雨水徑流污染負荷評價方法及水源污染治理對策

袁茂新 陳俊 陳波

（1.常州市城鄉建設局，江蘇常州 213022；2.常州市排水管理處，江蘇常州 213017）

隨著城市建設的擴大，城市人口的增多，城市水文環境相比自然環境發生了根本改變。

城市水文環境的變化首先是徑流量的增加，以及隨之的徑流時間的縮短。城市水文環境除了水量的變化，水質的下降也不容忽視。

城市雨水徑流中主要存在的污染物質如表1所示。

表1 城市雨水徑流主要污染物

1 雨水徑流取樣實驗

1.1 取樣點及取樣對象

雨水徑流取樣地點位于南方某鎮市政道路。此處為商業區，取樣對象為屋頂雨水和路面雨水，同時為比較雨水水質與徑流水質的差別，直接收集雨水作為對照。

對每場降雨，第一個徑流取樣在降雨開始后半個小時內，隨后每隔30min接取下一個徑流水樣。屋頂雨水和路面雨水在同一時間段內先后取樣，相隔時間不超過5min。

1.2 分析儀器及實驗方法

取得的雨水本底及徑流在取樣現場測量其DO等常規參數，經處理保存的水樣在3d內相繼進行SS、COD、TOC、TN、TP等參數測量。各參數測量儀器或方法歸納于表2。

表2 雨水本底及徑流參數測量儀器或方法

1.3 雨水徑流實驗結果

雨水徑流取樣分析期間取得的20余次雨水徑流污染物數據，選取降雨歷時較長且結果具有代表性的一場降雨的雨水徑流實驗結果進行數據分析及結果討論。

圖1～6示出了代表性降雨的屋頂徑流和路面徑流各污染物參數隨時間變化的柱狀圖，圖中橫線為雨水的本底測量結果，橫坐標原點為降雨初始時刻。

分析圖1～6的雨水徑流數據結果，并與雨水本底進行比較，可以看出：

1)對DO數據，屋頂和路面雨水徑流均較雨水本底低。屋頂雨水徑流DO值隨時間變化不大；路面雨水徑流在初雨時水質處于缺氧狀態，DO值隨降雨歷時逐漸上升到接近屋頂徑流。這說明初雨時路面雨水徑流所沖刷的大量耗氧化合物顯著降低了水質的DO值。

2)對SS數據，屋頂徑流與雨水本底數值相差不大；路面徑流SS含量遠遠超過屋頂徑流和雨水本底，初雨時超過1.0g/L。在降雨后期由于降雨量減小，或雨水浸泡沖刷，路面徑流SS有所波動。

圖1 降雨徑流DO值隨時間變化

圖2 降雨徑流SS值隨時間變化

圖3 降雨徑流COD值隨時間變化

圖4 降雨徑流TOC值隨時間變化

圖5 降雨徑流TN值隨時間變化

圖6 降雨徑流TP值隨時間變化

3)對COD數據，屋頂徑流雖然相對本底也有一定程度的增大，但污染程度遠不能與路面徑流相比。路面徑流在初雨時的COD數值在800mg/L以上，使初雨時路面雨水是缺氧狀態。

4)對TOC數據，屋頂徑流和路面徑流均較雨水本底的值高。路面徑流TOC值在降雨初期與屋頂徑流相差不大，在降雨后期兩者均增高，且路面徑流TOC顯著增大。

5)對TN數據，屋頂徑流>雨水本底>路面徑流，并且屋頂徑流的TN濃度在降雨后期升高明顯。這一現象說明取樣點處屋頂所放置的雜物或采用的涂料使屋頂成為TN的來源，降雨后期屋頂徑流TN的升高是因為徑流量的減少導致雨水對TN的稀釋作用減弱，同時沖刷溶解引起污染物的增多。路面徑流TN相對雨水本底偏低或接近，可知氮類化合物在路面富集程度微弱，路面徑流中的TN主要來自雨水本底。

6)對TP數據，屋頂徑流與雨水本底基本一致，可見屋頂徑流對雨水徑流中TP的濃度貢獻不大。路面徑流的TP濃度較屋頂徑流和雨水本底更高，這說明了路面沉積顆粒物對含磷化合物的吸附和結合導致了路面徑流成為雨水徑流中TP的主要來源。

由結果可見，COD與TOC的變化規律存在偏差，其原因是：

1)由于COD測量的污染物除有機物外，還包括其他還原類物質，因此在降雨初期，亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等物質附著在SS上被徑流沖刷攜帶或溶解在徑流中，造成初雨時COD的顯著偏高；初雨后屋頂及路面還原類物質所剩不多，濃度迅速下降。

2)取樣點周圍密集分布飯館、餐廳等有機物污染源，在其周邊的油類物質沉積會在降雨歷時內持續地釋放有機物。由于亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等還原類物質的流失，COD迅速下降，但油類物質的持續釋放使TOC數據在降雨后期反而升高。

3)比較屋頂徑流和路面徑流可以發現，前者的COD和TOC數值變化基本一致，屋頂污染物可能基本以有機物質為主；后者的COD在初雨后迅速下降，TOC在降雨后期升高，因此路面的初雨徑流攜帶了還原類無機物和有機物等更多樣的水體污染物，降雨后期路面徑流的污染物則以有機物為主。

2 雨水徑流污染物沖刷規律

2.1 雨水徑流污染物濃度方程

研究降雨徑流對污染物的沖刷、輸送和聚集，應用最廣泛的模型是SWMM模型和STORM模型所采用的“一階負荷模型”。在此基礎上，根據對城區的天然雨水和屋頂、路面徑流的降雨徑流污染物濃度隨時間變化的實測曲線統計分析，可歸納出城市徑流污染物濃度變化的一般表達式：

式中：

Ct－降雨過程開始t時間后徑流中的污染物濃度，mg/L

C0－降雨過程開始時徑流的污染物濃度，mg/L

K－綜合沖刷系數，表征降雨強度、匯水面性質和污染物性狀等綜合影響因素，h-1

雨水徑流中污染物實測參數均以濃度為單位，故后續分析計算采用如上所示濃度關系式。

根據城市徑流污染物濃度變化式，對圖1～6中雨水徑流污染物數據進行指數擬合，得到部分污染物濃度隨時間變化的指數曲線和R2值，如表3所示。

表3 雨水徑流污染物濃度隨時間變化指數方程

2.2 雨水徑流污染物負荷方程

由表3中使用城市徑流污染物濃度變化式所擬合的方程可見，各污染物濃度隨降雨歷時變化趨勢不一，部分參數的濃度反而隨時間增大。

雨水徑流的污染程度同時受水質和水量的影響，以污染物濃度衡量污染程度是不確切的。采用污染負荷對雨水徑流面源污染進行評價是度量污染物質在水體中污染程度的合理方法。

對雨水徑流污染負荷，常用的方法是建立徑流負荷概率模型來進行估算。但此方法需要某地長期降雨數據且計算過程復雜。為簡單迅速估算一場降雨的污染負荷，可以降雨量與污染物濃度相乘，得到在降雨過程中以單位面積上污染物量表示的污染負荷。

該場降雨量隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7 降雨量隨時間變化曲線

將降雨量隨時間變化曲線進行指數擬合，得到降雨量隨時變化指數方程：

式中：

P－降雨量，mm

t－降雨開始后的時間，h

將降雨量指數方程與表2中的污染物濃度方程相乘，便得到降雨過程中屋頂和路面徑流的污染負荷計算公式：

式中：

Q－屋頂或路面沉積物污染負荷，g/m2

P－降雨量，mm

Ct－污染物濃度，mg/L

由此得到污染物負荷在雨水徑流沖刷下隨時間變化的指數方程，如表4所示。

表4 雨水徑流污染負荷隨時間變化指數方程

由表4結果可見，雨水徑流中的污染物負荷都隨降雨歷時明顯遞減。相比屋頂雨水徑流，路面雨水徑流的污染程度更為嚴重。比較初始徑流污染負荷的數值（即公式中指數項前面的系數）可知路面徑流的TN值低于屋頂徑流，其他污染物數值均高于屋頂徑流，污染負荷占全部徑流負荷的80%以上（TOC除外）。

由雨水徑流污染負荷方程，可以粗略估算雨水徑流中污染物的初始負荷及其隨降雨歷時的遞減變化過程。此外，還可利用估算得到的污染負荷計算雨水徑流對自然水體面源污染的影響。

例如，為估算本次代表性降雨對水體的面源污染影響，可按降雨時間2小時對污染負荷曲線進行積分，得降雨期間的污染物負荷總量：

式中：

S－一場降雨期間單位面積（屋頂或路面）徑流所產生的污染物量，g/m2

Q－屋頂或路面沉積物污染負荷，g/m2

t1－降雨初始時間

t2－降雨結束時間

α－表征雨水徑流初始負荷的系數

β－表征雨水徑流污染負荷隨時間變化的系數

以路面徑流污染為例，對表4中的路面污染負荷方程積分，按降雨歷時2小時，可得此場降雨所產生的路面徑流污染負荷總量。將此值與取樣點所在的取樣點硬化路面面積15840m2相乘，得到取樣區域在此場降雨中所產生的路面雨水污染物總量（表5）。

表5 路面雨水徑流污染負荷隨時間變化指數方程

3 雨水徑流污染問題的可行性對策

南方某鎮遍布工業企業，機動車密度大，工商業活動頻繁，造成雨水徑流水質惡劣。雨水徑流成為面源污染重要來源。以位于取樣點附近的水庫為例，降雨時水庫各項污染指標全面上升，總體水質從II～III類惡化至IV類和V類。

針對其降雨和雨水徑流污染現狀并參考國內外雨水收集處理工程對策：

1)城區路面凈化美化

通過合理的綠化美化和科學的垃圾收運，不但增大了綠化范圍和透水面積，也減少了路面顆粒物的沉積量，從源頭控制了雨水徑流的水量和水質。

2)地表徑流的減量

通過改變城區硬化地面的性質，來增大雨水下滲量，同時充分利用土壤、植被的儲存和凈化功能來減少徑流量，維護區域水循環平衡。

3)初雨徑流的棄除和雨水徑流的收集

雨水徑流的收集應主要包括棄除了初雨徑流的屋頂雨水和路面雨水。

利用天溝、雨水斗、雨落管等設施收集屋頂雨水徑流；利用雨水管、雨水明/暗渠等設施收集路面雨水[13]。將污染程度最為嚴重的初雨徑流通過棄流池/井棄除后，收集的雨水徑流可儲存在雨水集蓄池中以進行后續處理或利用。

4)更廣泛地采用生態處理設施

我國南方氣候濕熱，因此植物生長周期較長，可以較多地考慮生態型的處理設施。

4 結論

1)雨水徑流的取樣結果表明，雨水徑流實際情況為路面徑流遠比屋頂徑流污染程度嚴重。特別是路面的初雨徑流，對水體的污染負荷多占全部徑流負荷的80%以上，對自然水體健康和污水處理負荷造成明顯的沖擊作用。初雨徑流中污染物以SS和COD最為明顯，初雨濃度均超過污水綜合排放三級標準[15]。兩者是造成水體感官指標下降和缺氧變質的主要因素，在面源污染防治中應重點考慮。

2)污染物濃度受雨水和污染源等多方面影響而隨降雨歷時增加或減小，不能反映雨水徑流污染實際危害情況，而以污染負荷評價徑流污染程度和面源污染危害可以得到更契合實際的結果，且方法簡單易操作，對單場降雨可以給出滿意結果。

3)根據我國南方的實際情況，選擇雨洪蓄集-生態處理的雨水徑流收集工藝和處理設施，并結合其他源頭控制、輸移控制、末端處理的管理措施和工程設備，是緩解和治理雨水徑流造成的面源污染問題的切實可行方案。

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