張惠鋒

（住房和城鄉建設部標準定額研究所，北京市100835）

不同下墊面雨水徑流的產匯流規律研究

張惠鋒

（住房和城鄉建設部標準定額研究所，北京市100835）

選取屋面、主干道和高架道路等不同下墊面，通過現場采樣測試和數理統計分析的方法，研究其各自的雨水徑流產匯流規律。結果表明：屋面雨水徑流的初始沖刷效應不明顯，且污染物濃度較小，建議對于此類屋面不采用初期雨水棄流措施；而城市主干道路和高架道路雨水徑流存在較為顯著的初始沖刷效應，建議因地制宜地采取措施對初期雨水進行收集處理。

下墊面；產匯流；屋面；主干道；高架道路

0　引　言

在國外，發達國家較早注重于雨水的源頭控制和收集利用，基于此新近發展出諸多創新雨水管理理念，如美國的最佳管理措施（BMP）和低影響開發（LID），英國的可持續城市排水系統（SUDS），澳大利亞的水敏感城市設計（WSUD），新西蘭的低影響城市設計和發展體系（LIUDD）等[1～4]。

在國內，雨水徑流污染已經成為影響我國城市水環境質量，制約城市生態環境的主要因素之一。目前，我國正積極推進生態文明和海綿城市建設，采用源頭削減、中途控制、末端處理等全過程雨水控制利用措施，實現城市良性水文循環，維持或恢復城市海綿功能。典型的單項技術包括透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、植草溝、雨水濕地和生物滯留設施等[5,6]。

在雨水徑流過程研究中，下墊面的特征解析是雨水控制利用技術應用的基礎。然而，我國尚缺少精確可靠的下墊面解析技術和大量詳實的數據積累。為此，選取屋面、主干道和高架道路等不同下墊面，通過現場采樣測試和數理統計分析的方法，研究其各自的雨水徑流產匯流規律，為工程方案比選和設計提供技術支撐。

1　材料與方法

1.1樣品采集與測試方法

選取某小區的一個屋面進行雨水徑流樣品采集，屋面為水泥材質，采樣口位于雨水管出口，相應的屋面匯水面積約200 m2。選取某主干道路進行樣品采集，路面材質為瀝青，采樣口為道路雨水口，相應的路面匯水面積約120 m2。選取某高架匝道為典型路段進行樣品采集，路面材質為瀝青，采樣口為道路雨水口，相應的路面匯水面積約180 m2。

從產生地表徑流開始，30 min內，每間隔5 min采集一次樣品；30 min后，每間隔20～30 min采集一次樣品，直至降雨和徑流結束（或顯著減小且地表徑流的濁度顯著降低）。所有水樣采集后均立刻放入便攜式采樣箱冷藏保存（0～4℃），樣品運回實驗室保存和分析測試。

該項研究測定的主要水質指標包括SS、CODCr、NH+4-N和TP等。SS測試采用重量法（GB 11901-89），CODCr測試采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007），NH+4-N測試采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009），TP測試采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）[7]。

1.2降雨事件的過程參數

為了配合雨水徑流的產匯流特征分析，在采樣點周邊設置自動雨量計（RG3-M型）同步監測雨量，7場降雨事件的過程參數見表1所列。

2　結果與討論

2.1屋面雨水的產匯流特征

屋面雨水徑流SS、CODCr、NH+4-N和TP等污染物特征統計情況見表2～表5所列。

從表2～表5可見，屋面雨水的產匯流呈現如下特征：

（1）屋面雨水徑流污染物濃度隨時間變化較小。

表1　降雨事件的過程參數表

表2　屋面雨水徑流SS特性統計表　mg/L

表3　屋面雨水徑流CODCr特性統計表　mg/L

表4　屋面雨水徑流NH+4-N特性統計表　mg/L

表5　屋面雨水徑流TP特性統計表　mg/L

在2010年4次降雨事件中，屋面雨水徑流污染物濃度隨時間變化較小，并未出現污染物濃度隨時間的明顯波動現象。其中，SS均在100.0 mg/L以內變化，CODCr均在80.0 mg/L以內變化，NH+4-N均在2.5 mg/L以內變化，TP均在0.4 mg/L以內變化。

（2）屋面雨水徑流污染物的相關性較弱。

利用SPSS統計軟件對屋面雨水徑流污染物進行了相關性分析，結果表明，在2010年4次降雨事件中，屋面雨水徑流的各污染物指標之間均不構成顯著相關性（置信度為95%～99%）。

（3）屋面雨水徑流污染物初始沖刷效應不顯著。

標準方差、變異系數（相對方差）和極差系數等指標可以反映樣本的離散程度，用于分析雨水徑流污染物的濃度變化，可以表征雨水徑流污染特性。統計指標值越大，雨水徑流污染的初始沖刷效應越顯著。由統計結果可見，在2010年4次降雨事件中，屋面雨水徑流的污染物初始沖刷效應不顯著，各項污染物指標的變異系數基本小于20.0，級差系數均小于1.0。因此，對屋面雨水徑流采用初期雨水棄流措施可能難以產生明顯的效果。

2.2主干道路雨水的產匯流特征

城市主干道路雨水徑流SS、CODCr、NH+4-N和TP等污染物特征統計情況見表6～表9所列。

表6　主干道路雨水徑流SS特性統計表　mg/L

表7　主干道路雨水徑流CODCr特性統計表　mg/L

表8　主干道路雨水徑流NH+4-N特性統計表　mg/L

表9　主干道路雨水徑流TP特性統計表　mg/L

從表6～表9可見，主干道路雨水的產匯流呈現如下特征：

（1）主干道路雨水徑流污染物濃度隨時間變化較大。

在2010年4次降雨事件中，城市主干道路雨水徑流污染物濃度隨時間變化較大，出現污染物濃度隨時間的增加而顯著變小的趨勢。其中，SS最小值為57.5 mg/L，最大值為1133.0 mg/L；在降雨的前30 min內，SS濃度均超過30 mg/L。CODCr最小值為22.2 mg/L，最大值為383.0 mg/L；在降雨的前30 min內，CODCr濃度均遠超100.0 mg/L。NH+4-N最小值為0.2 mg/L，最大值為2.6 mg/L；在降雨的前30 min內，NH+4-N濃度均超過0.3 mg/L。TP最小值為0.1 mg/L，最大值為1.6 mg/L；在降雨的前30 min之內（除2010年4月21日降雨事件之外的部分樣品），TP濃度基本小于3.0 mg/L。

（2）主干道路雨水徑流污染物的相關性較弱。

SPSS統計軟件分析結果表明，在2010年4次降雨事件中，主干道路雨水徑流的各污染物指標之間均不構成顯著相關性（置信度為95%～99%）。

（3）主干道路雨水徑流污染物初始沖刷效應顯著。

在2009年4次降雨事件中，主干道路雨水徑流污染物初始沖刷效應較為顯著。在降雨的前5 min內，主干道路雨水徑流的最大SS和CODCr濃度分別達到860.0 mg/L和360.0 mg/L。同時，主干道路雨水徑流的SS和CODCr標準方差最大值分別達到297.5和111.5，變異系數最大值分別達到76.9和58.0，較屋面雨水徑流均顯著增大。因此，對主干道路雨水徑流采用初期雨水收集處理措施可能具有較好的控制效果。

2.3高架道路雨水的產匯流特征

高架道路雨水徑流SS和CODCr特征統計情況見表10和表11所列。

從表10和表11可見，高架道路雨水的產匯流呈現如下特征：

表10　高架道路雨水徑流CODCr特性統計表　mg/L

表11　高架道路雨水徑流SS特性統計表　mg/L

（1）高架道路雨水徑流污染物濃度隨時間變化較大。

在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水徑流污染物濃度呈現隨時間的增加而顯著變小的趨勢。在相同的降雨歷時內（40 min），3場降雨的CODCr標準方差分別為171.0、100.0和124.0，變異系數分別為2.0、1.5和1.1，級差系數分別為1.2、0.9和0.6。從大到小依次排序發現，3月21日降雨事件的CODCr標準方差、變異系數和級差系數均為最大，表明該降雨事件的CODCr離散程度最大。結合8月7日降雨事件的過程參數發現，3月21日降雨事件的最大降雨強度明顯大于其他2場降雨事件，推測高架道路雨水徑流的CODCr沖擊負荷受（最大）降雨強度的影響較大。3場降雨的SS標準方差分別為264.0、226.0和206.0，變異系數分別為1.5、3.0和1.5，級差系數分別為0.9、1.6和0.9。從大到小依次排序發現，6月4日降雨事件的SS變異系數和級差系數均為最大，表明該降雨事件的SS離散程度最大。結合3場降雨事件的過程參數發現，6月4日降雨事件的前期晴天數和最大降雨強度明顯大于其他2場降雨事件，推測高架道路雨水徑流的SS沖擊負荷受前期晴天數的影響較大。

（2）高架道路雨水徑流污染物指標的相關性較強。

SPSS統計軟件分析結果表明，在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水徑流的主要污染物CODCr與SS均呈顯著正相關（置信度為95%～99%）。據此推測，高架道路雨水徑流的大部分污染物是由顆粒物質所攜帶的。因此，通過加強對高架道路的清掃，減小顆粒物質的累積，并對雨水徑流進行截流、調蓄、沉淀或旋流分離處理可以有效地控制污染物總量。

（3）高架道路雨水徑流污染物初始沖刷效應顯著。

在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水徑流呈現產匯流時間短和初始污染物濃度高的特點。在降雨的前5 min內，高架道路雨水徑流的SS濃度分別達到1 246.0 mg/L、635.0 mg/L和 892.0 mg/L，CODCr濃度分別達到 626.0 mg/L、426.0 mg/L和635.0 mg/L。因此，高架道路雨水徑流存在顯著的污染物初始沖刷效應，且SS的初始沖刷程度大于CODCr。

3　結　論

（1）在該項研究中，屋面雨水徑流的初始沖刷效應不明顯，且污染物濃度較小，初期棄流對降低污染物平均濃度的效果有限，故而建議對于此類屋面不采用初期雨水棄流措施。

（2）在該項研究中，城市主干道路和高架道路雨水徑流存在較為顯著的初始沖刷效應，對于城市水環境有一定的潛在影響，建議因地制宜采取措施對初期雨水進行收集處理。

[1]西方國家可持續雨水系統設計的技術進展及啟示 [J].中國園林,2010,（8）:44～48.

[2]劉燕,車伍,李俊奇.城市降雨徑流污染控制與管理模式[J].環境保護科學,2006,32(6),10-12.

[3]李晶.城市雨水徑流污染控制理論與技術研究[D].天津：天津大學,2011.

[4]趙劍強.城市地表徑流污染與控制[M].北京：中國環境科學出版社,2002.

[5]王曉曉,徐世法,索智,等.基于低影響開發的道路雨水控制與利用技術研究[J].北京建筑大學學報,2014,30(4):33-37.

[6]涂振順.城市綠地降雨徑流污染特征及監測數據的不確定性研究[D].廈門：廈門大學,2009.

[7]國家環保總局.水和廢水檢測分析方法(第四版)[M].北京:中國環境科學出版社,2002.

X703.1

A

1009-7716（2016）04-0169-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.052

2016-01-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07304-002）；上海市科學技術委員會資助項目（15DZ1203600）

張惠鋒（1981-），女，黑龍江鐵力人，碩士，工程師，從事城鎮標準研究與管理工作。