第25卷 第6期2006年11月地 理 研 究GEOGRAPHICAL RESEARCHVol125,No16Nov1,2006

收稿日期:2006-02-20;修订日期:2006-05-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40131020,49801018);教育部高等学校骨干教师资助计划项目;中国博士后基金资助项目(2005037135) 作者简介:常静(1980-),女,山西晋城人,博士研究生。主要从事城市多界面环境过程研究。E-mail:cjing1221@1631com *通讯作者:刘敏(1964-),男,内蒙古自治区土左旗人,教授,博士,博士生导师。从事城市环境过程,环境地球化学与污染生态研究。E-mail:mliu@geo1ecnu1edu1cn

上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应常 静1,刘 敏1*,许世远1,侯立军2,王和意1,BalloSiaka1(11华东师范大学资源与环境科学学院教育部地理信息科学重点实验室,上海200062;21华东师范大学河口海岸科学研究院,上海200062)

摘要:选取上海市中心城区典型功能区监测降雨事件,研究降雨径流污染时空变化及初始冲刷效应。研究表明,上海中心城区路面径流主要污染物为TSS和CODCr,超出国家地表水Ⅴ类标准四倍多;总磷超出Ⅴ类水质标准两倍以上,氮素营养盐也有不同程度的污染。污染物含量在不同功能区之间显示出相似的分布趋势,交通区明显高于其他区域,其次为商业区和工业区,居民区情况较为良好。降雨强度是影响初始冲刷效应的主要因素,强度较大的降雨冲刷效应较为明显;不同功能区之间,商业区初始冲刷效应较强,其次为居民区和工业区,交通区冲刷强度较弱;TSS和CODCr在商业区和工业区冲刷强度要大于氮磷污染物质;而在交通区和居民区分异特征不明显。关键词:降雨径流污染;时空分布;初始冲刷效应;上海中心城区文章编号:1000-0585(2006)06-0994-09

1 引言 城市化的高速发展使不透水地面面积迅速增加,形成了不同于自然地表的/城市第二自然格局0,对地表水文过程产生了深刻的影响[1]。在雨季特别是暴雨时期,降雨在不透水地面上迅速转化为径流,冲刷和挟带大量污染物质进入地表水体,形成典型的非点源污染,成为影响城市受纳水体水质下降及河口污染的重要因素[2]。美国EPA已在1993年将城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[3]。在我国随着生活点源和工业点源的有效控制,非点源污染也已成为水体污染的主要因素之一,受到越来越多的关注和研究[4]。 国外从20世纪70年代起就对城市降雨径流污染及其控制展开了大量研究,在污染物

时空分布、初始冲刷效应(FirstFlushEffect)与径流模型开发等方面都取得了值得借鉴的成果[5~11]。我国在流域尺度上的非点源污染的研究与模型应用方面也成果颇丰[12],但对从城市区域尺度出发,以/不透水下垫面0为特征的城市径流非点源污染研究起步较晚,近年来才在北京、上海、西安等地相继开展起来,且内容多集中在径流污染物排放特征、污染指标相关性和负荷模型计算等方面[13~25],缺乏对污染物初始冲刷效应的定量研 6期常 静等:上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应995 究,涉及其机理分析的就更少。鉴于此,本文以上海中心城区为研究区域,引用国外研究中通用的降雨场次污染物浓度(EMC)及初始冲刷概念,定量研究降雨径流污染的时空分异特征及其初始冲刷效应,以促进我国城市降雨径流污染的研究,为非点源污染的控制与管理提供科学依据。

2 材料与方法211 研究区域概况 上海地势平坦,是典型的平原河网城市,属北亚热带季风气候,平均年降雨量为112216mm,70%的雨量集中在4到9月的汛期,平均每年发生暴雨311次,常造成水涝或市区积水[26]。上海城市化进程迅速,中心城区由包括普陀、卢湾、徐汇等在内的9个区组成,2002年不透水面积比例已达到75%以上[13]。目前,在苏州河整治工程已进入第三期,点源污染已初步控制的背景下,汛期尤其是暴雨径流对地表水体环境所造成的危害更凸现其严重性。212 采样点的选择

图1 上海中心城区降雨径流采样点位置Fig11 SkatchmapofsamplingsitesincentralShanghaiCity

作为一种典型的非点源污染,径流污染物主要来自大气降尘、交通行为、道路磨损、建筑活动等污染源。土地利用类型是影响地表径流污染的重要因素,如交通区路面沉积物与车辆交通行为、交通流量等因素有关,工业区路面沉积物与工业活动类型有密切关系。本文以上海中心城区为例,在分析其土地利用及功能区划的基础上,选择有代表性的典型功能区作为研究区域,根据道路雨水口设置特征,在每个功能区内分别遴选汇水面积在700~720m2之间的雨水口汇水区路面作为径流采样点,采样点位置与环境特征如图1和表1所示。表1 降雨径流采样点位置及环境特征Tab11 SamplingsitesindifferentfunctionareasofcentralShanghaiCity功能区采样地点环境特征交通区中山北路与长宁路交界城市内环线,交通流量(67774车次/12hr)商业区淮海中路与陕西南路交界传统繁华商业中心,客流量日均80万人次工业区桃浦工业区20世纪50年代建设的市级老工业区,以化学工业为主居民区华东师大一村20世纪70年代以来中等密度居民小区

213 样品采集与分析 降雨径流采样点设于道路雨水口,降雨产流开始即用2L聚乙烯瓶采集径流水样,时间间隔为5min,同时用自雨量计记录降雨强度。样品在规定的24h保存时间内,按照国996 地 理 研 究25卷家环境监测标准方法进行污染指标的测试[27],方法分别为:悬浮物(TSS)用0145Lm滤膜过滤,经103~105e烘干称重;重铬酸盐法测定化学需氧量(CODCr);纳氏试剂光度法测定氨氮(NH3-N);镉柱还原法测定硝酸盐氮(NO-3-N);N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定亚硝酸盐氮(NO-2-N);钼酸铵分光光度法测定总磷(TP)。实验误差均小于?10%。214 降雨特征与流量计算 以2004年3月21日和6月24日两场降雨为例分析污染物时空分布和初始冲刷效应,

降雨特征见图2。3月21日降雨前期干旱时间仅为1天,降雨强度较小且较为均匀,历时75分钟,总雨量为8184mm,平均及最大雨强为0168mm/5min和112mm/5min,由于当时采样条件所限,该次降雨仅采集了前50分钟径流水样。6月24日降雨为典型的暴雨,平均和最大雨强分别为216mm/5min和612mm/5min,总雨量27118mm,历时50分钟,前期干旱时间为6天。 由于汇水区域均为沥青路面,雨水满足填洼后基本全转化为径流,不考虑下渗损失,

且汇流面积较小,地貌、坡度类型相对一致,采用区域综合径流系数为019,雨水口径流量按国家室外排水规范中雨水管道系统合理化公式计算[25]:Q=<#F#q(1) 式中,Q为雨水口径流量(L/min),2);q为降雨强

度(mm/min);雨量特征及径流量数据如图2所示。

图2 典型降雨事件降雨-流量变化曲线Fig12 Rainfallhyetographsandpavementhydrographsfortworainfal-lrunoffevents

3 结果与讨论311 径流污染的时间变化 污染物的冲刷过程是一个复杂的动态过程,受降雨特征、污染物特征、路面状况等多

种因素的影响[6]。土地利用和降雨前期干旱时间长短决定了污染物的初始含量,而降雨强度则对冲刷过程影响较大[7]。 图3为两场降雨污染物浓度随时间的变化,可以看出,污染物浓度基本上随降雨时间

表现出下降趋势。由于3月21日降雨及流量变化相对较为均匀,因此其污染物浓度变化幅度也较小;而6月24日由于前期干旱时间较长,雨强较大,其污染物量普遍高于3月21日,浓度下降随时间变化也较为明显。以TSS为例,6月24日在4489~1108mg/L之间,3月21日为1876~775mg/L。图中也可以看出,由于6月24日降雨在30分钟时流量逐渐增大达到峰值,因此在此时间内污染物浓度也出现了一个较明显的上升阶段。总体而言,交通区污染明显高于其他区域,但波动性较大。 6期常 静等:上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应997 图3 径流污染物浓度随降雨过程的时间变化Fig13 Temporalvariationofpollutantsindifferentfunctionareas312 径流污染的空间分布31211 事件平均浓度(EMC)定义 在任意一场降雨引起的地表径流过程中,径流中污染物的浓度随时间变化很大,因此需要对一场降雨径流的污染负荷做出总体评价。美国环保局于1979到1983年间设立国家城市径流项目(NURP),核心内容即为提出/降雨径流事件平均浓度0(EventMeanConcentration),用来表示在一场降雨径流全过程排放中某污染物的平均浓度[2]。随后美国地质调查局(USGS)更新了EMC资料,被广泛地用于评估城市降雨径流污染负荷、管理措施有效性及其对受纳水体的影响[3]。EMC实质上是一场降雨径流全过程样品污染浓度的流量加权平均值,如下式所示:

EMC=MV=Qt0CtQtdtQt0Qtdt=Eni=1QiCiEni=1Qi(2) 式中,EMC为污染物降雨事件平均浓度(mg/L);M为整个降雨过程中总污染物含量(g);V为相对应的总径流量(L);t指径流时间(min);Ct指随时间变化的污染物含量(mg/L);Qt指随时间变化的径流速率(L/min);n指t时间段内径流取样次数;Qi指i次