城市降雨径流水质污染探讨

吴慧芳，陈卫
（南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏南京　210009）

　　摘　要：阐述了城市降雨径流污染的来源、种类、特征、危害及径流量和径流污染负荷的计算方法，并对城市居住小区的径流水质进行了测定和分析，为城市降雨径流资源的利用奠定了基础。
　　关键词：降雨；城市径流；污染负荷；水质
　　中图分类号：TU991.11
　　文献标识码：B
　　文章编号：1000-4602(2002)12-0025-03

1　城市降雨径流污染特征

　　一般来说，城市径流中的污染物来自三个方面：降水、地表和下水道系统。降水中的污染物主要由两类组成，一类是降水污染物背景值，另一类是降水淋洗大气污染物；地表污染物是径流污染物的主要部分；下水道系统对城市径流水质的影响主要是排水系统中的沉积物及漫 溢的污水。
　　城市径流一般可以分为街道径流、庭院径流和屋面径流三种。法国M.C.Gromaire?Mertz等人^［1、2］对法国巴黎的城市径流污染特征进行了研究(见表1)。 表1　屋面径流、庭院径流和街 道径流的污染物浓度 测试项目 屋面径流 庭院径流 街道径流 最小值 最大值 中值 最小值 最大值 中值 最小值 最大值 中值 SS(mg/L) 3 304 29 22 490 74 49 498 92.5 COD(mg/L) 5 318 31 34 580 95 48 964 131 BOD₅(mg/L) 1 27 4 9 143 17 15 141 36 碳氢化合物(μg/L) 37 823 108 125 216 161 115 4032 508 Cd(μg/L) 0.1 32 1.3 0.2 1.3 0.8 0.3 1.8 0.6 Cu(μg/L) 3 247 37 13 50 23 27 191 61 Pb(μg/L) 16 2764 493 49 225 107 71 523 133 Zn(μg/L) 802 38061 3422 57 1359 563 246 3839 550

　　表1表明，街道径流污染物浓度最高，占总径流污染物负荷的40%～70%(重金属、碳氢化合物除外)；屋面径流污染物浓度最低，占总径流污染物负荷的10%～40%(重金属、碳氢化合物除外)；
　　屋面径流中ＳＳ和COD浓度较低，街道径流和庭院径流中SS和COD浓度较高，各种径流中BOD₅浓度都较低；街道径流中碳氢化合物浓度较高，这与街道的交通量和交通工具排放的尾气有直接关系。屋面径流中Pb、Zn等金属浓度较高(占总径流污染物负荷的80%以上)，这与屋面材料、屋面雨水集流系统材料采用Pb、Zn、Cu等金属材料有关。
　　在街道和庭院径流中固体污染物居多，而在屋面径流中溶解污染物多，而且大量的重金属呈溶解态。通过沉淀或过滤可以去除固体颗粒物和大部分铅，但是去除锌、铜和镉效果不明显。
　　Allen P.Davisd^［3］等人的研究表明，城市径流中的Pb主要来源于含铅涂料油漆，负荷率约为0.069kg/(hm²·a)；Cu主要来源于汽车制动瓦片和建筑防腐材料，负荷率约为0.038kg/(hm²·a)；Zn主要来源于屋面材料和轮胎磨损，负荷率约为0.646kg/(hm²·a)；Cd主要来源于大气沉降和建筑物外墙材料，负荷率约为0.0012kg/(hm²·a)。
　　德国Jürgen Frster^［4］研究了空间和季节对屋面径流中大离子和有机痕量污染物浓度的影响，指出屋面径流中的大离子污染物(如铵、铬和钙等)的含量主要取决于屋面材料和该地的污染源；一般来说，径流中的有机污染物(AOX、PAH等)浓度冬季大于夏季，主要是由于冬季为了取暖而增加了化石燃料(特别是煤)的消耗量。化石燃料的不完全燃烧是产生有机污染物(特别是PAH)的主要原因^［5］，而径流中卤代烃类有机污染物(AOX)浓度的变化不能归因于单个污染物。
　　Jürgen Frster^［6］认为影响屋面径流污染和污染物浓度变化的主要因素为：本地的污染源(如冬季取暖焚烧生物质燃料等)、屋面材料(锌材等)、空气污染(干沉降)、降雨情况(降雨强度、降雨时间间隔)、气象学因素(季节、风速、风向)和污染物的物理化学特性等。

2　城市径流的污染负荷

　　 ①?EMC(Event Mean Concentration)
　　由于在一场降雨过程中，各种污染物浓度随时间的变化而发生变化，在估计污染负荷时，美国一般采用单场降雨污染物平均浓度(EMC)来表示径流污染物浓度^［4］。EMC是单场降雨中单位质量径流中所含污染物组分的平均浓度，其值等于单场降雨径流中的总污染物质量除以总径流量，即：

　　　　　?EMC=∑QiCi/∑Qi　　　(1)

　　式中?Qi——i时段内的径流流量，m³/h?
　　　　?Ci——i时段内的径流量中所含的某种污染物浓度，mg/L

　　　　　　L=Au·dr·EMC　　　　　　(2)?

　　式中?L——某种污染物负荷，mg
　　　　?Au——径流面积，hm²
　　　　?dr——径流深度，mm
　　②城市径流污染负荷与径流量的关系?
　　在降雨和径流过程中污染物质量负荷具有非点源的特点，城市径流污染负荷与径流量的关系可用下式表示：?

?　　　　　　　L/A=α(Q/A)^β　　　　(3)?

　　式中?L——污染物质量负荷率，kg/h?
　　　　?A——径流面积，hm²
　　　　?Q——径流量，m³/h
　　　　?α、β——回归系数，α表示基本的污染负荷，β表示相对于该场降雨的径流情况
　　对于不同的地区、工业结构、人口密度和生活水平等因素，可以通过测定L、A与Q的值，作lg(L/A)—lg(Q/A)图，求出斜率β和截距lgα，从而得到回归系数α与β。对于BOD₅、SS、NO₃^--N、Pb和Fe，β一般为1.0～2.0；对于TKN和PO₄^3--P，β一般小于1.0。这是估计径流污染物负荷最简单有效的一种方法。韩国Jun Ho Lee^［5］对Taejon和Chongjun两个城市的9个地区的α、β值进行了测定，其结果见表2。

表2　韩国城市Tae jon和Chong jun的各种污染物回归系数 测定项目 工业区 居民区 α β γ N α β γ N BOD₅ 0.060 1.07 0.94 319 0.059 1.11 0.93 128 COD 0.175 0.92 0.88 319 0.130 1.12 0.91 128 SS 0.061 1.06 0.86 319 0.039 1.55 0.91 128 TKN 0.007 0.74 0.81 319 0.0011 0.94 0.83 128 NO₃-N 0.0005 1.12 0.79 319 0.002 1.37 0.85 128 PO₄^3--P 0.0015 0.89 0.75 319 0.005 0.88 0.86 128 TP 0.0024 0.99 0.82 319 0.007 1.03 0.96 128 正己烷提取物 0.0037 0.81 0.74 319 0.043 1.396 0.88 98 Pb 0.0002 0.89 0.83 319 0.003 1.06 0.93 34 Fe 　 　 　 319 0.0014 1.37 0.92 34 注：α、β为回归系数，γ为相关系数，N为样本数。

　　③污染物单位负荷率
　　污染物单位负荷率可以用下式计算：?

　　L=K×C_i×ΔQ_i×Δt_i×R/(∑Δt_i×A_i×I_i］　 (4)

　　式中?L——单位污染物负荷率，kg/(hm²·a)
　　　　?K ——换算常数，10^-3
　　　　?C_i——∑Δti时段内污染物平均浓度，mg/L?
　　　　　ΔQ_i——Δti时段内径流量，m³/h
　　　　　∑Δt_i——降雨历时，h
　　　　?R——年总降雨量，mm/a
　　　　?A_i——径流面积，hm²
　　　　?I_i——降雨强度，mm/h
　　一般来说，各区域按污染单位负荷率由大到小依次排序为：高人口密度居住区、低人口密度居住区、工业区、不发达地区。?

3　居住小区径流的水质特征

　　由于我国新建的城市居住小区内的地面以混凝土和绿地为主，屋面以混凝土与瓦屋面为主，且小区机动车辆较少，因而径流水质情况相对较好，收集后经过适当处理就可利用。对城市居住小区径流的采样时间是夏初，时值梅雨季节。采样点选择在地处城市中心区域的某高校校区，采样点分布情况及测定结果见表3。

表3　采样点分布情况及径流水质 采样地点 径流面特征 清扫情况 pH 浊度(NTU) 溶解性固体(mg/L) 悬浮固体(mg/L) NH₄⁺-N(mg/L) COD(mg/L) 教学楼屋面 水泥平顶 无人清扫 6.72 26.2 1 280 435 0.3 66. 87 实验楼屋面 水泥平顶 有人清扫 6.68 7.5 956 210 0.1 46 .79 体育馆屋面 泥瓦斜坡 无人清扫 6.62 18.7 1 078 380 0.3 36.75 主教学楼前地面 水泥地面 有人清扫 6.60 17.4 1120 180 0.2 31.73 平均值 　 　 6.66 17.4 1109 301 0.23 45.54

　　从表3可知，实验楼屋面水质比其他采样点好，而教学楼屋面径流水质明显比其他地方要差，这是因为实验楼距离交通主干道最远，周围的大气环境较好且有人定期清扫，而教学楼屋面无人清扫且地处交通主干道边。?

4　结论

　　①城市径流中的污染物主要来自降水、地表和下水道系统，其中地表污染物是径流污染物的主要组成部分。
　　②城市径流一般可以分为街道径流、庭院径流和屋面径流，其中街道径流污染物浓度最高，屋面径流污染物浓度最低。由于建筑物屋面及屋面集水材料采用Pb、Zn、Cu等材料而 使屋面径流中的金属元素浓度较高。
　　③城市径流污染负荷表示方法有三种：EMC(单场降雨污染物平均浓度)；城市径流污染负荷与径流量的关系式［L/A=α(Q/A)β］；污染物单位负荷率。
　　④在清扫情况、径流面材料等条件相同时，城市住宅小区径流污染程度主要与周围大气环境有关，小区内的雨水径流经过适当处理就可以成为中水或杂用水。

参考文献：

?　［1］Gromaire?Mertz MC.Characterization of urban runoff pollution in Paris［J］.Wat SciTech,1999,39(2):1-8.
　　［2］Gromaire?Mertz MC.Contribution of different sources to the pollutant of wet weather flows in combined sewers［J］.Wat Res，2001,35(2):521-533.
　　［3］Aleen PDavisd.Loading estimates of lead,copper,cadmium ,and zinc in urban runoff from specific sources［J］.Chemosphere,2001,44:997-1009.
　　［4］Jürgen Frster.The influence of location and season on the conce ntrations of macroions and organic trace pollutants in roof runoff［J］.Wat Sci Tech,1998,38(10):83-90.
　　［5］Jun Ho Lee.Characterization of urban stormwater runoff［J］.Wat Res,2000,34(6):1773-1780.
　　［6］William JWalker.The potential contribution of urban runoff to surface sediments of Passaic River: sources and chemical characteristic［J］.Chemo sphere,1999,138(2):363-377.
　　［7］ürgen Frster.Variability of roof runoff quality［J］.Wat Sci Tech,1999,39(5):137-144.
　　［8］James TSmullen.Updating the U.S.nationwide urban runoff quality data base［J］.Wat Sci Tech,1999,39(12):9-16.

　　电　　话：(025)3307632?
　　收稿日期：2002-04-17