1 引言(Introduction)

黑臭水体治理经验表明, 河道治理不只是河道修复与水质改善, 更重在外源污染的控制, 削减入河污染负荷是解决河道污染问题、改善水环境的关键(沈雯, 2018).在河道污染治理中, 随着点源控制、内源治理程度的提高, 面源污染逐渐成为制约河道水环境的关键.河道流域范围广、涉及下垫面类型多, 精准识别入河径流污染特征的难度较大.径流污染所含的污染物种类及总量均较高, 如不经处理直接排放, 势必会对湖泊、河道等受纳水体水质产生严重影响(陈洁等, 2019).目前, 国内外学者针对径流污染的研究主要集中在不同地区(王浩, 2017)、不同功能区及不同下垫面降雨径流特征(徐宇婕等, 2020)、径流冲刷效应(高斌等, 2020)、径流数值模拟(兰千, 2017)及径流污染控制措施(吴民山等, 2020)等方面.源头减排、过程控污及末端治污等全过程管理能够最大限度地降低入河径流负荷(周峰等, 2017), 摸清不同下垫面径流负荷特征有利于在源头采取措施实现负荷减排, 明确汇流方式和范围有利于实现负荷过程控制, 识别末端入河径流负荷有利于确定工程技术参数.

关于不同下垫面的径流污染负荷, 国内外学者基本明确了道路(王海邻等, 2019)、屋面(何湖滨等, 2019)、停车场(宫永伟等, 2018)、公园(庞璇等, 2019)等下垫面的径流负荷特征.尽管不同地区同类型下垫面的负荷有所差异, 但基本能够满足源头减排措施制定的需求.关于汇流过程因汇流的方式不同而存在较大差异, 通常将汇流分为坡面汇流、河网汇流及管网汇流等过程, 尤其在城镇地区由于修建了丰富的排水管网, 使得大多数降雨径流随管网汇入受纳水体.关于汇流过程的研究, 大多数集中在模型模拟方面, 涌现出一大批与之相关的模型(王磊等, 2020), 能够获得比较满意的结果.末端入河径流污染特征会影响末端治理措施的制定, 由于入河方式多、汇水区域广、下垫面类型复杂等原因, 入河径流污染很难与相应的汇水范围及下垫面类型关联, 很少有学者对此进行系统性研究.随着面源污染全过程管理的深入, 仅停留在下垫面、汇流过程的研究, 显然无法满足当前的治理需求, 亟需弥补面源末端入河污染特征分析, 形成面源污染全过程治理链条.本文借鉴下垫面径流污染研究方法, 通过对不同入河径流(入河排水口)的监测, 分析入河径流污染特征、影响因素, 测算场次降雨入河污染负荷, 以期为河道面源污染靶向治理提供技术支撑.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 研究区域

萧太后河开凿于辽代萧太后时期, 是北京最早的人工运河, 属凉水河支流、北运河水系.萧太后河由青龙河、东南郊干渠、西排干渠、通惠河灌渠、南大沟、田施沟和玉带河等7条支流组成, 河长约22.6 km, 流域面积为102 km², 其中, 朝阳区河流长度为12.4 km, 流域面积为43.1 km²；通州区河流长度为10.2 km, 流域面积为58.9 km².萧太后河是经朝阳区通往北京城市副中心的重要河道, 正在实施的河道景观项目共分为4段, 朝阳段12.4 km, 台马段2.9 km, 环球影城改线段4.74 km, 张家湾段2.56 km.萧太后河流域范围内涉及城区、城乡结合部、城市副中心、城中村、郊区和农村等地区, 是一条覆盖多功能区、多下垫面类型及径流多入河类型的河流, 符合研究区域要求.

2.2 监测与取样

近年来萧太后河流域范围内加大治理力度, 河道范围内入河排水口数量较少, 而且大多数雨水排水口由于安装鸭嘴阀, 导致无法安装测流和取样装置.结合萧太后河现状, 基于测流与取样的便利性, 兼顾径流入河方式的多样性, 本文选取3类径流入河排水口开展相关测流与取样工作, 从萧太后河上游至下游依次选取首闸(5 m×3 m方涵)、台湖路边沟(宽10 m排水土质沟)和前营村(D200排水管)作为监测点, 分别代表合流制溢流排水口、村外雨水排水边沟及河道周边村庄径流散排入河口, 这3种径流入河方式具有一定的典型性.合流制溢流排水口是城市比较典型的排涝方式, 村边沟是村内排出雨水的主要方式, 分布在河道周边的村庄径流散排入河是比较常见的方式.无论径流以哪种方式入河, 都会给河道水环境造成影响, 因此, 有必要探明各种入河径流的污染特征.

为满足研究的需要, 建立包括降雨量、径流量及自动采样的监测系统, 实时获取降雨状况、径流水量水质变化(图 1).降雨量监测：分别在首闸和前营村各安装一套雨量计, 选用RG3-M型翻斗式雨量计(Onset Computer Corporation, 美国HOBO)测定降雨量.径流量监测：分别在上述3类入河口处安装测流三角堰板, 选用明渠堰槽流量计测定径流流量.径流自动取样：采用雨量、水位传感器触发启动技术, 设定降雨量大小和水位控制采样器, 按照预设的采样时间间隔自动采集样品.采样间隔为降雨1 h内, 每5 min取样一次；降雨2~3 h, 每10 min取样一次.每场次降雨累计取样3 h、24个水样.径流水样采集完成后于24 h内完成检测, 涉及的检测指标包括SS、TP、TN、NH₃-N、COD等常规水质指标, 检测方法参见《水和废水监测分析方法》(第四版).

2.3 有效降雨特征

雨量计安装在萧太后河岸边, 通过雨量计对2019年4—10月降雨量进行实时监测, 以各径流监测点成功取到24个径流水样为基准, 研究期间不同径流入河口采集到有效降雨事件分别为4场、4场和7场, 有效降雨特征如表 1所示.降雨量为6.0~31.2 mm, 平均降雨强度为2.13~15.67 mm·h^-1, 降雨历时为1.80~9.00 h, 雨前干期长度为0~7 d.

2.4 数据处理与统计分析 2.4.1 场次降雨径流平均浓度(EMC)计算

场次降雨过程中不同时段污染物浓度差异较大, 选用场次降雨径流平均浓度(EMC), 评价径流污染物对受纳水体的影响(Qin et al., 2010), 计算方法见式(1).

(1)

式中, m为整个降雨过程中某污染物的总量(g)；v为降雨过程总径流量(m³)；t为总径流时间(min)；C_t为t时刻降雨径流中某污染物的瞬时浓度(mg·L^-1)；Q_t为t时刻径流量(m³·min^-1)；Δt为采样间隔时间(min).

2.4.2 场次降雨入河污染负荷测算

明确场次降雨径流入河污染负荷, 有利于衡量径流污染对水环境的影响.参考年径流污染负荷计算方法(滕俊伟等, 2014), 场次降雨入河污染负荷计算公式见式(2).

(2)

式中, m为流域内场次降雨径流污染负荷量(kg)；A为流域面积(m²)；H为场次降雨量(mm)；R_c为径流修正系数(0~1), 本文取0.8；R_v为入河径流系数(0~1), 本文取0.6；C为事件中平均污染物浓度(mg·L^-1).在本文计算中, 场次降雨量取本文所抓取降雨事件的平均降雨量, 污染物浓度取不同入河排水口的平均值参与计算.数据统计分析与作图分别用SPSS21.0和Origin2016.

3 结果分析(Results) 3.1 不同排水口径流水质特征

不同场次降雨中, 各入河排水口径流污染物浓度不同, 限于篇幅原因本文仅以2019年7月22日的降雨为例进行分析, 论述各入河排水口径流特征, 分析结果如图 2~4所示.由图 2可知, 首闸合流制溢流口在累计降雨12 mm之后开始出现溢流, 溢流时间晚于降雨时间约2 h, 这与溢流口的汇水范围相关.溢流口初期溢流水质中TN、NH₃-N和COD呈逐渐降低的趋势, TP和SS呈先增后降的趋势, 且溢流3 h的水质仍属于劣Ⅴ类.从各污染物指标的最大值来看, 最初的10个溢流样的水质较高, 所有指标均达到最大值.从降雨过程来看, 尽管后期有新一轮的降雨高峰, 但并未造成溢流水质的二次攀升, 由此可知初次溢流对管网冲刷较完整.

由图 3可知, 台湖路边沟在累计降雨5 mm之后产流, 小于首闸溢流的累计降雨量.径流形成时间晚于降雨约1.5 h, 较首闸径流形成时间约提前0.5 h, 主要与汇水范围有关.村外雨水边沟的径流水质均呈先增加后降低的趋势, 径流污染物浓度约在第12~15个水样达到最大值.与相应时间的径流量相比, 径流浓度最大值与径流量最大值在一定程度上重合, 表明径流对边沟原有污染负荷形成明显的冲刷效应.径流3 h后水质指标浓度仍较高, 且高于首闸溢流浓度, 若该径流污水直排入河, 势必会严重影响河道水环境.

由图 4可知, 前营村在累计降雨量为3.2 mm时开始产流, 径流形成时间晚于降雨时间约1.2 h, 主要与降雨强度和降雨量有关.与其他两类入河排水口相比, 前营村入河径流成分相对单一, 没有首闸合流制污水的干扰, 不会有排水边沟原有污染物的积累.仅NH₃-N呈现持续下降的趋势, 其他4类指标均表现为先增后降的趋势, 且各污染物浓度明显小于其他两类入河排水口.前营村径流污染浓度变化过程存在一定的冲刷效应, 径流污染物浓度最大值大多数与径流量最大值出现的时间类似, 且初期径流量变化过程与径流水质变化过程类似.与其他两类入河排水口不同, 在径流3 h后, NH₃-N和TP浓度较小, 尤其是NH₃-N浓度达到Ⅱ类水体.出现这种现象的原因在于, 位于河岸周边的村庄路面硬化及绿化措施较好, 且路面每日定期清洁, 降雨形成的径流污染负荷较低.

上述仅从单次降雨径流过程分析了径流污染特征, 各入河排水口的径流污染特征存在较大差异.为明确不同场次降雨径流污染特征, 以不同场次降雨径流平均浓度(EMC)来分析场次降雨径流污染情况, 监测周期内所有场次EMC分析结果如图 5所示.由图 5可知, 各径流污染指标在不同入河排水口存在较大差异.对于TP指标, 台湖路边沟不同场次降雨的平均EMC及EMC波动范围明显高于其他两个排水口, 3类排水口TP的平均EMC值分别为0.22 mg·L^-1(首闸)、0.99 mg·L^-1(台湖路边沟)和0.74 mg·L^-1(前营村).与TP类似, 台湖路边沟NH₃-N的平均EMC值及波动范围最大, 其次是首闸, 3类排水口NH₃-N的平均EMC分别为6.61、14.79和3.77 mg·L^-1.COD和TN的平均值及波动范围排序与NH₃-N类似, 分别为台湖路边沟、首闸及前营村, 且3类排水口的平均值都高于劣Ⅴ类水体.在5种水质指标中, 台湖路边沟仅SS的平均EMC值及波动范围是最小的, 但首闸较大, 可能的原因在于雨污合流管网中由于历史沉积, 经过降雨径流的冲刷后, 前期沉积在管网中的悬浮物再次污染水体.从不同场次降雨径流EMC值来看, 3类入河排水口的污染物浓度均高于劣Ⅴ类水体, 尤其是氮含量, 大多数平均EMC值是Ⅴ类水体的3~5倍, 由降雨径流输入水体的营养盐应引起重视.

上述研究分别从单次降雨过程的污染负荷特征, 以及不同场次降雨的EMC值两个视角来分析入河径流污染特征.单次降雨入河径流污染特征分析表明, 首闸和台湖路边沟的径流污染物浓度最大值、始末值差异性不大, 但都远高于前营村；然而, 监测周期内不同场次的EMC分析表明, 台湖路边沟不同场次降雨的平均EMC及EMC波动范围均高于其他两类入河排水口(不包括SS指标).上述两种分析方法存在差异性的原因是多方面的, 单次降雨存在较大的不确定性、不同场次降雨特征差异性、降雨前后径流区域内的卫生状况等因素, 都会导致单次降雨的结论与综合分析的结论出现差异.尽管上述两类分析视角的结论存在差异, 但各种分析结果对实践都具有一定的指导意义.单次降雨径流过程污染负荷特征有利于指导末端截流措施的制定, 不同场次降雨EMC分析有利于测算入河径流污染负荷总量.

3.2 降雨特征与排水口径流水质的关系

降雨特征将直接影响入河径流水质, 通过分析监测周期内入河排水口所有场次EMC值与降雨特征的相关性, 明确降雨特征对不同径流水质指标的影响, 分析结果如表 2所示.在首闸, TN与平均雨强、COD与雨前干期长度、NH₃-N与雨前干期长度均呈正相关, SS与降雨量呈负相关关系；在台湖路边沟, TN与降雨量及平均雨强均呈正相关, TP与雨前干期长度呈正相关, 其他水质指标与降雨特征无相关性；在前营村, TP与平均雨强呈负相关, SS与降雨历时呈正相关, 其他水质指标与降雨特征无相关性.

降雨过程比较复杂, 很难用几个指标完全表征, 不同类型入河排水口差异性较大, 影响径流污染物的因素较多, 关于降雨特征与径流污染物浓度的相关关系存在较大争议.目前研究表明(李春林等, 2014), 降雨特征与径流污染物浓度的相关性与冲刷和稀释过程有关, 当冲刷作用较大时, 降雨量、降雨强度与径流污染物浓度正相关, 反之, 则呈负相关关系.在降雨特征指标中, 降雨量决定了径流污染物稀释和冲刷过程, 对径流污染物浓度的影响将受制于稀释和冲刷的综合效用, 使得出现正向(王龙涛等, 2015)或负向(陈莹等, 2011)相关性, 与首闸中SS的负相关及台湖路边沟中TN的正相关性一致.

降雨强度将直接影响径流冲刷效应, 强度越大、冲刷越彻底、携带污染物量越多(任玉芬等, 2013).尽管如此, 但仍有研究表明雨强与污染物浓度存在负相关关系(欧阳威等, 2010), 可能的原因在于降雨的稀释作用(Lee et al., 2000), 这也解释了本研究中首闸与台湖路边沟中TN与雨强的正相关, 以及前营村中TP与雨强的负相关原因.降雨历时决定了径流冲刷时间, 历时越长, 污染负荷越高, 与本研究前营村中SS与降雨历时呈正相关相一致, 尽管如此, 也有学者研究得出负相关的结论(王海邻等, 2019).雨前干期长度决定了污染物在下垫面的累积过程, 在无外界干扰下, 累积时间越长, 产生的径流污染负荷越高, 与本研究首闸中NH₃-N和COD及台湖路边沟中TP的结论一致, 但在前营村却没有表现出明显的相关性, 可能与外界的干扰有关(张千千等, 2014).

3.3 径流入河污染物相关性分析

明确径流污染物之间的相关性, 有利于在后续研究及工程应用中, 选用一种或两种特征污染物指标来描述径流的污染特征.本文以各入河排水口监测的场次降雨为基础数据, 基于两两相关性分析, 提取具有相关性的指标, 然后采用回归分析获得拟合关系, 结果如图 6所示.由图可知, 3类入河排水口径流污染指标中NH₃-N与不同的指标存在一定的相关性.在首闸和台湖路边沟径流污染负荷中, NH₃-N与SS呈负相关, 与COD和TN均呈正相关, 且各回归分析的R²均高于0.9；在前营村径流污染负荷中, NH₃-N与TP、SS和TN均呈正相关, 且回归分析的R²均大于0.9.由上述分析可知, 本文所涉及的径流污染负荷中, NH₃-N是一类关键指标, 通过监测NH₃-N的变化过程, 能够在一定程度上反映其他相关联指标的变化趋势.

周峰等(2017)以分流制雨水口为对象, 分析了径流污染物指标之间的相关性, 结果表明, NH₃-N与TN、TP及COD均呈正相关, 与本文中3个入河排水口的部分结论相同, 主要不同体现在NH₃-N与SS的相关性上, 可能的原因在于研究对象及径流入河方式的差异性.Opher等(2010)从降雨径流污染物的存在形式出发, 选用电导率(EC)表征径流污染物的溶解态, 用总悬浮物(TSS)表征污染物的颗粒吸附态；王海邻等(2019)以道路径流为对象, 研究表明TSS与TP具有正相关性；武俊良等(2015)认为磷是以颗粒物形态参与地球生物化学循环的, 遗憾的是这一点未在本研究中得到验证.可能的原因在于本文主要以汇流末端为研究对象, 对于末端径流通常不仅仅来源于降雨, 还包括管网沉积物、路边沟沉积物及水域岸线的垃圾等, 因此, 与前人的研究结论有所出入.然而这也正是本文的重要贡献, 弥补了径流污染特征研究.

3.4 入河降雨径流污染负荷估算

基于监测周期内场次降雨情况, 3个入河排水口的平均场次降雨量为19.85 mm, 萧太后河流域面积为43.1 km², 结合3个排水口多场次径流EMC平均值作为计算参考, 萧太后河流域场次降雨入河污染负荷TP、NH₃-N、COD和TN分别为0.27、2.82、43.77和4.98 t.萧太后河无论长度还是流域面积, 都属于较小型河流, 单次降雨直接输入河道的污染负荷与其他污染源输入相比相对较高.通常, 场次降雨历程较短, 河道短时间内输入大量的污染负荷, 势必对河道水环境、水生态及水景观带来较大冲击.因此, 降雨径流造成的面源污染, 对未来河道水环境的持续改善带来较大挑战, 有必要采取有效措施降低和减少径流负荷入河量, 保障河道水环境的持续向好.

关于径流污染的控制, 常采用源头消减、过程控污、末端治理的全链条方式.在源头消减方面, 包括海绵措施(石春艳, 2018)、分流制建设与合流制改造(刘东征等, 2020)、水域岸线生态改善等；在过程控污方面, 包括道路清扫(吴民山等, 2020)、管网冲刷、生态沟渠建设(王金丽等, 2020)等；在末端治理方面, 径流调蓄、入河口截污(周国华等, 2020)、旋流分离等措施都能够有效消减入河径流负荷.在大多数的径流控污措施中, 径流调蓄措施已经在全球范围内得到应用和推广.在确定调蓄设施容积时, 主要从雨水峰值流量调节和径流污染控制两个方向开展设计, 获得的设计结论因拟定的设计目标而存在差异(张哲, 2019).刘阳(2014)基于滇池降雨特征, 以截流滇池流域50%年降雨量为目标, 确定截流初期9.7 mm降雨；Chow等(2014)以控制约50%的径流负荷为目标, 建议热带城市截流10 mm降雨；李连文等(2020)基于模型模拟分析方法, 确定截流约7 mm降雨能够实现河道水体稳定在V类.结合本文对降雨径流过程污染负荷及场次降雨平均污染负荷研究, 建议从总污染负荷控制的角度确定末端调蓄容积.由不同排水口径流水质特征研究结论可知, 降雨初期前1 h径流的污染物浓度明显高于后期径流, 结合所有监测场次的降雨, 建议末端入河排水口截留约16 mm降雨.

4 结论(Conclusions)

1) 降雨径流过程污染特征研究表明, 首闸合流制溢流口在累计降雨12 mm开始溢流, 溢流时间晚于降雨约2 h, TN、NH₃-N和COD呈逐渐降低的趋势, TP和SS呈先增后降的趋势.台湖路边沟在累计降雨5 mm之后产流, 径流形成时间晚于降雨约1.5 h, 径流水质均呈现先增加后降低的趋势.前营村在累计降雨量为3.2 mm时开始产流, 径流形成时间晚于降雨时间约1.2 h, 仅NH₃-N呈持续下降的趋势, 其他4类指标均表现为先增后降的趋势.多场次降雨污染分析表明, 台湖路边沟多场次降雨的平均EMC及EMC波动范围均高于其他两类入河排水口(不包括SS指标).从不同场次降雨径流EMC值来看, 3类入河排水口的污染负荷较高, 浓度均高于劣Ⅴ类水体, 尤其是氮含量, 大多数平均值是Ⅴ类水体的3~5倍, 由降雨径流输入水体的营养盐应引起重视.

2) 降雨特征与入河径流污染负荷相关性分析表明, 首闸的TN与平均雨强、COD与雨前干期长度、NH₃-N与雨前干期长度均呈正相关, SS与降雨量呈负相关；台湖路边沟中TN与降雨量及平均雨强均呈正相关, TP与雨前干期长度呈正相关, 其他水质指标与降雨特征无相关性；前营村中TP与平均雨强呈负相关, SS与降雨历时呈正相关, 其他水质指标与降雨特征无相关性.径流入河污染物之间的相关性分析结果表明, 3类入河排水口径流污染指标中NH₃-N与不同的指标存在一定的相关性.首闸和台湖路边沟径流污染负荷中, NH₃-N与SS呈负相关, 与COD和TN均呈正相关；前营村径流污染负荷中, NH₃-N与TP、SS和TN均呈现正相关.通过监测NH₃-N的变化过程, 能够在一定程度上反映其他相关联指标的变化趋势.

3) 场次入河降雨径流污染负荷分析表明, 萧太后河流域场次降雨入河污染负荷TP、NH₃-N、COD和TN分别为0.27、2.82、43.77和4.98 t.建议从总污染负荷控制的角度确定末端调蓄容积, 截留初期约16 mm降雨.