回顾在澳大利亚东部城市雨水中污染物的浓度,后20年

介绍

数据正是城市雨水的影响质量和catchment-specific属性是具有成本效益的基础,可持续发展和战略雨水管理投资(吕富et al ., 2015;et al ., 2016页)。广泛的研究在澳大利亚进行了近十年从1999年调查雨水质量不同排水条件下,发展有效的雨水治疗方案实现监管负载减排目标为泥沙和养分(服务)(弗莱彻et al ., 2004;Goonetilleke et al ., 2005;泰勒et al ., 2005)。的开创性工作邓肯(1999)整理数据记录超过500来自国际和澳大利亚研究描述雨水质量根据广泛的流域特征的影响,如土地利用。从早期的研究数据被用来通知计划和环境监管,catchment-based风险评估框架,和预测雨水模型;包括模型改进为城市雨水范本(音乐)(黄et al ., 2002;黄et al ., 2006;水设计,2019)。音乐被广泛使用在澳大利亚,在一些国际位置,预测雨水质量改进的年均减负荷装置(SQIDs)满足水质目标(WQOs)。遵守这些WQOs许多规划和环境保护立法规定由州和地方政府制定,作为城市发展的一部分,审批(昆士兰州,2017年)。

等基础研究方面的进步城市雨水管理、水敏感城市设计(WSUD)和城市规划在澳大利亚,和更广泛的(邓肯,1999;黄et al ., 2002;Goonetilleke et al ., 2005)。WSUD是在国际上也被称为低强度开发(盖子)或可持续城市设计系统(泡沫)。2几十年的研究,然而,现在老了,部分是基于国际文献,指出缺乏澳大利亚数据可用时(邓肯,1999)。澳大利亚水回收指南:管理健康和环境Risk-Stormwater收集和重用(AGWR-SHR)准备近十年后,风险管理提供了一个框架,用于收集雨水用于饮用(国家水质管理策略,2009)。然而,AGWR-SHR还指出缺乏可用的澳大利亚数据特征总结为城市雨水径流的统计数据。只有十八岁的澳大利亚研究使用,总结33 50测试水质参数的值,来自一群精制少于五个研究。大多数微生物指标的数据来自一项研究分析跨四个悉尼的位置(59个样本AWQC 2008)。AGWR-SHR还发现报道集水和样本特征,如土地利用和雨水流型,在几项研究缺乏。这些差异导致了信心的作者总结AGWR-SHR提供的统计数据(国家水质管理策略,2009)。

缺少雨水出版质量数据反映了更广泛的挑战当之间和集雨内部结合和比较结果,如预测模型。城市发展规划和建模指南在澳大利亚通常需要提议证明符合相关负载减排目标(服务)使用基于通用的城市雨水质量预测模型输入浓度当合适的本地数据不可用(2010年12月,;12月,2017;墨尔本水,2018)。最近的出版物昆士兰东南部的研究表明,城市雨水径流较低浓度比当前的指导方针(指定的尼科尔斯和鲁克2016;鲁克et al ., 2018)。尽管一个保守的方法时可以合理的雨水处理当地雨水质量未知,污染物浓度远低于报道在上述指导方针,这对具有成本效益的雨水管理产生很大的影响。例如,人工湿地的研究已经发现,减负荷性能相关进口浓度(陈et al ., 2015;土地et al ., 2016)。任何治疗措施必须明显增大,或修改来实现服务。经过20年的新兴的证据不符雨水浓度中指定当前澳大利亚雨水管理的指导方针和测量水质在一些地区,一个更广泛的数据整理和分析当代描述雨水污染物在澳大利亚被认为是必要的。

最近的一项荟萃分析辛普森et al。(2022)研究土地利用的影响,气候和不透水性对城市雨水从全球360集雨质量和合并数据。他们的评论也报道低总悬浮物和总磷的平均浓度比采用当前澳大利亚雨水的指导方针。

本文有三个目标;首先,描述典型的总悬浮物的浓度(TSS)、总磷(TP)、总氮(TN)在澳大利亚东部的未经处理的城市雨水利用扩大数据库。其次,分析这些差异浓度和那些在当前国际雨水澳大利亚和数据报告。最后,探讨土地利用的潜在影响,地理位置,和流域城市化日期TSS含量,TP、TN未经处理的城市雨水。毕业典礼的综述,提出TSS的浓度,TP、TN未经处理的城市雨水会低于早些时候报道了出版物(邓肯,1999;国家水质管理策略,2009)。浓度的TSS、TP、TN也提出增加城市化集雨的年龄。

本文并没有进行详细的评估样本收集过程的有效性,分析变化可能不同实验室监测流域的土地利用分类的准确性,或其他可能发生的数据过滤的数据所有者。因此,可变性是预期的数据集。审查并没有调查TSS降雨强度的影响,TP、TN。本研究的重点是总结数据的中央值(即均值和中位数)跨多个数据集,数据集覆盖大范围的降雨强度,地理位置和气候地区。

方法

数据收集

雨水质量数据汇总整理的结果水监测项目研究机构、政府组织和环境咨询公司在澳大利亚后请求共享可用的数据。滚雪球抽样(巴顿,2015)是用来识别潜在贡献者雨水质量数据被发现主要由地方政府发表文献中不可用,或限制访问出版物。数据贡献被确定在澳大利亚东部的城市沿海地区,从北昆士兰到墨尔本,维多利亚。少数研究发现从澳大利亚西部和南澳大利亚,然而,排除了由于地下水的潜在影响或没有入选标准下面描述。数据贡献者保持匿名隐私保护数据,除包括在确认中。除非请求地址数据隐私问题,审查的研究假设没有透露,减少偏见。造成组织通常提供了一个聚集的雨水质量结果跨多个地点和时间。

入选标准研究;

•TSS、TP、TN浓度从未经处理的城市雨水;和

•集雨至少有85%的城市土地利用,其中< 25%是开放空间(公园)。

典型抽样地点包括城市道路集雨、路边排水沟附近雨水收集设备、雨水排水、混凝土和自然的河道,涵洞。样本从上游网站收集在1993年和2021年之间的治疗措施(即未经处理的)。集雨范围从单一的使用发展多用途城市(-1120 - 0.3公顷)。图1提供了一个示例的一个集雨昆士兰东南部采样。网站在墨尔本和新南威尔士州水道包括城市河流和不安。

数据聚合

2836年的水质数据抽样事件和4536个独立的数据点被各种组织提供。数据包括干燥的天气样本以及降雨事件样本。参数提供数据还包括一系列的污染物和营养形式,然而,这个评论是标准化TSS含量、TP、TN(毫克/升)这是对所有位置和> 99%可用的事件。收集的样本发生在降雨事件的各个部分,使用各种方法包括离散样本和flow-weighted复合材料。抽样方法的报道的变化意味着全面分开是不可能的。事件平均浓度(EMC)计算,造成组织,多个样本取自一个位置在降雨事件定义。雨之间的元数据提供了清晰的识别事件和常规监测,干燥的天气样本删除自评估只针对事件数据。浓度小于极限报告与最低检出限所取代,以避免人为减少事件集中值和偏置摘要指标。

综合预测变量与气候、流域特征,径流和降雨条件无法计算由于显著变化报告数据提供者之间的信息。然而,颞卫星图像(谷歌地图)与文档提供的数据结合使用贡献者辨别(如取样位置。路边排水沟、雨水排水、通道、涵洞),数据适用性、样本收集,流域城市化日期、土地利用比例最大的陆地表面的排水(住宅、商业、工业)和地理区域(区域昆士兰东南昆士兰大墨尔本,悉尼)。广泛的地区使用的确切位置隐私保护数据。流域城市化日期估计数量年流域从非城市土地用途转换,如自然植被或农业用地,城市土地用途。离散十年组(> 21年,11日至20日,< 10年)被用来归类城市化因为一些老的确切年份集雨是城市化,没有很好地记录下来。预测之间的关系的分析发现之间的共线性的样本收集和地理位置。年的样本收集随后从进一步分析。所有样本被认为是有效的,离群值确定格拉布的离群值测试之后才被移除这个验证过程。数据细化处理后,最后一个数据集的2823个样本。

数据分析

初始检查所有污染物的数据显示积极倾斜分布和土地利用类型,提出了图2,是典型的环境数据(布莱克伍德,1992)。数据随后被对数转换,以检查是否随后遵循正态分布的数据。残留与情节和正常安装qq情节表明,对数变换的参数显著改进的模型适合然而,Shapiro-Wilk正常测试证实,所有数据集都非参数。

Wilcoxon Mann-Whitney,非参数测试是用来比较不同浓度的TSS、TP、TN我们澳大利亚之间数据集和其他出版物报道(辛普森et al ., 2022;邓肯,1999;布里斯班市议会,2004;国家水质管理策略,2009)。

流域城市化的影响日期、地理位置和土地使用TN浓度,TP和TSS分析了使用广义线性模型(GLM)。的漠视,比其他统计测试被认为是有利的,因为它允许造型非正态样本分布的非线性效应,是典型的雨水质量数据。最大模型对数转换TN、TP和TSS数据由计算主要影响所有可用的预测(流域城市化日期、土地利用地理位置)。例缺失值被移除。模型被简化获得最低的模型,只保留那些预测最重要的预测价值没有大幅降低整体模型的预测精度。这是用于确定哪些因素影响最大浓度的TN、TP和TSS。最小的模型派生的使用逐步算法反复删除模型方面,和检查的影响模型简化拟合优度使用Akaike信息准则(AIC);排名的质量替代由最大似然统计模型拟合:AIC日志可能性+ = 2kn_票面价值,在那里n_票面价值代表拟合模型和参数的数量k= 2 (坂本和石黑浩,1986)。模型诊断表明低偏差作为剩余方差大约相当于在预测值的TN、TP和TSS残余中位数接近0。异常的比例在每个营养集团解释为最小的模型被计算为1 -(模型偏差/模型null.deviance);可以被认为是一个等价的确定系数的测量。

结果

观察雨水污染物与历史的比较研究

最终数据集包含2823个样本的未经处理的城市雨水收集了在1993年和2021年之间。样本收集的77个地点在澳大利亚东部的城市沿海地区,从北昆士兰到墨尔本,维多利亚。平均每个网站采集的样本数量是38。浓度的TSS、TP、TN是高度可变的和积极倾斜。分离数据根据广泛的排水特点发现集雨城市化> 21年前相比有更大的平均营养浓度集雨城市化11日至20日,< 10年前。工业土地用途更大的TSS和TN浓度相比,住宅和商业用地,然而,商业集雨意味着TP浓度较高。TSS摘要统计信息,提出了TP、TN表1,比较了当前审查数据与历史数据从澳大利亚和国际出版物。

意味着在城市居住集雨TSS含量分别降低60%和40%在当前的审查与澳大利亚相比与国际数据。营养浓度在城市住宅也低,平均TP 35%和42%和平均TN分别低于35%和30%澳大利亚和国际城市数据。同时意味着TSS的浓度,TP、TN在当前数据集仍然低于在澳大利亚和国际数据集方差比例是商业和工业集雨少。这可能是部分相关的城市规划和形式发生的变化以不同的速度在住宅领域相比,商业和工业领域。表2介绍了污染物数据在广泛的地理区域,土地利用和近似日期自开发完成。

尽管log-transforming当前数据,统计测试未能证实常态假设所需的与学生进行比较t测试。Wilcoxon-Mann-Whitney non-parameteric评估土地利用数据分组的证实,TSS TP、TN浓度从城市住宅、商业和工业土地利用相互明显不同,澳大利亚和国际和历史数据(α= 0.1)。

广义线性模型

广义线性模型发现集雨的地理位置对TN浓度影响最大,TP和TSS (p< 0.001)后也占土地利用和流域城市化日期的影响。集雨坐落在悉尼地区TSS的最大浓度中位数,TP、TN (图3- - - - - -5)。地理位置和土地使用TSS的重要预测因子,在工业用地使用TSS明显大于住宅和商业用地(p= 0.017)。地理位置显示表明在盒子上须情节和网站代码来保护保密的数据源。流域城市化日期TN浓度没有显著影响(p= 0.675),TP (p= 0.318)和TSS (p =0.243);表明城市集雨的年龄不是一个重要因素,当也占地理位置。

讨论

与最近的本地化研究一致(尼科尔斯和鲁克2016;鲁克et al ., 2018),我们在澳大利亚东部扩展分析发现显著低浓度的TSS、TP、TN城市雨水比澳大利亚早些时候提出的评论和用于预测模型,如音乐(邓肯,1999;国家水质管理策略,2009)。占流域城市化影响的日期后,和土地使用,我们发现集雨的地理位置对TSS含量影响最大,TP、TN。详细审讯的数据表明,这可能是由于高营养和泥沙浓度收集在悉尼集雨在1990年代初。新南威尔士州政府随后澳大利亚6000万美元投资于雨水改进项目通过雨水信任从1997年(https://www.environment.nsw.gov.au/resources/stormwater/usp/uspeesfdlow.pdf)。提高城市雨水质量预计也将城市减少化肥使用时,污水基础设施升级,污水处理厂排放停止,从集约农业和土地利用变化(Wicke et al ., 2012;Panasiuk et al ., 2015;Wijesiri et al ., 2015;鲁克et al ., 2018)。这些变化可能发生独立流域城市化的日期,而不是TSS的重要预测因素,TP、TN审查。另一种解释可能是,抽样方法、位置、样品制备、保存,选择实验室分析或浓度的准确性报告/记录,相关的数据提供者,可能会影响结果。这是不可能的,以确定这种级别的细节从单独提供的数据集。

浓度的TN、TP和TSS综述观察集雨之间是高度可变的,即使是那些类似的土地利用。污染物来源之间的复杂的相互作用、降雨、土地利用、雨水排水系统、污水的性质和时代基础设施通常雨水产生的变量(如质量。刘et al ., 2013;Tondera et al ., 2018 b)。例如,可变性在降雨强度之间和集雨内部改变了径流的动能,从而导致反应如第一次冲洗,洪峰,交流和微分污染物洗掉(泰勒et al ., 2005;Tondera et al ., 2018 a)。这对结果的概括提出了重大挑战集雨和跨时间尺度之间,与预测是可取的雨水造型。如此高的这些环境参数的变化也证实了观察,偶尔发生在城市雨水污染物浓度高,扭曲算法比可能意味着更高的真正代表。这加强了当地相关的需要,全面、持续的暴雨监测和广泛的基础设施来更好地管理雨水在卸货前水道。收集和重用项目,项目排放高价值的生态系统,可以保证更保守WQO或治疗的概念,反映了频繁,低浓度,但可以容纳罕见,水平升高。

TSS相对较低的可变性,TP、TN解释为最小的模型表明,因素超出了广义特征分析综述影响雨水质量。例如,养分资源的空间布局和不透水表面与降雨强度、持续时间、前期干燥天影响雨水体积、速度和质量,除此之外通常观察到当只考虑土地利用(刘et al ., 2012;刘et al ., 2013)。同样,年干旱,影响澳大利亚东部1997 - 2009之间,可能影响雨水质量和结果形成该审查的一部分。这种效果并不是分析由于地理位置之间的co-linearity集雨,年的样本收集和年干旱的时期。

差异报告的气候、流域和抽样特征数据提供者之间的有限数量的详细预测变量可以可靠地生成的数据。然而,许多出版物概括的基本评论还缺乏全面的信息等因素影响雨水质量(邓肯,1999;国家水质管理策略,2009)。城市雨水的最近的荟萃分析数据得出结论,不受比例没有显著影响污染物浓度,但气候和土地利用最具影响力,,区域位置显著影响营养和金属含量(辛普森et al ., 2022)。

其他研究人员也指出困难识别是否先前的研究进行了抽样的,混合或处理过的雨水(吕富et al ., 2015;尼科尔斯和鲁克2016)。随后,数据聚合为大类,如广泛的土地利用,它可以掩盖更详细的对雨水的影响质量的影响。例如,雨水质量数据集往往不同生产流程(未经处理、混合和雨水处理)和集水类型,抓住或自动采样技术的使用;收集时间间隔在stormflow,流域内的数量和位置(Goonetilleke和兰帕德,2019)。进步的具有成本效益的、可持续的和定制雨水管理需要详细了解这些因素如何影响雨水质量(吕富et al ., 2015)。需要标准化的收集和报告有一个明显的抽样方法,综合流域土地利用,和降雨特征纳入城市雨水监控协议,以及定期更新雨水质量气候时间更长。

对雨水管理

这次审查的结果进一步加强营养和泥沙浓度在未经处理的城市雨水一般低于在早期有影响力的研究报告,目前预测模型用于雨水管理,如音乐。这个突出的可能性,在大多数情况下,默认的准则值采用由于缺乏合适的本地数据,雨水管理模型的预测WSUD性能在许多城市在澳大利亚东部集雨高估了当地条件。这可能影响治疗的成本效益和潜在的各种重用选项。例如,规划指南通常需要开发建议模型处理设备将如何实现WQO使用预测建模。昆士兰州规划策略集东南昆士兰污染物减排目标对TSS在80%,60%,TP为45%,TN (昆士兰州,2017年)。然而这些WQO的成就通过SQID的实现可以成为城市雨水问题当污染物浓度在治疗前已经很低,由于污染物浓度可用于治疗切除是有限的。试图实现通用的轻轨交通的可能会导致大的足迹,和昂贵的治疗训练,“限制潜在的重用选项雨水污染物浓度较低,可关注生态、水文基准。

保守的方法时可以合理的雨水处理当地浓度是未知的。然而,本文的结果和其他国际荟萃分析,强调最近的重要性和locally-acquired雨水质量数据获得持续的水监测程序(辛普森et al ., 2022)。这样的建议是符合音乐用户指南(eWater 2019)和地区造型指南(墨尔本水,2018)。

知识缺口和未来的研究

结果本文提出问题关于通用服务指定百分比计划规定由于难以消除和WSUD雨水污染物在低浓度。重新指导值和WQO将确保数据是代表典型的雨水在澳大利亚东部城市集雨质量。满足排放目标,具体的浓度可能更适合比负载百分比减排目标(例如环保局环境保护局维多利亚,2019年)促进定制和具有成本效益的雨水管理在不影响水质。采用此方法可能需要启动或扩大当地水监测项目充分识别污染物浓度在土地利用、集雨和相应的水道。为了促进这一点,发展监测指南推荐有针对性的排水抽样程序确定特定期间土地利用和事件之间的浓度。作者认为这些指导方针包括最低:抽样技术,最小数量的样品/事件,标准的分析物,所需的元数据。这个元数据应该包括:抽样法、站点位置、土壤类型、土地利用类型、不透水的百分比,检测极限,上游汇水面积,时间和日期的样品和年的发展。

结论

广泛的研究在澳大利亚从1990年到2000年的十年间,对于城市雨水质量管理的发展很有帮助,但它承认澳大利亚缺乏足够的数据。昆士兰东南部最近公布的数据表明,在城市雨水污染物浓度大幅低于此前报道。结果提出了审查2823年降雨事件捕获从网站从墨尔本,维多利亚,北昆士兰,提供进一步的确认通常低TSS、TP、TN浓度在城市雨水径流。

得出了以下的结论;

1。TSS的摘要统计信息( $\bar{x}$ = 101.4±99.8 mg / L), TP ( $\bar{x}$ = 0.29±0.211 mg / L)和TN ( $\bar{x}$ = 1.77±0.97 mg / L)观察城市住宅集雨。

2。TSS商业集雨、汇总统计( $\bar{x}$ = 104.2±308.8 mg / L), TP ( $\bar{x}$ = 0.355±0.797 mg / L)和TN ( $\bar{x}$ = 1.29±1.35 mg / L)观察。

3所示。工业集雨TSS的观察与总结数据( $\bar{x}$ = 127.1±129.2 mg / L), TP ( $\bar{x}$ = 0.314±0.234 mg / L)和TN ( $\bar{x}$ = 1.85±1.549 mg / L)。

4所示。评估数据集显示,城市雨水质量浓度和服务中使用许多预测模型和监管政策可能高估了实际结果在澳大利亚东部城市集雨考虑,并在本地强调最新的重要性,相关数据。

5。百分比中指定服务规划法规和政策可能是一个钝的工具,这可能是更好的微妙与当地(背景)水质和生态健康或水文条件。

6。比较了解城市雨水在集雨质量差异是有限的监测和元数据收集方法。启动或扩充现有的区域水监测程序充分识别污染物浓度在集雨建议和相应的水道。指导方针应包括:抽样技术,最小数量的样品/事件,标准的分析物,所需的元数据。元数据应该包括:抽样方法、站点位置、土壤类型、土地利用类型、不透水的百分比,检测极限,上游汇水面积,时间和日期的样本,年的发展。

作者的贡献

所有作者的手稿的准备。KO表现数据集的统计评估。

的利益冲突

作者DD是受雇于呢绒环境顾问。作者TM是受雇于水技术。作者RC受雇于墨尔本水。

其余作者宣布审查是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

过去处理编辑PE宣布与作者合作弟弟。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

确认

作者要感谢CRC城市对水敏感,呢绒环境顾问,墨尔本水、城市公用事业、昆士兰?雨水,Stockland,雪梨水,汤斯维尔市议会,和水技术提供数据用于这项研究。

引用