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海绵城市径流雨水水质监测的关键问题

  小编说
  随着海绵城市建设的推进,很多试点城市在建设期也同步开展了项目、片区等相关监测。监测可为全国海绵城市建设效果评估、排水系统实际运行情况反馈、后续项目设计与运行优化、信息化管控等提供数据支撑。合理且有效地监测是保障海绵城市建设效果评估和研究规范性的前提,水质监测方法不当会导致后期的检测工作无法得到准确的数据,国内雨水相关标准和规范体系正逐渐建立。
  
  01 监测点位的布置
  1.1 雨水基础设施监测点位布置
  监测点位一般布置在进水口、溢流口以及多孔排水管出口处。本文以生物滞留、湿塘及湿地为例,进行监测点位分析。
  1.1.1 生物滞留设施监测点位布置
  生物滞留监测点位可根据设施效果评估或研究层面不同目的选取,主要是进水口、溢流口以及多孔排水管出口等。进水方式有分散进水(图1)和集中进水(图2)两种方式。
  
  图1 分散进水生物滞留监测点位示意
  
  图2 集中进水生物滞留监测点位示意
  1.1.2 湿塘及湿地监测点位布置
  湿塘一般由前置塘和主塘构成,前置塘为预处理设施,一般选择监测主塘的水质情况。通过主塘的水质情况反馈来管理控制湿塘生态系统,合理控制进水排水频率,防止黑臭水体及劣质水体的形成,可人工采样或设置成小型岸边水质自动监测站的方式。湿地和湿塘结构相似,监测点位布置与湿塘类似。湿地主要监测前置塘和出水池的水质情况,监测点位见图3,一方面防止黑臭水体或劣质水体的形成,另一方面监测沼泽区的净水效果。
  
  图3 湿地监测点位示意
  1.2 项目监测点位布置
  对建筑小区、道路、停车场、公园等项目的监测应在项目接入市政管渠的接入井或项目接入受纳水体的排放口布设监测点。接入井或排放口较多时,可根据汇水范围内下垫面构成和径流污染源类型,选择代表性监测点进行监测。
  1.3  片区监测点位布置
  片区监测点位选择应结合监测目的及排水系统特点,选择具有代表性的管网关键节点。片区监测范围应为片区内的排水分区或子排水分区,排水分区监测点位布置如图4所示。外排径流总量以及外排污染负荷总量监测应选所在排水分区下游市政排水管渠交汇节点或排放口。有上游径流雨水汇入的子排水分区应同时监测上游入流点。片区合流制溢流监测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长期保留的设施处布设监测点。
  
  图4排水区监测点位示意
  排水管道内环境恶劣、结构复杂,不利于人工采样,可结合使用自动监测设备。采样深度在水面以下50~150 mm,或者是旱天水流深度的120%~200%。由于管道内的水深一直变化,采样装置宜设置成可随水面的涨落而上下移动的形式。明渠采样点可设在堰槽前方水流均匀混合处,并尽量设在堰(槽)取水口头部的流路中央,采水口朝向与水流的方向一致,以减少采水部前端的堵塞。
  1.4 受纳水体监测点位布置
  一般选择水体的上游和下游断面,在支流汇入口、主要排放口以及排水分区边界等重要节点的上游和下游,可优先选择常规水文站及水质监测断面。在降雨期间,单个取样位置会受到水平和垂直变化的影响。同一监测断面可在距离汇入口、排放口不同距离处设置监测垂线,取垂线不同深度样品混合后测定,以评估污染源对水体不同断面及同一断面不同点位的污染情况。《海绵城市建设评价标准》(GB/T 51345-2018)对水体水质监测提出要求,每200~600 m间距设置监测点,每个水体的监测点不应少于3个。
  02 水质监测指标的选择
  水质监测指标应该根据监测对象、污染源类型进行确定。选择指标时不仅要考虑污染物直接造成的水质污染还要考虑间接影响,如pH、温度等指标会对某些污染物毒性或者设施去除效果有显著影响。
  2.1 根据监测对象选择水质监测指标
  2.1.1 设施
  设施水质监测主要目的是评估设施污染物去除情况,《海绵城市建设评价标准》(GB 51345-2018)对设施的有效性评价其中包含能否保证设施悬浮物(SS)去除能力达到设计要求。美国水环境(Water Environment)等机构基于2020年雨水最佳管理设施数据库数据,选择固体、细菌、金属、营养物质四类污染物用于评估雨水最佳管理设施性能,具体指标如表1所示。
  表1 雨水水质检验指标汇总
  
  2.1.2 排水管网
  分流制雨水管网和合流制污水管网水质监测指标选择有所差异。非法倾倒或错接混接导致分流制雨水管网旱天出流的情况,除监测简单的物理指标颜色、气味、浊度、表面浮渣,还应对主要指标pH、悬浮物、总氯、总铜、总酚和表面活性剂进行监测。住房和城乡建设部2013年颁布的《城市排水防涝设施普查数据采集与管理技术导则》(试行)中要求管网水质监测指标包含pH、5日生化需氧量、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总氮、总磷、重金属等。综合考虑建议分流制雨水管网监测基本水质指标悬浮物,可包括总磷、化学需氧量等指标。合流制溢流污水监测基本水质指标包括pH、溶解氧、悬浮物、5日生化需氧量、总氮、总磷,还应考虑水体水质目标增设粪大肠菌群、重金属等指标。
  2.1.3 受纳水体
  受纳水体水质指标选择应考虑受纳水体的水环境标准。受纳水体水质监测指标一般依据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)监测5项基本指标pH、温度、溶解氧、电导率和浊度。《河湖健康评估技术导则》指出受纳水体监测还需关注藻类的生长情况,应监测叶绿素a的含量。若是饮用水水源地,在取水口处除常规5项指标外,还应监测氨氮、总磷、总氮、化学需氧量、总有机碳、氯化物、粪大肠菌群、叶绿素a。中国环境监测总站对全国主要流域重点断面水质监测指标主要是pH、溶解氧、化学需氧量、氨氮。《城市黑臭水体整治工作指南》提出黑臭水体检测指标应包括透明度、溶解氧、氧化还原电位和氨氮等。综合考虑建议受纳水体的监测指标为常规5项指标pH、温度、溶解氧、电导率、浊度,可根据情况增设氨氮、化学需氧量、粪大肠菌。
  2.2 根据污染源类型选择水质监测指标
  污染源类型不同污染物种类和含量变化较大,除监测常规雨水污染物指标,还应根据污染源有针对性选择监测指标。美国国家雨水质量数据库(NSQD)对美国200多个城市10多年的降雨数据进行整理,雨水主要监测指标是总固体悬浮物、5日生化需氧量、化学需氧量、总磷、凯氏氮、硝酸盐和亚硝酸盐、总铜、总铅和总锌。工业雨水排放应严格限制,必须要监测的常规指标有pH、5日生化需氧量、化学需氧量、总固体悬浮物、总磷、凯氏氮、硝酸盐和亚硝酸盐、温度、氰化物、总酚、残留氯、油和油脂、粪便大肠菌群(包括大肠杆菌和粪链球菌)。2009年美国环境保护局(Environment Protection Agency,EPA)发布的《工业雨水监测和采样指导手册》中对不同工业类型及下垫面监测指标作出要求。屠宰场、食品加工的雨水排放需关注总有机碳和粪大肠菌群。手册还对水泥厂、危险废物填埋场、无害垃圾填埋场等场所的径流监测指标给出具体要求。不同下垫面如道路周边的雨水设施除最基本的指标监测外还应监测石油烃、多环芳烃、金属物质、总有机碳等污染物指标。
  03 海绵城市水质监测采样方法
  降雨的随机性和雨水排放的不确定性会造成径流雨水污染物浓度在降雨期间有很大变化,需要根据监测目的、污染物种类等确定采样方法。水质采样包括瞬时采样、混合采样等不同类型,既可以是人工采样,也可以是自动采样。
  3.1 海绵城市水质监测采样类型
  3.1.1 瞬时采样(Grab Samples)
  瞬时采样是指在某一采样点随机采集的一个水样,可按某个时间间隔序列采集得到多个瞬时水样。单个瞬时水样仅表示相应时间点的雨水情况,不能代表场次径流的污染情况。可按照预先设定的不同时间间隔对径流、设施出流和溢流全过程进行瞬时水样采集,体现水质变化完整过程。在一些不透水面积较大或降雨较均衡的地区,初期冲刷效应比较明显,径流污染物浓度高,径流产生初始阶段采集的水样可有效帮助筛选污染物种类。混合采样需要一定的采样时间间隔以及混合过程。pH、温度、总余氯、总酚变化很快,细菌也会随时间转化或降解,特别是挥发性有机化合物,如果用混合采样的方式,样品在合成过程暴露在空气中会蒸发产生损失。油类、总石油烃容易粘附在容器表面,必须尽量减少水样在容器之间的转移。混合采样会影响以上指标的检测结果,应选择瞬时采样的方法。
  3.1.2 混合采样(Composite Samples)
  混合采样分为等时混合采样和流量加权混合采样。等时混合采样按等时间间隔采集等体积水样,不考虑流量的变化,不适用于雨水采样。雨水径流混合采样选择流量加权混合采样方法。流量加权混合采样分为随流量或体积成比例采集两种方式 。
  雨水径流、设施、合流管道等出水的流量和污染物浓度均是变化的,事件平均浓度(Event Mean Concentration,EMC)是评估径流污染情况的代表性指标。可选择各瞬时样浓度按流量或体积加权平均计算可获得事件平均浓度。也可以选择将整场降雨事件的混合样平均浓度作为事件平均浓度。两种方法相比,瞬时样获得的事件平均浓度更为精确,但是由于瞬时采样样本数量较多,实验室分析成本高,相比而言混合采样是一种更具效益的计算污染物浓度的方法。
  3.2 海绵城市水质监测采样技术
  采样技术分为人工采样和自动采样。人工采样适用于采集所有的污染物,有采样设备简单、灵活性强、成本较低等优点,适用于资金有限或者监测要求不高、监测数量少等情况。虽然人工采样采集成本较低,但是对人员的培训要求较高。人工采样不及时错过降雨初期浓度较高的径流,会导致样品污染物浓度偏低。
  自动采样不需要操作人员在场,可以避免操作人员暴露在暴雨或交通危险等情况。自动采样器可以通过编程设计在指定的时间间隔收集多个样本。自动采样器可设置采集瞬时水样或混合水样。自动采样设备与在线监测仪联机使用可检测部分水质指标,测定物理指标温度、浊度,化学指标如pH、氧化还原电位、电导率、溶解氧、氨氮、高锰酸钾指数、总有机碳、总氮、总磷、5日生化需氧量等,特殊的水质指标可通过实验室分析。有研究指出部分指标不适合自动采样,建议人工采样。油和油脂在样品采集过程容易附着在管路上导致测量结果不精确,有机物、微生物、温度和pH等指标变化较快,自动采样影响检测结果。自动采样还存在一些缺点,如采样管中残留雨水造成交叉污染,电池耗尽或故障导致样本损坏无法获得有效数据,采样器堵塞造成测量结果不准确等。径流雨水人工采样和自动采样的优缺点见表2。
  表2 径流雨水人工采样和自动采样的优缺点比较
  
  04 采样时间及频次确定
  由于降雨的不确定性以及降雨强度随时间变化无规律,因此实际采样时往往根据监测目的和降雨情况灵活调整采样时间和频次,以真实有效反映“降雨-径流-水质”变化过程。监测污染物浓度变化过程选择瞬时采样,可以评估各场次降雨的初期冲刷情况,有效筛选污染物种类,计算场次径流污染负荷随降雨量、径流体积的累积值。对全过程水质监测采用混合采样的方法,相对于瞬时采样,混合采样更能表征整个降雨事件雨水排放的平均水平。
  4.1 污染物浓度变化过程监测采样时间及频次确定
  污染物浓度变化过程需按一定时间序列采集瞬时样,根据各监测点瞬时样水质检测数据结合流量,绘制各污染物指标“时间-降雨量-污染物浓度-流量”过程线,分析污染物浓度变化规律。考虑到初期冲刷效应,前30 min采集的样本浓度高于事件平均浓度且变化较快,建议根据出流量每5~15 min采样一次。随着降雨的进行出流浓度变化减小,视情况增加采样间隔,30 min~3 h内可每15 min采样一次。3 h后可根据出流情况每30 min或1 h或1.5 h采样一次,直至排放结束。污染物浓度变化过程监测样品数量较多,浓度相近的样品可舍去,以降低水质检测成本。
  4.2全过程水质监测采样时间及频次确定
  1992年EPA颁布的《NPDES雨水采样指导文件》(NPDES Storm Water Sampling Guidance Document)指出混合样品的每个等分试样收集间隔最少为15 min,每个混合样品最少是1 h内收集3个等分试样混合后得到的。综合考虑建议前3 h内每1 h应至少采集3个样品,样品间隔不少于15 min。当取样时间较长,后期污染物浓度一般较稳定,对合理评估排放污染物负荷的影响不大,可适当舍去后期样品,降低监测成本。采集总时长不应小于排放总时长的75%且不应小于3 h。
  雨季水质监测,应选择小雨、中雨、大雨各一场,在降雨开始2 h内至少每15 min采集一个水样,可遵循“前密后疏”的原则采集水样 。合流制溢流排放口影响范围内的受纳水体,应该在雨前、雨中、雨后全过程监测,以便记录雨水排放对受纳水体水质的影响。建议降雨开始前至少采集2个背景水样,用作对比分析。降雨开始后各监测断面、各采样点每4 h采样一次,采集总时长不能少于48 h,直至水体水质恢复至雨前背景值水平。对不同监测对象的采样时间及频次、监测指标等汇总如表3所示。
  表3 海绵城市水质监测采样方法及水质分析指标建议
  
  05 结论
  (1)评估雨水基础设施控制效果时,监测点位宜选择进水口、溢流口和多孔排水管出水口等,应保证进、出水口同时监测。评估项目控制效果时,监测点位选择项目接入市政管网或水体的检查井。评估片区控制效果时,选择片区内排水分区或子排水分区监测,应监测所在排水分区下游市政排水管渠交汇节点或排放口。有上游径流雨水汇入的子排水分区应同时监测上游入流点。受纳水体水质监测点位应在能够代表水环境的监测断面上,同一监测断面可选择多个监测点位。
  (2)水质分析指标应根据监测对象、污染源类型筛选。结合我国近期水环境质量突出问题和目标,建议源头设施监测基本指标悬浮物,根据下垫面类型和污染物种类可增设化学需氧量、悬浮物、氨氮、总氮、总磷等指标。建议分流制雨水管网监测悬浮物、总磷、化学需氧量等指标。合流制溢流污水监测基本水质指标包括pH、溶解氧、悬浮物、5日生化需氧量、总氮、总磷,还应考虑水体水质目标增设粪大肠菌群、重金属等指标。受纳水体建议监测指标为pH、温度、溶解氧、电导率、浊度等基本指标,视情况增设化学需氧量、氨氮、粪大肠菌群等指标,可根据水质要求增设指标。
  (3)水质采样方法应根据监测目的选择。分析雨水径流所含污染物种类或研究污染物浓度变化过程应选择瞬时采样,表征降雨全过程污染物排放特征选择混合采样。为避免人工混合和人为误差,混合样可通过自动采样器采集。自动采样器需定期维护,避免因探头堵塞等问题造成取样无效。监测pH、温度、总余氯、总酚、粪链球菌群、粪大肠菌群、氰化物、挥发性有机物等指标时,建议采用人工瞬时采样的方法。
  (4)采样时间及频次可根据监测污染物浓度变化过程或全过程水质情况等不同监测目的及降雨进程确定,在降雨初期径流污染物浓度变化较大,随着降雨进行污染物浓度变化逐渐减小,应遵循“前密后疏”的原则采集水样。
  特别说明,不同城市、流域的水环境质量要求和径流雨水的特征不同,雨水控制设施类型、作用和构造等差异也很大,对水质监测要求的目的和用途不同,监测指标和方法也各异,应结合监测区域实际情况选择水质监测指标。
  作者:李俊奇、孙瑶、李小静、王文亮;作者单位:北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育重点实验室、北京建筑大学国家级水环境实验教学示范中心;