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    海綿城市徑流雨水水質監測的關鍵問題

      小編說
      隨著海綿城市建設的推進,很多試點城市在建設期也同步開展了項目、片區等相關監測。監測可為全國海綿城市建設效果評估、排水系統實際運行情況反饋、后續項目設計與運行優化、信息化管控等提供數據支撐。合理且有效地監測是保障海綿城市建設效果評估和研究規范性的前提,水質監測方法不當會導致后期的檢測工作無法得到準確的數據,國內雨水相關標準和規范體系正逐漸建立。
      
      01 監測點位的布置
      1.1 雨水基礎設施監測點位布置
      監測點位一般布置在進水口、溢流口以及多孔排水管出口處。本文以生物滯留、濕塘及濕地為例,進行監測點位分析。
      1.1.1 生物滯留設施監測點位布置
      生物滯留監測點位可根據設施效果評估或研究層面不同目的選取,主要是進水口、溢流口以及多孔排水管出口等。進水方式有分散進水(圖1)和集中進水(圖2)兩種方式。
      
      圖1 分散進水生物滯留監測點位示意
      
      圖2 集中進水生物滯留監測點位示意
      1.1.2 濕塘及濕地監測點位布置
      濕塘一般由前置塘和主塘構成,前置塘為預處理設施,一般選擇監測主塘的水質情況。通過主塘的水質情況反饋來管理控制濕塘生態系統,合理控制進水排水頻率,防止黑臭水體及劣質水體的形成,可人工采樣或設置成小型岸邊水質自動監測站的方式。濕地和濕塘結構相似,監測點位布置與濕塘類似。濕地主要監測前置塘和出水池的水質情況,監測點位見圖3,一方面防止黑臭水體或劣質水體的形成,另一方面監測沼澤區的凈水效果。
      
      圖3 濕地監測點位示意
      1.2 項目監測點位布置
      對建筑小區、道路、停車場、公園等項目的監測應在項目接入市政管渠的接入井或項目接入受納水體的排放口布設監測點。接入井或排放口較多時,可根據匯水范圍內下墊面構成和徑流污染源類型,選擇代表性監測點進行監測。
      1.3  片區監測點位布置
      片區監測點位選擇應結合監測目的及排水系統特點,選擇具有代表性的管網關鍵節點。片區監測范圍應為片區內的排水分區或子排水分區,排水分區監測點位布置如圖4所示。外排徑流總量以及外排污染負荷總量監測應選所在排水分區下游市政排水管渠交匯節點或排放口。有上游徑流雨水匯入的子排水分區應同時監測上游入流點。片區合流制溢流監測宜在所有合流制溢流排放口或污水截流井、合流污水溢流泵站等長期保留的設施處布設監測點。
      
      圖4排水區監測點位示意
      排水管道內環境惡劣、結構復雜,不利于人工采樣,可結合使用自動監測設備。采樣深度在水面以下50~150 mm,或者是旱天水流深度的120%~200%。由于管道內的水深一直變化,采樣裝置宜設置成可隨水面的漲落而上下移動的形式。明渠采樣點可設在堰槽前方水流均勻混合處,并盡量設在堰(槽)取水口頭部的流路中央,采水口朝向與水流的方向一致,以減少采水部前端的堵塞。
      1.4 受納水體監測點位布置
      一般選擇水體的上游和下游斷面,在支流匯入口、主要排放口以及排水分區邊界等重要節點的上游和下游,可優先選擇常規水文站及水質監測斷面。在降雨期間,單個取樣位置會受到水平和垂直變化的影響。同一監測斷面可在距離匯入口、排放口不同距離處設置監測垂線,取垂線不同深度樣品混合后測定,以評估污染源對水體不同斷面及同一斷面不同點位的污染情況?!逗>d城市建設評價標準》(GB/T 51345-2018)對水體水質監測提出要求,每200~600 m間距設置監測點,每個水體的監測點不應少于3個。
      02 水質監測指標的選擇
      水質監測指標應該根據監測對象、污染源類型進行確定。選擇指標時不僅要考慮污染物直接造成的水質污染還要考慮間接影響,如pH、溫度等指標會對某些污染物毒性或者設施去除效果有顯著影響。
      2.1 根據監測對象選擇水質監測指標
      2.1.1 設施
      設施水質監測主要目的是評估設施污染物去除情況,《海綿城市建設評價標準》(GB 51345-2018)對設施的有效性評價其中包含能否保證設施懸浮物(SS)去除能力達到設計要求。美國水環境(Water Environment)等機構基于2020年雨水最佳管理設施數據庫數據,選擇固體、細菌、金屬、營養物質四類污染物用于評估雨水最佳管理設施性能,具體指標如表1所示。
      表1 雨水水質檢驗指標匯總
      
      2.1.2 排水管網
      分流制雨水管網和合流制污水管網水質監測指標選擇有所差異。非法傾倒或錯接混接導致分流制雨水管網旱天出流的情況,除監測簡單的物理指標顏色、氣味、濁度、表面浮渣,還應對主要指標pH、懸浮物、總氯、總銅、總酚和表面活性劑進行監測。住房和城鄉建設部2013年頒布的《城市排水防澇設施普查數據采集與管理技術導則》(試行)中要求管網水質監測指標包含pH、5日生化需氧量、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總氮、總磷、重金屬等。綜合考慮建議分流制雨水管網監測基本水質指標懸浮物,可包括總磷、化學需氧量等指標。合流制溢流污水監測基本水質指標包括pH、溶解氧、懸浮物、5日生化需氧量、總氮、總磷,還應考慮水體水質目標增設糞大腸菌群、重金屬等指標。
      2.1.3 受納水體
      受納水體水質指標選擇應考慮受納水體的水環境標準。受納水體水質監測指標一般依據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)監測5項基本指標pH、溫度、溶解氧、電導率和濁度?!逗雍】翟u估技術導則》指出受納水體監測還需關注藻類的生長情況,應監測葉綠素a的含量。若是飲用水水源地,在取水口處除常規5項指標外,還應監測氨氮、總磷、總氮、化學需氧量、總有機碳、氯化物、糞大腸菌群、葉綠素a。中國環境監測總站對全國主要流域重點斷面水質監測指標主要是pH、溶解氧、化學需氧量、氨氮?!冻鞘泻诔羲w整治工作指南》提出黑臭水體檢測指標應包括透明度、溶解氧、氧化還原電位和氨氮等。綜合考慮建議受納水體的監測指標為常規5項指標pH、溫度、溶解氧、電導率、濁度,可根據情況增設氨氮、化學需氧量、糞大腸菌。
      2.2 根據污染源類型選擇水質監測指標
      污染源類型不同污染物種類和含量變化較大,除監測常規雨水污染物指標,還應根據污染源有針對性選擇監測指標。美國國家雨水質量數據庫(NSQD)對美國200多個城市10多年的降雨數據進行整理,雨水主要監測指標是總固體懸浮物、5日生化需氧量、化學需氧量、總磷、凱氏氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽、總銅、總鉛和總鋅。工業雨水排放應嚴格限制,必須要監測的常規指標有pH、5日生化需氧量、化學需氧量、總固體懸浮物、總磷、凱氏氮、硝酸鹽和亞硝酸鹽、溫度、氰化物、總酚、殘留氯、油和油脂、糞便大腸菌群(包括大腸桿菌和糞鏈球菌)。2009年美國環境保護局(Environment Protection Agency,EPA)發布的《工業雨水監測和采樣指導手冊》中對不同工業類型及下墊面監測指標作出要求。屠宰場、食品加工的雨水排放需關注總有機碳和糞大腸菌群。手冊還對水泥廠、危險廢物填埋場、無害垃圾填埋場等場所的徑流監測指標給出具體要求。不同下墊面如道路周邊的雨水設施除最基本的指標監測外還應監測石油烴、多環芳烴、金屬物質、總有機碳等污染物指標。
      03 海綿城市水質監測采樣方法
      降雨的隨機性和雨水排放的不確定性會造成徑流雨水污染物濃度在降雨期間有很大變化,需要根據監測目的、污染物種類等確定采樣方法。水質采樣包括瞬時采樣、混合采樣等不同類型,既可以是人工采樣,也可以是自動采樣。
      3.1 海綿城市水質監測采樣類型
      3.1.1 瞬時采樣(Grab Samples)
      瞬時采樣是指在某一采樣點隨機采集的一個水樣,可按某個時間間隔序列采集得到多個瞬時水樣。單個瞬時水樣僅表示相應時間點的雨水情況,不能代表場次徑流的污染情況??砂凑疹A先設定的不同時間間隔對徑流、設施出流和溢流全過程進行瞬時水樣采集,體現水質變化完整過程。在一些不透水面積較大或降雨較均衡的地區,初期沖刷效應比較明顯,徑流污染物濃度高,徑流產生初始階段采集的水樣可有效幫助篩選污染物種類?;旌喜蓸有枰欢ǖ牟蓸訒r間間隔以及混合過程。pH、溫度、總余氯、總酚變化很快,細菌也會隨時間轉化或降解,特別是揮發性有機化合物,如果用混合采樣的方式,樣品在合成過程暴露在空氣中會蒸發產生損失。油類、總石油烴容易粘附在容器表面,必須盡量減少水樣在容器之間的轉移?;旌喜蓸訒绊懸陨现笜说臋z測結果,應選擇瞬時采樣的方法。
      3.1.2 混合采樣(Composite Samples)
      混合采樣分為等時混合采樣和流量加權混合采樣。等時混合采樣按等時間間隔采集等體積水樣,不考慮流量的變化,不適用于雨水采樣。雨水徑流混合采樣選擇流量加權混合采樣方法。流量加權混合采樣分為隨流量或體積成比例采集兩種方式 。
      雨水徑流、設施、合流管道等出水的流量和污染物濃度均是變化的,事件平均濃度(Event Mean Concentration,EMC)是評估徑流污染情況的代表性指標??蛇x擇各瞬時樣濃度按流量或體積加權平均計算可獲得事件平均濃度。也可以選擇將整場降雨事件的混合樣平均濃度作為事件平均濃度。兩種方法相比,瞬時樣獲得的事件平均濃度更為精確,但是由于瞬時采樣樣本數量較多,實驗室分析成本高,相比而言混合采樣是一種更具效益的計算污染物濃度的方法。
      3.2 海綿城市水質監測采樣技術
      采樣技術分為人工采樣和自動采樣。人工采樣適用于采集所有的污染物,有采樣設備簡單、靈活性強、成本較低等優點,適用于資金有限或者監測要求不高、監測數量少等情況。雖然人工采樣采集成本較低,但是對人員的培訓要求較高。人工采樣不及時錯過降雨初期濃度較高的徑流,會導致樣品污染物濃度偏低。
      自動采樣不需要操作人員在場,可以避免操作人員暴露在暴雨或交通危險等情況。自動采樣器可以通過編程設計在指定的時間間隔收集多個樣本。自動采樣器可設置采集瞬時水樣或混合水樣。自動采樣設備與在線監測儀聯機使用可檢測部分水質指標,測定物理指標溫度、濁度,化學指標如pH、氧化還原電位、電導率、溶解氧、氨氮、高錳酸鉀指數、總有機碳、總氮、總磷、5日生化需氧量等,特殊的水質指標可通過實驗室分析。有研究指出部分指標不適合自動采樣,建議人工采樣。油和油脂在樣品采集過程容易附著在管路上導致測量結果不精確,有機物、微生物、溫度和pH等指標變化較快,自動采樣影響檢測結果。自動采樣還存在一些缺點,如采樣管中殘留雨水造成交叉污染,電池耗盡或故障導致樣本損壞無法獲得有效數據,采樣器堵塞造成測量結果不準確等。徑流雨水人工采樣和自動采樣的優缺點見表2。
      表2 徑流雨水人工采樣和自動采樣的優缺點比較
      
      04 采樣時間及頻次確定
      由于降雨的不確定性以及降雨強度隨時間變化無規律,因此實際采樣時往往根據監測目的和降雨情況靈活調整采樣時間和頻次,以真實有效反映“降雨-徑流-水質”變化過程。監測污染物濃度變化過程選擇瞬時采樣,可以評估各場次降雨的初期沖刷情況,有效篩選污染物種類,計算場次徑流污染負荷隨降雨量、徑流體積的累積值。對全過程水質監測采用混合采樣的方法,相對于瞬時采樣,混合采樣更能表征整個降雨事件雨水排放的平均水平。
      4.1 污染物濃度變化過程監測采樣時間及頻次確定
      污染物濃度變化過程需按一定時間序列采集瞬時樣,根據各監測點瞬時樣水質檢測數據結合流量,繪制各污染物指標“時間-降雨量-污染物濃度-流量”過程線,分析污染物濃度變化規律??紤]到初期沖刷效應,前30 min采集的樣本濃度高于事件平均濃度且變化較快,建議根據出流量每5~15 min采樣一次。隨著降雨的進行出流濃度變化減小,視情況增加采樣間隔,30 min~3 h內可每15 min采樣一次。3 h后可根據出流情況每30 min或1 h或1.5 h采樣一次,直至排放結束。污染物濃度變化過程監測樣品數量較多,濃度相近的樣品可舍去,以降低水質檢測成本。
      4.2全過程水質監測采樣時間及頻次確定
      1992年EPA頒布的《NPDES雨水采樣指導文件》(NPDES Storm Water Sampling Guidance Document)指出混合樣品的每個等分試樣收集間隔最少為15 min,每個混合樣品最少是1 h內收集3個等分試樣混合后得到的。綜合考慮建議前3 h內每1 h應至少采集3個樣品,樣品間隔不少于15 min。當取樣時間較長,后期污染物濃度一般較穩定,對合理評估排放污染物負荷的影響不大,可適當舍去后期樣品,降低監測成本。采集總時長不應小于排放總時長的75%且不應小于3 h。
      雨季水質監測,應選擇小雨、中雨、大雨各一場,在降雨開始2 h內至少每15 min采集一個水樣,可遵循“前密后疏”的原則采集水樣 。合流制溢流排放口影響范圍內的受納水體,應該在雨前、雨中、雨后全過程監測,以便記錄雨水排放對受納水體水質的影響。建議降雨開始前至少采集2個背景水樣,用作對比分析。降雨開始后各監測斷面、各采樣點每4 h采樣一次,采集總時長不能少于48 h,直至水體水質恢復至雨前背景值水平。對不同監測對象的采樣時間及頻次、監測指標等匯總如表3所示。
      表3 海綿城市水質監測采樣方法及水質分析指標建議
      
      05 結論
      (1)評估雨水基礎設施控制效果時,監測點位宜選擇進水口、溢流口和多孔排水管出水口等,應保證進、出水口同時監測。評估項目控制效果時,監測點位選擇項目接入市政管網或水體的檢查井。評估片區控制效果時,選擇片區內排水分區或子排水分區監測,應監測所在排水分區下游市政排水管渠交匯節點或排放口。有上游徑流雨水匯入的子排水分區應同時監測上游入流點。受納水體水質監測點位應在能夠代表水環境的監測斷面上,同一監測斷面可選擇多個監測點位。
      (2)水質分析指標應根據監測對象、污染源類型篩選。結合我國近期水環境質量突出問題和目標,建議源頭設施監測基本指標懸浮物,根據下墊面類型和污染物種類可增設化學需氧量、懸浮物、氨氮、總氮、總磷等指標。建議分流制雨水管網監測懸浮物、總磷、化學需氧量等指標。合流制溢流污水監測基本水質指標包括pH、溶解氧、懸浮物、5日生化需氧量、總氮、總磷,還應考慮水體水質目標增設糞大腸菌群、重金屬等指標。受納水體建議監測指標為pH、溫度、溶解氧、電導率、濁度等基本指標,視情況增設化學需氧量、氨氮、糞大腸菌群等指標,可根據水質要求增設指標。
      (3)水質采樣方法應根據監測目的選擇。分析雨水徑流所含污染物種類或研究污染物濃度變化過程應選擇瞬時采樣,表征降雨全過程污染物排放特征選擇混合采樣。為避免人工混合和人為誤差,混合樣可通過自動采樣器采集。自動采樣器需定期維護,避免因探頭堵塞等問題造成取樣無效。監測pH、溫度、總余氯、總酚、糞鏈球菌群、糞大腸菌群、氰化物、揮發性有機物等指標時,建議采用人工瞬時采樣的方法。
      (4)采樣時間及頻次可根據監測污染物濃度變化過程或全過程水質情況等不同監測目的及降雨進程確定,在降雨初期徑流污染物濃度變化較大,隨著降雨進行污染物濃度變化逐漸減小,應遵循“前密后疏”的原則采集水樣。
      特別說明,不同城市、流域的水環境質量要求和徑流雨水的特征不同,雨水控制設施類型、作用和構造等差異也很大,對水質監測要求的目的和用途不同,監測指標和方法也各異,應結合監測區域實際情況選擇水質監測指標。
      作者:李俊奇、孫瑤、李小靜、王文亮;作者單位:北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育重點實驗室、北京建筑大學國家級水環境實驗教學示范中心;
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