典型城市降雨径流污染特征调查分析

古 玉，王 渲，方 正

(1.太原学院环境科学与工程系，太原 030032；2.武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

0 引 言

随着城市化建设的不断加快，本来透水的土层被混凝土、沥青、房屋覆盖[1]。导致城市降雨径流污染已成为水体污染的主要来源之一[2]。不同下垫面污染物种类及含量不同，如草坪径流中磷和总氮的浓度最高，而街道径流中总悬浮固体和许多金属物浓度较高[3]，住宅屋顶径流污染物浓度通常较低，但商业屋顶的金属含量较高[4]，因此研究不同下垫面污染物显得尤为重要。在对城市雨水径流特性的研究中，初期冲刷效应是非常关键的特征参数。初期冲刷效应是基于累积质量曲线与累积径流量曲线之间的关系，这与天气和场地条件，如降雨强度、流量、流域面积和下垫面坡度等有很大关系[5]。在降雨事件中，降雨径流的特征是不同的，初期冲刷效应也明显不同，这是城市地区雨水管理的主要关注点[6]。王以尧在2018年研究发现成都市非渗透下垫面COD，TN超过了地表V类水质标准，TP超过了地表Ⅲ类水质标准，并且研究了其存在形式及存在初期冲刷现象[7]；郝学凯在2016年对屋面、道路和绿地径流污染对水体的污染贡献程度进行了研究，表明径流污染必须从源头、中途和终端全方面考虑[8]。因此研究不同城市不同降雨场次以及不同下垫面污染物特征对解决城市污染有重大意义。

本文在武汉市典型的城区(汉阳区)进行了2次降雨观测，通过取样分析初期冲刷后排水管道内水样水质指标。为武汉市雨天污染防治及海绵城市建设提供基础数据支撑。

1 调查测量方法

1.1 选取的城市区域

汉阳区地处武汉市西南部，常住人口65.27万人，截至2017年末，全区下辖晴川街道、建桥街道、四新街道等11个街道，总面积111.54 km2[9]，其中，绿地占全区土地总面积的4.23%；城镇村及工矿用地占65.92%；交通运输用地占2.75%；水域及水利设施用地占26.92%；其他土地0.17%。属亚热带季风性湿润气候区，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高温、降水集中，冬季稍凉湿润等特点[10]。全区有94个雨水排口，70个合流排口。

1.2 污水排放类型

武汉市排水管网老旧存在设计缺陷以及某些地区存在合流，导致大量未经处理的生活污水及工业废水直接排入城市水体，水污染较严重。水污染主要项目为总磷、总氮、氨氮、五日生化需氧量等。

1.3 采样点选取及样品收集

为保证选取的采样点具有普遍性，对不同下垫面：主干道、支路、屋面、绿地、广场分别进行采样，共计5个采样点，分别为四新大道、梅林西路、中医院广场、居民楼B、四新公园绿地，分别标记为GD、ZL、GC、WM、LD，具体情况见表1。

表1 采样点汇总Tab.1 Summary of sample point

四新大道、梅林西路采样点设置于道路一侧雨水口处；屋面径流采样点设置于居民楼B屋顶落水管排水口；绿地径流采样点设置于沟渠低洼处。广场采样点设置于地面雨水砖排水口。

本研究取样自产流起30 min内，每隔5 min采集一次水样；产流30 min以后，每隔15 min采集一次水样，直至降雨结束。采样时使用预先清洗过的聚乙烯瓶收集采样点处径流水样。

1.4 降雨事件特征

由武汉市水务信息平台设置于四新港的雨量监测站记录获得2017年9月10日及9月19日两场次降雨频次为10 min/次的过程雨量数据见表2。9月10日降雨具有平均雨强强，峰值雨强强，雨前干期长的特点，9月19日降雨具有平均雨强弱，峰值雨强弱，降雨历时长，雨前干期短的特点，两场降雨分别具有代表性。

表2 降雨事件及特征Tab.2 Rainfall events and feature

1.5 样品分析方法

收集的径流样品于24 h 内对水质指标进行测定分析。测定方法见《水和废水监测分析方法》(第4版)[11]。本次实验检测水质指标包括SS、CODCr、NH3-N、TN、TP。SS采用重量法(GB11901-89)测定，CODCr采用重铬酸盐法(GB 11914-89)测定、NH3-N采用纳氏试剂光度法(GB7479-87)测定、TN采用紫外分光光度法(GB11894-89)测定、TP采用钼锑抗分光光度法(GB11893-89)测定。

1.6 数据处理与统计分析

1.6.1 场次降雨径流污染物浓度(EMC)

EMC是指一场降雨事件中径流全过程所排放的污染物平均浓度。EMC可由式(1)计算[12]：

(1)

式中：M(T)为场次降雨累积污染物总量，mg；V(T)为场次降雨累积径流总量，L；Ct为瞬时径流污染浓度，mg/L；Qt为瞬时径流量，L/min；T为降雨径流事件总时间，min。

1.6.2 初期冲刷效应

初期冲刷效应是指在初期降雨径流过程中污染物浓度明显高于后期径流冲刷的污染物浓度。采用无量纲M(V)曲线图来评价[13]，公式如下[14]。

(2)

(3)

式中：M(t)为t时刻累积污染物总量，mg；V(t)为t时刻累积径流量，L；M(T)为场次降雨累积污染物总量，mg；V(T)为场次降雨累积径流总量，L；Ct为瞬时径流污染浓度，mg/L；Qt为瞬时径流量，L/min；Δt为连续测定时间间隔，min；T为降雨径流事件总时间，min。

根据Gupta K提出的标准[15]判定是否存在初期冲刷效应，即按照公式(2)和(3)计算结果绘制M(V)曲线，当M≥0.5，V≤0.5时即可判定存在初期效应。

引入初期冲刷指数，其中FF30为场次降雨累积径流量比例为30%时所对应的累积污染负荷比例，即M(V)曲线上M=0.3所对应的V的值。FF40为M=0.4时对应的V的值。用FF30和FF40量化初期冲刷效应。

1.6.3 统计分析

利用IBM SPSS Statistics 24对降雨径流污染物浓度数据进行统计分析和EXCEL软件进行画图。

(1)场次降雨径流污染平均浓度(EMC)。场次降雨径流污染平均浓度(EMC)计算方法见式(1)，对照相关水质标准评价径流污染强度，并分析其影响因素成因等。

(2)初期冲刷效应分析。即对5种水质指标分别作M(V)曲线，由公式(2)(3)计算后绘制曲线，由曲线形状判断是否存在初期冲刷效应。

此外，对每条M(V)曲线计算初期冲刷指数FF30及FF40值，量化初期冲刷效应是否存在，并分析其影响因素，从而进一步为研究区域控制降雨径流污染及初雨截留设施设计提出建议。

2 结果与讨论

2.1 径流水质特征

根据2017/9/10和2017/9/19(表述为09/10及09/19降雨)两场降雨监测得到不同下垫面的SS，CODCr，NH3-N，TN，TP的EMC值，并将水质检测结果与《污水综合排放标准》(GB8978-1996)及《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)对比，结果见表3。

表3 不同下垫面径流水质EMC值统计表 mg/L

从表3中可看出，COD、TN超过地表水环境质量Ⅲ类水体标准，SS超过城镇污水处理厂污染物排放一级A标准。除屋面在09/19场次降雨SS达标外，其他下垫面在不同降雨场次SS均超过排放标准，如果直接排入水体将增加水体悬浮物含量；COD，TN在09/10降雨中均超标，若未经处理大量排入自然水体，会加重水体的有机物及营养盐污染程度。其中绿地污染最为严重，09/19降雨SS达到63.15 mg/L，09/10降雨COD达到79.91 mg/L，TN达到2.584 mg/L。不同降雨对相同下垫面污染物浓度影响较大。

09/10降雨EMC除SS外明显高于09/19降雨，09/10降雨平均雨强及峰值雨强均高于09/19降雨，对地表累积污染物的冲刷能力较强，因此径流污染浓度较高；09/10降雨雨前干旱期长，为88h，地表累积污染物严重累积，因此该场降雨径流污染浓度高。说明径流污染受降雨场次及降雨特性影响显著。

2.2 初期冲刷效应分析

2.2.1 无量纲累积M(V)曲线

图1～5为不同下垫面在09/10及09/19两场降雨中的M(V)曲线，初期冲刷效应强曲线向上凸起程度大。其中主干道、支路的SS和TP曲线向上凸起程度大，说明初期冲刷效应较显著，COD、TN及氨氮不显著。推断SS及TP主要来源于颗粒物质，易受降雨冲刷作用；广场5种水质指标初期冲刷效应均较显著，广场为人造大理石铺装，因此易受降雨冲刷影响；屋面除COD及SS外初期冲刷效应均不显著；绿地各种污染物指标初期冲刷效应均不显著，这是由于绿地表面粗糙，受降雨冲刷影响较弱。按降雨场次，09/10降雨径流污染初期冲刷效应显著。09/19初期雨强小，降雨峰值雨强居中，对地表累积污染物冲刷作用小，基本不存在初期冲刷效应，其中广场氨氮、COD存在一定程度的初期冲刷效应，而SS、TP、TN不存在初期冲刷效应；绿地氨氮及TN存在初期冲刷效应，COD、SS及TP不存在初期冲刷效应。支路和广场SS累积污染负荷增长速度呈现出随累积径流量增大而加快的趋势。

图1 采样点GD初期冲刷效应分析Fig.1 Analysis of initial scour effect at sample point GD

图2 采样点ZL初期冲刷效应分析Fig.2 Analysis of initial scour effect at sample point ZL

图3 采样点GC初期冲刷效应分析Fig.3 Analysis of initial scour effect at sample point GC

图4 采样点WM初期冲刷效应分析Fig.4 Analysis of initial scour effect at sample point WM

图5 采样点LD初期冲刷效应分析Fig.5 Analysis of initial scour effect at sample point LD

2.2.2 初期冲刷指数

09/10及09/19两场降雨下不同采样点各水质指标的FF30及FF40值，见图6～图7。

图6 不同采样点09/10降雨初期冲刷指数Fig.6 Initial rainfall scour index for 09/10 at different sampling points

图7 不同采样点09/19降雨初期冲刷指数Fig.7 Initial rainfall scour index for 09/19 at different sampling points

按照Gupta K提出的50/50标准，若FF30>0.3及FF40>0.4，则存在初期冲刷效应。由图6可知09/10降雨仅有5%的数据FF30<0.3及FF40<0.4，因此，09/10降雨存在初期冲刷效应。09/19降雨有70%的数据不满足50/50条件，因此，09/19降雨不存在初期冲刷效应，见图7。

对FF30数据在不同降雨场次不同水质指标和不同降雨场次不同下垫面条件分别作图(图8与图9)。

图8 不同降雨下各水质指标FF30分布Fig.8 FF30 of different water quality indicators under different rainfall

由图8可知，不同降雨场次，污染物差别最大的为SS，差别最小的为TP，表明SS受降雨场次影响最显著，TP受降雨场次影响不显著，COD及TN受降雨场次影响显著。NH3-N，TP初期冲刷效应波动范围最广，表明受下垫面影响严重。在09/19降雨事件中TP存在初期冲刷现象，其余4类水质指标均不存在初期冲刷现象。

图9 不同降雨下各下垫面FF30分布Fig.9 FF30 of different lower surface under different rainfall

由图9可知，绿地在两次降雨中FF30分布值相近，均存在初期冲刷效应受降雨场次特征影响不显著。除绿地外，其余四类下垫面在两次降雨条件下FF30水平相差较大，在09/10降雨事件中存在初期冲刷现象，在09/19降雨事件中均不存在初期冲刷现象，径流初期冲刷效应受降雨特征影响显著。

综上所述，初期冲刷效应受降雨特征影响较大，雨前干期长、降雨强度大、雨峰靠前的降雨事件其初期冲刷效应显著。对于初期冲刷效应明显的降雨通过初雨截留等措施可改善降雨径流污染。

3 结 论

(1)降雨特征对降雨径流污染影响显著：对于特定采样点降雨强度越大、雨前干期越长，则EMC相对越高。

(2)降雨强度大、雨峰靠前、雨前干期长其初期冲刷效应显著，且雨峰靠前的降雨事件其FF30值越大。

(3)对于降雨强度较大、雨峰靠前的降雨，通过初雨截留等措施可改善降雨径流污染。

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