全 文 ：第 25 卷第 12 期
2005 年 12 月
生　　态　　学　　报
A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 25,N o. 12
D ec. , 2005
城市不同下垫面的降雨径流污染
任玉芬, 王效科, 韩　冰, 欧阳志云, 苗　鸿
(中国科学院生态环境研究中心系统生态重点实验室, 北京　100085)
基金项目: 中国科学院知识创新工程重要方向资助项目 (KZCX32SW 2424) ; 国家“863”水专项资助项目 (2002AA 601022)
收稿日期: 2005204220; 修订日期: 2005209220
作者简介: 任玉芬 (1978～ ) , 女, 山东滨州人, 博士生, 主要从事城市面源污染研究. E2m ail: 200418004215005@m ail. rcees. ac. cn
Foundation item: T he P ro ject of Know ledge Innovation of CA S (N o. KZCX32SW 2424) and“863”w ater specific item (N o. 2002AA 601022)
Rece ived date: 2004204220; Accepted date: 2005209220
Biography: REN Yu2Fen, Ph. D. candidate, m ain ly engaged in urban diffuse po llu tion. E2m ail: 200418004215005@m ail. rcees. ac. cn
摘要: 当点源污染被有效控制后, 面源污染成为城市水质恶化的主要原因之一。屋面和路面等不透水面以及绿地是城市的 3 种
主要下垫面形式。当暴雨产生时, 各种下垫面特别是屋面和路面上汇聚大量污染物质产生径流, 对城市生态环境造成严重的污
染。以文教区为例, 对屋面、路面、草坪的径流水质进行了监测, 指标包括 pH、悬浮固体 (SS)、化学需氧量 (COD )、总氮 (TN )、总
磷 (T P)和生化需氧量 (BOD 5)等。比较分析发现, 3 种下垫面类型的径流水质均较差, COD、TN、T P、BOD 5 平均浓度超过地表水
环境质量Í 级标准。COD、TN 和 T P 浓度与 SS 含量之间相关性较好, 相关系数可达 0. 85 以上。径流中污染物浓度受多个因素
的影响, 其中降雨量和降雨强度是两个重要因素, 雨强越大, 雨水对城市下垫面的冲刷就越强; 在相同的污染物累积量条件下,
降雨量越大, 径流中污染物浓度越低。
关键词: 面源污染; 暴雨径流; 径流水质; 城市下垫面; 相关分析; 影响因素
文章编号: 100020933 (2005) 1223225206　中图分类号: X171　文献标识码: A
Chem ica l ana lys is on storm wa ter-runoffpollution of d ifferen t underly ing urban
surfaces
R EN Yu2Fen, W AN G X iao2Ke, HAN B ing, OU YAN G Zh i2Yun, M IAO Hong 　 ( K ey L abora tory of S y stem s
E cology , R esearch Cen ter f or E co2E nv ironm en ta l S ciences, Ch inese A cad emy of S ciences, B eij ing 100085, Ch ina). A cta Ecolog ica S in ica , 2005, 25
(12) : 3225～ 3230.
Abstract: D iffu se po llu t ion is one of the m ain sou rces that cause the deterio rat ion of u rban w ater quality after the po in t po llu t ion
is con tro lled effect ively. U nderlying su rfaces such as roofs, roads, and law ns are the m ain types of su rfaces found in city.
D uring sto rm even ts, large amoun ts of po llu tan ts depo sited on the su rfaces, especially roofs and roads, adding sign ifican t
po llu t ion to u rban eco logical environm en ts. Fo r th is study, the quality of the th ree k inds of runoff w as mon ito red in Beijing’s
un iversity district, w here indices included pH , suspended so lids, chem ical oxygen dem and, to tal n itrogen, to tal pho spho rus,
b iochem ical oxygen dem and, and so on. T he po llu t ion of the runoff is serious on all th ree of the underlying su rfaces. COD ,
TN , T P and BOD 5 concen trat ions all exceed the fifth level of the environm en tal quality standards fo r Ch ina. In a co rrela t ion
analysis, the co rrela t ion coefficien ts betw een COD , TN , T P concen trat ion and SS con ten t are all larger than 0. 85. F indings
suggest that there are m any facto rs influencing the quality of runoff, w ith rainfall amoun t and in tensity being tw o impo rtan t
facto rs. In addit ion, h igher in tensity can cause sharper flu sh on the su rfaces, and concen trat ion of po llu tan ts decline in sto rm s
of larger amoun t of p recip ita t ion in relat ion to the sam e p revious depo sit ion of po llu tan ts.
Key words: d iffu se po llu t ion; sto rm R unoff; runoff quality; u rban underlying su rfaces; co rrela t ion analysis; influencing facto rs
　　面源污染是指溶解的或固体污染物从非特定的地点, 通过径流过程而汇入受纳水体, 引起的水体污染[1～ 7 ]。当点源污染被
有效控制后, 面源污染就成为城市水质恶化的主要原因之一[8 ]。屋面、路面和绿地是城市主要的下垫面类型, 当暴雨产生时, 下
垫面 (主要是屋面和路面)上大量污染物在雨水的冲刷下随径流一起进入受纳水体, 对城市生态环境构成严重威胁。另外随着城
市化进程的加快, 城市不透水下垫面面积呈上升趋势, 这就使暴雨时的径流量大大增加, 因此应对城市下垫面的径流污染做出
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研究。
城市下垫面的不同对径流水质的影响较大。Grom aire[9, 10 ]对巴黎“M arais”集水区的屋面、庭院和街道径流水质进行了监
测, 发现屋面径流重金属污染大于COD、BOD 5 和 SS; 庭院和街道径流污染主要表现为 SS 和COD。L egret [11 ]和 Sansalone[12 ]指
出道路雨水径流中含有大量 SS、碳氢化合物和重金属等而且COD 较高。Chang [13, 14 ]认为屋面径流 Zn 和Cu 污染超标严重, 而
车武[15 ]的研究则得出屋面径流主要是COD 和 SS 污染, TN、T P、重金属和无机盐等浓度则较低。由于受交通状况、大气沉降等
多重因素的综合影响, 屋面、道路径流水质呈现出明显的随机性和波动性, 因此对城市面源污染的研究具有一定的困难。
前人的研究主要针对屋面和路面进行了径流水质的监测, 初步分析了径流中污染物种类和污染程度。监测指标较少且缺乏
对绿地径流污染的研究。本文对屋面、路面和草坪等城市中主要的土地使用类型进行了径流水质的采样分析, 确定 3 种汇水面
径流的污染程度, 分析各污染物之间的相关性, 以及降雨量和降雨强度对径流水质的影响, 这有助于了解城市水体污染的来源
并为城市水污染治理和决策提供基础数据和科学依据。
1　材料和方法
1. 1　样品采集
屋面、路面和草坪 3 种下垫面径流水样的采集地点是中国科学院生态环境研究中心。草坪与屋面和路面是性质不同的城市
下垫面, 草坪属于自然下垫面, 而屋面和路面属于人工下垫面, 当暴雨产生时, 屋面和路面很容易产生径流, 而草坪产流慢且径
流量较少。屋面径流设 3 个采样点, 其中综合楼顶 1 个, 化工楼顶 2 个 (2004 年采样季节只有这两栋楼有雨水下水管) , 屋面材料
均为沥青油毡; 屋面径流的收集方法是: 在楼顶雨水管道出水口处放置收集瓶, 收集楼顶流出的雨水。路面径流设 4 个采样点
(分别设在交通较多的两条路上) , 包括综合楼以南路面 2 个采样点 (道路南北两侧各设 1 个) , 路面材料为水泥混凝土; 综合楼
以北路面 2 个采样点 (道路南北两侧各设 1 个) , 路面材料为烧结砖; 路面径流的收集方法为: 在路面上的雨水下水井内安装与
井口同尺寸的容器, 当路面产生径流时汇聚进入该容器中, 在容器的底部接一出水管, 并安装有水表和侧流管, 分别用来记录流
量和收集样品 (侧流管较细, 可以收集出水管中每时段的雨水, 保证该样品能代表全降雨过程的平均情况)。草坪径流取样点设
在绿园中路北侧草坪南端 (稍有坡度) , 在地势最低处埋入一收集瓶, 瓶口同地面齐平, 瓶壁与周围土壤紧密封好, 以使草坪坡上
径流流入瓶中。由于草坪土质松软, 绝大部分雨水都渗入地下, 径流量较少, 因此径流收集非常困难, 并且研究区其它几处草坪
地势平坦, 样品收集就更加困难, 故采样点只有 1 个。具体采样时间为 2004 年 6 月 16 日、6 月 24 日、6 月 30 日、7 月 1 日、7 月 3
日、7 月 4 日、7 月 7 日、7 月 8 日、7 月 10 日、7 月 11 日、7 月 18 日、7 月 20 日、7 月 21 日、7 月 29 日、8 月 9 日、8 月 12 日、8 月 27
日、9 月 6 日、9 月 15 日共 19 场降雨 (涵盖了全年降雨量的约 80% ) , 每场降雨各个采样点同时取样, 样品采集后立即转入实验
室进行化验分析。
1. 2　样品分析
径流监测指标包括pH、SS、COD、TN、T P、BOD 5 和重金属 (Cu、C r、Zn、Pb 和Cd)等。样品分析方法为: pH 值 (采用玻璃电极
法, GB 6920286)、COD (重铬酸钾法, GB 11894289)、TN (过硫酸钾氧化2紫外分光光度法, GB 11894289)、T P (钼酸铵分光光度法,
GB 11893289)、BOD 5 (稀释接种法, GB 7488287)、SS [16 ] (0. 45Λm 滤膜过滤 103～ 105℃烘干称重, GB 11901289) 均为国家标准规定
的样品测定方法; 重金属的测量采用 ICP2O ES 和 ICP2M S。多次降雨各种污染物的平均浓度分别与地表水环境质量标准
(GB 383822002)对比得出其污染水平。所有数据的整理与统计均采用 Excel(2000)和 SPSS 软件。
2　结果与分析
2. 1　屋面、路面和草坪径流的 pH 值及 SS 含量
多次降雨的屋面、路面和草坪径流的平均 pH 分别为 7128±0114 (n= 35)、7173±0108 (n= 33)、7155±0108 (n= 7) (图 1) ,
为中性略偏碱。屋面径流的平均 pH 明显低于路面径流, 差异达显著水平 (p = 01004)。
3 种下垫面径流中悬浮固体的平均含量 (图 1) 大小顺序为: 草坪 ( (458100±111186)m göL , n= 6) > 路面 ( (243147±40147)
m göL , n= 33) > 屋面 ( (77190±11117)m göL , n= 36) ; 两两之间差异均达显著水平 (屋面和路面 p = 0, 屋面和草坪 p = 01008, 路
面和草坪 p = 01008)。草坪土质松软, 经雨水淋洗, 冲刷出大量的固体颗粒物质, 路面上悬浮固体主要是大气沉降以及交通等人
为因素带入的固体物质; 而屋面上受人为因素干扰较小, 颗粒物主要来源于大气降尘, 含量较少。
2. 2　不同下垫面的降雨径流污染物浓度
降雨的前段时间和后段时间径流中污染物的浓度会有较大差别, 取全部降雨过程中污染物的平均浓度, 与地表水环境质量
标准相对比, 屋面、路面和草坪的降雨径流污染物的浓度均较大 (表 1)。按照降雨次数 (共 19 次降雨)平均计算, 屋面、路面和草
坪 3 种下垫面径流的COD 分别为 (140113±15126) , (140118±13194) , (120137±18190) m göL , 超过地表水环境质量Í 级标准
(40m göL )的 2 倍以上; TN 分别为 (8121±0172) , (6189±0157) , (6180±0178) m göL , 超过Í 级标准 (2m göL )的 2～ 3 倍; T P 污
染较轻, 路面和草坪径流 T P 含量略超过Í 级标准 (014m göL ) , 分别为 (0161±0108) , (0174±0112) m göL。BOD 5 分别为
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(17162±2108) , (25117±3186) , (20193±6148)m göL , 均超过Í 级标准 (10m göL )。比较发现路面COD、BOD 5 污染最严重, 草坪
T P 污染最重, 而屋面TN 污染最重。草坪污染物浓度虽大, 但由于草坪径流量小, 大部分雨水都被土壤吸收, 故总体产生的污染
物较少。3 种下垫面重金属Cu、C r、Zn、Cd、Pb 的含量均较低, 不超出地表水环境质量Ê 级标准。
图 1　屋面、路面和草坪径流 pH 和悬浮固体含量
F ig. 1　pH and SS conten t of roof, road and law n runoff
地表径流污染负荷有两种, 由一场降雨所引起地表径流排放的污染物总量为次降雨污染负荷; 而由一年中的多场降雨所引
起的地表径流排放污染物的总量称为年污染负荷。由于地表径流排污的随机性使得次降雨污染负荷的代表性很差, 通常采用年
污染负荷。将每次降雨径流全过程的污染物平均值 (EM C)与总降雨径流量 (降雨量 P i 与汇水面积A i 之积)的乘积累加, 可以得
到年污染负荷:
L y = ∑
m
i= 1
(EM C ) iP iA i　 (m 为降雨次数)
　　经简单计算, L 屋面SS = 194175g, L 屋面COD = 350125kg, L 屋面TN = 20152kg, L 屋面TP = 01425kg, L 屋面BOD = 44105kg。L 路面SS =
3043138kg,L 路面COD = 1752125kg,L 路面TN = 861125kg,L 路面TP= 71625kg,L 路面BOD = 314163kg。草坪径流量较少, 且周围都有护堤防
护, 除特大暴雨外, 一般草坪上的径流很少外溢, 因此对城市生态环境的影响较小; 在小降雨量的情况下, 草地可以起到削减污
染物的作用。
表 1　屋面、路面和草坪径流污染物平均浓度
Table 1　Pollutan t con ten ts of roof , road and lawn runoff
项目
Item
COD
(m göL ) TN(m göL ) T P(m göL ) BOD 5(m göL ) Cu(m göL ) C r(m göL ) Zn(m göL ) Cd(ΛgöL ) Pb(ΛgöL )
屋面Roof 140113 8121 0117 17162 0101 — 0103 0128 8134
路面Road 140118 6189 0161 25117 0102 — 0106 0110 3106
草坪L aw n 120137 6180 0174 20193 — — — — —
2. 2. 1　污染物浓度月变化　由 6～ 9 月份屋面、路面和草坪径流中COD、TN、T P、BOD 5 的变化 (图 2) 可知各下垫面径流中各
污染物每月差别较大。
　　屋面 6 月份COD、BOD 5 浓度明显高于其他月份, 差异达显著水平 (p (COD) 6～ 7月份= 01002, p (COD) 6～ 8月份= 01004, p (COD) 6～ 9月份=
01018; p (BOD5) 6～ 7月份= 01001, p (BOD5) 6～ 8月份= 01001, p (BOD5) 6～ 9月份= 01006) ; 屋面径流 TN 浓度 6 月份明显比 7 月份高 (p = 01021) ,
9 月份明显比 7、8 月份高 (p 7～ 9月份= 01001, p 8～ 9月份= 01005) ; T p 浓度 6 月份明显高于 7、8 月份 (p 6～ 7月份= 01006, p 6～ 8月份=
01012)。
路面径流 9 月份 T P 含量较高, 与其他月份相比有明显差异 (p 6～ 9月份= 01001, p 7～ 9月份= 0, p 8～ 9月份= 01031)。由于 6 月和 9 月
份降雨的降雨量较小, 无法取得草坪径流样品, 只有 7、8 月份的污染物浓度, 除 T P 外其余污染物浓度 8 月均高于 7 月份, 但差
异不显著。
北京市降雨主要是 6～ 9 月份, 而且绝大多数集中在 7、8 月份, 7、8 月份降水概率大, 雨水对城市下垫面的冲刷频繁, 故每
次降雨的污染浓度较低; 而 6 月份和 9 月份是全年雨水的开始和减少阶段, 且降雨频次较少, 污染物积累的时间也长, 故污染物
浓度较高。
2. 2. 2　污染物浓度相关性分析　对屋面、路面和草坪径流污染物浓度进行相关分析发现: 3 种下垫面径流 COD、TN 和 T P 浓
度与 SS 含量之间有较好的相关性 (图 3)。屋面径流COD、TN 和 T P 浓度与 SS 含量相关系数分别为: 01989, 01868, 01958; 路面
径流COD、TN 和 T P 浓度与 SS 含量相关系数分别为: 01864, 01941, 01864; 草坪径流COD、TN 和 T P 浓度与 SS 含量相关系数
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分别为: 01943, 01912, 01944, 相关系数均达 0185 以上。
图 2　屋面、路面和草坪径流污染物月变化
F ig. 2　M onth ly change of po llu tan ts in roof, road and law n runoff
图 3　屋面、路面和草坪径流COD、TN 和 T P 浓度与 SS 之间的相关关系
F ig. 3　Co rrelat ion betw een COD , TN , T P concentration and SS conten t of roof, road and law n runoff
2. 2. 3　降雨量和降雨强度影响　降雨对城市下垫面上的污染物具有冲刷、稀释和溶解等多重作用, 污染物浓度的大小受多种
因素影响, 包括降雨强度、降雨量、两次降雨之间的时间间隔等, 污染物浓度是各个影响因素的复杂函数。雨强 (即单位时间的降
雨量)越大, 雨水对地表的冲刷作用就越强, 携带的污染物就越多, 以 7 月 10 日 (115h 降雨 25mm )和 7 月 21 日 (2h 降雨 15mm )
降雨为例, 比较不同下垫面上污染物浓度的大小 (表 2) , 发现 7 月 10 日降雨各污染物浓度普遍高于 7 月 21 日降雨。两次降雨屋
面径流COD (p = 01009, n= 6) 和BOD 5 (p = 01001, n= 6) 均具有显著性差异, 路面 TN (p = 01011, n= 6)、BOD 5 (p = 01036, n=
6)差异也具有显著性。同样降雨有对污染物稀释的作用, 在相同的污染物累积量条件下, 降雨量越大, 雨水对污染物的稀释作用
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越强, 径流中污染物的浓度就会降低, 降雨量与污染物平均浓度呈现负相关关系。
3　讨论
3. 1　污染物来源及不确定性
近年来随着生产生活水平提高, 煤、油、燃气等能源消耗激增, 废气、粉尘等排放的增加造成了严重的大气污染。雨水在降落
过程中对大气起到淋洗的作用, 空气中的粉尘颗粒物、可溶性的有害气体就随着雨水降落至地面, 对本来水质较好的雨水造成
污染。雨水径流水质受汇水面性质影响而呈现出不同的变化。屋面污染物主要为大气干沉降物和屋面材料的分解产物, 油毡屋
面是一种主要的污染源。路面污染状况是道路雨水污染的决定性因素, 水质比屋面雨水更复杂, 随机性更大, 因此各汇水面上的
污染物的产生具有不确定性。
表 2　不同降雨量和降雨强度下的污染物浓度 (m göL )
Table 2　Pollutan t concen tration s at differen t amoun t of ra infa ll and in ten sity
日期D ate 项目 Item COD TN T P BOD 5 SS
7 月 10 日 Ju ly, 10 屋面径流 Roof runoff 170161±18128 8198±2120 0112±01002 33119±1193 114107±50177
路面径流 Road runoff 119185±21120 8193±1141 0152±0111 31129±10160 45015±139114
草坪径流 L aw n runoff 74132 7149 0145 4114 71215
7 月 21 日 Ju ly, 21 屋面径流 Roof runoff 85176±13131 4199±0110 0109±0101 10163±3112 41184±12124
路面径流 Road runoff 119185±21120 4124±0172 0134±0104 9169±1151 322183±109179
草坪径流 L aw n runoff 53193 3101 0158 7103 26515
3. 2　与国外的监测结果比较
本文中北京市径流水质与武汉①、德国[17 ]、法国巴黎[9 ]的监测结果进行比较 (表 3) 发现: 北京屋面和道路径流水质悬浮固
体含量及有机污染情况明显高于其他地区, 屋面径流COD、BOD 浓度甚至是武汉及国外监测结果数倍, 说明本文研究区的大
气污染状况较为严重, 北京市屋面材料中析出大量有机物也可能是屋面有机污染较为严重的原因之一。另外, 国内其他研究区
及国外对草坪径流水质的监测资料较少。
表 3　国内外城市地表径流水质监测结果对比
Table 3　Compar ison of the qual ity of surface runoff home and abroad (m göL )
项目
Item
巴黎 Paris 德国 Germ any 北京 Beijng 武汉W uhan
屋面Roof 路面Road 屋面Roof 路面Road 屋面Roof 路面Road 屋面Roof 路面Road
SS 29 9215 — — 7719 243147 40～ 60 350～ 650
COD 31 131 47 87 140113 140118 4419～ 5416 60～ 110
BOD 4 36 — — 17162 25117 — —
TN — — 6 2125 8121 6189 4109～ 6104 419～ 6104
T P — — 012 0155 0117 0161 0122～ 0125 013～ 0153
313　关于相关性
屋面、道路及草坪 3 种下垫面径流COD、TN、T P 浓度与 SS 含量之间有较好的相关性, 说明大部分的污染物质是以颗粒吸
附态存在的。根据这一性质, 通过对城市环境卫生进行清扫、对雨水径流截污、沉淀和过滤, 可以有效地控制污染物总量。
4　结论
　　 (1) 屋面、道路及草坪径流污染较为严重, 主要污染物为COD、TN、T P、BOD 5 等, 平均含量均超过地表水环境质量Í 级标
准, 路面COD、BOD 5 污染最严重, 草坪 T P 污染最重, 而屋面 TN 污染最重; 3 种下垫面径流重金属含量较低, 不超标。
(2)降雨强度和降雨量是影响径流水质的重要因素, 雨强越大, 雨水对城市下垫面的冲刷就越强; 在相同的污染物累积量条
件下, 降雨量越大, 径流中污染物浓度越低。
(3) 屋面、道路及草坪 3 种下垫面径流 SS 含量与COD、TN、T P 浓度之间有较好的相关性, 相关系数均达 0185 以上, 因此
可以通过城市下垫面的清洁除去大部分的污染物质。
References:
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