天津某住宅區(qū)降雨徑流顆粒粒徑分布及污染物賦存形態(tài)

謝尚宇，邱春生,2*，張 昱，王晨晨,2，王少坡,2，孫力平,2，趙樂軍，宋現(xiàn)財(cái)

1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384

2.天津城建大學(xué)，天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384

3.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300384

近年來隨著城市不透水下墊面的增加，降雨產(chǎn)生的面源污染成為城市地表水體污染的主要來源之一，其中，降雨徑流中顆粒污染物是城市水環(huán)境惡化的關(guān)鍵因素之一[1-2].懸浮顆粒物（suspended solids,SS）具有孔隙結(jié)構(gòu)和良好的吸附性能，是污染物的重要載體[3-6].顆粒粒徑分布對(duì)徑流中SS 的遷移能力[7]、污染物的組成和分布有重要影響，同時(shí)也是控制降雨徑流污染最佳管理措施（best management practices，BMPs）及雨水凈化利用設(shè)施設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[8].

降雨徑流中的SS 主要來源于大氣沉降、機(jī)械和道路磨損及人類活動(dòng)的釋放[9]，在屋面、路面等典型下墊面累積的SS 對(duì)污染物的吸附能力主要受顆粒粒徑分布的影響，而降雨徑流中SS 的組成和分布主要與天氣情況、交通密度以及下墊面材料等因素有關(guān)[10].有研究[11-12]對(duì)城市不同功能區(qū)地表降雨徑流SS 分布及過程變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，城市各功能區(qū)SS 分布和遷移輸出特征存在較大差異，顆粒態(tài)污染物是不同功能區(qū)徑流污染的重要輸出形態(tài)，也是其進(jìn)入受納水體的主要載體，同時(shí)不同粒徑的SS 隨地表徑流的遷移特征與污染物的相關(guān)性也存在一定差異.降雨期間去除徑流中的SS 是降低其污染負(fù)荷的有效途徑，SS 的含量和粒徑分布對(duì)徑流中污染物的遷移與轉(zhuǎn)化有重要影響，不同粒徑SS 對(duì)污染物的吸附情況存在顯著差別，進(jìn)而影響徑流污染程度.前期研究[13]顯示，徑流中顆粒粒徑分布對(duì)于有機(jī)物、氮和磷等污染物的濃度、形態(tài)有重要影響.此外，城市典型降雨徑流污染特征、顆粒粒徑分布以及污染物的賦存形態(tài)變化規(guī)律呈現(xiàn)明顯的地域性，住宅區(qū)是城市重要的功能區(qū)和人類活動(dòng)密集場(chǎng)所，該區(qū)域降雨徑流污染特征研究對(duì)面源污染控制和雨水凈化利用有重要意義.

該研究選取天津某住宅小區(qū)油氈屋面、塑鋼屋面、水泥瓦屋面和瀝青路面等典型下墊面為研究對(duì)象，考察了6 場(chǎng)降雨事件過程中不同下墊面降雨徑流中SS 的分布及過程變化特征，探討了不同下墊面主要污染物的賦存形態(tài)及隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律，以期為城市降雨徑流污染控制及雨水管理提供數(shù)據(jù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于天津市中心城區(qū)海綿城市建設(shè)解放南路試點(diǎn)區(qū)，其下墊面構(gòu)成以居住和公建為主（面積占比為66.7%），其次為道路（13.6%），綠地水域占比約10.2%，工業(yè)用地占比為9.5%.采樣點(diǎn)位于該區(qū)域某居民小區(qū)，小區(qū)內(nèi)屋面材質(zhì)為油氈、塑鋼和水泥瓦，路面為瀝青道路.

1.2 樣品采集

不同材質(zhì)屋面采樣位置為雨落管，瀝青路面采樣位置為路面雨水收集口，均采用人工時(shí)間間隔方式采樣.以徑流到達(dá)采樣口為第1 個(gè)水樣（0 min），在降雨前20 min 內(nèi)采樣間隔時(shí)間為5 min，20～60 min 內(nèi)采樣間隔時(shí)間為10 min，60～120 min 內(nèi)采樣間隔時(shí)間為30 min，在后期徑流水質(zhì)基本穩(wěn)定后，每隔1～4 h采1 次水樣，直至徑流結(jié)束.采集的水樣于4 ℃條件下保存，24 h 內(nèi)測(cè)定水質(zhì)指標(biāo).采樣期間使用翻斗式雨量計(jì)（SL3-1 型，天津巖思晟達(dá)科技有限公司）監(jiān)測(cè)降雨數(shù)據(jù)，表1 為6 場(chǎng)有效降雨事件基本特征.

1.3 樣品分析

徑流樣品SS、COD、TP、TN 和NH3-N 濃度均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[14]檢測(cè)，SS 粒徑采用馬爾文激光粒度分析儀（Mastersizer 3 000,Malvern,Britain）測(cè)定.降雨徑流中顆粒粒徑分布與污染物的關(guān)系采用逐級(jí)膜過濾法測(cè)定，在0、10、30 和60 min采集的4 組水樣分別過300、200、100 和50 μm 孔徑的尼龍篩網(wǎng)和10、0.45 μm 孔徑的水系微孔濾膜.過尼龍篩網(wǎng)和濾膜的各級(jí)SS 分別采用超純水清洗收集，最后定容到50 mL，分別測(cè)定COD、TP 和TN濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨徑流中SS 濃度

污染物濃度較高、變化波動(dòng)較大、相對(duì)不穩(wěn)定的初期降雨徑流為初期徑流，隨降雨時(shí)間的推移徑流逐步穩(wěn)定后為穩(wěn)態(tài)徑流[15].不同下墊面降雨徑流中SS濃度的變化如表2 所示，在相同降雨條件下，瀝青路面徑流SS 平均濃度為油氈屋面、塑鋼屋面和水泥瓦屋面徑流的1.61、1.84 和1.71 倍，這與徐宇婕等[16]的研究結(jié)果一致.3 種屋面中油氈屋面初期徑流SS 最高，而不同材質(zhì)屋面穩(wěn)態(tài)徑流的SS 濃度差別較小.不同下墊面降雨徑流中SS 濃度之間的獨(dú)立T檢驗(yàn)表明，瀝青路面徑流SS 濃度與油氈屋面（t=?5.546，P<0.05）、塑鋼屋面（t=?4.986，P<0.05）和水泥瓦屋面（t=?4.767，P<0.05）均有顯著差異，塑鋼屋面徑流SS 濃度明顯不同于油氈屋面（t=3.207，P<0.05），但與水泥瓦屋面相差較小.在初期徑流中，塑鋼屋面與油氈屋面的SS 濃度有顯著差異（t=3.68，P<0.05），塑鋼屋面與水泥瓦屋面徑流SS 濃度在初期徑流和穩(wěn)態(tài)徑流中均未顯示顯著差異.雖然4 種下墊面都可能受到相同來源大氣沉降的影響，但路面有來自人類活動(dòng)的影響，如車輛部件磨損和車身沖刷的SS，從而導(dǎo)致路面徑流中有更高的SS 濃度[17].路面徑流應(yīng)作為SS 去除的首要目標(biāo)，以減少進(jìn)入城市地表水體的污染物負(fù)荷.不同材料屋面初期徑流SS 濃度表明，在降雨事件的初期階段，由于受到陽(yáng)光照射、風(fēng)化等原因使屋面材料脫落而輸入到徑流中，導(dǎo)致初期徑流SS 濃度較高.

表2 不同下墊面徑流中的SS 濃度Table 2 Range of SS concentrations in runoff for different underlying surfaces mg/L

2.2 降雨徑流中SS 粒徑分布

不同下墊面降雨徑流中平均累積SS 粒徑分布如圖1 所示.4 種下墊面降雨徑流中SS 均呈現(xiàn)單峰分布特征，SS 粒徑峰值集中在70～200 μm，其中，油氈屋面、塑鋼屋面和水泥瓦屋面徑流中SS 粒徑在大于400 μm 的分布較瀝青路面波動(dòng)范圍大，且有小峰值出現(xiàn)，油氈屋面和塑鋼屋面徑流中SS 粒徑分布在400 μm 左右有凸躍的趨勢(shì).而油氈屋面SS 粒徑分布較塑鋼屋面和水泥瓦屋面波動(dòng)小，說明屋面降雨過程中大顆粒的遷移對(duì)粒徑分布影響較大.

圖1 不同下墊面徑流中平均累積SS 粒徑分布Fig.1 Average SS size distribution of accumulated particles in runoff for different underlying surfaces

獨(dú)立T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，同一降雨事件的D10（表示樣本累計(jì)顆粒粒徑分布達(dá)到10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑）、D50（表示樣本累計(jì)顆粒粒徑分布達(dá)到50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑）、D90（表示樣本累計(jì)顆粒粒徑分布達(dá)到90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑）和徑流中細(xì)顆粒（<75 μm）的占比在不同下墊面降雨徑流間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異.4 種下墊面降雨徑流中SS 的D10、D50、D90范圍和平均值，以及每種下墊面徑流中粒徑<75 μm 的細(xì)顆粒百分比如表3 所示.各下墊面徑流中SS 中值粒徑D50大小為油氈屋面>塑鋼屋面>水泥瓦屋面>瀝青路面，細(xì)顆粒在瀝青路面較多，這是因?yàn)闉r青路面累積的顆粒受到道路清掃、行駛車輛等的影響，而油氈屋面、塑鋼屋面和水泥瓦屋面累積的顆粒受人類影響因素較小.T檢驗(yàn)表明，瀝青路面徑流SS濃度與油氈屋面（t=?5.689，P<0.05）、塑鋼屋面（t=?6.033，P<0.05）和水泥瓦屋面（t=?4.548，P<0.05）之間均有顯著差異，與細(xì)顆粒百分比也有顯著差異（t=6.056，P<0.05）.油氈屋面與塑鋼屋面徑流的D10（t=4.547，P<0.05）、D90（t=?2.301，P<0.05）和細(xì)顆粒百分比（t=3.052，P<0.05）差異顯著.同樣，塑鋼屋面與水泥瓦屋面徑流的D10（t=?3.746，P<0.05）和細(xì)顆粒百分比（t=2.545，P<0.05）差異顯著.油氈屋面徑流與水泥瓦屋面徑流之間無顯著差異，在D50和D90上塑鋼屋面徑流與油氈屋面徑流和水泥瓦屋面徑流之間也沒有顯著差異.4 種下墊面因其材質(zhì)不同，導(dǎo)致降雨徑流中SS 粒徑占比不同，這與吳金羽[18]研究中下墊面降雨徑流中SS 受下墊面材質(zhì)影響的結(jié)果較一致.

表3 屋面和路面徑流中顆粒物粒徑統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary statistics for typical particle size distribution for roof and road runoff

將屋面和路面降雨徑流中SS 的中值粒徑分布與其他研究進(jìn)行了比較(見表4)，發(fā)現(xiàn)該研究瀝青路面降雨徑流SS 中值粒徑明顯低于前期研究結(jié)果，但是屋面徑流SS 中值粒徑高于前期文獻(xiàn)研究結(jié)果，可能是因?yàn)樵撗芯繀^(qū)域?yàn)槔吓f居民區(qū)，屋面下墊面受到風(fēng)化等原因而脫落造成的.

表4 與其他研究降雨徑流中的中值粒徑比較Table 4 Comparison with the median particle size in other studies of rainfall runoff

降雨徑流中SS 濃度和粒徑分布很大程度上取決于城市下墊面的類型[27-28].對(duì)不同下墊面降雨徑流中SS 進(jìn)行粒徑分析，粒徑分布如圖2 所示.由圖2 可知，瀝青路面徑流樣品中粒徑<10 μm 的SS 體積分?jǐn)?shù)在各下墊面中最大，最大值達(dá)15.21%.4 種下墊面徑流中10～50 μm 粒徑段的SS 占比均最大，在油氈屋面、塑鋼屋面、水泥瓦屋面和瀝青路面徑流中占比分別為30.95%、25.53%、30.41%和50.47%，各下墊面徑流中>300 μm 粒徑的顆粒體積分?jǐn)?shù)（5%左右）均最小.4 種下墊面徑流中SS 粒徑主要集中在10～200 μm，小粒徑（<100 μm）SS 占比最大，分別為66.16%、56.15%、62.76%和84.77%.

圖2 不同下墊面徑流中顆粒物粒徑分布Fig.2 Particle size distribution in runoff for different underlying surfaces

對(duì)于大粒徑（>100 μm）SS，其在瀝青路面降雨徑流中占比（約15.23%）最低，在油氈屋面、塑鋼屋面和水泥瓦屋面占比分別為39.25%、38.43%和32.24%.有研究[29]表明，屋面下墊面類型對(duì)顆粒粒徑分布的影響可能主要是因?yàn)椴馁|(zhì)風(fēng)化程度的不同，而路面清掃對(duì)粒徑>250 μm 的SS 去除效果較好，對(duì)小粒徑SS掃除效率較為有限，因此，進(jìn)入瀝青路面地表徑流中的大粒徑SS 絕大部分小于250 μm，4 種下墊面徑流中SS 的粒徑主要小于200 μm，特別是10～50 μm 粒徑范圍的SS 在城市降雨徑流特征研究及后續(xù)凈化處理過程中要特別予以關(guān)注.

2.3 徑流中污染物濃度與SS 的相關(guān)性

6 場(chǎng)降雨徑流中SS 與其他污染物濃度的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果如表5 所示.徑流污染物中SS 濃度與COD 和TP 的濃度均高度相關(guān)，瀝青路面徑流污染物間的相關(guān)性較屋面降雨徑流強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.934 和0.845，油氈屋面、塑鋼屋面和水泥瓦屋面徑流中SS 與COD 和TP 的濃度相關(guān)性均在0.8 以上；油氈屋面徑流中SS 與NH3-N 的濃度中度相關(guān)，其余各下墊面徑流中SS 與TN 和NH3-N 濃度的相關(guān)系數(shù)在0.30～0.39 之間，相關(guān)性較低.張香麗等[5]對(duì)城市不同硬化下墊面雨水徑流中SS 與其他污染物的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，SS 與COD、TP、TN 和NH3-N 濃度之間的相關(guān)性分別為0.81、0.72、0.26 和0.29，其中SS與COD 和TP 的濃度相關(guān)性較高.筆者研究表明，SS是降雨徑流污染的主要污染物，并且是COD 和TP污染物的主要載體.

表5 徑流污染物濃度的Pearson 相關(guān)性Table 5 Relationships between runoff pollutant

2.4 降雨徑流中不同粒徑分布下污染物的賦存

污染物形態(tài)與顆粒存在密切關(guān)系，為進(jìn)一步明確污染物與不同粒徑SS 之間的關(guān)系，有必要對(duì)城市不同下墊面降雨徑流中主要污染物的賦存形態(tài)進(jìn)行分析.基于6 場(chǎng)降雨事件污染物平均濃度分析了隨降雨歷時(shí)的推移4 種下墊面降雨徑流中污染物與不同粒徑SS 之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3～5 所示.

圖3 降雨徑流中COD 在顆粒物粒徑上的分布Fig.3 Distribution of COD in particle size of rainfall runoff

圖4 不同下墊面降雨徑流中TP 在顆粒物粒徑上的分布Fig.4 Distribution of TP in particle size of rainfall runoff

圖5 降雨徑流中TN 在顆粒物粒徑上的分布Fig.5 Distribution of TN in particle size of rainfall runoff

降雨徑流中COD 和TP 主要以顆粒態(tài)（>0.45 μm）形式存在，這與武俊良等[13,30]對(duì)城市典型屋面與路面徑流的研究結(jié)果類似.徑流中顆粒態(tài)COD 占比超過90%，附著于粒徑>300 μm SS 上的COD 占比超過30%，在10～50 μm 粒徑范圍SS 上的COD 占比為14%～17%.瀝青路面降雨徑流中COD 附著于大粒徑（>100 μm）顆粒的占比較大，約為58%.油氈、塑鋼和水泥瓦屋面降雨徑流中附著在較小粒徑（10～50 μm）SS 上的COD 較瀝青路面更高.隨降雨歷時(shí)的推移，不同下墊面徑流中溶解態(tài)COD 占比逐漸減小，而附著于粒徑>300 μm SS 上的COD 占比逐漸增大.與COD 類似，TP 在降雨徑流中也主要附著于SS 上，顆粒態(tài)TP 占比約為95%；附著于粒徑>300 μm SS 上的TP 占比超過35%.油氈、塑鋼和水泥瓦屋面降雨徑流中附著于10～50 μm 粒徑SS 上的TP 比瀝青路面高，水泥瓦屋面和瀝青路面降雨徑流中溶解態(tài)的TP 較油氈和塑鋼屋面占比高.TN 在各下墊面降雨徑流溶解態(tài)占比遠(yuǎn)高于COD 和TP，為56%～65%，附著于粒徑>300 μm SS 上的TN 占比為8%～16%，附著在粒徑為0.45～10 μm SS 上的TN 占比為4%～11%，附著在粒徑范圍為10～50 μm 和50～100 μm SS 上的TN 占 比為5%～7%，附著在粒徑>100 μm SS 上的TN 占比為12%～30%，隨降雨歷時(shí)的推移，降雨徑流中TN 占比有增大的趨勢(shì).已有研究結(jié)果[31-33]也顯示，降雨徑流中TN 主要以溶解態(tài)形式存在.同時(shí)對(duì)比降雨在0、10、30 和60 min 不同下墊面徑流中污染物與顆粒粒徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)COD、氮和磷等營(yíng)養(yǎng)鹽在顆粒物上的分布狀態(tài)不隨降雨事件條件（前期晴天數(shù)、降雨量等）而發(fā)生較大改變.

3 結(jié)論

a) 瀝青路面降雨徑流SS 濃度顯著高于屋面徑流，不同下墊面降雨徑流中SS 濃度在統(tǒng)計(jì)上有顯著差異.

b) 不同下墊面降雨徑流中顆粒粒徑峰值集中在70～200 μm，屋面降雨徑流中粒徑分布受大顆粒影響較大；路面徑流在各降雨時(shí)段粒徑分布相差較小.屋面徑流中值粒徑遠(yuǎn)超路面降雨徑流，各下墊面徑流中顆粒粒徑在10～50 μm 上占比最大，且各下墊面徑流SS 表現(xiàn)出相似的粒徑分布.

c) 徑流中SS 濃度與TP 和COD 濃度的相關(guān)性較強(qiáng)，與氮營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)相關(guān)性較弱，SS 是TP 和COD 的主要載體，針對(duì)城市徑流中顆粒粒徑的特征應(yīng)選擇去除SS 的合理方法.

d) 降雨徑流中TP 和COD 主要吸附在SS 上，而TN 主要以溶解態(tài)存在，且隨降雨歷時(shí)的推移在SS上的占比基本相同，說明徑流中TP 和COD 主要以顆粒態(tài)形式排放，TN 主要以溶解態(tài)形式排放.