广州校园区降雨径流污染的初期冲刷效应*

黄国如 陈子宇

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640;2.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640)

城市降雨径流污染特征研究是城市面源污染研究的基础，而初期冲刷效应是其特征研究的重要部分.按Thornton 等［1］的定义，初期冲刷效应是指在一场降雨径流过程中，初期降雨径流的污染物浓度大于中、后期降雨径流的污染物浓度.Geiger［2］则认为，在一次降雨径流过程中，以某时刻累积径流量与径流总量的比值为横坐标，以相应时刻排出的污染物累积负荷与负荷总量的比值为纵坐标，作图构成无量纲累积负荷分布曲线M(V)，若该曲线在坐标平面45°对角线之上，即发生初期冲刷效应;若该曲线在坐标平面45°对角线之下，则表明不发生初期冲刷效应.Lee［3］等根据全年多场降雨的监测数据指出，初期冲刷现象客观存在且其冲刷程度随着地区季节和所冲刷的污染物种类而变化.此外，由于初期冲刷效应还会随汇水面类型、不同降雨径流场次等而有所差异，因此，一直以来，国内外研究者对初期冲刷效应强度标准的确定仍存在较大的分歧.例如，Deletic［4］提出，初期20%降雨径流携带至少40%的污染负荷才出现明显的初期冲刷;Bertrand-krajewski等［5］认为，初期30%的降雨径流携带至少80%的污染物负荷，初期冲刷效应才明显出现.由于集水区特征和水文特征的不同，径流污染的初期冲刷过程不同，表征初期冲刷程度的标准也会随着集水区的特征与研究区域降雨特征的不同而不同［6］.另外，关于影响初期冲刷效应的因素，Gupta 等［7］发现，总悬浮物(TSS)的初期冲刷与最大降雨强度、降雨历时和雨前干燥天气期呈显著正相关;Li 等［8］测得，TSS的初期30%径流冲刷强度与最大降雨强度呈显著负相关，与雨前干燥天气期存在一定程度的正相关.相反，Lee 等［9］却没有发现初期冲刷与雨前干燥天气期有相关性，但是，集水区面积越小，其初期冲刷现象则越明显;Athanasiadis 等［10］对多场次屋面径流中重金属Cu 的研究也发现，初期冲刷强度与降雨量、降雨强度和雨前干燥天气期均不相关.文献［11］中的研究表明，在合流制排水系统下，通过制定初期冲刷强度标准，判断初期冲刷效应的存在，对初期雨水进行截留处理，是控制降雨径流污染的最佳措施.从上述研究可以看出，初期冲刷效应的判断标准至今还未统一，关于各水质指标之间是否存在相关性也莫衷一是.有鉴于此，文中以广州市校园区为例，并结合文献［12］中对广州城区降雨径流污染特征的有关研究，进一步探讨初期冲刷效应的规律，更深入地分析城市降雨径流面源污染特征.

1.1 研究区域

研究区域为广州市华南理工大学五山校区，其采样点分别选在屋面(日期为2012-06-22 和2012-08-17 的两组样品)、校园内路面(日期为2012-06-22、2012-07-23 和2012-08-17 的3 组样品)、校园外路面(日期为2012-07-16 的1 组样品)共3 种类型的降雨径流集水区，下垫面类型均为水泥混凝土.屋面采样点位于校园内南秀村某住宅楼外的雨落管排水口(北纬23°09'10.04″，东经113°20'17.16″)，校园内路面采样点位于校园内南秀村东侧江西路和黄河路的三叉交汇处的雨水口(北纬23°09'4.25″，东经113°20'17.33″)，校园外路面采样点位于学校南侧门对面的五山路高架路段的某上坡处雨水口在桥底的雨落管排水口(北纬23°08'57.59″，东经113°20'27.65″).

1.2 数据采集和统计

1.2.1 水文学数据

降雨数据来自华南理工大学2012年6－8月间共4 场实测降雨事件(降雨数据来自本校园内交通大楼屋顶的JDZ-1 型数字雨量计，以5min 间隔为整点计量，雨量测点与各采样点的最远距离在343 m左右)，监测降雨事件的水文学参数如表1 所示.

表1 监测降雨事件的水文学参数Table 1 Hydrologic parameters for monitored rainfall events

1.2.2 水质数据

研究样品的采集、预处理和实验室保存严格按照《水和废水监测分析方法》［13］的规定.使用聚乙烯瓶采集水样，待其静止沉降30min 左右之后，取水样中上层均匀部分，在各种水质指标的保存规定时间内尽快化验，并把化验后所有有效的水质指标数据，分别以样品数N、最大值Vmax、中位值Vmed、最小值Vmin、平均值¯V、标准差σ 和变异系数Cv共7 个统计量的方式进行汇总，表2 为4 场降雨事件的水质指标汇总结果.

表2 样品水质指标的数据统计汇总Table 2 Statistical summary of data of water indexes for samples

1.3 初期冲刷强度分析方法

质量初期冲刷强度指数简称MFF 指数(Mass First Flush Ratio)，是由Ma 等［14］提出的一种可以在各场次降雨径流过程中任一时刻累积径流量对地表污染物的冲刷强度进行定量分析的方法，MFF 指数定义如下:

式中:n 表示从降雨产生径流开始至某时刻t 时的累积径流量与总径流量之比，即MFF 的指数点(0至1.0);c(t)为降雨径流过程某时刻t 的污染物浓度，mg/L;q(t)为降雨径流过程某时刻t 的径流量，L/min;M 为降雨径流过程排放的污染总负荷量，mg;V 为降雨径流过程的总径流量，L.

根据MFF 值，可以判断某降雨径流事件对各水质参数是否发生初期冲刷效应以及初期冲刷的强弱程度.MFF 值大于1 表示发生初期冲刷效应，小于1则不发生，表明此时发生稀释效应.例如，MFF10=3.0和MFF30=2.0，分别表示初期10%和初期30%的累积降雨径流量携带30%和60%的累积污染负荷.MFF 指数的概念如图1 所示，图1 中的横坐标L 表示累积径流量与总径流量之比，纵坐标G 表示累积负荷量与总负荷量之比.

图1 MFF 指数的概念Fig.1 Concept of mass first flush ratio

1.4 径流量计算方法

利用式(1)计算MFF 指数时，各采样点径流量变化过程q(t)利用GB 50014—2006《室外排水设计规范》［15］中的雨水量推理公式法得到:

式中:i(t)为降雨强度，mm/min;Ψ 为径流系数;F为汇水面积，hm2.由于各采样点的汇水面积范围相对不大，且下垫面类型为水泥混凝土屋面和路面，各汇水面积的径流系数均取0.9，径流变化过程起始于雨水口开始排放径流的时刻［16］.

2.1 定性分析结果

按照Geiger［2］对M(V)曲线的定义，曲线在图中对角线上方表示存在冲刷，即曲线正偏;在对角线下方表示不存在冲刷，即曲线负偏.累积径流过程某时刻累积负荷百分比高于同时刻对角线相应值的竖直偏离越大，表示冲刷越明显;相反，低于对角线的竖直偏离越大，表示冲刷越不明显.

图2 为4 场次降雨径流过程各水质指标的M(V)曲线，结果表明:在各场次降雨过程中，有机污染物指标BOD5和COD 的整体M(V)曲线在对角线上方，发生不同程度的初期冲刷;营养盐指标TN、TP 的M(V)曲线，除2012-06-22 的降雨屋面径流M(V)曲线整体在对角线下方之外，其余均在对角线上方，但平均偏离程度次于BOD5和COD;虽然重金属指标Zn 比TCu 的初期冲刷程度稍强，但两者的M(V)曲线与对角线正或负偏的总体程度相差不大，而TCu 的初期冲刷呈现为中度正偏或负偏，与Athanasiadis 等［10］的研究结果相似;亚硝酸盐氮-N 与氨氮NH3-N 的M(V)曲线偏离程度中等，以正偏为主;对于各种溶解性离子指标，包括总溶解性离子TDS、硫酸根离子和总硬度(Ca2+硬度和Mg2+硬度)，除TDS 的日期为2012-06-22 场次的曲线外，的正偏离程度较大，TDS 和总硬度的相对次之;悬浮物指标TSS 的初期冲刷程度较为明显.

2.2 定量分析结果

初期冲刷效应反映了城市降雨径流污染负荷的排放特征，通过初期冲刷效应定量化，从而确定其初期冲刷程度，可为城市初期雨水截流处理的控制工作提供可靠的数据.

为了对初期冲刷效应进行定量化，分别计算2012-06-22、2012-07-23 和2012-08-17 的3 场有效降雨径流事件各水质指标的MFF10、MFF20、MFF30和MFF40.由于部分水质指标的样品数量比较少，故只分别在屋面和校园内道路两种下垫面类型中，选取样本数量相对比较充足的TSS、COD、BOD5、TP、TN、-N 和NH3-N 共7 种水质指标的不同MFFn值进行汇总，结果见表3.

图2 不同降雨径流过程中排放各种污染物的累积分布图Fig.2 Normalized cumulative curves for different pollutants in each rainfall-runoff event

由表3 可知，以初期20%和30%径流携带各种污染物负荷为标准，初期20%的结果依次如下:屋面TSS 为7%～39.4%，校内路TSS 为13.2%～38%;屋面COD 为20.4%～56%，校内路COD 为32.4%～43.2%;屋面BOD5为25.6%～51.4%，校内路BOD5为25.6%～35.6%;屋面TP 为16%～35.2%，校内路TP 为25.5%～34.8%;屋面TN 为13.8%～27.4%，校内路TN 为26.2%～35.2%;屋面-N 为20.6%～22.4%，校内路-N 为25.4%～39.8%;屋面NH3-N 为23.4%，校内路NH3-N 为24.4%～29.4%.初期30%的结果依次如下，屋面TSS 为18.6%～56.1%，校内路TSS 为27.9%～52.8%;屋面COD 为39%～72.6%，校内路COD 为37.8%～54%;屋面BOD5为37.5%～77.4%，校内路BOD5为37.5%～48.3%;屋面TP为24.3%～53.1%，校内路TP 为38%～47.1%;屋面TN 为22.8%～41.7%，校内路TN 为38.4%～43.2%;屋面-N 为27.8%～30.9%，校内路-N 为37.8%～45.6%;屋面NH3-N 为24.3%，校内路NH3-N 为34.8%～40.5%.

表3 MFFn数据汇总Table 3 Data summary of MFF

2.3 相关性分析结果

利用SPSS17.0 软件进行非参数单样本K-S 检验，2012-06-22、2012-07-23 和2012-08-17 的3 场次降雨径流污染物TSS、COD、TN、TP 的MFF20和MFF30与降雨历时Tr、降雨量W、平均雨强I、最大雨强Imax、最大雨强出现时间Ti和雨前干燥天气期ADWP 近似服从正态分布，故采用Pearson 简单线性相关分析法得到其相关性结果，见表4 和5.

表4 MFF20的Pearson 相关分析结果Table 4 Analysis results of Pearson correlation for MFF20

表5 MFF30的Pearson 相关分析表Table 5 Analysis results of Pearson correlation for MFF30

由表4 可知，TSS、COD、TP、TN 的MFF20与Tr、W、I、Imax、Ti和ADWP 均不存在显著性相关(P＞0.05).尽管TSS 的MFF20与ADWP 的相关性稍未达到显著性水平(P=0.09＞0.05)，但也表现出一定程度的正相关(r=0.961)，表明雨前干燥天气期越长，期间累积的污染物在初期20%径流排放TSS 负荷可能越多.不同水质指标之间，TSS 的MFF20与TN 的MFF20呈较高的显著负相关性(r=－ 0.993，P=0.039 ＜0.05)，相反，COD 的MFF20与TP 的MFF20呈较高的显著正相关性(r= 0.998，P= 0.02 ＜0.05).

由表5 可知:COD 的MFF30分别与I(r=0.999，P=0.014 ＜0.05)和Ti(r=0.989，P=0.014 ＜0.05)呈显著性极高的正相关，而TN 的MFF30却分别与I(r=－0.993，P=0.039 ＜0.05)和Ti(r=－0.997，P=0.023 ＜0.05)呈显著性极高的负相关;另外，I、Ti均与TSS 的MFF30、TP 的MFF30没有显著的联系.不同水质指标之间，TSS 的MFF30与TP 的MFF30(r=0.999，P=0.011 ＜0.05)呈显著性极高的正相关，另一方面，COD 的MFF30与TN 的MFF30(r=－0.997，P=0.024 ＜0.05)呈显著性极高的负相关.此外，TSS、COD、TP、TN 的MFF30与Tr、W、Imax、ADWP 均不存在显著性相关(P＞0.05).

3 结论

初期冲刷效应反映了城市降雨径流污染负荷的排放特征，其定量化研究有助于确定适合本研究区域的初期雨水截流时间标准，从而减少地表雨水径流污染负荷对排水系统末端污水处理厂和受纳水体的贡献.研究得知:屋面和校内路总体的初期20%径流携带TSS 为7%～39.4%，COD 为20.4%～56%，TP 为16%～35.2%，TN 为13.8%～35.2%;而初期30%径流携带TSS 为18.6%～56.1%，COD为37.8%～72.6%，TP 为24.3%～53.1%，TN 为22.8%～43.2%.降雨径流主要污染物TSS、COD、TN、TP 的初期20%和30%的初期冲刷强度分别与降雨时间、降雨量、平均雨强、最大雨强、最大雨强出现时间和雨前干燥天气期等个别因素之间存在相当显著的正相关或负相关，但多数表现为不显著的相关或没有相关.

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