基于自動監測的臺風“利奇馬”降雨對城市地表水水質影響分析

耿 曄，杜天君，謝建輝，喬國棟，閆學軍

（山東省濟南生態環境監測中心，山東 濟南 250101）

0 引言

引起地表水水質變化的原因很多，作為地表水主要的補給來源的雨水徑流，其帶來的非點源污染已成為水體污染的主要因素[1-2]。 我國7 至9月夏季臺風引起的暴雨，占全年降雨量的70%，大量的降雨形成地表徑流雨水在匯集過程中，攜帶了一定濃度的N，P、有機物、可溶解性氣體及溶解性固體、細菌、重金屬等污染物。 2019年8月10日～12日，1909號臺風“利奇馬”登錄山東，并帶來了大范圍降雨。山東中南部地區雨勢最大，造成的過程降雨強度位列山東歷史第一。 濟南市普降大暴雨、局部特大暴雨，從10日08∶00 ～12日17∶00，市區平均降水量193.3 mm,43 個觀測點中有18 個降水量已超200 mm, 最大降水量達到346 mm[3-4]。

許多學者對臺風降雨引起的地表徑流影響進行了一定的研究，多數學者利用手工監測數據選取我國南方城市的地表徑流作為樣本，如趙玉坤等[5]選取太湖流域城市地表徑流污染進行了研究；張瓊華等[6]選取西安作為研究重點[5-7]，目前針對華東地區雨水徑流的受納水體—城市河流的研究較少。 小清河起源于濟南市西部睦里莊村泉群，自西向東流經濟南市5 區，從東部辛豐莊出濟南界，全長為70.3 km，流域面積為2 803 km2。 小清河具有排污、灌溉等功能，同時也是濟南市最主要的排水、防洪、排澇河道。 因此，開展臺風降雨對小清河水質變化的影響研究，對從源頭分析、控制水環境的變化尤其重要。本文選取小清河濟南段2 個監測斷面作為研究對象，利用水質自動監測站24 h 自動監測數據來研究 “利奇馬”臺風降雨期間小清河水質變化的規律及影響，并對監測指標質量濃度波動的原因進行了分析。

1 實驗

1.1 樣本選取

本次實驗選取小清河濟南段2 個監測斷面作為采樣點位，各監測點位信息見表1。1#睦里莊斷面是小清河的源頭，為本底監測斷面，水質類別為III 類；2# 辛豐莊斷面為小清河濟南出境斷面，有生活及工業污水的大量支流單側梳齒狀水系匯入，屬于灌溉區域，水質類別為V 類。

表1 監測點位信息

1.2 監測指標及方法

監測8月份日均值質量濃度和降雨期間的小時質量濃度，日均值監測項目為CODMn，NH3-N，TP，TN；小時均值選取8月10日08：00 ～8月12日08：00“利奇馬”過境期間降雨時段，分析間隔為4 h，監測項目為CODMn，NH3-N，TP，TN，電導率，DO，上述監測數據均來自濟南市環境監測監控系統V5.0 平臺地表水水質自動監測站，降雨量相關數據來源于濟南市氣象局。 1# 睦里莊斷面DO，電導率 （哈希SC1000 膜電極法），CODMn（AVVOR9000 高錳酸鉀氧化-ORP 電位滴定法），NH3-N（中興C310 水楊酸分光光度法），TP （島津TNP-4200 鉬酸銨分光光度法），TN （島津TNP-4200 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）；2# 辛豐莊斷面DO，電導率（WTWIQ Sensor Net 膜電極法），CODMn（AVVOR9000 高錳酸鉀氧化-ORP 電位滴定法），NH3-N （WTW TresCon A111 氨氣敏電極法），TP（島津TNP-4200 鉬酸銨分光光度法），TN （島津TNP-4200 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）。

1.3 數據處理

所得的數據采用Origin 8.0 軟件進行數據處理和圖表繪制。

2 結果與討論

2.1日均值監測濃度與降雨量結果分析

1#睦里莊斷面CODMn，NH3-N，TP，TN 與濟南市日均降雨量資料見圖1。 由圖1 可知，8月5日～7日、10日～13日全市有2 次明顯降雨過程，其中10日08：00 ～12日08：00 利奇馬過境期間，降雨量突增，日最大降雨量為11日，雨量為148.9 mm。 8月1日～31日NH3-N，TP，TN 質量濃度日均值波動較明顯，CODMn無明顯波動。 全月ρ（CODMn）為2.65 ～3.78 mg/L，ρ（TP）為0.04 ～0.17 mg/L，均能達到III 類地表水環境質量標準。 12日NH3-N，TP 和15日TN 質量濃度為當月最大值，分別為1.45，0.17，7.65 mg/L；12日～16日ρ（NH3-N） 均超出III 類地表水環境質量標準，最大超標倍數為0.45 倍；10日～31日ρ（TN）超出III 類地表水環境質量標準，最大超標倍數為6.17倍；8月份ρ（CODMn）處于較低水平，均能達到地表水III 類標準，全月2 次降雨過程對CODMn變化影響不顯著；自13日降雨完全結束，NH3-N，TP，TN 質量濃度日均值均隨降雨量的減少呈現衰減趨勢，17日ρ（NH3-N）監測值降至0.59 mg/L；31日ρ（TN）降至1.13 mg/L。 2 次降雨期間，1# 睦里莊斷面NH3-N，TP，TN 質量濃度均處于較高水平，未達到III 類地表水標準。 降雨1 ～2 d 后污染物質量濃度出現大幅升高，12日NH3-N，TP，TN 質量濃度日均值較11日分別增加4.7，1.4，2.8 倍，降雨量對NH3-N，TP，TN 呈現正相關影響。

圖1 睦里莊斷面降雨量與污染物質量濃度監測值

2#辛豐莊斷面CODMn，NH3-N，TP，TN 質量濃度日均值與濟南市日均降雨量資料見圖2。 由圖2 可知，8月1日~ 31日斷面CODMn，NH3-N，TP，TN日均值波動較明顯。 11日NH3-N，TP，TN 質量濃度均為當月最大值，分別為4.27，0.51，8.89 mg/L；NH3-N，TP，TN 分別超出V 類地表水環境質量標準1.14，0.28，3.44 倍。CODMn，NH3-N，TP日均質量濃度均隨降雨量的減少呈現衰減趨勢，自13日降雨完全結束至31日，上述3 類污染物均能穩定達標；全月ρ（TN）在6.16~8.89 mg/L 之間平緩波動；10日~12日“利奇馬”過境期間TN 呈現不顯著上升趨勢。 辛豐莊斷面8月份CODMn質量濃度處于較高水平，但均能達到地表水V 類標準，降雨對其影響不顯著。 2次降雨期間NH3-N，TP 均處于較高水平，超出V 類水質標準，降雨當天日均質量濃度出現不顯著增長，降雨量對NH3-N，TP 呈現正相關影響；8月份TN 質量濃度均處于極高水平，超出V 類地表水水質標準，降雨量對TN 呈現正相關影響。 隨著時間的推演，14日起NH3-N，TP 質量濃度逐步降至降雨前水平并趨于穩定，TN 質量濃度呈現不明顯降低趨勢。

圖2 辛豐莊斷面降雨量與污染物質量濃度監測值

2.2 降雨量與污染物濃度相關性討論

分析可知，CODMn與降雨量相關性較差，NH3-N，TP，TN 與降雨量呈正相關，其中1# 睦里莊斷面降雨量對TN 影響更顯著，2# 辛豐莊斷面TN 質量濃度隨著降雨量的減少呈不明顯降低趨勢。 雨水徑流帶來的非點源污染已成為水體污染的主要因素，會造成BOD，TP，TN 質量濃度升高，甘華陽等[8]對廣州市雨水造成的地表徑流進行取樣發現： 雨水中大部分水質參數的質量濃度都較低或在檢測限之下，只有TN 和NO3-N 的含量較高，說明雨水不是路面雨水徑流中污染物的主要來源。 造成NH3-N，TP，TN正相關，COD 相關性較差的原因可能是小清河及其各支流周邊部分地區的土壤中含有大量工廠、農業施肥、生活洗滌、養殖等排放的N，P 積存，一旦遭到雨水沖刷，很容易將這些物質隨著雨水帶入河流，影響水質。另一方面，部分支流黑臭水體積蓄的污水在“利奇馬”過境期間隨雨水下泄，也是造成小清河水質變差的重要原因。

1# 睦里莊斷面屬于小清河的源頭，支流較少，斷面周圍多為農業灌溉區，工業企業較少，人口車流量較少，水源多為泉群滲水及處理后的生活污水，TN 中NH3-N 占比較高。 隨著10日降雨量的激增，TN 質量濃度隨NH3-N 同步先升高再降低，這是10日～12日 “利奇馬” 過境期間睦里莊斷面TN 和NH3-N 同步變化的主要原因。2#辛豐莊斷面屬于小清河濟南段出境斷面，支流較多，距離章丘區刁鎮化工園區直線距離不足10 km，該斷面水源為上游生活污水和大量生產廢水及徑流形成的沖刷雨水，TN中有機氮和有機胺占比較高，NH3-N 占比適中，由于TN 長期處于較高水平，雖然NH3-N 會隨著降雨量的增加而顯著升高，隨降雨的減少而衰減，但TN 變化不明顯。

2.3 各斷面降雨期間小時實驗結果分析

8月10日08∶00 ～12日08∶00 選取1# 睦里莊斷面、2# 辛豐莊斷面NH3-N，TP，TN，電導率，DO 小時均值連續監測數據繪制曲線圖，采樣間隔為4 h，分析各監測指標降雨期間的變化趨勢（因CODMn與降雨量相關性較差，故不再進行相關分析），結果見圖3 ～圖4。

圖3 睦里莊斷面各污染物質量濃度小時均值變化趨勢

由圖3 可知，NH3-N，TP，TN，DO 質量濃度均呈現出先升高后降低再升高的變化趨勢，前3 者最高值均出現在8月12日08∶00，分別為1.36，0.14，2.92 mg/L，ρ（DO）最高值出現在12日00∶00，為6.71 mg/L；NH3-N，TP，TN 質量濃度最低值分別出現在11日00∶00（0.17 mg/L），11日00∶00（0.06 mg/L），10日08∶00（1.74 mg/L）；電導率呈現出平緩下降的趨勢，最高值為809 μS/cm，最低值為629 μS/cm。10日08∶00 ～11日20∶00 DO 基本穩定。

圖4 辛豐莊斷面各污染物質量濃度小時均值變化趨勢

由圖4 可知，NH3-N，TN，TP，電導率，DO 均出現較明顯波段變化趨勢。ρ（NH3-N）自10日08∶00 開始緩慢上升到20∶00 穩定在4.3 mg/L；ρ（TP）在0.43～0.62 mg/L 之間、ρ（TN）在7.25 ～9.25 mg/L 之間反復波動；受降雨徑流的沖擊電導率整體呈現下降趨勢，從10日08∶00 的最高值935 μS/cm 急速下降，11日04∶00 達到最低值1.76 μS/cm 后出現小幅度反彈，最大下降99.8%；ρ（DO）自10日20∶00 開始緩慢上升，11日12∶00 出現小幅下降，20∶00 達到最高值8.09 mg/L 后趨于穩定。

2.4 降雨期間各污染物變化趨勢討論

2.4.1 睦里莊斷面

NH3-N，TP，TN 小時質量濃度在降雨初期緩慢升高，自11日20∶00 開始突增；DO 變化不顯著；隨著降雨量的增加電導率呈現整體下降趨勢，最大下降為22%，說明降雨本身較純凈，電導率處于低位水平。 引起水質變化的主要原因是： 睦里莊斷面作為小清河的源頭，支流雖然較少，但部分支流作為汛期泄洪使用，晴天處于干涸狀態并存有少部分黑臭污水，當雨水徑流流入后水位突增，黑臭水體積蓄的污水隨雨水發生攪動并下泄至小清河，引起N，P元素增加，致使NH3-N，TP，TN 質量濃度小范圍上升。 石春娥等[9]研究表明約90%的降雨中電導率在60 μS/cm 以下，電導率在15 μS/cm 以下的降水發生頻率最高，隨著降雨量的突增，形成的大量地表徑流最終匯入小清河，降水對小清河水量形成一定程度的沖擊并產生稀釋作用，電導率隨之降低。

2.4.2 辛豐莊斷面

臺風過境期間NH3-N，TP，TN，DO 質量濃度呈整體上升趨勢，但伴有小幅波動；隨著降雨量的增加，電導率呈現整體下降趨勢。由于辛豐莊斷面為小清河濟南段的出境斷面，周圍支流較多，水質較復雜，ρ（NH3-N）自降雨開始上升至1 倍后穩定，而ρ（TP）上升后出現小幅下降，說明降雨對濟南市城區造成的污染主要來源為氮，而磷占比不高。 TN 未隨NH3-N 同步變化的原因與日均值變化趨勢原因相同。 8月11日全市平均降雨量148.9 mm，而辛豐莊斷面所在章丘區的降雨量為286.3 mm，大于全市約0.9 倍，大量的降雨引起地表徑流通過各支流流入小清河，加上同期上游來水與小清河原有水質互相混合，導致電導率下降幅度及DO 上升幅度明顯大于睦里莊斷面。

2.5 降雨對環境水質的影響時間討論

作為III 類本底斷面的睦里莊斷面水質較好，受降雨影響較敏感，降雨1 ～2 d 后污染物質量濃度出現較大激增，12日NH3-N，TP，TN 質量濃度日均值較11日分別升高4.7，1.4，2.8 倍，降雨結束5 d 后降至前期水平，但CODMn變化不顯著，上述結論與劉守城等[10]徑流初期各污染物濃度便達到峰值的研究相一致。 辛豐莊斷面降雨當天NH3-N，TP，TN 質量濃度出現小幅上升，較前1 d 分別上升0.53，0.24，0.06 倍，降雨完全結束1 d 后NH3-N，TP 降至前期水平；TN 質量濃度無明顯變化的原因是該斷面TN質量濃度長期處于較高水平，雨水對其稀釋沖刷作用有限，再加上雨水徑流中夾帶的多為NH3-N，硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、有機氮占比較低。

3 結論

（1）臺風過境期間的降雨對小清河水質造成一定影響，NH3-N，TP，TN，DO 質量濃度會升高，電導率會下降，CODMn質量濃度變化不顯著。睦里莊斷面CODMn，TP 質量濃度日均值均能達到地表水III 類標準，NH3-N，TN 超出III 類標準，最大超標倍數分別為0.45，6.17；辛豐莊斷面CODMn日均值均能達到地表水V 類標準，NH3-N，TP，TN 超出足III 類標準，最大超標倍數分別為1.14，0.28，3.44。

（2） 降雨量與CODMn質量濃度變化相關性較差，與NH3-N，TP，TN，DO 質量濃度變化呈現正相關，睦里莊斷面降雨后1 ～2 d 出現大幅升高，降雨結束5 d 后濃度降至前期水平；辛豐莊斷面降雨當天NH3-N，TP，TN日均質量濃度出現不顯著增長；降雨結束1 ～2 d 后NH3-N，TP 質量濃度降至前期水平，TN 質量濃度長期處于較高水平，變化不顯。隨著雨量的增大，電導率呈下降趨勢。

（3）降雨引起小清河水質變化的主要污染物為NH3-N，TP，首要污染物為NH3-N，引起上升的原因為： 部分支流黑臭水體晴天積蓄的污水隨雨水發生攪動并下泄至小清河；部分地區土壤中磷、氮離子含量較高，受降雨沖刷形成徑流排入小清河。