多級雨水塘徑流污染特征及底泥氮、磷污染風險評價研究

雷曉玲 韓程遠 魏澤軍 楊程 李璐

關鍵詞：海綿城市；多級雨水塘；污染特征；底泥風險評價

前言

隨著城市化的不斷發展，不透水下墊面急劇增加，雨水徑流對受納水體的生態系統產生擾動。雨水塘可以有效的減緩雨水徑流對于城市的影響，雨水塘在雨水徑流削峰調蓄、污染物控制及水體景觀游憩、地下水涵養、動物水生棲息等海綿功能、生態服務等方面的獨特作用在海綿城市建設過程中廣泛應用。并在雨水徑流管控方面取得了良好的效果。多級雨水塘在雨水調節、污染物凈化和城市水體景觀營造方面作用更為突出。由于雨水塘水源主要來自上游徑流，其塘內水體及底部沉積物受其所服務范圍內環境情況、管網接納等影響，同時其水體長期暴露在人類活動下，從而具有生態脆弱性和易損性，圍繞雨水塘在降雨期間，因降雨及上游來水的首批海綿城市建設示范城市重慶市悅來新城內某二級雨水塘（兩個雨水塘串聯）和三級雨水塘（三個雨水塘串聯）為研究對象，實地取樣監測其在降雨期間和降雨后塘內水體水質變化，評估其底泥中營養元素氮、磷含量、變化及存在生態風險，以期為中國海綿城市建設中雨水塘的管理提供參考。

1材料和方法

1.1現場采樣

重慶悅來國博中心位于重慶市渝北區如圖l所示，地勢東高西低，南高北低，區域內地勢起伏較大，海拔高程在170m～400m之間，為典型的山地特征。所在地區常年的降雨量在1200mm～1300mm范圍內變化，降雨主要集中在6-8月份。本次研究對象位于國博中心區域。二級雨水塘（經度106.5345，緯度29.7156）分為1號和2號，三級雨水塘（經度106.5402，緯度29.7218）分為1號、2號、3號。采樣時間為6-12月，水質取樣為降雨時和降雨5天后，取樣水層為水面下10～30cm，底泥取樣層為水層往下0～10cm。監測期間塘內水體pH在6.83～7.98，水溫31.2℃～12.5℃，夏季溶氧4～6mg/L冬季4～8mg/L。

1.2監測項目與評價方法

水樣監測指標為溫度、溶解氧（DO）、pH、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD.r）、氨氮（NH3-N），水質監測方法依據《水和廢水監測分析方法》（第四版）中規定方法。底泥全氮（TN）、全磷（TP）監測方法參考《湖泊沉積物水界面過程基本理論與常用測定方法》。通過綜合污染指數法對底泥中氮磷的污染風險進行評價，底泥有機質含量均為健康狀態不作為文章主要研究內容。

2結果與分析

2.1雨水塘降雨前后污染物變化

在6月-12月期間，受降雨不確定性影響，跟蹤取樣7場次降雨，7次取樣水質均值作圖，如圖2所示雨水塘降雨前后污染物變化情況，降雨時和降雨后5日雨水塘的COD濃度分別在4～54mg/L、13～57mg/L的范圍變化，二級雨水塘和三級雨水塘CODfr降雨時的平均濃度分別為17.6mg/L、27.5mg/L，降雨后5日的平均濃度分別為26.48mg/L、32.32mg/L，雨后5日水體COD。指標四類水和五類水占比分別為17.1%、22.9%。在降雨后5日監測過程中雨水塘的COD。出現了上升，二級雨水塘下部降雨后CODr的污染程度要大于上部分。三級雨水塘1、2、3號塘在幾次降雨過程中COD濃度均表現出下降如圖2（a）所示。監測期間COD含量在雨水塘內呈動態變化，夏季水溫較高日寸，水體內的COD含量變化幅度明顯大于冬季，表明溫度對塘內有機物的釋放、遷移有較大影響。

雨水塘降雨前后總磷變化如圖2（b）所示，監測期內多級雨水塘的TP在0.02～0.24mg/L的范圍變化，總體看降雨5日后，總磷濃度低于降雨前，雨水塘內以磷沉降為主。在降雨期間，雨水塘TP的濃度范圍為0.02～0.24mg/L．二級塘和三級塘平均濃度分別為0.08mg/L、0.09mg/L，其中三類水占比54%，四類水占比31.4%，五類水占比8.6%（雨水塘接近封閉水域，按湖庫標準）。降雨后5日，雨水塘TP的濃度范圍為0.02～0.23mg/L，二級塘三級塘平均濃度分別為0.05mg/L、0.089mg/L，其中總磷指標三、四、五類水分別占比48.6%、22.8%、8.6%。從多次監測數據看，夏季總磷數據變化更為顯著，且三級雨水塘的總磷濃度波動較大。

多級雨水塘降雨前后氮素情況如圖2（c）、圖2（d）所示，監測期內，其中NH3-N在0.08～0.54mg/L的范圍內變化，TN在0.2～2.4mg/L的范圍變化。二級雨水塘和三級雨水塘NH-N降雨時的平均濃度分別為0.18mg/L、0.35mg/L，降雨后5日的平均濃度分別為0.12mg/L、0.24mg/L。TN降雨時的平均濃度分別為0.92mg/L、1.04mg/L，降雨后5日的平均濃度分別為0.71mg/L、0.99mg/L。降雨后5日水體TN指標四類水占比11.4%五類水占比11.4%。

蔣榮廷監測悅來新城雨水徑流結果表明，初期雨水徑流COD、TN、TP濃度分別為79～119mg/L、4.48～7.18mg/L、0.28～0.34mg/L，中后期徑流分別為42～67mg/L、2.65～3.86mg/L、0.10～0.31mg/L。雨水塘一般采用截留井模式進行雨水調蓄即小于設計截留量的雨水通過截留井進入雨水塘，超過設計截留量部分通過雨水管道排人下游，因此初期雨水一般是進入雨水塘且是雨水塘的主要補水來源；通過降雨期間對雨水塘水體監測發現，本次研究雨水塘設計截留雨量為4mm，水質在降雨期間污染物濃度并未顯著升高，表明雨水塘在降雨中受到上游地表徑流的沖擊時，塘內水環境容量可以有效緩沖上游徑流污染物的瞬時高負荷沖擊，且在降雨后5日水體水質均有一定程度提高，降雨期間的四、五類水占比分別由20%、22.9%提高到22.8%、25.7%。

2.2雨水塘底泥氮磷污染現狀

如圖3、圖4所示多級雨水塘在7個月的時間內，底泥全氮和全磷的含量變化趨勢，總體看，底泥全氮呈下降趨勢，全磷呈逐漸上升趨勢。氮含量在雨季最高（6-7月）達到750～929mg/kg，到監測后期（12月）全氮含量在220～450mg/kg，主要原因是雨季雨水塘接納上游雨水徑流頻次高，氮輸入量大于自凈量，是外源凈輸入階段；雨季后，外源輸入減少，氮在底泥中發生硝化、反硝化自凈過程，產生氮氣從底泥中逸出系統。底泥全磷則從監測初期的157～283mg/kg到監測后期269～342mg/kg，磷素的變化整體以積累為主，監測期間各塘累積量分別達到了58～112mg/kg。尹宇瑩等對洞庭湖表層沉積物中TN、TP的測定顯示，范圍介于576～1526mg/kg.482～982mg/kg，楊蘭琴等對北運河流域中壩河底泥TN、TP的測定顯示，范圍介于431～3473mg/kg、425～1124mg/kg。由此可推測一般情況下多級雨水塘的底泥氮磷總量均小于一些湖泊、水庫以及受污染河道的底泥中氮磷的含量。

2.3底泥生態風險評價

采用綜合污染指數法評價二級和三級雨水塘底泥中氮、磷污染程度。計算公式如下：

沉積物單項和綜合污染指數會受到氮和磷評價基準值影響，不同基準值下單項污染指數不同。目前常用的沉積物氮磷評價基準值有加拿大基準值、美國沉積物基準值。和中國東部典型湖泊沉積物氮磷基準值。文章以美國沉積物基準值（1000mg/kg和420mg/kg）作為氮磷污染評價的基準值，評價結果見表2。

經綜合污染等級計算得出，二級雨水塘底泥氮素和磷素的污染評價都屬于清潔狀態，而三級雨水塘底泥氮素污染評價為清潔狀態，磷素的污染評價為輕度污染。綜合污染指數由大到小排序為三級雨水塘（中）>三級雨水塘（上）>三級雨水塘（下）>二級雨水塘（上）>二級雨水塘（下）。總體來說，雨水塘底泥的氮、磷元素整體處于清潔和尚清潔之間，且悅來國博中心的多級雨水塘已運行5年，尚未受到較為嚴重的污染，表明雨水塘在雨水調蓄和凈化方面表現出較強的適應性。

3結論

設計雨水截留量為4mm時，二、三級雨水塘能有效緩沖初期雨水徑流帶來的污染負荷沖擊，降雨期各塘水體有機物（COD.r）、氮、磷（氨氮、總氮、總磷）濃度范圍分別為4～57mg/L、0.08～0.54mg/L、0.2～2.4mg/L、0.02～0.24mg/L，四、五類水比例為23%、25.7%。運行5年的雨水塘底泥全氮、全磷含量分別為220～979mg/kg、157～342mg/kg，氮素在雨季含量達到最高，雨季后逐漸降低，磷則表現為逐漸積累。綜合污染指數法對底泥中氮、磷污染風險評價顯示，除了三級雨水塘底泥磷污染處于輕度污染外，其余各塘整體處于尚清潔和清潔狀態。