城市降雨及雨水徑流對河道水質的影響

李 昂， 劉加強， 劉 超， 葛松健

(徐州工程學院 環境工程學院， 江蘇 徐州 221111)

城市地表徑流是第二大水體面污染源，也是第二大城市水環境污染源[1]。美國國家環境保護局(USEPA)在對河流水質的監測中發現，非點源污染貢獻了約2/3的污染負荷[2]。城市非點源污染已成為引發河流湖泊水質下降的第三大污染源[3]。降雨對大氣污染物的淋洗及其對地表污染物的沖刷，使得大量生物可降解及非生物降解的耗氧物質流入水體[4]，導致水體中的氧氣快速消耗，進而影響魚類等水生物的生存，同時產生甲烷、硫化氫、氨等難聞物質，對水生態系統產生嚴重影響。筆者對徐州市某開發區2021年的三場典型降雨、雨水徑流及河道水質進行了分析，考察雨水徑流對河道水質的影響，以期為河道水質提升提供依據。

1 研究方法

1.1 取樣地點

徐州位于華北平原東南部，屬溫帶季風氣候，年均降水量為800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。地形以平原為主，地勢整體由西北向東南降低，平均坡度為1/7 000～1/8 000。選取開發區某商業街、某學校及位于商業街與學校之間的某河道上下游等4處取樣地，特點見表1。

表1 取樣地和下墊面特點Tab.1 Characteristics of sampling site and underlying surface

1.2 取樣方法與要求

① 取樣地出現徑流后即開始采樣，初期15 min內采樣間隔為5 min，不少于3個水樣。

② 中期采樣間隔為10 min，不少于1個水樣。

③ 后期采樣間隔為30 min，最后1個水樣以無徑流時結束。

降雨0 min即開始采集雨水，此后每間隔30 min采樣1次；在此過程中若出現降雨突增狀況，加增1個水樣；若降雨時間較長，取樣控制在8個以內。若降雨歷時較短，適當減少采樣數量，但一般不少于5個。采樣結束后及時將樣品置于4 ℃冰箱中保存，并在48 h內完成檢測。

1.3 監測指標和檢測方法

試驗分別采集三場降雨時的天然雨水以及取樣地1、2處的路面、屋面徑流與河道上、下游水樣，根據《水和廢水監測分析方法》[5]，采用重鉻酸鉀法檢測COD，采用重量法檢測SS。

2 結果和分析

2.1 降雨水質分析

試驗選取三場典型降雨時的天然雨水進行檢測，三次降雨前的干旱天數分別為5，10和7 d。降雨水質監測數據見表2。

表2 降雨水質Tab.2 Quality of rainfall mg·L-1

由表2可以看出，第二場降雨的各指標值普遍高于第一場和第三場降雨。這是因為降雨前的干旱天數會影響污染物的累積量，從而影響雨水徑流所攜帶的污染物的量，反映為測量結果存在差異。雨水中可沉降物的初值與前次降雨發生的時間間隔有明顯關系[6]，間隔越長，初值越大，這也從一定程度上說明污染物的來源是粉塵積累[7]。

2.2 雨水徑流污染特性分析

試驗分別采集三場降雨時2處取樣地的路面和屋面徑流水樣，各采樣點降雨徑流水質情況如表3和圖1所示。

表3 三場降雨徑流雨水水質監測數據Tab.3 Monitoring datas of rainfall runoff water quality in three rainfall events mg·L-1

續表3 (Continue) mg·L-1

由表3和圖1可以看出，2個取樣地在三場典型降雨中的路面雨水徑流的CODCr和SS濃度均比屋面雨水徑流高，這主要與下墊面條件的不同有關[8]。取樣地1、2的屋面雨水徑流在初期由于受到輕度污染水質較差，而后期徑流一般水質良好；路面雨水徑流則由于受機動車輛輪胎和剎車墊磨損、道路表面磨損以及腐蝕產物等諸多不穩定因素的影響，水質較差。有研究表明，屋面的初期雨水徑流污染最為嚴重，水體較混濁，各指標濃度在雨季后期徑流較前期降低較為明顯，徑流中各指標濃度變化主要受降雨量、降雨強度、屋面材料、季節和氣溫等因素影響[9]；路面的雨水徑流則含有大量的金屬、橡膠和燃油等污染物質，污染物隨徑流的遷移受降雨特性、交通流量、道路周圍土地利用類型及環境特征等多種因素的綜合影響，交通流量與顆粒態污染物的濃度呈較好的正相關性，且道路周圍若有餐飲、娛樂廢水排入、人流車流量大、污染物來源復雜等情況，路面徑流污染程度則較高[10]。

圖1 三場降雨各采樣點徑流雨水水質對比Fig.1 Comparison of runoff and rainwater quality at each sampling point of three rainfall events

不同取樣地的污染物濃度差異較為明顯。與取樣地2相比，取樣地1的路面和屋面雨水徑流的COD濃度均相應較高，SS濃度相應較低。這說明雨水徑流的污染物濃度與下墊面特性、人車流量以及管理水平等因素有關。研究所選的取樣地1位于商業區，附近存在生活污水以及人員、車輛流動的情況，同時也與一些不確定因素相關，例如風向等；而取樣地2位于學校附近，周邊多以道路、綠地為主，除上學、放學期間外，人員車輛流動較少，產生的污染物也較少。有研究表明，與其他下墊面相比，綠地徑流水體的大部分污染指標都低于其他下墊面，說明綠地對降雨徑流有凈化作用[11-12]。

進一步分析發現，三場降雨中取樣點1、2的路面和屋面雨水徑流的CODCr、SS濃度多以第二場降雨時為最高，其次是第三場降雨，第一場雨水徑流污染物含量相對最低，原因可能與降雨前的干旱天數有關，干旱天數越長導致累積的污染物量越多。而取樣地1、2在三場降雨時的路面、屋頂雨水徑流水質指標值波動范圍較大，這主要是由于降雨初期雨量較少，產生的徑流量小，但攜帶了大量污染物，導致污染物濃度較高；隨著降雨的持續，雨量增大、污染物減少，濃度開始呈下降趨勢。降雨臨近結束，雨量減小，徑流變小，污染物濃度有少許回升。汪明明[11]在對北京城區降雨徑流水質的分析中也發現降雨初期的路面徑流雨水水質較差，但經長歷時降雨后，路面雨水徑流水質和屋面相差不多，差別較大的是濁度。需要說明的是，第三場降雨路面徑流雨水SS含量波動較大，這可能與采樣時取樣地2周圍正在施工有關。

2.3 降雨前后河道水質污染特性分析

為進一步分析雨水徑流對河道水質的影響，試驗同時采集三場降雨前后河道上、下游水樣進行檢測，水質見表4和圖2。

從表4和圖2可以看出，降雨前河道下游水質略優于河道上游，這應該是由于河水從上游到下游經歷了一段河道的沉淀，減少了水中的固體懸浮物，同時存在水體的自凈等作用；三場降雨前后的河道水質變化有所差別，原因應該在于天然雨水對河流水質的稀釋作用使污染物濃度降低，而降雨量小、雨水徑流污染物含量高，可能造成河水中CODCr濃度升高，降雨及雨水徑流可攪動河水且降雨和徑流中均含有一定濃度的SS等可導致SS濃度升高，這從一定程度上表明降雨后河道水質與降雨強度、天然雨水水質以及徑流量與降雨量比值等因素有關；降雨后河道下游水質變化更為明顯，說明徑流雨水對河道水質有明顯影響。

表4 三場典型降雨前后河道水質監測數據Tab.4 River water quality monitoring data before and after three typical rainfall events mg·L-1

圖2 三場降雨前后河道上下游水質Fig.2 Water quality of upper and lower reaches of river before and after three rainfall events

3 控制措施

為了解決河道面源污染問題，首先需要對面源污染來源進行研究和削減。研究發現，降雨在一定程度上影響著地表水體所含污染物的濃度，影響因素主要包括降雨特征與下墊面特征等，而市政清掃頻率及衛生管理等人為因素也影響很大。因此，單靠河道治理以改善水環境是不夠的，而采取有效措施收集、處理徑流雨水，對于提升地表水環境質量具有重要意義。德國一般將來自不同下墊面的降雨徑流分別收集處理并加以利用；王博等[13]對某小區采集到的雨水進行檢測，結果表明屋頂收集到的雨水經簡單處理后各項水質指標能滿足灌溉及地表水水質要求，這也為城市雨水收集利用的推廣提供了依據；而一些低影響開發技術，如生物滯留(bio-retention)[14]、綠色屋頂(green roof)[15]、可滲透/漏路面鋪裝系統(peameable/porous pavement system，PPS)等措施，通過在源頭、傳輸路徑、末端等環節采用多種分散式的技術措施蓄滯、緩流、滲透、凈化、回用雨水，已達到就地消納，減少徑流產生的目的[16-17]。

4 結論

雨水徑流污染是城市面源污染的主要形式，而天然降雨水質、下墊面特征等因素均會對雨水徑流水質產生影響。

① 降雨前的干旱天數會影響污染物的累積量，干旱天數越長，天然雨水及徑流所含污染物濃度越高。

② 徑流雨水污染指標波動性較大，初期雨水徑流水質較差。

③ 與屋面徑流相比，路面徑流雨水水質較差；以學校、道路、綠地為主的徑流雨水比來自商業街、居民區為主的混凝土路面和不透水屋面的徑流雨水水質好。

④ 河流水質受降雨及雨水徑流影響較為明顯，盡管降雨期間河道污染物濃度有降低現象，但仍需關注污染物量的輸入和累積效應。