北京村镇降雨径流污染及排放特征研究[1]_EMC

1、北京村镇降雨径流污染及排放特征研究北京村镇降雨径流污染及排放特征研究1_EMC1_EMC论文导读:然而针对广大村镇地区的相关研究依然较少。城镇降雨径流是影响受纳水质的重要污染源之一5。研究村镇雨水地表径流污染物排放特征和初期冲刷效应。论文关键词：村镇，径流，EMC，初期冲刷1.引言（Introduction）国外自 20 世纪 70 年代以来在分流制及合流制排水系统降雨径流污染方面做了大量研究1,2。近年来，我国开始在北京3、武汉4等大中城市开展径流污染及排放特征研究，然而针对广大村镇地区的相关研究依然较少。然而，城镇降雨径流是影响受纳水质的重要污染源之一5。由于城市和农村在气候条件、下垫面性

2、质、径流特点等方面的差异性，村镇雨水面源污染可能表现出与城市降雨径流不同的污染特征。本文选取 2009-2010 年雨季的 10 次集中降雨事件为研究对象，监测了北京郊区大牛坊村和榆林村为两个典型村镇降雨径流污染物水质、水量等参数，研究村镇雨水地表径流污染物排放特征和初期冲刷效应。以期为非点源污染的评价、监测、管理和调控提出科学依据。2.研究方法（Methods）2.1 采样点概况大牛坊村位于北京市海淀区西北旺镇，北清路北侧，西邻永丰科技园，属于典型的城乡结合部村镇 EMC，面积 0.4 平方公里，常住人口约 4000 人，流动人口约 1800 人。该地区地表硬化程度低，不透水面积大于透水面积

3、，整体规划较差，庭院特征不明显。餐馆、商铺较多，卫生状况较差，垃圾路面堆积。排水类型属于雨污合流制，不具备完善的排水管道，雨水经过污水沟渠和排洪沟进入南沙河中国学术期刊网。榆林村位于顺义城区东北侧、潮白河东岸。全村共有 715 户，2219 人，耕地面积 2570 亩，村办企业 8 家。榆林村湿地公园，位于榆林村南侧，占地 200亩。该湿地公园是村内主要的雨水受纳体。该地区地表硬化程度高达 90%以上，统一规划，庭院特征明显。卫生状况较好，垃圾箱收集垃圾。排水类型属于雨污分流制，雨水和经过处理后的生活污水排入景观湖。2.2 监测降雨特征2009 年 8 月到 2010 年 8 月期间，共进行了

4、 10 次集中采样，其降雨信息如表 1 所示。研究过程对天然雨水和地表径流进行水质水量监测 EMC，降雨产流时开始采样，初期雨水每隔 5min 收集一次，其后采样间隔根据降雨情况增加至20min 或 30min。表 1 10 场观测的降雨径流事件的降雨特征Table 1 Characteristics for 10 rainfall runoff events事件编号事件发生日期采样点降雨量/mm降雨时间/min平均雨强/mmmin-1最大雨强/mmh-1前期晴天数/d12009.7.20大牛坊3.71350.035.4-22009.7.23大牛坊43.4490.89119.4332009.7

5、.30大牛坊36.1600.60115.8742009.8.1大牛坊14.02150.0742.6152009.8.9榆林22.71400.1650.4862009.8.16榆林46.8710.66150.0772009.8.19榆林18.35500.036.0382010.7.15榆林35.52100.1742592010.8.4榆林13.41200.1139.610102010.8.7榆林3.21600.02932.3 样品分析对 10 次降雨事件中采集得到的样品中污染物进行测定，分析指标包括化学需氧量(COD)、溶解性化学需氧量(DCOD)、总磷(TP)、总氮(TN)、悬浮颗粒物(SS)

6、、和氨氮(NH4+-N)。监测分析方法参见水和废水监测分析方法（第四版）6中污染物监测分析方法。2.4 数据分析与计算方法由于降雨特征、集水区特征和污染物本身性质的影响，一次降雨径流污染过程的水质、水量变化范围大，为了表征一次降雨事件监测区径流污染程度，采用污染物的流量加权平均浓度（event mean concentration，EMC），即总污染量与总径流量比7，其计算方法如式（1）所示：(1)式中：径流污染平均浓度，mg/L；整个径流过程中的污染量，g；径流总量，m3；t 时间，min；Ct 时刻污染物的浓度；Qt 时刻径流流量，m3/min；Dt 采样间隔时间，。为评估降雨径流过程中初

7、期冲刷效应，采用降雨径流中污染负荷在径流中的累积分布曲线，即标准化污染物质量（M）与标准化流量（Q）8其计算方法如式（2）（3）所示：(2)(3)式中：为采样时刻累积输出污染物质的量，g；为采样时刻累积输出流量，m3；3.结果（result）3.1 天然降雨和地表径流水质特点试验进行过程过程中分别测定了降水过程中天然雨水和地表径流的水质特征，如表 2 所示。表 2 天然雨水与村镇地表径流水质Table 2 Water quality in rainfall and runoff fromrural villagesCOD (mg/L)TN (mg/L)TP (mg/L)NH4+-N (mg/L

8、)pH天然雨水16-301.5-6.40.01-0.301.5-4.07.6-8.3地表径流大牛坊村227-6220.17-15.70.12-3.190.1-12.46.8-8.2榆林村11.7-1830.91-8.480.03-0.650.1-6.76.6-7.7由表可以看出 EMC，村镇天然雨水的 pH 在中性范围内，并没有明显的酸性，这可能与实验中雨水采样的季节有关，夏季村镇燃煤量较少，同时北京地区大气中 SO2 浓度较低，降水酸性不明显。但是，从表中发现，农村天然雨水中的TP、TN、NH4+-N 略高于城市。这可能是由于农村有大量的农作物，磷肥和氮肥的使用大大增加了空气中氮、磷元素的含

9、量。另外，农村中饲养的牛、羊等动物粪便中的氮元素挥发或随粉尘等进入到空气中，在雨水降落的过程中，降雨淋洗空气污染物，空气中的污染物质可以被雨水溶解或者被雨水携带，随雨水降落至地面，造成污染。总体来说，不论是农村还是城市，天然降雨是轻污染水，水中有机污染物较少、溶解氧接近饱和、钙含量低、总硬度小，经简单处理可作为生活杂用水和工业用水9。从村镇雨水地表径流中所含污染物来看，无论是规划较好的榆林村还是相对规划较差的大牛坊村，地表径流中都含有较高浓度的污染物。地表径流中有机污染和营养物质的浓度范围变化较大 EMC，且含量较高。从历次降水过程地表径流中 TP、TN、SS 和 COD 的 EMC 数据（表

10、 3）可以看到，降雨径流中 COD、SS 的 EMC 浓度非常高，平均值达到 749 和 143mg/L，其浓度高于一般未经处理的生活污水的浓度范围中国学术期刊网。由此可见村镇雨水地表径流的污染程度应当引起人们的足够重视。地表径流中 TN 和 TP 的浓度要低于城市污水，但是，也仍然远高于地表水 III 类水体标准，如果不经处理直接排入地表水体也会造成水体污染负荷的增加。表 3 降雨地表径流中污染物平均浓度 EMC (mg/L)Table 3 EMC of typical pollutantsin rainfall runoff (mg/L)日期TPTNSSCOD大牛坊2009-7-230.1

11、183.457432.5402298.8612009-8-10.0982.714139.1131069.669平均值0.1083.086285.8271684.265榆林村2009-8-90.4959.07888.178382.6042009-8-160.2542.353128.939617.0262009-8-190.3181.36139.19718.6552010-8-40.3966.11633.979109.580平均值0.2804.180143.658749.399V 类水0.3654.72772.573281.966将 9 次降雨事件的污染物浓度范围汇总成表，如表 5 所示。计算 6

12、 次降雨事件的 EMCs 如表 5 所示。大牛坊村降雨径流中的 TP、TN、COD 和 SS 的 MECs 均值分别为 0.108、3.086、285.827、1684.265 mg/L；榆林村降雨径流中的 TP、TN、COD 和 SS 的 MECs 均值分别为 0.365、4.727、72.573、281.966mg/L。与地表水环境质量标准中 V 类水标准比较，大牛坊和榆林村 TN 分别超标 1.5 倍、2.4 倍，COD 分别超标 42 倍、7 倍。3.2 径流雨水污染物排放规律3.2.1 降雨-径流-污染物变化规律村镇中由于屋面、道路和庭院等不透水地表面积的比率随着村镇建设的进行，以及

13、村镇内地表污染物质晴天累计、雨天排放的规律，降雨地表径流流量和污染物质表现出特有的规律。图 1 给出一次典型降雨过程中降雨量、地表径流量、地表径流中污染物变化关系。图中显示，本次降雨持续时间约 80 分钟，累计降雨量达 46.8mm；降雨前期雨强较大，最大雨强出现在 15 分钟左右，最大雨强为 150mm/h。从径流污染物特征来看，随着降雨径流的产生和流量的加大，径流中 SS 迅速增加同时伴随 TP、COD 和 TN 浓度的上升。径流中污染物浓度很快达到峰值，随后径流流量达到峰值；之后，颗粒污染物浓度迅速下降，在中等浓度（200-300mg/L）范围维持一段时间 EMC，直到径流流量从峰值向下

14、衰减，在此过程中 TP、TN 和 COD 浓度逐渐下降，变化特征基本相似。图 1 典型降雨时间过程中降雨量-径流流量-污染物变化过程Fig.1 Time-dependent profiles ofprecipitation, runoff flowrateand concentrations of pollutants in the runoff污染物浓度的峰值一般提前于径流流量的峰值（见表 5），在整个径流污染排放过程中，前期的污染物浓度明显高于后者，污染物浓度变化与径流中颗粒物变化趋势基本一致。村镇雨水径流中的颗粒物主要有两个来源，第一是屋面、路面、街道、沟渠等硬化下垫面；另一个来源是村镇

15、庭院土壤。在降雨初期随着径流量的产生，这两个来源的颗粒污染物造成了径流中颗粒物浓度迅速上升；但是，由于在硬化下垫面上积累的颗粒物数量有限，随着降雨进行颗粒物浓度很快下降。另一方面，村镇庭院表层土壤在雨水径流的冲刷下持续发生侵蚀流失进入地表径流，在中等颗粒物浓度范围维持一段时间。表 4 污染物峰值与径流峰值的间隔时间Table 4. Timeinterval between the peak of runoff and pollutants降雨日期污染物峰现时间（min）径流峰现时间(min)间隔时间(min)最大雨强（min）最大雨强出现时间(min)2009-07-2025305119.41

16、52009-08-0125502547.6402009-08-0935552050.4802009-08-1652520150.0152009-08-19657056.01902010-08-045656039.6303.2.2 污染物相关关系为了进一步了解地表径流污染物特征，我们分析了水中不同污染物参数之间的相关性（表 5），悬浮物质与有机污染物和磷污染高度相关，与总氮的相关性相对较低。这说明村镇降雨地表径流大部分污染物是由颗粒物质所携带的。据此我们可以得出，通过加强对主要道路的管理和清扫，减小径流对下垫面的冲刷、降低水土流失程度和对雨水径流截流、沉淀处理可以有效控制污染物总量。表 5 污染

17、物参数间的平均相关性关系Table 5. The average correlationshipbetween pollutant parameters地点相关性SS/CODSS/TPSS/TNCOD/TPCOD/TN大牛坊0.93580.80470.75640.8460.657榆林0.81870.93500.87650.8760.7353.2.3 初期冲刷效应初期冲刷效应是指在径流初期，与初期流量不成比例的大部分污染物被冲刷进入地表水体的现象10。CODSSTN TP图 2 COD、SS、TN、TP 无量纲曲线Figure 2 The dimensionless curve of COD、S

18、S、TN、TPBertrand 提出占总径流量 30的初期径流(FF30)运移 80以上的污染负荷来评估降雨径流污染初期冲刷效应12。本研究对 6 次形成较大径流的降雨进行初期冲刷效应的研究中国学术期刊网。绘制大牛坊村和榆林村 COD、SS、TN、TP 四项指的径流量累计率与质量累计率的对应曲线。当无量纲曲线位于平衡线之上，则可以判断发生了初始冲刷现象。如图 2 所示,这 6 场降雨都存在初期冲刷效应，其中，2009 年 7 月 23 日、2009 年 8 月 1 日、2009 年 8 月 9 日、2010 年 8 月 4 日降雨具有明显初期冲刷效应。根据多次降雨事件所得数据取平均得出 EMC

19、，30%的径流量运移约 70%的污染物。Geiger 以污染物累积污染负荷与累积径流量形成的无量纲曲线的发散来确定是否发生初期冲刷效应11。L=FbL 为质量累积率；F 为流量累积率。b 为初期冲刷系数，该系数能反映 L、F曲线与平衡线的偏差，b 与初期冲刷效应呈反比，b 小于 1 说明存在初期冲刷效应，b 越小说明初期冲刷强度越大。表 6 不同降雨事件污染物初期冲刷系数Table 6 The first flush coefficient ofrainfall runoff events日期SSCODTNTP2009-07-230.69770.68650.71090.75382009-08-

20、010.72880.75790.75660.86912009-08-090.34980.58450.93220.51452009-08-160.74930.73920.88471.77631.77632009-08-191.08691.08690.94230.91870.93852010-08-040.57390.77520.69300.8107由图表分析，在四次具有明显初期冲刷效应的降雨事件中，在相同下垫面条件下，降雨量越大，初期冲刷效应越明显，与雨强无明显关系。4.结论( Conclusions )1. 村镇地表径流与地表水环境质量标准中 V 类水标准比较，大牛坊和榆林村 TN 分别超标

21、1.5 倍、2.4 倍，COD 分别超标 42 倍、7 倍。2.地表径流污染物主要以颗粒态存在，且 COD 和 SS 为主要污染指标。3农村集镇降雨径流中 TP、TN、COD 与 SS 的事件平均浓度（EMC）均值分别为 0.28、4.18、143.66、749.10、m gL-1。4近 70的 TP、TN、COD 与 SS 污染负荷由占总径流量 30的初期径流所运移，降雨径流污染物具有较明显的初期冲刷效应。5在相同下垫面条件下，降雨量越大，初期冲刷效应越明显，与雨强无明显关系。参考文献：1Saget A., Database on stormwater quality: distributi

22、on ofdischarged pollutant loads andsizes of interception constructions DParis, France: Ecole Nationale desPonts et Chaussess, 1994:333.(inFrench)2Gromaire M. C.,Garnaud F., Saad M., et al. Attribution ofdifferent sources to thepollution of wet weather flows in combinedsewersJ.WaterResearch,2000,35:5

23、21-533.3车武，刘红，汪慧贞，北京市屋面雨水污染及利用研究J.中国给水排水，2001, 17（6）：57-61.4李立青，尹澄清，何庆慈，武汉汉阳地区城市集水区尺度降雨径流污染过程与排放特征J.环境科学学报，2006, 26（7）：1057-1061.5Deletic A B, MaksimovicC T. Evaluation of water quality factors instorm run of from paved areasJJournal of Environment Engineering,1998, 124 (9):869879.6国家环境保护总局水和废水监测分析方

24、法编委会.水和废水监测分析方法M4 版.北京:中国环境科学出版社，2002.7Sansalone J J, CristinaC M. 2004. First flush concepts forsuspended and dissolved solids in smallimpervious watershedsJ .J .Environ Eng,130(11):1301-1314.8李立青尹澄清，雨、污合流制城区降雨径流污染的迁移转化过程与来源研究J，环境科学，2009, 30(2)：368-3759.陈炬锋，刘磊磊，雨水水质研究进展J. 安徽农业科学，2007,35(7):2045-204

25、610Schueler T R1987.Controlling urban runoff: A practical manual forplanning and designingurban BMPsM. Washington DC: Dept of EnvirPrograms ,Metropolitan Washington Council of Governments.1-27.11Geiger W. Flushingeffects in combined sewer systems J.UrbanStorm Drainage, Lausanne Switzerland, l987,4:4

26、0- 4612Bertrand JL, ChebboG, Saget A.1998.Distribution of pollutant massvs volume in stormwaterdischarges and the first flush phenomenonJ.Water Res, 32:2341-2356.图 1 典型降雨时间过程中降雨量-径流流量-污染物变化过程Fig.1 Time-dependent profiles ofprecipitation, runoff flowrateand concentrations of pollutants in the runoff污

27、染物浓度的峰值一般提前于径流流量的峰值（见表 5），在整个径流污染排放过程中，前期的污染物浓度明显高于后者，污染物浓度变化与径流中颗粒物变化趋势基本一致。村镇雨水径流中的颗粒物主要有两个来源，第一是屋面、路面、街道、沟渠等硬化下垫面；另一个来源是村镇庭院土壤。在降雨初期随着径流量的产生，这两个来源的颗粒污染物造成了径流中颗粒物浓度迅速上升；但是，由于在硬化下垫面上积累的颗粒物数量有限，随着降雨进行颗粒物浓度很快下降。另一方面，村镇庭院表层土壤在雨水径流的冲刷下持续发生侵蚀流失进入地表径流，在中等颗粒物浓度范围维持一段时间。表 4 污染物峰值与径流峰值的间隔时间Table 4. Timeinte

28、rval between the peak of runoff and pollutants降雨日期污染物峰现时间（min）径流峰现时间(min)间隔时间(min)最大雨强（min）最大雨强出现时间(min)2009-07-2025305119.4152009-08-0125502547.6402009-08-0935552050.4802009-08-1652520150.0152009-08-19657056.01902010-08-045656039.6303.2.2 污染物相关关系为了进一步了解地表径流污染物特征，我们分析了水中不同污染物参数之间的相关性（表 5），悬浮物质与有机污染物

29、和磷污染高度相关，与总氮的相关性相对较低。这说明村镇降雨地表径流大部分污染物是由颗粒物质所携带的。据此我们可以得出，通过加强对主要道路的管理和清扫，减小径流对下垫面的冲刷、降低水土流失程度和对雨水径流截流、沉淀处理可以有效控制污染物总量。表 5 污染物参数间的平均相关性关系Table 5. The average correlationshipbetween pollutant parameters地点相关性SS/CODSS/TPSS/TNCOD/TPCOD/TN大牛坊0.93580.80470.75640.8460.657榆林0.81870.93500.87650.8760.7353.2.3

30、 初期冲刷效应初期冲刷效应是指在径流初期，与初期流量不成比例的大部分污染物被冲刷进入地表水体的现象10。CODSSTN TP图 2 COD、SS、TN、TP 无量纲曲线Figure 2 The dimensionless curve of COD、SS、TN、TPBertrand 提出占总径流量 30的初期径流(FF30)运移 80以上的污染负荷来评估降雨径流污染初期冲刷效应12。本研究对 6 次形成较大径流的降雨进行初期冲刷效应的研究中国学术期刊网。绘制大牛坊村和榆林村 COD、SS、TN、TP 四项指的径流量累计率与质量累计率的对应曲线。当无量纲曲线位于平衡线之上，则可以判断发生了初始冲刷

31、现象。如图 2 所示,这 6 场降雨都存在初期冲刷效应，其中，2009 年 7 月 23 日、2009 年 8 月 1 日、2009 年 8 月 9 日、2010 年 8 月 4 日降雨具有明显初期冲刷效应。根据多次降雨事件所得数据取平均得出 EMC，30%的径流量运移约 70%的污染物。Geiger 以污染物累积污染负荷与累积径流量形成的无量纲曲线的发散来确定是否发生初期冲刷效应11。L=FbL 为质量累积率；F 为流量累积率。b 为初期冲刷系数，该系数能反映 L、F曲线与平衡线的偏差，b 与初期冲刷效应呈反比，b 小于 1 说明存在初期冲刷效应，b 越小说明初期冲刷强度越大。表 6 不同降

32、雨事件污染物初期冲刷系数Table 6 The first flush coefficient ofrainfall runoff events日期SSCODTNTP2009-07-230.69770.68650.71090.75382009-08-010.72880.75790.75660.86912009-08-090.34980.58450.93220.51452009-08-160.74930.73920.88471.77631.77632009-08-191.08691.08690.94230.91870.93852010-08-040.57390.77520.69300.8107由

33、图表分析，在四次具有明显初期冲刷效应的降雨事件中，在相同下垫面条件下，降雨量越大，初期冲刷效应越明显，与雨强无明显关系。4.结论( Conclusions )1. 村镇地表径流与地表水环境质量标准中 V 类水标准比较，大牛坊和榆林村 TN 分别超标 1.5 倍、2.4 倍，COD 分别超标 42 倍、7 倍。2.地表径流污染物主要以颗粒态存在，且 COD 和 SS 为主要污染指标。3农村集镇降雨径流中 TP、TN、COD 与 SS 的事件平均浓度（EMC）均值分别为 0.28、4.18、143.66、749.10、m gL-1。4近 70的 TP、TN、COD 与 SS 污染负荷由占总径流量

34、30的初期径流所运移，降雨径流污染物具有较明显的初期冲刷效应。5在相同下垫面条件下，降雨量越大，初期冲刷效应越明显，与雨强无明显关系。参考文献：1Saget A., Database on stormwater quality: distribution ofdischarged pollutant loads andsizes of interception constructions DParis, France: Ecole Nationale desPonts et Chaussess, 1994:333.(inFrench)2Gromaire M. C.,Garnaud F., Saad M., et al. Attribution ofdifferent sources to