上海市中心城區(qū)合流制管道系統(tǒng)降雨徑流水質(zhì)變化特征分析

上海市中心城區(qū)合流制管道系統(tǒng)降雨徑流水質(zhì)變化特征分析

城市化形成的“城市第二個(gè)自然結(jié)構(gòu)”不同于自然表面，改變了城市生態(tài)系統(tǒng)的水文、水質(zhì)過程和特征。隨著點(diǎn)源污染逐漸控制，城市地表徑流污染作為典型的非點(diǎn)源污染，已成為城市河流和湖泊等受納水體的主要水源。這是當(dāng)?shù)匾?guī)模、區(qū)域規(guī)模甚至世界規(guī)模上城市水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)健康失衡的重要原因。自20世紀(jì)60年代和70年代以來，歐美科學(xué)家對(duì)不同城市的不同城市框架、道路和功能區(qū)的小流域進(jìn)行了大規(guī)模的降水和徑流污染調(diào)查，積累了大量基本數(shù)據(jù)，在污染物的時(shí)空分布、初始磨損效應(yīng)和徑向模型開發(fā)方面取得了良好的效果[7、8、9、10、11、12、13、14和15]方面進(jìn)行了初步調(diào)查。20世紀(jì)80年代以后，引起了科學(xué)家的關(guān)注。在北京、上海、西安、澳門、珠海、鎮(zhèn)江等城市的街道和房屋小面積內(nèi)，對(duì)雨水徑流和水質(zhì)特征進(jìn)行了研究。近年來，武漢漢江和澳門門半島的城市流域也進(jìn)行了相關(guān)研究，這進(jìn)一步加強(qiáng)了我國(guó)城市流域排水系統(tǒng)的雨水、徑流和徑流水質(zhì)調(diào)查。因此，在本研究中，通過對(duì)上海中心城區(qū)成都路排水系統(tǒng)的雨水、徑向和徑向流量的同時(shí)監(jiān)控，分析了不同降水強(qiáng)度下高度城市化地區(qū)排水系統(tǒng)的降水、徑向流的水文、水質(zhì)變化過程和特點(diǎn)，為控制和管理城市排水系統(tǒng)的非點(diǎn)源污染提供了參考。1材料和方法1.1蘇州河蘇州河排水系統(tǒng)系統(tǒng)概況上海地區(qū)氣候溫和、雨量充沛、四季分明,屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候.年均氣溫15.5℃,多年平均降水量1149.8mm,年內(nèi)分配不均,4～9月是本區(qū)的主要雨期,降雨量占全年降雨量的70%左右.年均蒸發(fā)量為1351.4mm.成都路排水系統(tǒng)位于上海市中心城區(qū)靜安區(qū),蘇州河南岸(圖1).系統(tǒng)集水區(qū)面積3.06km2,邊界獨(dú)立,人口密度3.36萬人·km-2.排水體制為雨、污水合流制,晴天時(shí),排水系統(tǒng)中排放的是市政污水,平均5.85×104m3·d-1;雨天時(shí),排水系統(tǒng)不僅承擔(dān)排放市政污水的功能,而且承擔(dān)著排放集水區(qū)降雨徑流的功能.系統(tǒng)內(nèi)公共建筑用地、城市住宅用地、工業(yè)用地、道路廣場(chǎng)用地、綠地和水面的面積比例分別為22.60%、31.86%、7.66%、20.59%、17.21%和0.09%.1.2按水泵水位控制運(yùn)行模式由于地面高程低,成都路排水系統(tǒng)內(nèi)市政污水和降雨徑流均采用泵站強(qiáng)排水模式.成都路泵站設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期為1a;排水管網(wǎng)管道坡度1.5‰;規(guī)劃與現(xiàn)狀排水能力均為25.795m3·s-1,其中污水泵3臺(tái),單臺(tái)流量為1.10m3·s-1,雨水泵11臺(tái),單臺(tái)流量為2.045m3·s-1.根據(jù)泵站集水井實(shí)時(shí)水位來控制泵站運(yùn)行模式.運(yùn)行模式分晴天和降雨2大類,其中降雨模式又分為調(diào)蓄模式和溢流模式.晴天時(shí),按晴天模式的水位控制截流泵運(yùn)行,旱流污水排入市政總管;雨天或預(yù)報(bào)有雨時(shí),截流泵按降雨模式的水位控制運(yùn)行;水位達(dá)到進(jìn)調(diào)蓄池水位時(shí),按調(diào)蓄模式控制雨水泵運(yùn)行,合流污水排入調(diào)蓄池;水位達(dá)到溢流水位時(shí),按溢流模式控制防汛泵運(yùn)行,合流污水直接排入蘇州河.各模式下的泵站運(yùn)行水位見表1.1.3降雨特征統(tǒng)計(jì)2007年7～9月進(jìn)行了10余次同步監(jiān)測(cè),共取得6次有效降雨量、徑流量和徑流水質(zhì)數(shù)據(jù).表2是對(duì)次降雨事件降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、集中降雨量和集中降雨強(qiáng)度等降雨特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.降雨量與徑流量數(shù)據(jù)由泵站自動(dòng)化采集系統(tǒng)獲得,降雨數(shù)據(jù)采集頻率為5min;泵站各臺(tái)水泵的啟、閉時(shí)間由系統(tǒng)自動(dòng)記錄,徑流量通過水泵銘牌流量和運(yùn)行時(shí)間計(jì)算得到,并扣除旱流水量;水樣采集點(diǎn)位于泵站集水井,人工手動(dòng)采樣,分雨前、雨中和雨后3個(gè)時(shí)段連續(xù)采樣,雨前和雨后時(shí)段的采樣間隔為10min,雨中視現(xiàn)場(chǎng)降雨強(qiáng)度和合流污水水質(zhì)的變化情況設(shè)定3min或5min的采樣間隔.1.4水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定水樣采集后保存于預(yù)先洗凈的1L棕色玻璃瓶中,置于4℃的冰柜中待分析.水質(zhì)分析指標(biāo)包括:pH、SS、COD、BOD5、NH+4-N、TP,以及重金屬Cu、Cd、Pb、Zn、Cr、Ni,其中COD、BOD5、NH+4-N和TP為近10年來上海城市河流水質(zhì)的主要污染因子.pH值由美國(guó)Hach公司生產(chǎn)的SENSion156便攜式多參數(shù)測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,其余指標(biāo)均采用文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行.2結(jié)果與討論2.1徑流過程線按黃錫荃的降雨強(qiáng)度分級(jí)方法,2007-07-09、2007-08-03、2007-08-05和2007-08-11降雨分別代表了4類不同降雨強(qiáng)度,即小雨、中雨、大雨和暴雨.4場(chǎng)降雨過程均為雙峰或多峰類型,存在顯著的集中降雨量過程.降雨-徑流過程線顯示(圖2),雖然4場(chǎng)降雨的強(qiáng)度和雨型各異,但徑流過程線形態(tài)與降雨過程線類似.受城市土地利用變化導(dǎo)致的下墊面硬化、排水管網(wǎng)匯流加速和工程強(qiáng)排水等因素影響,徑流過程線波動(dòng)幅度低于降雨過程線,且間隔較短的降雨峰值或后期降雨峰值產(chǎn)生的徑流可被平滑,例如,2007-08-05降雨過程線出現(xiàn)3處峰值,后2次徑流峰值被平滑,徑流過程線顯示為單峰.此外,受初損、穩(wěn)定下滲、滯留、洼蓄、蒸發(fā)以及匯流過程共同作用,徑流過程線滯后于降雨過程線,滯后時(shí)間約15～25min,略大于路面或屋面徑流過程線5～20min的滯后時(shí)間.滯后時(shí)間隨降雨強(qiáng)度,尤其是集中降雨強(qiáng)度的增加而減小.受初損、穩(wěn)定下滲、洼蓄和蒸發(fā)等導(dǎo)致徑流損失因素影響,系統(tǒng)徑流系數(shù)隨降雨強(qiáng)度增加而增加.成都路排水系統(tǒng)內(nèi)公共建筑用地、城市住宅用地、工業(yè)用地和道路廣場(chǎng)用地等不透水型下墊面比例達(dá)82.70%,設(shè)計(jì)徑流系數(shù)為0.80,計(jì)算顯示此次測(cè)量期間的小雨、中雨、大雨和暴雨的徑流系數(shù)分別為0.33、0.62、0.67和0.73,均小于設(shè)計(jì)值.2.2降雨事件中cod、ss、tp、nh-4-n的濃度過程線排水系統(tǒng)降雨徑流的污染物來自于降水、城市不同下墊面和排水系統(tǒng)等3個(gè)方面,其中后兩者是主要貢獻(xiàn)源.降雨過程中排水系統(tǒng)合流污水中不同種類污染物的主要來源雖然各不相同,但4類型降雨事件中,COD、SS、TP和NH+4-N的濃度過程線具有較顯著的時(shí)間特征,即隨著降雨徑流的產(chǎn)生和徑流量的增加,污染物濃度逐漸升高,濃度的峰值滯后于降雨峰值但先于徑流峰值,隨后污染物濃度逐漸下降,并逐漸趨于穩(wěn)定(圖3).這主要是由于匯流延時(shí)導(dǎo)致了高濃度初期地表徑流滯后于降雨過程.成都路排水系統(tǒng)的滯后時(shí)間約30～40min,主要受排水系統(tǒng)面積、下墊面類型、管網(wǎng)密度、管網(wǎng)布局、管道直徑、坡降、糙率等因素共同影響.2.3徑流污染的發(fā)生頻率降雨徑流的初期污染物濃度高于后期的現(xiàn)象稱為初始沖刷效應(yīng)(firstflusheffects,FFE).污染物的累積污染負(fù)荷與累積徑流量構(gòu)成的無量綱累積的M(V)曲線的發(fā)散程度,可用來判別是否發(fā)生FFE.當(dāng)累積曲線位于對(duì)角平衡線左上部分時(shí),說明污染物的排放要快于徑流的輸出;反之,則污染物的排放要慢于徑流的輸出.國(guó)外已經(jīng)開展的大量研究中,判別FFE的標(biāo)準(zhǔn)不盡一致,例如,Geiger采用M(V)曲線與對(duì)角線的距離>0.2作為判斷標(biāo)準(zhǔn);Bertrand等采用30/80標(biāo)準(zhǔn),即降雨徑流總量30%的初期徑流至少排放80%的污染物;Lee等提出了30/30標(biāo)準(zhǔn).由于Geiger確定的M(V)曲線與平衡對(duì)角線距離>0.2可能是一范圍,而不是一點(diǎn),所以確定FFE存在不確定性;而Bertrand等的標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格,其對(duì)法國(guó)12個(gè)集水區(qū)197次降雨徑流污染FEE出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計(jì)中,對(duì)SS而言只有1%的徑流事件存在30/80的FFE;Lee等的30/30標(biāo)準(zhǔn)克服了上述2類標(biāo)準(zhǔn)的不足,目前采用較多,本研究亦采用此標(biāo)準(zhǔn).研究表明降雨路面和屋面徑流存在普遍的FFE,但受到集水區(qū)土地利用類型及特征、地表污染累積程度、降水特征、污染物種類等諸多因素的共同作用,使得合流制排水系統(tǒng)是否存在FFE還存在爭(zhēng)論.圖4顯示,4類降雨強(qiáng)度下,成都路排水系統(tǒng)降雨徑流污染物基本存在30/30判斷標(biāo)準(zhǔn)的FFE.但部分場(chǎng)次降雨中,對(duì)應(yīng)前期10%～20%徑流量時(shí),部分污染物累積曲線位于對(duì)角平衡線之下,表明此時(shí)污染物的排放要慢于徑流的輸出.這可能是由于排水管道中沉積物尚未被沖刷起動(dòng)進(jìn)入徑流中的原因造成.為了使降雨徑流污染得到科學(xué)合理的管理與控制,如何定量化表示初始沖刷強(qiáng)度就顯得非常重要.已有研究表明可用累積曲線與對(duì)角平衡線的偏差代表初始沖刷的強(qiáng)弱,用FF30,即以累積徑流負(fù)荷30%時(shí)的累積污染負(fù)荷與30%徑流負(fù)荷之比來表示初始沖刷強(qiáng)度,FF30值越大,沖刷強(qiáng)度就越大.計(jì)算結(jié)果顯示(表3):①4類降雨強(qiáng)度下,合流污水中各污染物的平均FF30為1.136,即30%的初期徑流中,污染物的排放量相對(duì)高于徑流輸出量13.60%.COD、BOD5、NH+4-N、TP和SS的平均初始沖刷強(qiáng)度分別達(dá)到1.113、1.136、1.116、1.127和1.187.其中,SS的初始沖刷強(qiáng)度最大,COD、BOD5、NH+4-N和TP的初始沖刷強(qiáng)度相對(duì)較小,這主要是由于SS與其他污染物質(zhì)的來源及主要貢獻(xiàn)源的差異,以及SS的易于沖刷的物理特性的決定.②2次降雨間隔時(shí)間對(duì)初始沖刷強(qiáng)度有著較大影響.2007-08-05和2007-08-11的降雨量和降雨強(qiáng)度(包括平均和集中降雨強(qiáng)度)均大于2007-07-09和2007-08-03降雨,說明前2次降雨徑流對(duì)地表污染物和排水管道沉積物的沖刷溶解能力、沖刷強(qiáng)度大于后2次,但后2次降雨的2次降雨間隔天數(shù)相對(duì)較長(zhǎng)(表2),由于城市地表徑流污染和排水管道沉積物具有晴天累積、雨天排放的特征.隨著2次降雨間隔天數(shù)的增加,累積于城市地表和排水管道的污染物數(shù)量可能會(huì)增加,因而2次降雨間隔天數(shù)的增加意味著可被降雨徑流初期沖刷的污染物數(shù)量在增加,即增加了降雨徑流的污染潛力,導(dǎo)致后2次降雨的初始沖刷強(qiáng)度亦更高.2.4排水污水污染物濃度4場(chǎng)降雨事件中COD、SS、TP和NH+4-N的變化范圍分別為:156.9～941.2、115.2～1550.6、1.26～5.70和2.86～70.0mg·L-1(圖3),與監(jiān)測(cè)期間該系統(tǒng)旱流污水相比(表4),合流污水中COD和SS濃度,尤其是最高濃度,遠(yuǎn)大于旱流污水,TP濃度與旱流污水大致相當(dāng),而NH+4-N濃度則低于旱流污水濃度.排水系統(tǒng)中各類污染物主要來源的不同是這一現(xiàn)象的主要成因,例如:NH+4-N主要來源于生活污水,且生活污水中NH+4-N濃度高于地表和屋面徑流;SS主要來源于下墊面和管道沉積物,且貢獻(xiàn)大于生活污水.污染物來源和主要貢獻(xiàn)源的差異,使得地表和屋面徑流中不同污染物的濃度與旱流污水濃度相比,存在相對(duì)高低現(xiàn)象.當(dāng)降雨地表和屋面徑流匯入排水管網(wǎng)后,合流污水中不同類型污染物的濃度便出現(xiàn)“此消彼長(zhǎng)”的現(xiàn)象.對(duì)于合流制排水系統(tǒng)而言,由于任意一場(chǎng)降雨的合流污水污染物的濃度過程線隨時(shí)間存在起伏,雖然受納水體水質(zhì)的變化并非同樣敏感,但為評(píng)價(jià)合流污水對(duì)受納水體的污染強(qiáng)度,可用降雨徑流事件平均濃度(eventmeanconcentration,EMC)來對(duì)一場(chǎng)降雨的合流污水的污染負(fù)荷做出總體評(píng)價(jià).表4顯示:①4類降雨強(qiáng)度下,合流污水pH值的EMC介于7.13～7.54間,偏堿性,符合《國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn);②重金屬Zn和Pb的EMC濃度相對(duì)與Cu、Cr、Cd和Ni較高,但均低于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),與北京市的污染水平相當(dāng),高于澳門的分流制排水系統(tǒng);③COD、BOD5、NH+4-N和TP的EMC均超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn),以COD為例,EMC變化范圍為225.0～544.1mg·L-1,與武漢漢陽區(qū)合流制排水系統(tǒng)平均299.2mg·L-1和上海楊浦區(qū)合流制排水系統(tǒng)314.1～614.0mg·L-1的測(cè)量結(jié)果相對(duì)接近,也接近于國(guó)外其他城市排水系統(tǒng)合流污水污染平均水平;④COD、BOD5、NH+4-N和TP的EMC分別超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)4.6～12.6、2.2～8.9、3.5～21.2和4.0～7.8倍,平均分別為9.3、5.6、11.7和6.1倍.據(jù)上海市合流污水管理所統(tǒng)計(jì)資料,2000～2007年成都路排水系統(tǒng)直接排入蘇州河的暴雨溢流污水量為100.3×104m3·a-1,這將對(duì)受納水體水質(zhì)造成了嚴(yán)重的沖擊性污染;⑤SS的EMC高達(dá)176.4～944.8mg·L-1,高峰值更大于EMC值(圖3).由于溶解態(tài)的重金屬在排水系統(tǒng)的輸運(yùn)過程中,在顆粒態(tài)物質(zhì)的吸附作用下會(huì)發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變,從溶解態(tài)轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài),因此較高的SS濃度有利于重金屬賦存形態(tài)的轉(zhuǎn)化,這對(duì)溶解態(tài)重金屬的削減有著促進(jìn)作用.2.5去除污染物的能力研究表明地表和屋面徑流中的各類污染物之間存在一定的相關(guān)關(guān)系.例如,澳門城市小流域地表徑流中TSS與TN、TP間的決定系數(shù)都達(dá)到0.95;北京文教區(qū)路面、屋面和草坪等下墊面降雨徑流的SS與COD、TN的決定系數(shù)超過0.86,同時(shí)文教區(qū)路面徑流中SS與有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和陰離子間也有著一定的相關(guān)性.與上述研究類似,成都路合流制排水系統(tǒng)降雨徑流中SS與COD、BOD5、NH+4-N和TP之間均在p<0.01水平上具有一定的正相關(guān)性(表5),并且合流污水中顆粒態(tài)污染物的比例達(dá)45.11%～93.21%,平均為70.21%.這種地表徑流中顆粒態(tài)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的較高賦存比例現(xiàn)象在其他城市也有出現(xiàn).由于各類型下墊面晴天累積的顆粒態(tài)污染物與排水管道的沉積物對(duì)合流污水污染具有較高貢獻(xiàn),Chebbo等在英國(guó)、比利時(shí)、德國(guó)和法國(guó)等國(guó)的研究顯示下墊面和排水系統(tǒng)對(duì)SS的貢獻(xiàn)率可達(dá)56%～94%,因此利用滯留沉降、生物過濾和土壤滲透等措施控制合流制排水系統(tǒng)降雨徑流污染時(shí),在削減SS的同時(shí)可有效去除有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).3初始沖刷強(qiáng)度的影響因素,主要貢獻(xiàn)源、降雨和降雨(1)上海中心城區(qū)蘇州河沿岸CSS的降雨徑流過程線形態(tài)與降雨過程線相似,但波動(dòng)幅度低于降雨過程線,并滯后于降雨過程線約15～25min,且間隔較短的降雨峰值或后期降雨峰值產(chǎn)生的徑流可被平滑.