城市雨污合流制排水管道降雨径流污染特征研究

李云青 李海燕 谭朝洪 张晓然

摘 要：城市合流制排水管道旱季输送生活污水，雨季同时输送降雨径流，降雨量较大时易产生合流制溢流污染并对水环境造成危害。选取北京市２ 个典型合流制排水管道进行降雨径流监测，对典型降雨事件下径流ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ、Ｐｂ、Ｚｎ 七项水质指标进行分析，研究其水质污染特征。结果表明：ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ 在降雨径流过程中平均浓度（ＥＭＣ） 均超过参考标准限值，而重金属Ｐｂ、Ｚｎ 污染程度较轻，２ 个监测点Ｐｂ、Ｚｎ 的ＥＭＣ 均低于《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２）Ｖ 类水标准限值；管道水质变化过程受降雨强度、污染物地表累积情况、管道沉积物冲刷情况等多种因素的影响，多数污染物浓度与降雨强度成负相关，与雨前干期长度成正相关；降雨强度、雨前干期长度及降雨量分布均会影响污染物的初期冲刷效应。

关键词：合流制排水管道；降雨径流；水质污染；冲刷；北京市

中图分类号： Ｘ５２；ＴＵ９９２ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２０

引用格式：李云青，李海燕，谭朝洪，等．城市雨污合流制排水管道降雨径流污染特征研究［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：１０９－１１５．

０ 引言近年来，随着城市快速发展，分流制排水系统应用较多，但一些城市老城区受空间条件限制和历史文化保护要求，仍有大量合流制排水管道［１］ 。我国自２０ 世纪８０ 年代末开始对城市非点源污染进行研究，对合流制排水管道径流污染方面的研究多集中在北京［２－３］ 、武汉［４－５］ 、上海［６］ 等城市。研究表明，降雨发生时城市合流制排水管道产生的径流污染比分流制排水管道严重［５］ 。原因是合流制排水系统在干期输送城市污水，雨期还同时输送地表径流，更容易发生输送水量超标现象，污水溢流排放到自然水体产生污染，称之为合流制管网溢流［７］ 。雨污合流制排水管网污染源较分流制排水管网更加多样，国内外研究将合流制排水管网降雨径流污染源大致分为三方面：一是管网溢流出的城市污水、地表径流、管道沉积物［８－９］ ，其中城市污水主要包括生活污水、生产污水、径流污水；二是雨水冲刷地表在干期形成的污染物；三是在降雨径流冲刷作用下释放的排水管道沉积物。目前对于北京城区合流制排水管网径流研究多集中于溢流污染特征、溢流影响因素以及溢流污染控制方面［１０－１２］ ，缺乏考虑降雨因素的干期、雨期合流制排水管网水质变化特征研究以及管道污染物浓度变化、初期冲刷过程的影响因素研究。

本文选取北京城区两段典型合流制排水管道，依据干期、雨期悬浮物（ＳＳ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、总氮（ＴＮ）、氨氮（ＮＨ３ －Ｎ）、总磷（ＴＰ）、重金属Ｐｂ 与Ｚｎ 径流污染指标监测结果，探究其水质变化特征，分析降雨特征对污染物浓度的影响规律以及水质变化的影响因素等，以期为合流制排水管网径流污染风险评估及治理提供科学依据。

１ 监测点设置及降雨特征值

分别在北京西城区和海淀区各选择一段合流制排水管道，管道均为ＤＮ３００ 钢管。在管道下游干管各选择一个检查井设置监测点，分别位于西城区宣师一附小（监测点ＨＬ１）及海淀区万寿庄宾馆（监测点ＨＬ２）附近，监测点ＨＬ１ 设置在道路上，ＨＬ２ 设置在绿地上，所在区域地形都比较平缓。２ 个监测点分别位于北京核心区和拓展区，所选的合流制排水管道所控区域涵盖屋面、道路、绿地３ 种典型下垫面，其附近地区的人口密度、交通流量、空气污染状况和居民生活习惯等与所在地区相近或一致，并且远离污染点源（垃圾堆、污水排放口等）。

２ 个监测点气候均为典型的大陆性暖温带季风气候，四季分明， 降雨集中在夏季， 年平均降雨量６００ ｍｍ。２０１９ 年３—７ 月共监测７ 场降雨，监测点的降雨特征值及管道流量见表１。

使用２ Ｌ 燒杯收集城市排水管网出口降雨样品，转移到５００ ｍＬ 聚乙烯采样瓶中不留顶空。记录每个样品的采样开始时间和结束时间，随即贴上样品标签，现场测定水温及ｐＨ 值，然后将样品转移至低温箱保存并带回实验室进行测验。水质监测指标包括ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ、Ｐｂ、Ｚｎ。

对２０１９ 年３—７ 月共７ 场典型降雨进行污染物监测，根据式（１）对ＨＬ１ 和ＨＬ２ 监测点进行雨期水质计算分析，干期水质则采用瞬时浓度平均值进行分析。通过将ＳＳ 浓度与《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ １８９１８—２００２）二级标准限值进行比较，其他污染指标与《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２）Ｖ 类水标准限值进行比较，来判断合流制排水管道水质污染程度。

２．２ 水质历时变化特征与初期冲刷特征分析

选取２ 个监测点降雨历时相同、降雨强度相近的降雨事件（２０１９ 年７ 月２２ 日）为例，研究同一场次降雨事件２ 个监测点各水质指标随降雨历时的变化过程。在降雨过程中监测断面径流出流前采集第１ 个样品，在初始产流３０ ｍｉｎ 内每隔５ ｍｉｎ 采集１ 个样品，在产流３０～６０ ｍｉｎ 内每隔１０ ｍｉｎ 采集１ 个样品，在产流６０～１２０ ｍｉｎ 内每隔３０ ｍｉｎ 采集１ 个样品，共采集１２个样品（包含１ 个平行样）。采用流量监测设备同时监测出流流量，在２０１９ 年７ 月２ 日和２０１９ 年７ 月３日连续监测２ 个合流制排水管道出口断面的干期水质，每２ ｈ 采集１ 次样品，历时２４ ｈ，共采集１４ 个样品（含１ 个平行样）。

以污染物的累积污染负荷与累积径流量的相关性为基础，以两者所形成无量纲累积曲线的发散程度来确定是否发生初期冲刷，并绘制其Ｍ （Ｖ） 曲线。当Ｍ（Ｖ）曲线起始坡度大于４５°时存在初期冲刷效应，并用偏离４５°的最大值来量化初期效应。选取３ 场降雨量各不相同的降雨事件（２０１９ 年４ 月２４ 日、２０１９ 年６月１６ 日、２０１９ 年７ 月２２ 日），探究２ 个合流制排水管道监测点的水质指标变化规律。

２．３ 水质指标与降雨特征相关关系分析

为探究降雨强度和雨前干期长度对合流制排水管道降雨径流水质的影响，对７ 场降雨的降雨强度、雨前干期长度与２ 个监测点水质指标ＥＭＣ 的相关系数进行统计分析。通过ＳＰＳＳ 统计软件计算降雨特征值与径流污染物浓度之间的Ｐｅａｒｓｏｎ 相关系数，结合干期、雨期的水质指标，分析２ 个监测点的径流污染物来源，为有效控制合流制排水管道径流污染提供可靠依据。

３ 结果与讨论

３．１ 合流制排水管道水质污染特征

各水质指标干期瞬时浓度平均值见表２。当降雨类型为大雨及以上时管道易产生溢流，平均降雨强度影响溢流事件发生所需时间，平均降雨强度越大，发生溢流事件所需时间越短［８］ 。分析合流制排水管道雨期径流水质浓度，能够为溢流污染控制提供理论依据。２ 个监测点的干期ＳＳ 瞬时浓度平均值相差较大；２ 个监测点的干期ＣＯＤ 以及氮磷的瞬时浓度平均值都较高，对比ＴＮ 与ＮＨ３ －Ｎ 浓度发现，氮类污染物的存在形式主要是ＮＨ３ －Ｎ；２ 个监测点的干期Ｐｂ 和Ｚｎ 浓度均较低。

７ 场降雨事件中各水质指标ＥＭＣ 见表３。ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点雨期ＳＳ 的ＥＭＣ 平均值分别为６７２．０４、８４８．２７ ｍｇ／ Ｌ，分别为《城镇污水处理厂污染物排放标准》（ＧＢ １８９１８—２００２） 二级标准限值（３０ ｍｇ／ Ｌ） 的２２．４ 倍、２８．３ 倍。另外，数次降雨事件中污染物ＳＳ 的ＥＭＣ 变化范围较大，ＨＬ１ 监测点ＳＳ 的ＥＭＣ 变化范围为１５６．４３～２ ０４４．７０ ｍｇ／ Ｌ，ＨＬ２ 监测点ＳＳ 的ＥＭＣ 变化范围为３７７．２２～１ ８６８．６１ ｍｇ／ Ｌ。雨污合流制排水管道雨水径流中含有大量的悬浮物，且其污染过程复杂，对自然水体具有极大威胁，降雨量、监测点位置、采样时间等均会影响合流制排水管道ＳＳ 浓度。ＨＬ１、ＨＬ２监测点雨期ＣＯＤ 的ＥＭＣ 平均值分别为３６９． ５１、３２８．５２ ｍｇ／ Ｌ，分别为《地表水环境质量标准》（ ＧＢ３８３８—２００２）Ｖ 类水标准（４０ ｍｇ／ Ｌ）的９．２ 倍、８．２ 倍，污染程度较为严重。氮磷类污染物的ＥＭＣ 变化范围较大，ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点雨期ＴＮ 的ＥＭＣ 平均值分别为５９．９２、７０．７５ ｍｇ／ Ｌ，分别为《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２） Ｖ 类水标准（２ ｍｇ／ Ｌ） 的３０．０ 倍、３５．４ 倍；ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点雨期ＴＰ 的ＥＭＣ 平均值分别为４．１５、５．８２ ｍｇ／ Ｌ，分别为《地表水环境质量标准》（ＧＢ ３８３８—２００２）Ｖ 类水标准（０．４ ｍｇ／ Ｌ） 的１０．４ 倍、１４．６ 倍。不同的降雨条件和季节环境会影响合流制排水管道中氮磷类污染物的浓度，降雨量较大时可能会产生稀释效应，降雨量较小时可能会产生富集现象，且合流制排水管道雨污合流，生活污水中也含有较多氮磷元素，因此其水质变化具有很强的不确定性。

ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点雨期重金属Ｐｂ 的ＥＭＣ 平均值分别为Ｖ 类水标准限值（０．１ ｍｇ／ Ｌ）的０．０８ 倍、０．０７ 倍，ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点雨期重金属Ｚｎ 的ＥＭＣ 平均值分别为Ｖ 类水标准限值（２．０ ｍｇ／ Ｌ）的０．２１ 倍、０．４２ 倍，但雨前干期较长的降雨场次污染物Ｐｂ 和Ｚｎ 的ＥＭＣ 较大。

对比干期、雨期的水质可以发现，降雨会显著影响合流制排水管道污染物浓度。监测干期后的第一场降雨事件（２０１９ 年７ 月５ 日）２ 个监测点的径流ＳＳ 的ＥＭＣ分别高达２ ０４４．７０、１ ２２３．１１ ｍｇ／ Ｌ，均为２０１９ 年所有监测降雨场次中的较大值，明显高于干期ＳＳ 的瞬时浓度平均值，而干期ＳＳ 瞬时浓度平均值与部分降雨事件ＳＳ 的ＥＭＣ 相比较高，说明干期污水中ＳＳ 是降雨时合流制排水管道中ＳＳ 的重要来源；雨期ＣＯＤ 的ＥＭＣ 与干期瞬时浓度平均值相比有一定程度的降低，說明降雨会对合流制排水管道中ＣＯＤ 污染物产生稀释作用；对比２ 个监测点的干期ＮＨ３ －Ｎ 瞬时浓度平均值与雨期ＥＭＣ 可以发现，降雨时合流制排水管道的ＥＭＣ 变化范围很大，监测点ＨＬ１ 的ＮＨ３ －Ｎ 干期瞬时浓度平均值为７２．８５ ｍｇ／ Ｌ，６ 月１６ 日（小雨）ＮＨ３－Ｎ 的ＥＭＣ 为７６．５０ ｍｇ／ Ｌ，７ 月５ 日、７ 月２２ 日（中雨）ＮＨ３ －Ｎ 的ＥＭＣ分别为３１．１４、７．３５ ｍｇ／ Ｌ；同样，监测点ＨＬ１ 的ＴＰ 干期瞬时浓度平均值为５．３６ ｍｇ／ Ｌ，６ 月１６ 日（小雨）ＴＰ 的ＥＭＣ 为９．８２ ｍｇ／ Ｌ，７ 月５ 日、７ 月２２ 日（中雨）ＴＰ 的ＥＭＣ 分别为０．８４、０．７９ ｍｇ／ Ｌ，在监测点ＨＬ２ 有相同规律，可知降雨量较大时会有显著的ＴＰ 稀释现象，而降雨量较小、雨前干期较长又会加重合流制排水管道污染负荷，从时间分布上来看，合流制排水管道中干期的氮磷污染程度接近２０１９ 年６ 月１６ 日降雨事件中氮磷污染程度，并且表现出明显的季节变化性。北京地处季风气候区，夏季炎热多雨，是氮磷污染物释放的阶段，极易诱发水体富营养化，对水生生物影响较大，因此需要引起高度重视。

对所测２０１９ 年北京合流制排水管道径流水质ＥＭＣ 与２００９ 年北京、２００７ 年上海、２０１０ 年昆明合流制排水管道径流水质ＥＭＣ 进行比较，见表４。相比北京２００９ 年监测的合流制排水管道径流水质，除ＳＳ 外，其他污染物浓度均有不同程度的降低，其中ＣＯＤ 的最大ＥＭＣ 降低了约６８％，可见近几年北京老城区合流制排水管网的污染得到了有效控制，而径流ＳＳ 的ＥＭＣ在１０ ａ 后有较大的上升，对城市水体仍然构成巨大威胁。相比上海、昆明的合流制排水管道径流水质，污染物ＳＳ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ 污染水平均较高，说明北京的合流制排水管网ＳＳ 与氮磷类污染偏严重，可能是因为上海、昆明这２ 个城市气候与北京不同，降雨更加频繁，两场降雨时间间隔较短，污染物累积少，并且降雨量大，对污染物稀释作用更加显著。因此，要根据地区降雨特征，针对性地进行合流制排水管道径流污染的控制管理。

３．２ 合流制排水管道水质指标与降雨特征值相关性分析

降雨特征值与各污染物浓度间Ｐｅａｒｓｏｎ 相关系数见表５。２ 个监测点污染物浓度与降雨强度大多成负相关，与雨前干期多成正相关。在学校附近的监测点ＨＬ１，污染物ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ 与降雨强度在０．０１ 级别显著负相关，Ｚｎ 与雨前干期长度在０．０１ 级别显著正相关。在宾馆附近的监测点ＨＬ２，污染物ＳＳ、ＴＮ、ＴＰ 与降雨强度在０．０５ 级别显著负相关，Ｐｂ、Ｚｎ 与雨前干期长度在０．０１ 级别显著正相关。因此，大部分污染物表现为降雨强度越大被稀释浓度越小；雨前干期越长，污染物累积越多，浓度越大。但合流制排水管道水质组成复杂，与降雨强度正相关原因可能是降雨强度的提高冲刷了管道沉积物，使得其浓度增大，而与雨前干期长度负相关或不存在相关性原因可能是排水管道污染物源自地表累积污染物的比例较小。张智等［１９］ 通过分析不同降雨等级与污染物浓度的相关性，发现小雨、中雨等级的降雨形成较明显稀释效应；中雨、大雨等级的降雨对管道形成较明显的冲刷作用，导致各污染物浓度升高，这与本研究得出的结果一致。Ｂｅｒｓｉｎｇｅｒ 等［２０］ 采用在线监测与条件回归树测试相结合的方法，得出雨前干期长度、平均降雨强度为合流制排水管网溢流污水中ＣＯＤ 浓度的主要影响因子的结论，与本研究结果一致。

３．３ 合流制排水管道水质变化特征

２０１９ 年７ 月２２ 日降雨场次中合流制排水管道监测点污染物浓度随降雨变化过程见图１。在此次降雨事件中， ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点的降雨量分别为１３． ５、１９．８ ｍｍ，降雨历时均为６ ｈ，降雨强度分别为２．２５、３．３０ ｍｍ／ ｈ。由图１ 可知，２ 個监测点的各污染物浓度整体呈下降趋势，有一定程度的波动，不同时刻有新的波峰出现。车伍等［２１］ 通过建立数学模型研究雨水干管污染物输送规律，发现雨水干管污染物浓度总体呈下降趋势，其受污染物初始浓度与降雨强度的影响。

由图１ 可知，污染物浓度变化幅度与降雨量分布有关，且污染物浓度变化过程中峰值的出现与降雨强度有一定的关系，污染物浓度峰值多在降雨强度峰值后出现，污染物地表累积情况、管道沉积物冲刷情况也会影响不同污染物浓度变化过程。对比２ 个监测点水质变化过程可以发现，ＨＬ１ 监测点前期多数污染物浓度迅速下降，后期浓度变化趋势较缓；而ＨＬ２ 监测点多数污染物浓度整体均匀下降，只在降雨后期某一时刻大幅下降。Ｐｂ 和Ｚｎ 浓度变化小，原因是Ｐｂ 和Ｚｎ污染物地表累积量小，在降雨初期便被冲刷进入合流制排水管网中；ＳＳ 浓度受降雨量影响较大，尤其在ＨＬ２ 监测点的２２ 时之后，其浓度大幅下降，原因是此时降雨量大幅增加，较多雨水径流能够大幅稀释管道中ＳＳ 污染物；ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ３ －Ｎ 浓度随降雨量变化波动较小，可能是合流制排水管道中沉积物被雨水冲刷进水体［２２］ ，对其浓度变化产生一定影响。Ｓｉｌｖａ等［１６］ 对城市合流制排水管网降雨径流污染特征进行研究，发现合流制排水管网下游干管的合流污水浓度受降雨过程、管道汇流过程、地表累积状况和管道沉积污染物再悬浮等综合影响，各污染物在不同区域不同降雨条件下呈现不同的污染特征。结合３．２ 节分析可知，合流制排水管道各污染物浓度变化与降雨强度、污染物地表累积情况、管道沉积物冲刷情况等都有关。

３．４ 合流制排水管道初期冲刷特征

在城市降雨径流过程中，多数情况下存在径流初期污染物的累积输送速率大于径流量累积输送速率的现象，即降雨初期径流携带着大量污染物，称为初期冲刷效应［２３］ 。径流过程中如果污染物初期冲刷现象比较明显，那么可以对初期雨水进行截留控制，进行处理后再排放，可以实现较高的污染控制率，因此研究污染物的初期冲刷规律对污染物的排放治理具有重要意义。降雨初期径流水质较差，初期径流中污染物的浓度明显高于中后期，但是各污染物浓度变化曲线并不能直观反映污染物初期冲刷效应是否存在，因此通过绘制合流制排水管道径流污染物Ｍ（Ｖ）曲线分析管道初期冲刷特征，见图２。

４ 月２４ 日降雨场次ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点降雨类型分别为大雨、中雨，２ 个监测点除ＳＳ 存在较为轻微的初期冲刷现象外，其余污染物的初期冲刷现象均不明显，原因是降雨场次的降雨强度虽大，但是降雨分布较均匀且分散，本场降雨的污染物冲刷现象不明显。６ 月１６ 日降雨场次ＨＬ１、ＨＬ２ 监测点降雨类型均为小雨，在ＨＬ１ 监测点ＳＳ、Ｚｎ 存在较为明显的初始冲刷效应，当累积径流量与径流总量之比为０．３ 时，ＳＳ、Ｚｎ 的累积污染负荷与污染负荷总量之比分别达到０．３０ 和０．４５，其余污染物的冲刷效应均不明显；ＨＬ２ 监测点只表现出轻微的冲刷效应。７ 月２２ 日降雨场次两个监测点降雨类型均为中雨，在ＨＬ１ 监测点ＮＨ３ －Ｎ、ＣＯＤ、ＴＰ 存在轻微的初始冲刷效应，在ＨＬ２ 监测点ＣＯＤ、ＴＰ初始冲刷效应较为突出，其余污染物均未表现出明显的冲刷效应。综合本研究所选的３ 场降雨事件，７ 月２２ 日初期冲刷现象最明显，６ 月１６ 日次之，４ 月２４ 日降雨场次初期冲刷现象最轻微，３ 场降雨事件降雨强度大小顺序为７ 月２２ 日＞４ 月２４ 日＞６ 月１６ 日，３ 场降雨事件雨前干期长短顺序为６ 月１６ 日＞７ 月２２ 日＝４ 月２４ 日。

结合３．３ 节水质变化过程分析可知，降雨强度、雨前干期长度以及降雨量分布综合影响污染物的初期冲刷效应。降雨强度越大且集中分布在前中期，雨前干期越长，污染物的初期冲刷现象越明显。

４ 结论

以北京城区２ 个典型合流制排水管道为研究对象，通过监测干期、雨期水质指标，研究其水质污染特征，得出如下结论。

１）２ 个合流制排水管道监测点主要污染物为ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ，监测浓度均超过参考标准限值，重金属Ｐｂ、Ｚｎ 污染程度较轻。降雨会显著影响合流制排水管道污染物浓度，降雨量较大时会有显著的稀释现象，而降雨量较小、雨前干期较长时会加重合流制排水管道污染负荷。

２）合流制排水管道水质变化与多种因素有关，包括降雨强度、污染物地表累积情况、管道沉积物冲刷情况等。各污染物浓度与降雨强度大多成负相关，与雨前干期长度多成正相关。

３）污染物初期冲刷情况复杂，不同监测点的冲刷规律不同，降雨强度、雨前干期污染物累积特征以及降雨量分布综合影响污染物的初期冲刷效应。所选３ 场降雨的初期冲刷现象显著程度排序为７ 月２２ 日＞６ 月１６ 日＞４ 月２４ 日，７ 月２２ 日降雨强度最大，６ 月１６ 日雨前干期最长，故降雨强度越大且集中分布在前中期，雨前干期越长，污染物的初期冲刷现象越明显。

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【责任编辑 栗 铭】