典型村落不同下垫面降雨径流污染物积累与冲刷规律

汪楚乔，陈柔君，吴 磊，宋海亮，李先宁

(东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096)

随着农村城镇化的迅速发展，农村降雨径流污染已经成为农村面源污染的一个重要问题，其径流中包含的大量有机污染物、氮、磷等营养物质，严重影响了受纳水体的水环境质量，需要对村落降雨径流污染的形成规律进行研究。

降雨径流污染的形成包括污染物的积累、雨水的冲刷与径流的输移，径流污染的形成基础即降雨中污染的积累与冲刷，也是研究径流污染的重点，污染物的积累与冲刷过程研究对实现降雨径流污染物的有效控制具有重要的理论意义[1]。污染物积累主要包括污染物在非降雨期在下垫面或大气中的逐渐积累过程，影响积累速度的因素主要有下垫面特性、环境因素与不同地域特征[2]。降雨时，积累在下垫面和大气中的污染物在雨水淋洗及径流冲刷等作用下，将贮备的固相和气相污染物转移至雨水径流中。下垫面光滑程度、降雨强度与污染物类型都会影响雨水的冲刷速度[3]。现有的研究中大都采用污染物的冲刷速率与降雨强度的指数衰减模型，研究结果显示建立的模型能较准确地描述冲刷转移过程[3-4]。虽然下垫面冲刷和降雨过程具有实时关系，但是降雨径流需要先汇集，从而导致了汇流时间差，为避免此时间差带来的误差，需要通过数据研究径流与冲刷量的相关函数关系。选用合适的数学模型模拟降雨径流与雨水冲刷的过程，才能更准确地预测降雨径流中污染物的变化规律。

本研究利用宜兴市周铁镇地表径流水质、污染特征方面的基础资料，确定径流的污染程度，建立各污染物之间的相关性，根据现场实地监测的降雨数据，获取适合于该地区特征的相关参数，建立径流污染物的累积与冲刷模型，为太湖地区径流污染评价监测、管理和调控提供研究资料和依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

本次试验选取的采样点在周铁镇沙塘港村，是位于太湖西岸重污染区的典型村落。周铁镇位于宜兴市东北部， 全镇总面积为73.2 km2，总人口为5.88万人。全镇地形平坦，属太湖水网地区。四季分明，气候温和，水源充沛，土地肥沃，特产丰富，素有“鱼米古镇”之称。气候属北亚热带南部季风区，年平均降水量为1 191.3 mm，年平均日照为1 941.9 h，年平均气温在15.6 ℃，镇区用地基本不受洪水淹没，最低水位为2.7 m，枯水位时主要河道亦能通航。

沙塘港村隶属周铁镇，位于太湖西滨，东南毗邻太湖，南连新庄镇，西依万石、芳桥镇，北靠横荡河，横荡河由此处流入太湖。沙塘港村位于周铁镇东南2 km，地理位置优越，水陆交通便捷。总面积为2.9 km2，有自然村落2个，划分村民小组18个，总人口有3 423人，现有村庄2.62×105m2，耕地面积2.49×106m2，山地面积3.00×105m2。村中地面硬化程度高于90%以上，基本全村每户都有全硬化庭院，屋面特征明显，有90%以上为瓦屋面，道路全硬化程度也高于90%以上。

1.2 采样方法

考虑到试验结果的适用性和代表性，当地大部分村落都有的道路、庭院、屋面这三种不同下垫面，在沙塘港村现场进行调研，设立采样点来监测分析三种不同下垫面的降雨径流。

试验中用内配1 L聚乙烯采样瓶的8000D型水质自动采样器对监测点的降雨径流进行采样，由于径流污染物在降雨径流形成初期迅速增加，故每个采样点的采样都是从开始产流一直到产流结束，根据降雨强度大小，采用不同的采样间隔，如高强度降雨和降雨初期时采样间隔为5 min，而降雨后期或者中小强度降雨情况采样间隔一般适当延长为20～30 min。降雨量和降雨历时采用YM-21型雨量计进行测定，其他具体监测方法同课题组之前研究[5-6]。

1.3 监测指标和分析方法

水样采集后，立即送往现场试验室进行分析，COD、SS、TN、TP测定方法均参照国家环境保护总局推荐方法[7]。

1.4 模型的描述

为确定地表污染物的积累量，一般将地面污染物用真空吸尘器吸取，之后分析收集的污染物。但雨水的冲刷作用并不会使全部污染物转移至雨水径流，所以实际可冲刷转移至降雨径流中的污染物不能通过直接收集的方法反映[8]。另一方面，积累污染物的采集也存在着很大的不确定性，与下垫面的清扫、天气、风力等很多方面有关，通过试验采集了不同下垫面的积累污染物，没有发现明确的规律。因此，为增加模型模拟的精度，可以通过对冲刷过程的研究得到可冲刷污染物的量，将可冲刷污染物累积量应用到冲刷模型中。

径流污染物的冲刷速率可用含有降雨强度和污染物量的模型表示，存在着简单的线性关系[4,9]，如式(1)。

(1)

其中：Ws—单位面积的冲刷速率，mg/(m2·min) ；S—平均降雨强度，mm/min；c—冲刷系数，mm-1；M—地表残留污染物量，mg/m2；t—降雨历时，min[10]。

冲刷系数采用以Osuch-Pajdzińska研究为基础的修正公式[9]，如式(2)。

(2)

降雨强度对污染物的冲刷速度影响很大，污染物的冲刷速率与降雨强度的指数衰减模型，可以较准确的反映污染物的冲刷转移过程[3-4,11]。由于降雨的汇集导致的汇流时间，需研究径流与冲刷量之间的函数关系，以避免此汇流时间差导致的误差。

考虑到未产生雨水径流的降雨和降雨与径流污染物冲刷存在着时间差的事实，采用区域表面产流负荷代替实际降雨强度。最后可以得到降雨所形成的径流污染物浓度，即浓度模型[12]，如式(3)和式(4)。

C(t)=cM0exp[-cHef]

(3)

Hef=累积径流量/汇流区域面积

(4)

其中：C(t)—径流污染物质量浓度，mg/L；c—冲刷系数，mm-1；M0—地表初始污染物量，mg/m2；Hef—径流产流深度，mm；t—降雨历时，min。

式(1)可作为径流污染物冲刷的基础模型。应用到单场降雨，将式(1)变形，可得式(5)。

ln[C(t)]=ln(cM0)-cHef

(5)

由式(5)可知，有效降雨深度与径流污染物浓度为线性关系，函数公式结构较为简单，可以为一些相关的模拟计算提供基础。

2 模型的验证

2.1 降雨资料

模型中实测的降雨资料来自对宜兴市周铁镇沙塘港村屋面、庭院、道路3中不同下垫面降雨径流水质进行的监测，测定的水质指标为COD、TP、TN和SS，9场降雨事件的特征见课题组之前研究[6]。将9场降雨分为中小强度降雨(<0.1 mm/min)和高强度降雨(>0.1 mm/min)两种条件。

2.2 模型精度的检验

根据前期研究数据，当地的4种下垫面中屋面、庭院和道路都具有较明显的初期冲刷效应。对9场采集的降雨径流采用式(5)检验模型精度。

对一场中小强度降雨(降雨量为3.2 mm，降雨时间为60 min)的径流采用式(5)检验模型精度，结果如图1所示。

图1 小强度降雨条件下污染物冲刷规律模拟结果Fig.1 Simulation Results of Different Pollutants Wash-Off Characteristics under Low Rainfall Intensity

对一场高强度降雨(降雨量为20.7 mm，降雨时间为60 min)的径流采用式(5)检验模型精度，结果如图2所示。

由图1和图2可知，有效降雨深度Hef与降雨径流污染物浓度ln[C(t)]具有较好的线性关系。从相关系数R2的值来看，庭院和道路径流模拟的精度与屋面相比要稍低，而道路径流模拟的精度与庭院相比也略低。其原因是屋顶无人类活动，造成污染物冲刷的因素主要为降雨。而在地面径流中，庭院和道路上都有较多人类活动产生的影响，且道路上还有较多车辆活动，两者的共同作用会进一步降低模型精度。

图2 高强度降雨条件下污染物冲刷规律模拟结果Fig.2 Simulation Results of Different Pollutants Wash-Off Characteristics under High Rainfall Intensity

2.3 冲刷系数

分别计算中小降雨强度(<0.1 mm/min)和高降雨强度下径流污染物的冲刷系数，结果如表1所示。由表1可知，COD、SS、TP与TN的冲刷系数都是正值，冲刷系数之间没有明显差异，这主要是由于COD、TP与TN在颗粒物上具有较高的附着性[9,13]，所以污染物浓度受冲刷过程影响非常大。Lee等[14]在研究韩国城市降雨径流时发现，降雨径流中COD、SS、N、P的初期冲刷效应与降雨强度存在相关关系，而且会随着流域面积的减小而增大。罗专溪等[15]在研究川中丘陵区村镇降雨特征时发现，村镇降雨径流中TN、TP、COD、SS与降雨特征存在较好的相关性，且降雨初期径流中N、P污染有较高的浓度，随降雨量和径流量的增大而产生了污染源的耗竭效应，但COD和SS随着降雨强度和降雨量等产生明显的耗竭效应。

随降雨时间的延长，悬浮颗粒物的冲刷转移速率逐渐降低，所以污染物的冲刷系数都为正值，与悬浮颗粒物之间差异性较小。在中小强度降雨条件下，TN的冲刷系数较高，可能是由于TN中溶解性成分较多，而溶解性污染物更易被冲刷至径流中[16]。高强度降雨条件下的冲刷系数小于中小强度降雨条件下的冲刷系数，原因是降雨强度的增加使得地面可冲刷的污染物量增加。当有效降雨深度增大到10 mm时，地表贮备的污染物已接近输送完成，此时径流污染物浓度也逐渐稳定，冲刷规律在此时不能表示污染物变化，所以引起求出的平均冲刷系数偏小。在有效降雨深度大于10 mm时，适宜直接用稳定的终端浓度表示污染物浓度。同时由于降雨初期的3 mm径流是导致降雨污染的主要过程[17-18]，式(5)可直接应用于中小降雨强度冲刷系数的计算，而在高强度降雨条件下，由于降雨量增加很快，当采样间隔为5 min、径流量达到3 mm时，采样数少，难以据此求出冲刷系数，故还需对高强度降雨过程进一步研究。

表1 9场降雨事件中不同下垫面降雨径流污染物冲刷系数 Tab.1 Wash-Off Transport Coefficients of Pollutants on Different Underlying Surfaces in 9 Rainfall Events

2.4 雨水径流可冲刷污染物积累量

随着中国农村地区向城镇化发展速度的加快，雨水径流污染物浓度不断升高，形成更严重的水环境污染。不同下垫面原始污染物积累量对预测雨水径流污染物冲刷过程有较大影响，如何取得或测定污染物的积累量，对无序排放污水污染控制非常重要。

1.4节中提到雨水的冲刷作用并不会使全部污染物转移至雨水径流，所以实际可冲刷转移至径流中的污染物不能很好地通过真空吸尘器收集的方法反映。但是可以通过污染冲刷量来对可冲刷污染物的公式进行推导，同时以此为基础研究不同下垫面的可冲刷污染物积累量。

不同下垫面中的污染物经过冲刷过程转移到降雨径流中表现为径流中污染物，所以理论上，通过监测径流量和污染物浓度的数据，可得到不同下垫面可转移冲刷的污染物量。故可转移冲刷的污染物浓度可在式(5)的基础上推导得到，根据式(5)，对Hef和ln[C(t)]进行线性模拟可以得式(6)。

(6)

对所监测的9场降雨数据进行处理，分为中小强度降雨(<0.1 mm/min)和高降雨强度两种条件，并计算其可冲刷污染物积累量，结果如表2所示。

表2 9场降雨事件中降雨径流可冲刷污染物积累量Tab.2 Accumulation Amounts of Washed-Off Pollutants of Rainfall Runoff in 9 Rainfall Events

由表2可知，高强度降雨对地表污染物的冲刷大于中小强度降雨，高强度降雨冲刷得较彻底。地表颗粒污染物的积累量可以达到较高的值，中小强度降雨只能将地表部分污染物冲刷至径流中，屋面、庭院、道路在高降雨强度下SS的可冲刷污染物积累量M0分别为359、422、507 mg/m2，而中小降雨强度下冲刷的分别为191、192、375 mg/m2。同时地表积累的溶解性污染物更易转移至雨水径流中，屋面、庭院、道路在中小降雨强度下冲刷的TN分别为40.23、20.85、26.24 mg/m2，而高降雨强度下冲刷的分别为55.98、48.6、33.7 mg/m2。屋面的污染来源中有很大一部分为大气干沉降产物，已有研究表明太湖流域大气干沉降产物中TN量要远高于TP量[19]，故本研究中屋面冲刷TN量大而TP量相对较少，而道路和庭院污染物来源就更加复杂，主要跟大气污染状况、风速和人类活动(包括交通量和地面清扫等)有较大关系。经试验所在现场的调查发现，当地道路定期有清扫，而庭院为较脏的时候才进行清扫，这对负载COD、TN、TP的颗粒物浓度都会产生影响，因此研究可冲刷污染物的积累量有着重要的意义，尤其是在中小降雨强度条件下可以提高模型的模拟精度。

2.5 污染物积累与径流冲刷模型

将以上得到的中小强度条件下的冲刷系数c和可冲刷污染物积累量M0带入式(3)，可分别得到屋面、庭院、道路3种下垫面的COD、SS、TN和TP浓度随有效降雨深度的变化规律，并选取一场小降雨强度的实测数据与之进行比较，如图3所示。图3(a)、图3(b)、图3(c) 分别为屋面、庭院、道路下垫面COD、SS、TN和TP浓度随有效降雨深度的变化规律及小降雨强度的实测数据。

图3 中小降雨强度条件下径流污染物浓度变化模拟Fig.3 Simulations of Concentration Changes of Pollutants under Low and Moderate Rainfall Intensity

由图3可知，污染物浓度模拟结果与实测结果较吻合，显示了较高的模拟精度，由于累计径流深度的不断增加，冲刷系数到达高值后出现下降的趋势。在污染物的冲刷过程中，冲刷系数c是不恒定的，由式(5)可知，冲刷系数受产流负荷的影响较大，产流负荷会在径流初期增加速度很快，冲刷系数因而升高。模拟采用的是小降雨强度条件下的冲刷系数和可冲刷污染物积累量的平均值，因此存在着一定的误差，在后期的使用时可以对参数进行调试，使其最大限度的符合实测值。由于一年中小强度降雨所占的比例较大，所以建立的累积与冲刷模型具有实用意义。

3 结论

(1)公式ln[C(t)]=ln(cM0)-cHef可直接应用于中小降雨强度参数的计算。中小降雨强度条件下，屋面COD、SS、TN和TP的冲刷系数分别为0.82、0.83、0.92 mm-1和0.86 mm-1；庭院COD、SS、TN和TP的冲刷系数分别为0.60、0.87、0.97 mm-1和0.91 mm-1；道路COD、SS、TN和TP的冲刷系数分别为0.77、0.63、0.83 mm-1和0.56 mm-1。

(2)利用浓度模型对不同下垫面径流污染物浓度变化规律进行了模拟，模型模拟结果与实测结果拟合性较好，建立的模型可用于太湖流域村落不同下垫面中小降雨强度条件下降雨径流污染冲刷规律的表达。

[1]王宝山,黄廷林,聂小保,等.不透水表面雨水径流污染物冲刷规律研究[J].环境工程学报,2010,4(9):1950-1954.

[2]LI M,BARRETT M E.Relationship between antecedent dry period and highway pollutant:Conceptual models of buildup and removal processes[J].Water Environment Research,2008,80(8):740-747.

[3]EGODAWATTA P,THOMAS E,GOONETILLEKE A.Understanding the physical processes of pollutant build-up and wash-off on roof surfaces[J].Science of the Total Environment,2009,407(6):1834-1841.

[4]SOONTHORNNONDA P,CHRISTENSEN E R,LIU Y,et al.A

washoff model for stormwater pollutants[J].Science of the Total Environment,2008,402(2-3):248-256.

[5]戴保琳.利用农作物秸秆强化人工湿地对降雨径流中氮及重金属去除的研究[D].南京:东南大学,2015.

[6]汪楚乔,陈柔君,吴磊,等.宜兴典型村落不同下垫面降雨径流污染物排放特征[J].生态与农村环境学报,2016,32(4):632- 638.

[7]国家环境保护总局.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.

[8]EGODAWATTA P,GOONETILLEKE A.Understanding road surface pollutant wash-off and underlying physical processes using simulated rainfall[J].Water Science and Technology Echnology ,2008,57(8):1241-1246.

[9]EGODAWATTA P,THOMAS E,GOONETILLEKE A.Mathematical interpretation of pollutant wash-off from urban road surfaces using simulated rainfall[J].Water Research,2007,41(13):3025- 3031.

[10]张超,姜应和,金建华,等.不同下垫面径流污染物冲刷规律研究[J].武汉理工大学学报,2012,34(8):128-132.

[11]EGODAWATTA P G A.Modeling pollutant build-up and wash-off in urban road and roof surfaces[Z].2008.

[12]王宝山.城市雨水径流污染物输移规律研究[D].西安:西安建筑科技大学,2011.

[13]VAZE J C F H S.Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface[J].Urban Water,2002(4):379-389.

[14]LEE J H B K.Characterization of urban stormwater runoff[J].Water Research,2000,34(2):1773-1781.

[15]罗专溪,朱波,王振华,等.川中丘陵区村镇降雨特征与径流污染物的相关关系[J].中国环境科学,2008,28(11):1032-1036.

[16]GOONETILLEKE A,EGODAWATTA P,KITCHEN B.Evaluation of pollutant build-up and wash-off from selected land uses at the Port of Brisbane,Australia[J].Marine Pollution Bulletin,2009,58(2):213-221.

[17]KAHINDA J M,TAIGBENU A E,BOROTO J R.Domestic rainwater harvesting to improve water supply in rural South Africa[J].Physics and Chemistry of the Eearth,2007,32(15-18):1050-1057.

[18]GOONETILLEKE A,THOMAS E,GINN S,et al.Understanding the role of land use in urban stormwater quality management[J].Journal of Environmental Management,2005,74(1):31-42.

[19]刘涛,杨柳燕,胡志新,等.太湖氮磷大气干湿沉降时空特征[J].环境监测管理与技术,2012(6):20-24.