白 莹,阮晓红,李荣富,王 琼,郑 菲

(南京大学地球科学与工程学院水科学系,江苏 南京 210093)

1 研究背景

随着城市化进程的加快、人类活动影响强度的增加及其土地利用状况的改变,城市降雨酸雨频率、降雨强度及其地面汇流过程都发生了显著变化。城市降雨水质对城市径流水质有着重要影响[1],城市径流所带来的面源污染也已成为城市水体的主要污染源[2]。

目前,国内对城岛效应与城市湿沉降之间的关系有较多研究[3-6]。王建鹏等[7]对西安及其周边气象观测资料的分析发现,城市下垫面变化与城郊湿度差异和污染物浓度效应有着密切关系。马凤莲等[8]采用趋势分析的统计方法,对比了承德市城区、郊区降水变化特征,研究下垫面变化对降水量的影响规律。但多数研究着重分析降雨量变化,而对雨水水质的地域性差异研究仍不充分。因此,系统地开展降雨动态污染的时空分布规律研究,分析城市降雨污染成分特征,对科学认识和有效控制城市雨水径流所带来的面源污染具有重要意义[8-12]。

图1 雨水采样点分布

笔者通过监测分析,对南京市中心城区和城郊地区降雨的水质成分进行对比,同时观测降雨干湿周期对雨水水质的影响,分析降雨动态污染的时空分布规律,以期为城市环境水体的面源污染控制提供依据。

2 研究区域及样品采集

雨水观测站设于南京市中心的南京大学鼓楼校区和南京市郊的南京大学仙林校区(以下简称鼓楼校区监测点、仙林校区监测点),采样点设在南京大学鼓楼校区和仙林校区的学生宿舍天台上,分布位置见图1。鼓楼校区人口密度大,商业活动频繁,交通拥堵,城市下垫面以水泥柏油路面为主;仙林校区位于南京市东北郊,背倚钟山,距鼓楼校区18 km,周边多分布林业用地和生态环境安全控制区,人口密度小,地域开阔,植被丰富,下垫面以草甸、泥土为主。南京大学鼓楼校区和仙林校区分别位于南京市典型市中心和典型近郊地区,从人口密度、工农业用地分布及下垫面特征,都能充分反映南京市城区与郊区的特点,取其作为雨水采样点,具有充分的代表性。

实验观测时间为2009年12月到2011年7月,分别对鼓楼校区和仙林校区的降雨进行同步采集和监测,共采集有效雨水样品18组。现场收集雨水、记录降雨历时,雨水样品各水质指标分析方法参照文献[13],具体见表1。

表1 水质指标分析方法

注: G为玻璃容器,P为聚乙烯容器。

3 数据分析

3.1 降雨主要污染成分特征分析

表2 雨水水质主成分分析

表3 主因子与各水质指标的相关系数

3.2 研究区域降雨水质特征对比

3.2.1硫酸盐浓度特征

表4 鼓楼、仙林雨水SO42-质量浓度对比

鼓楼校区与仙林校区雨水样本中pH值的变化特征见表4。鼓楼校区雨水的pH值在7～8间波动,平均值为7.59;仙林地区雨水的pH值在4～7间波动,平均值为6.18。

SO2和NO2是降水中致酸离子的重要前体物,因而是降水酸度的主要贡献者[9],其中SO2对全球酸沉降的贡献率达60%～70%。从采样分析结果来看,南京仙林校区雨水pH值较鼓楼校区持续偏低,雨水酸性更大。据2009年环境报告,南京城区的酸雨发生频率为33.2%,远远小于郊区的50.1%,与本研究结果一致。但是仙林校区雨水硫酸盐浓度却比鼓楼校区雨水低,说明仙林地区湿沉降中主要致酸因子已不是SO2。据2009年的气象报告及环境监测中心站10多年的跟踪研究显示[9],江苏省的酸雨污染已从硫酸型向硝酸型转化,SO2对南京市酸雨的贡献率有所下降。

另外,雨水pH值还与降雨背景、降雨持续时间、雨强、降雨云系等因素有关[11],因此要进一步分析南京市区与郊区降雨酸度差异性原因,需要对相关信息进行综合分析。

3.2.2含氮污染物浓度特征

仙林校区和鼓楼校区的雨水含氮污染物质量浓度对比分析结果见表5。

表5 鼓楼、仙林雨水含氮污染物质量浓度及其百分含量对比

仙林校区降雨中TN的质量浓度为3 mg/L左右,含氮污染物主要以氨氮和硝态氮形式存在,占总含氮量的80%以上。鼓楼地区雨水含氮污染物也是以氨氮和硝态氮形式为主,但硝态氮含量较仙林地区雨水相比更高,一般占总氮浓度的50%左右,表明鼓楼地区雨水经过了更长的氧化历程。

南京市从1998年开始,空气污染特征已经处于煤烟型污染向机动车尾气污染变化的转型期,机动车尾气污染增长迅速,酸雨中的氮氧化物所占的比例不断提高,酸雨结构正悄悄发生变化。文献[9]表明,鼓楼地区和仙林地区空气中氮氧化合物较SO2浓度均偏高,见表6。

表6 2012年3月19日南京市空气质量指标 mg/m3

3.2.3COD质量浓度特征

鼓楼校区雨水样本的COD质量浓度一般在5～20 mg/L之间,平均值为9.38 mg/L;仙林校区雨水样本的COD质量浓度平均值为3.25 mg/L,具体见表7。

表7 鼓楼、仙林雨水COD质量浓度对比

从对比结果来看,鼓楼校区雨水COD质量浓度较仙林校区雨水偏高,而且波动范围更大,说明鼓楼地区雨水中有机物含量高。南京地区大气颗粒物中的有机物主要来自燃煤、交通排放、矿物燃料残留物排放和焚烧。相关研究表明,由于鼓楼地处市中心,交通流量大,汽车尾气排放量高,市区大气中气溶胶PM2.5含量高出郊区4倍[12],这解释了鼓楼校区雨水水质与仙林雨水水质差异的原因。

3.2.4仙林校区与鼓楼校区雨水水质综合对比

对鼓楼校区观测站及仙林校区观测站采集的18组雨水样本的监测指标进行浓度对比分析,各项监测指标平均值对比结果如图2所示。

图2 鼓楼校区、仙林校区雨水水质综合对比

3.3 干湿周期对降雨水质的影响

表8 不同降雨间隔时间雨水水质对比

图3 不同降雨间隔时间下鼓楼、仙林雨水中硫酸盐质量浓度对比

4 结果与讨论

[ 1 ] 陈炬锋,刘磊磊.雨水水质研究进展[J].安徽农业科学,2007,35(7):2045-2046.(CHEN Jufeng,LIU Leilei.Progress of rainwater quality[J].Journal of Anhui Agricultural,2007,35(7):2045-2046.(in Chinese))

[ 2 ] 李立青,尹澄清,孔玲莉,等.2次降雨间隔时间对城市地表径流污染负荷的影响[J].环境科学,2007,28(10):2287-2293.(LI Liqing,YIN Chengqing,KONG Lingli,et al.Effect of antecedent dry weather period on urban storm runoff pollution load[J].Environmental Science,2007,28(10):2287-2293.(in Chinese))

[ 3 ] 黄金良,涂振顺,杜鹏飞,等.城市绿地降雨径流污染特征对比研究:以澳门与厦门为例[J].环境科学,2009,30(12):3514-3521.(HUANG Jinliang,TU Zhenshun,DU Pengfei,et al.Comparative study on characteristics of urban rainfall runoff from two urban lawn catchments in Macau and Xiamen[J].Environmental Science,2009,30(12):3514-3521.(in Chinese))

[ 4 ] 张富国,姚华栋,张华林,等.北京城区的雨岛、湿岛与干岛特征分析[J].气象,1994,17(2):43-46.(ZHANG Fuguo,YAO Huadong,ZANG Hualin,et al.Characteristics analysis of rain island，dry island and wet island in Beijing[J].Meteorological Monthly,1994,17(2):43-46.(in Chinese))

[ 5 ] 车伍,刘燕,李俊奇.国内外城市雨水水质及污染控制[J].给水排水,2003,129(110):38-42.(CHE Wu,LIU Yan,LI Junqi.Rainwater quality and pollution control in city[J].Water & Wastewater Engineering,2003,129(110):38-42.(in Chinese))

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[ 7 ] 王建鹏,孙继松,张弘.关中盆地中西安城市热岛效应对冬夏季降水的影响研究[C]//第七届全国优秀青年气象科技工作者学术研讨会论文集.宜昌:中国气象局，中国气象学会,2010.

[ 8 ] 马凤莲,孙庆川,蔡丽娜，等.承德市城市化对降水变化的可能性影响分析[J].四川师范大学学报:自然科学版,2010,33(2):251-256.(MA Fenglian,SUN Qingchuan,CAI Lina,et al.The probable influence of urbanization on variation of rainfall in Chengde City [J].Journal of Sichuan Normal University:Natural Science,,2010,33(2):251-256.(in Chinese))

[ 9 ] 梁骏,郑有飞,唐信英,等.南京江北酸雨分布特征及其与气象条件的关系[J].环境科学与技术,2009,32(6):96-100.(LIANG Jun,ZHENG Youfei,TANG Xinying,et al.Distribution characteristics of acid rain and its relation with meteorological conditions in north bank of Yangtze River in Nanjing[J].Environmental Science & Technology,2009,32(6):96-100.(in Chinese))

[10] 陈福,朱笑青.贵阳地区降雨过程中雨水酸度变化初探[J].地质地球化学,1986,2(1):57-60.(CHEN Fu,ZHU Xiaoqing.Exploring of pH changing throughout the rian in Guiyang area[J].Geology-Geochemistry,1986,2(1):57-60.(in Chinese))

[11] 迪丽努尔·塔力甫,阿布力克木·阿布力孜,普宗朝.乌鲁木齐市南山地区雾水总离子变化规律及常量阴离子化学表征的研究[J].新疆大学学报:自然科学版,2008,25(3):330-333.(Dilnur Talip,Ablikim Ablimit,PU Zongchao.The chemical character of fog water at Nanshan in Urumqi[J].Journal of Xinjiang University:Natural Science Edition,2008,25(3):330-333.(in Chinese))

[12] 顾凯华,樊曙先,黄红丽,等.南京冬季雾天颗粒物中PAHs分布与气象条件的关系[J].中国环境科学,2011,31(8):1233-1240.(GU Kaihua,FAN Shuxian,HUANG Hongli,et al.Characteristics of polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) in particles and the influence of foggy weather conditions during the winter in Nanjing[J].China Environmental Science,2011,31(8):1233-1240.(in Chinese))

[13] 国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[14] 周建康,黄红虎,唐运忆,等.城市化对南京市区域降水量变化的影响[J].长江科学院院报,2003,20(4):44-46.(ZHOU Jiankang,HUANG Honghu,TANG Yunyi,et al.Influence of urbanization on regional precipitation of Nanjing City[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2003,20(4):44-46.(in Chinese))