發展水平相關性分析

如圖4所示,總體上,長江經濟帶城市各功能區降雨徑流污染SS、COD、TP、NH3-N平均濃度均與經濟發展水平呈極顯著正相關性(p值分別為<0.001,0.003,<0.001,<0.001;R值分別是0.63,0.61,0.68,0.65)。該結果與下墊面一致,經濟發展水平越高的省(市)降雨徑流中污染物的濃度也越高。

圖4 長江經濟帶城市各功能區降雨徑流污染物EMC值與經濟發展水平的相關性Fig.4 Correlation between EMC value of pollutants in rainfall runoff in functional areas and economic development level of the Yangtze River Economic Belt cities

在不同功能區中,交通區降雨徑流污染SS、TP、NH3-N平均濃度均與經濟發展水平呈較顯著的正相關性(p值分別為0.019,<0.010,0.001;R值分別是0.79,0.94,0.92);商業區降雨徑流的4種污染物平均濃度均與經濟發展水平呈較顯著的正相關性(p值分別為0.013,0.021,0.003,<0.001;R值分別是0.82,0.79,0.89,0.93);此外,工業區和居住區僅SS平均濃度與經濟發展水平呈顯著正相關性(p值分別為0.002,0.047;R值分別是0.90,0.71)。

3 結果與建議

3.1 結 果

(1) 長江經濟帶城市下墊面降雨徑流污染SS、COD、TP、NH3-N主要來自路面,污染程度遠高于屋面和綠地;長江中下游各省(直轄市)的城市路面降雨徑流污染物SS、COD濃度較高,其中上海較為突出;屋面和綠地降雨徑流污染物NH3-N濃度較高,以長江中游地區城市較為顯著。

(2) 長江經濟帶城市交通區降雨徑流污染物SS、COD、TP、NH3-N污染程度最嚴重,其次為商業區、工業區和居住區;交通區、商業區和工業區降雨徑流各污染物濃度基本表現為下游城市>中游城市>上游城市,居住區的COD、TP濃度表現為中游城市較高。

(3) 長江經濟帶城市各下墊面降雨徑流污染物SS、COD、TP濃度與經濟發展水平顯著正相關,NH3-N平均濃度與經濟發展水平相關性不顯著;不同下墊面中,路面降雨徑流中各污染物濃度均與經濟發展水平呈顯著正相關性,屋面和綠地徑流污染物濃度與經濟發展水平的相關性不顯著。各功能區降雨徑流污染SS、COD、TP、NH3-N平均濃度均與經濟發展水平呈極顯著正相關性;不同功能區中,交通區降雨徑流污染SS、TP、NH3-N平均濃度均與經濟發展水平呈較顯著的正相關性;商業區降雨徑流4種污染物平均濃度均與經濟發展水平呈較顯著的正相關性,工業區和居住區僅SS平均濃度與經濟發展水平呈顯著正相關性。

3.2 建 議

長江經濟帶城市地表徑流中SS、COD、TP等濃度均高于地表V類水,在城市點源污染得到有效控制的同時,長江大保護中降雨徑流污染不容忽視,根據研究結果,提出以下建議。

(1) 中國雨水徑流污染治理的相應法規、標準不夠全面,應進一步完善長江經濟帶城市降雨徑流污染數據,或開展全面系統的專項調查研究,結合城市水質狀況與發展水平,制定雨水排放標準。

(2) 前期規劃中,在充分利用透水鋪裝和分流體系的同時,綜合考慮不同功能區、不同下墊面的分布比例和組合形式,利用自然系統進行徑流污染的消納。

(3) 綜合治理中,因地因區施策,如中下游城市用地較為緊張,經濟較發達,徑流污染中以SS、COD較顯著,在過程控制中可以管網分流制改造及溢流污染控制為主,末端治理中注重強化凈化措施的開發和設計;中上游城市具備開發和改造條件,徑流污染中以NH3-N等較顯著,在過程控制中以低影響開發思路為主,末端治理中以自然凈化措施為主(詳見圖5)。

圖5 徑流污染分區控制初步建議技術路線Fig.5 Preliminary suggested technical route of runoff pollution zoning control

4 結 語

中國城市降雨徑流污染研究工作已有一定的探索和積累,但目前大量城市個別點位的研究數據尚未被有效梳理,缺乏系統性的區域比較研究。本文選擇4種雨水徑流污染指標,梳理長江經濟帶各省(市)下墊面和功能區的雨水徑流污染狀況并展開比較分析,結果顯示:長江經濟帶降雨徑流污染物濃度較高的是長江中下游地區,經濟發展水平越高的省(市)降雨徑流污染物濃度越高,其中下墊面降雨徑流污染主要來自路面;城市功能區降雨徑流污染濃度最高的是交通區,其次是商業區和工業區,居住區最低。因此,在長江大保護中,降雨徑流污染不容忽視。目前中國城市降雨徑流污染控制技術的單項技術成熟度還需進一步提高,有效的道路徑流污染削減方案有待研究和實踐,并需進一步開展技術集成創新,使整體技術系列能夠達到滿足任務需求的設計、運行和處理能力,向在系統生命周期內應用效益最佳的方向優化和發展。