苏州市新建城区地表径流污染分析

柯 杭，陈 嫣，王盼，王卫刚

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

过去的十多年间，城市污水处理的力度不断加大，点源污染逐步得到全面控制，然而，城市水环境质量并未得到根本改善[1]。不断加快的城市化进程改变了天然地表状态，大量透水地表被建筑物、道路、停车场等不透水地表所取代，城市地表径流量增加、峰值提高和洪峰提前等一系列水文过程发生改变。与此同时，人类的各种活动加速了城市地表污染物的累积，降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面，冲刷、携带一系列污染物质，并最终排入城市水体，使地表径流污染逐步成为城市水环境恶化的主要因素。美国环保署在1993年就把城市地表径流污染列为全美河流和湖泊的第三大污染源[2]。

本文以苏州市某新建城区为例，监测实际降雨下，商业区、居住区、公建区等城市不同功能用地下垫面的径流水质及其相应排水系统的系统出流水质，并通过旱季混接污水监测掌握系统混接污水的特征。在此基础上，分析估算下垫面径流冲刷污染负荷、雨水管网混接污染负荷、管道沉积物污染负荷等不同污染源的污染负荷，识别此区域径流污染主要来源，为制定城市地表径流污染控制对策提供参考。同时，随着海绵城市建设理念的推广普及，新建城区与老城区相比，具有更好的海绵改造条件，城市更新过程中必然会融入更多的海绵城市元素，本文的结果也可作为未来海绵城市建设成效评估的基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域

苏州是太湖流域乃至长三角地区的典型城市。研究区域位于苏州市中心城区北部新建城区，2010年基本完成开发任务，规划建设条件较好。研究区域内建设用地比例较高，占区域总面积80%以上。其中，居住用地占29%，道路用地占24%，商业用地占10%，集中绿地面积和水域面积相对较少，占比分别为16%和7%。在研究区域内，选取苏州城区典型的城市不同功能用地的下垫面，主要包括屋面、路面、停车场，监测点如图1所示。A点为公建区，B点为次干路，C点为主干路，D点为居住区，E点为商业区。为了获取雨水管网混接污染负荷及对应系统的出流污染负荷，在选取的商业区、居住区、公建区对应的系统排口处进行旱天监测以及雨天监测。

图1 研究区域监测点位Fig.1 Monitoring Location in Study Area

1.2 采样方法

本研究于2018年5月—10月及2019年3月—5月开展共10场降雨的监测。其中，数据完整、有效的降雨场次为6场，按照国家气象局颁布的降水强度等级划分标准(12 h内降雨量)，共有3场小雨、2场中雨和1场大雨，各场降雨数据由位于当地的气象站提供，如表1所示。苏州市4月—9月降雨量占全年70%以上，所选降雨事件大多位于这一时间段，参考苏州市海绵城市相关规划，其65%年径流总量控制目标对应的日设计降雨量为14.82 mm，所选降雨事件的降雨量也分布于这一区间，说明所选降雨事件可作为该区域的典型降雨事件。监测期间，使用自制的采样装置在各监测点进行人工采样：雨天分别于径流形成的第5、10、20、30、45、60、90、120 min采样，获得共计2 h的样品；旱天的采样间隔为2 h，连续进行2 d(周日、周一)以获得48 h的样品。所有水样采集后立刻放入便携式采样箱冷藏保存(0～4 ℃)，样品运回实验室后，根据国家标准方法进行保存和分析测试。其中，悬浮物SS测试参考《水质 悬浮物的测定 重量法》(GB/T 11901—1989)，化学需氧量CODCr测试参考《水质 化学需氧量的测定 快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)。

表1 有效降雨场次的降雨特征Tab.1 Rainfall Characteristics of Effective Rainfall Events

1.3 分析方法

对径流水质调查的研究，通常采用事件平均浓度(EMC)对降雨事件进行描述，事件平均浓度是以流量为权求得一次降雨事件径流平均浓度。受设备条件限制，本研究在进行地表径流采样时未能同步实测各监测点的流量数据。同一次降雨事件，径流水量的变化过程与降雨量的变化过程直接相关，即径流量的大小随着降雨强度的变化而变化。因此，本研究通过降雨量数据，对径流水质数据进行加权平均处理，得到以降雨量为权的污染物事件平均浓度。

下垫面径流冲刷污染负荷、系统出流污染负荷的计算如式(1)[2]。

L=0.01αΨPC

(1)

其中：L——单位面积的年污染负荷，kg/(ha·a)；

α——径流修正系数，典型值一般取0.9；

Ψ——排水区域综合径流系数；

P——年降雨量，mm/a，苏州市年平均降水量为1 100 mm/a；

C——事件平均浓度，mg/L。

雨水管网混接污染负荷的计算如式(2)。

L=365QC/(1 000A)

(2)

其中：L——单位面积的年排放污水负荷，kg/(ha·a),1 ha=1×104m2；

Q——污水日排放量，m3/d；

C——污水按流量加权的平均浓度，mg/L；

A——排水区域面积，ha。

管道沉积物污染负荷很难通过采样直接测量，本研究通过系统中污染物质量平衡关系间接计算管道沉积物污染负荷，即：管道沉积物污染负荷=系统出流污染负荷-下垫面径流冲刷污染负荷-雨水管网混接污染负荷。

2 结果与讨论

2.1 瞬时样品水质特征

根据苏州新建城区6场降雨监测，得到系统出流水质情况(图2)和路面/屋面径流水质情况(图3)。居住区、商业区、公建区系统出流水质的CODCr中值质量浓度分别为43、61、42 mg/L，SS质量浓度分别为47、89、83 mg/L。居住区、商业区水质参数的四分位差较小，公建区则相对较大。路面/屋面径流水质，主干路、次干路、停车场、屋面、商业区道路的CODCr质量浓度分别为107、43、16、6、278 mg/L，SS质量浓度分别为293、115、48、12、190 mg/L。商业区道路的COD显著大于其他监测点，且四分位差也较大，说明商业区道路的径流污染水平受降雨条件以及降雨当时路面的清洁情况影响较大。另外，由于停车场和屋面径流采样点位于公建区内，将公建区系统出流水质与停车场和屋面径流水质进行对比，发现系统出流水质浓度均高于路面/屋面径流，说明管道沉积物对系统出流水质具有一定程度的影响。

图2 系统出流水质浓度区间图Fig.2 Water Quality Intervals of System Outflow

图3 路面/屋面径流水质浓度区间图Fig.3 Underlying Water Quality Intervals of Road and Roof Runoff

水质参数间的相关性分析有助于判断污染物的赋存状态。对监测数据进行相关性分析：系统出流水质的COD与SS的Pearson相关系数在-0.36～-0.01，两参数间的相关性不强，说明系统出流水质的COD同时以溶解态、颗粒态存在；路面径流的COD与SS的Pearson相关系数在0.61～0.97，具有良好的正相关性，说明路面径流中的污染物主要以颗粒态存在；屋面径流的COD与SS的Pearson相关系数为0.01，两参数间基本无相关性。

根据6场降雨监测数据，计算以降雨量为权的污染物事件平均浓度如表2所示。对于路面径流的事件平均浓度，美国某地的高速路径流COD、SS质量浓度分别为253、68 mg/L[3]，意大利某城市的路面径流COD、SS质量浓度分别为129、140 mg/L[4]，国内多个城市的路面径流COD、SS质量浓度分别为127～553、126～2 150 mg/L[5-10]。苏州市海绵办于2018年组织开展了苏州市老城区降雨径流污染的调查分析，其中，交通区路面径流COD、SS质量浓度分别为265、483 mg/L，商业区路面径流COD、SS质量浓度分别为111、250 mg/L。苏州新建城区的路面径流水质调查显示，主干路和次干路的路面径流水质与国内外以及苏州老城区的污染程度相比较轻，而受人为活动干扰较多的商业区道路，其路面径流污染物浓度有所增大。另外，该城区的主干路和次干路在道路保洁方面采用了较高的道路环卫机械作业标准，并结合人工清扫、保洁、巡检等作业要求，路面径流水质的污染水平得到较好的控制;而商业区道路受作业条件限制，只有人工清扫与保洁，径流污染浓度较大，可见道路清扫等非工程性措施可有效减轻新建城区道路径流污染程度。对于屋面径流的事件平均浓度，文献中法国某城市的屋面径流COD、SS质量浓度分别为31、29 mg/L[11]，国内城市中，北京的屋面径流COD、SS质量浓度分别为140、78 mg/L;武汉的屋面径流COD、SS质量浓度分别为55、60 mg/L[12]。本研究中苏州新建城区的屋面径流浓度显著低于上述各城市，这与采样条件中前期晴天数有较大关系。本研究的采样集中于降雨频繁的季节，前期晴天数<2 d，因而屋面累积的污染物相对较少。

表2 系统出流与路面/屋面径流的事件平均浓度(EMC)Tab.2 EMC of System Outflow, Road and Roof Runoff

2.2 下垫面径流冲刷污染负荷测算

在估算下垫面径流冲刷污染负荷时，需确定不同地块的地面与屋面比例。本研究根据研究区GIS数据，估算的地面与屋面比例如下：居住区为60%/40%；商业区为50%/50%；公建区为80%/20%。利用对应的下垫面径流污染物事件平均浓度，计算下垫面径流冲刷污染负荷，如表3所示。美国对28个城市进行了降雨径流监测[13]，统计得出的住宅区CODCr、SS年污染负荷分别为250、550 kg/(ha·a)，商业区CODCr、SS年污染负荷分别为666、1 460 kg/(ha·a)。西安市非点源污染负荷估算[14]结果显示，CODCr、SS年污染负荷分别为486、1 722 kg/(ha·a)。深圳市光明新区径流污染负荷估算[15]结果显示，CODCr、SS年污染负荷分别为1 548、2 601 kg/(ha·a)。由苏州市科技局组织的老城区2006年—2008年城区雨水面源污染负荷研究可知，苏州老城区住宅区路面径流CODCr、SS年污染负荷分别为859、864 kg/(ha·a)，商业区路面径流CODCr、SS年污染负荷分别为1 353、1 669 kg/(ha·a)。与国内外以及苏州老城区同一用地类型的污染负荷进行对比，苏州新建城区居住区的污染程度相对较轻，商业区的污染程度尤其是有机污染则相对较重。

表3 研究区不同用地类型下垫面径流冲刷污染负荷Tab.3 Underlying Surface Runoff Pollution Load of Different Land Type in Study Area

2.3 雨水管网混接污染负荷与系统出流污染负荷

雨水管网混接污染负荷与系统出流污染负荷均依据系统出流监测点在旱天及雨天获得的数据进行计算，结果如表4和表5所示。法国根据长期对分流制出流口的污染物浓度、雨天合流制溢流污染物浓度以及雨污混接系统水质的调查数据，建立了QASTOR数据库[16]。其中，分流制系统CODCr、SS出流污染负荷分别为670～4 500、1 300～6 700 kg/(ha·a)，雨污混接系统CODCr、SS出流污染负荷分别为1 250～5 200、1 800～4 800 kg/(ha·a)。上海市[17]住宅区系统出流CODCr、SS年污染负荷分别为1 129、637 kg/(ha·a)，商业区系统出流CODCr、SS年污染负荷分别为1 151、1 218 kg/(ha·a)。苏州市老城区2006年—2008年的调查结果表明(径流系数取值为0.8)，住宅区系统出流CODCr、SS年污染负荷分别为1 381、870 kg/(ha·a)，商业区系统出流CODCr、SS年污染负荷分别为1 356、1 003 kg/(ha·a)。与国外结果对比，苏州新建城区不同用地类型的系统出流污染负荷与混接污染负荷均处于较低水平，而与老城区10年前的污染负荷基本相当。需要说明的是，苏州雨水排水系统大多为淹没式自排出流，河道水位较高且排口上游管道管长相对较短，导致系统出流水样的采集易受到河水混合的影响，这在一定程度上可能使居住区、商业区系统出流污染负荷偏低。

表4 研究区不同用地类型雨水管网混接污染负荷Tab.4 Illicit Connection to Rainwater System Pollution Load of Different Land Type in Study Area

表5 研究区不同用地类型出流污染负荷Tab.5 System Outflow Pollution Load of Different Land Type in Study Area

2.4 污染负荷来源分析

由以上得到的系统出流污染负荷、下垫面径流冲刷污染负荷、雨水管网混接污染负荷，通过质量平衡关系可计算管道沉积物污染负荷，进而得到各项污染负荷来源在总污染负荷中所占的比例，如图4所示。

对于居住区，下垫面径流冲刷污染负荷的比例最高，COD、SS的占比分别为39%、65%;雨水管网混接污染负荷的COD、SS占比分别为24%、22%;管道沉积物污染负荷的COD、SS占比分别为37%、13%。因此，居住区的污染负荷削减应当以控制下垫面径流冲刷污染负荷为主。苏州新建城区的开发建设年限不长，区域内雨污混接的情况并不严重，故可加强监督抽查以防雨污混接现象的发生。

对于商业区，总污染负荷基本由下垫面径流冲刷污染负荷和管道沉积物污染负荷构成，且下垫面径流冲刷污染负荷为主要污染负荷来源，其COD、SS占比分别为82%、75%。因此，商业区的污染负荷削减应着力于控制商业区内道路的径流冲刷污染负荷。

如前文所述，居住区和商业区总污染负荷的计算来自淹没出流系统排口的监测数据，不可避免地会受到河水掺混的影响，使总污染负荷较真实值偏低，进而使管道沉积物污染负荷偏低，因此，仍应重视管道的清淤养护，以控制管道沉积物污染负荷。

对于公建区，下垫面径流冲刷污染负荷与管道沉积物污染负荷在总污染负荷中的贡献基本相当，管道沉积物污染负荷略高，其COD、SS占比分别为47%、46%。这主要是由于所选监测点其内部管道采用合流制,且相较市政管道而言,学校对排水管道的维护管理相对薄弱，又监测期间学校内部正在进行海绵改造，施工对监测数据也存在一定的影响。若公建区通过改造实现海绵城市建设的理念，同时增加内部管道清通养护的频率，这一用地类型的总污染负荷可得到有效控制。

图4 不同污染负荷来源占比图Fig.4 Proportion of Different Pollution Load Sources

3 结论与建议

(1)通过不同下垫面的径流水质监测，计算得到苏州新建城区路面/屋面的以降雨量为权的污染物事件平均浓度，并以此为基础估算了不同用地类型下垫面径流冲刷污染负荷。与国外同类型的污染负荷对比，苏州新建城区居住区的下垫面径流冲刷污染程度相对较轻，商业区的污染程度尤其是有机污染相对较重，科学合理的道路保洁等非工程性措施可有效减轻新建城区径流污染程度。

(2)通过相应排水系统雨天和旱天的系统出流水质监测，计算得到苏州新建城区不同用地类型的系统出流污染负荷和雨水管网混接污染负荷。与国外同类型的污染负荷相比，苏州新建城区不同用地类型的系统出流污染负荷与混接污染负荷均处于较低水平。由于淹没出流自排系统的排口上游管道易受河水影响，建议对该类监测的采样方法做进一步改进。

(3)通过污染物质量平衡关系，计算平江新城不同用地类型的管道沉积物污染负荷，对各项污染负荷来源在总污染负荷中所占的比例进行对比分析。结果显示，下垫面径流冲刷污染负荷对各类用地类型的总污染负荷均有较大的贡献，并根据各类用地类型污染负荷组成特点分别提出了污染负荷削减建议。