典型城市降雨徑流污染特征調查分析

古 玉，王 渲，方 正

(1.太原學院環境科學與工程系，太原 030032；2.武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

0 引 言

隨著城市化建設的不斷加快，本來透水的土層被混凝土、瀝青、房屋覆蓋[1]。導致城市降雨徑流污染已成為水體污染的主要來源之一[2]。不同下墊面污染物種類及含量不同，如草坪徑流中磷和總氮的濃度最高，而街道徑流中總懸浮固體和許多金屬物濃度較高[3]，住宅屋頂徑流污染物濃度通常較低，但商業屋頂的金屬含量較高[4]，因此研究不同下墊面污染物顯得尤為重要。在對城市雨水徑流特性的研究中，初期沖刷效應是非常關鍵的特征參數。初期沖刷效應是基于累積質量曲線與累積徑流量曲線之間的關系，這與天氣和場地條件，如降雨強度、流量、流域面積和下墊面坡度等有很大關系[5]。在降雨事件中，降雨徑流的特征是不同的，初期沖刷效應也明顯不同，這是城市地區雨水管理的主要關注點[6]。王以堯在2018年研究發現成都市非滲透下墊面COD，TN超過了地表V類水質標準，TP超過了地表Ⅲ類水質標準，并且研究了其存在形式及存在初期沖刷現象[7]；郝學凱在2016年對屋面、道路和綠地徑流污染對水體的污染貢獻程度進行了研究，表明徑流污染必須從源頭、中途和終端全方面考慮[8]。因此研究不同城市不同降雨場次以及不同下墊面污染物特征對解決城市污染有重大意義。

本文在武漢市典型的城區(漢陽區)進行了2次降雨觀測，通過取樣分析初期沖刷后排水管道內水樣水質指標。為武漢市雨天污染防治及海綿城市建設提供基礎數據支撐。

1 調查測量方法

1.1 選取的城市區域

漢陽區地處武漢市西南部，常住人口65.27萬人，截至2017年末，全區下轄晴川街道、建橋街道、四新街道等11個街道，總面積111.54 km2[9]，其中，綠地占全區土地總面積的4.23%；城鎮村及工礦用地占65.92%；交通運輸用地占2.75%；水域及水利設施用地占26.92%；其他土地0.17%。屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高溫、降水集中，冬季稍涼濕潤等特點[10]。全區有94個雨水排口，70個合流排口。

1.2 污水排放類型

武漢市排水管網老舊存在設計缺陷以及某些地區存在合流，導致大量未經處理的生活污水及工業廢水直接排入城市水體，水污染較嚴重。水污染主要項目為總磷、總氮、氨氮、五日生化需氧量等。

1.3 采樣點選取及樣品收集

為保證選取的采樣點具有普遍性，對不同下墊面：主干道、支路、屋面、綠地、廣場分別進行采樣，共計5個采樣點，分別為四新大道、梅林西路、中醫院廣場、居民樓B、四新公園綠地，分別標記為GD、ZL、GC、WM、LD，具體情況見表1。

表1 采樣點匯總Tab.1 Summary of sample point

四新大道、梅林西路采樣點設置于道路一側雨水口處；屋面徑流采樣點設置于居民樓B屋頂落水管排水口；綠地徑流采樣點設置于溝渠低洼處。廣場采樣點設置于地面雨水磚排水口。

本研究取樣自產流起30 min內，每隔5 min采集一次水樣；產流30 min以后，每隔15 min采集一次水樣，直至降雨結束。采樣時使用預先清洗過的聚乙烯瓶收集采樣點處徑流水樣。

1.4 降雨事件特征

由武漢市水務信息平臺設置于四新港的雨量監測站記錄獲得2017年9月10日及9月19日兩場次降雨頻次為10 min/次的過程雨量數據見表2。9月10日降雨具有平均雨強強，峰值雨強強，雨前干期長的特點，9月19日降雨具有平均雨強弱，峰值雨強弱，降雨歷時長，雨前干期短的特點，兩場降雨分別具有代表性。

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

1.5 樣品分析方法

收集的徑流樣品于24 h 內對水質指標進行測定分析。測定方法見《水和廢水監測分析方法》(第4版)[11]。本次實驗檢測水質指標包括SS、CODCr、NH3-N、TN、TP。SS采用重量法(GB11901-89)測定，CODCr采用重鉻酸鹽法(GB 11914-89)測定、NH3-N采用納氏試劑光度法(GB7479-87)測定、TN采用紫外分光光度法(GB11894-89)測定、TP采用鉬銻抗分光光度法(GB11893-89)測定。

1.6 數據處理與統計分析

1.6.1 場次降雨徑流污染物濃度(EMC)

EMC是指一場降雨事件中徑流全過程所排放的污染物平均濃度。EMC可由式(1)計算[12]：

(1)

式中：M(T)為場次降雨累積污染物總量，mg；V(T)為場次降雨累積徑流總量，L；Ct為瞬時徑流污染濃度，mg/L；Qt為瞬時徑流量，L/min；T為降雨徑流事件總時間，min。

1.6.2 初期沖刷效應

初期沖刷效應是指在初期降雨徑流過程中污染物濃度明顯高于后期徑流沖刷的污染物濃度。采用無量綱M(V)曲線圖來評價[13]，公式如下[14]。

(2)

(3)

式中：M(t)為t時刻累積污染物總量，mg；V(t)為t時刻累積徑流量，L；M(T)為場次降雨累積污染物總量，mg；V(T)為場次降雨累積徑流總量，L；Ct為瞬時徑流污染濃度，mg/L；Qt為瞬時徑流量，L/min；Δt為連續測定時間間隔，min；T為降雨徑流事件總時間，min。

根據Gupta K提出的標準[15]判定是否存在初期沖刷效應，即按照公式(2)和(3)計算結果繪制M(V)曲線，當M≥0.5，V≤0.5時即可判定存在初期效應。

引入初期沖刷指數，其中FF30為場次降雨累積徑流量比例為30%時所對應的累積污染負荷比例，即M(V)曲線上M=0.3所對應的V的值。FF40為M=0.4時對應的V的值。用FF30和FF40量化初期沖刷效應。

1.6.3 統計分析

利用IBM SPSS Statistics 24對降雨徑流污染物濃度數據進行統計分析和EXCEL軟件進行畫圖。

(1)場次降雨徑流污染平均濃度(EMC)。場次降雨徑流污染平均濃度(EMC)計算方法見式(1)，對照相關水質標準評價徑流污染強度，并分析其影響因素成因等。

(2)初期沖刷效應分析。即對5種水質指標分別作M(V)曲線，由公式(2)(3)計算后繪制曲線，由曲線形狀判斷是否存在初期沖刷效應。

此外，對每條M(V)曲線計算初期沖刷指數FF30及FF40值，量化初期沖刷效應是否存在，并分析其影響因素，從而進一步為研究區域控制降雨徑流污染及初雨截留設施設計提出建議。

2 結果與討論

2.1 徑流水質特征

根據2017/9/10和2017/9/19(表述為09/10及09/19降雨)兩場降雨監測得到不同下墊面的SS，CODCr，NH3-N，TN，TP的EMC值，并將水質檢測結果與《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)及《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)對比，結果見表3。

表3 不同下墊面徑流水質EMC值統計表 mg/L

從表3中可看出，COD、TN超過地表水環境質量Ⅲ類水體標準，SS超過城鎮污水處理廠污染物排放一級A標準。除屋面在09/19場次降雨SS達標外，其他下墊面在不同降雨場次SS均超過排放標準，如果直接排入水體將增加水體懸浮物含量；COD，TN在09/10降雨中均超標，若未經處理大量排入自然水體，會加重水體的有機物及營養鹽污染程度。其中綠地污染最為嚴重，09/19降雨SS達到63.15 mg/L，09/10降雨COD達到79.91 mg/L，TN達到2.584 mg/L。不同降雨對相同下墊面污染物濃度影響較大。

09/10降雨EMC除SS外明顯高于09/19降雨，09/10降雨平均雨強及峰值雨強均高于09/19降雨，對地表累積污染物的沖刷能力較強，因此徑流污染濃度較高；09/10降雨雨前干旱期長，為88h，地表累積污染物嚴重累積，因此該場降雨徑流污染濃度高。說明徑流污染受降雨場次及降雨特性影響顯著。

2.2 初期沖刷效應分析

2.2.1 無量綱累積M(V)曲線

圖1～5為不同下墊面在09/10及09/19兩場降雨中的M(V)曲線，初期沖刷效應強曲線向上凸起程度大。其中主干道、支路的SS和TP曲線向上凸起程度大，說明初期沖刷效應較顯著，COD、TN及氨氮不顯著。推斷SS及TP主要來源于顆粒物質，易受降雨沖刷作用；廣場5種水質指標初期沖刷效應均較顯著，廣場為人造大理石鋪裝，因此易受降雨沖刷影響；屋面除COD及SS外初期沖刷效應均不顯著；綠地各種污染物指標初期沖刷效應均不顯著，這是由于綠地表面粗糙，受降雨沖刷影響較弱。按降雨場次，09/10降雨徑流污染初期沖刷效應顯著。09/19初期雨強小，降雨峰值雨強居中，對地表累積污染物沖刷作用小，基本不存在初期沖刷效應，其中廣場氨氮、COD存在一定程度的初期沖刷效應，而SS、TP、TN不存在初期沖刷效應；綠地氨氮及TN存在初期沖刷效應，COD、SS及TP不存在初期沖刷效應。支路和廣場SS累積污染負荷增長速度呈現出隨累積徑流量增大而加快的趨勢。

圖1 采樣點GD初期沖刷效應分析Fig.1 Analysis of initial scour effect at sample point GD

圖2 采樣點ZL初期沖刷效應分析Fig.2 Analysis of initial scour effect at sample point ZL

圖3 采樣點GC初期沖刷效應分析Fig.3 Analysis of initial scour effect at sample point GC

圖4 采樣點WM初期沖刷效應分析Fig.4 Analysis of initial scour effect at sample point WM

圖5 采樣點LD初期沖刷效應分析Fig.5 Analysis of initial scour effect at sample point LD

2.2.2 初期沖刷指數

09/10及09/19兩場降雨下不同采樣點各水質指標的FF30及FF40值，見圖6～圖7。

圖6 不同采樣點09/10降雨初期沖刷指數Fig.6 Initial rainfall scour index for 09/10 at different sampling points

圖7 不同采樣點09/19降雨初期沖刷指數Fig.7 Initial rainfall scour index for 09/19 at different sampling points

按照Gupta K提出的50/50標準，若FF30>0.3及FF40>0.4，則存在初期沖刷效應。由圖6可知09/10降雨僅有5%的數據FF30<0.3及FF40<0.4，因此，09/10降雨存在初期沖刷效應。09/19降雨有70%的數據不滿足50/50條件，因此，09/19降雨不存在初期沖刷效應，見圖7。

對FF30數據在不同降雨場次不同水質指標和不同降雨場次不同下墊面條件分別作圖(圖8與圖9)。

圖8 不同降雨下各水質指標FF30分布Fig.8 FF30 of different water quality indicators under different rainfall

由圖8可知，不同降雨場次，污染物差別最大的為SS，差別最小的為TP，表明SS受降雨場次影響最顯著，TP受降雨場次影響不顯著，COD及TN受降雨場次影響顯著。NH3-N，TP初期沖刷效應波動范圍最廣，表明受下墊面影響嚴重。在09/19降雨事件中TP存在初期沖刷現象，其余4類水質指標均不存在初期沖刷現象。

圖9 不同降雨下各下墊面FF30分布Fig.9 FF30 of different lower surface under different rainfall

由圖9可知，綠地在兩次降雨中FF30分布值相近，均存在初期沖刷效應受降雨場次特征影響不顯著。除綠地外，其余四類下墊面在兩次降雨條件下FF30水平相差較大，在09/10降雨事件中存在初期沖刷現象，在09/19降雨事件中均不存在初期沖刷現象，徑流初期沖刷效應受降雨特征影響顯著。

綜上所述，初期沖刷效應受降雨特征影響較大，雨前干期長、降雨強度大、雨峰靠前的降雨事件其初期沖刷效應顯著。對于初期沖刷效應明顯的降雨通過初雨截留等措施可改善降雨徑流污染。

3 結 論

(1)降雨特征對降雨徑流污染影響顯著：對于特定采樣點降雨強度越大、雨前干期越長，則EMC相對越高。

(2)降雨強度大、雨峰靠前、雨前干期長其初期沖刷效應顯著，且雨峰靠前的降雨事件其FF30值越大。

(3)對于降雨強度較大、雨峰靠前的降雨，通過初雨截留等措施可改善降雨徑流污染。

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