弱透水性下墊面降雨徑流污染物輸移特性

安亞強, 孫三祥, 王國鋒

(1.蘭州交通大學 環境與市政工程學院, 蘭州 730070; 2.蘭州交通大學 寒旱地區水資源綜合利用教育部工程研究中心, 蘭州 730070；3.蘭州交通大學 甘肅省黃河水環境重點實驗室, 蘭州 730070)

目前，城市雨水資源利用及徑流污染問題日益得到重視，同時城市弱透水性下墊面占城市土地使用總面積的比重越來越大，屋面和各種弱透水路面是城市最常見的下墊面類型，不考慮降雨水質情況下，屋面沉積物、屋面防水材料析出物及瀝青路面沉積物、行人和車輛的交通垃圾等是徑流面源污染產生的主要根源，其中含有大量的有機污染物、重金屬、氮、磷等營養物質。對城市弱透水性下墊面降雨徑流污染物輸移問題的研究十分必要[1]。

Brezonik等[2]對美國城市降雨徑流中10種常見污染物濃度負荷進行數據分析并建立了多元線性回歸模型，結果表明降雨量、降雨強度以及排水面積是模型的重要變量；Dexiu Hu等[3]采用Mann-Kendall和對數平均Divisia指數(LMDI)方法確定了污染趨勢和水質變化的驅動因素。結合這兩項研究我們發現，降雨徑流污染物的輸移與降雨強度有著密切的關系，研究都采用污染物沖刷速率與降雨強度的函數關系，雖然下墊面沖刷與降雨過程具有一定關系，但降雨徑流需要先匯集，從而導致了匯流時間差[4]。將雨水徑流量轉換為有效降雨強度，建立合適的數學模型模擬降雨徑流過程，才能更準確的研究降雨徑流中污染物的輸移規律。Helmreich等[5]對慕尼黑道路降雨徑流中不同污染物濃度變化特性進行了分析，結果表明污染物SS與重金屬和TOC具有明顯的線性關系；趙劍強等[6]通過對污染物濃度變化及降雨過程的同步監測，發現城市道路污染物排放過程并非呈現單調遞減趨勢；Shin等[7]對比研究了韓國南部5大河流在夏季降雨后河流中有機物的組成變化，結果表明，受夏季強降雨的影響，地表水體中溶解性有機物(DOM)的陸源有機物的貢獻增加，五大河流在夏季強降雨期間，類腐殖質和富里酸物質所占比例均有所增加；肖敦宇等[8]整理了我國降雨在屋面形成徑流的資料發現，屋面雨水在我國大中城市所監測到的水質狀況都呈現嚴重污染的現狀，大多數污染物指標都難以達到地表V類水質標準。結合這幾項研究我們發現，降雨強度、相鄰降雨時間間隔、降雨歷時和人類活動對徑流水質的影響存在一定的爭議[9]，因此分析各種影響因子對徑流水質的影響程度，確定匯水面徑流的污染程度，分析各污染物相關性，以及降雨量和降雨強度對徑流水質的影響，還需進一步深入研究[10]。

大學校園是城市的主要構成單元，具有多種城市常見下墊面類型，研究校園降雨徑流污染物輸移特性，能直觀表達出城市降雨徑流面源污染問題。本文從降雨徑流模型優化出發，通過具體試驗分析掌握大學校園降雨徑流污染物變化規律及其相關性，并研究得出初期降雨徑流污染物負荷，探討降雨徑流過程中污染物輸移的特性，可以為城市徑流污染治理以及未來進一步的雨水資源利用提供數據及理論支持。

1 研究方法

1.1 研究區概況

以蘭州交通大學校本部為示范點，學校位于蘭州市安寧區，由于受季風影響，降雨多集中于6—9月份，占全年降水量的80%左右，多年平均降雨量為327 mm。校園地勢北高南低，同時校園內沒有設置雨水管渠，降雨發生后，大部分屋面和其他弱透水性下墊面雨水都匯集到校園的瀝青道路上，最終隨瀝青路面徑流經位于校園南區的排水口流入市政雨水管網。本次試驗所選取的雨水采樣點所包含的匯水面積為9.6萬 m2，其中屋面占總匯水面積的24%，瀝青路面占總匯水面積的16%，其他弱透水性下墊面占總匯水面積的30%。總弱透水性下墊面占總匯水面積的70%。

通過對校園雨水徑流中濁度、化學需氧量(CODcr)、TN和TP等指標的試驗分析，研究徑流水質變化，并結合初期雨水徑流污染物負荷，探討瀝青路面降雨徑流污染物輸移特性。

1.2 取樣與檢測

試驗中采樣點位于蘭州交通大學校本部第四教學樓前雨水篦子處，選取5場不同降雨節點進行徑流試驗研究，雨水在采樣點產生連續徑流后采集樣品并計時。依據降雨徑流形成的歷時，按時間等比例方法安排采樣，具體采樣時間安排為：從徑流形成開始到結束，前30 min內，每間隔10 min采集一次；30～60 min內，每間隔15 min采集一次，試驗僅研究徑流1 h內的樣品，每次采集1 L。降雨量和降雨歷時采用虹吸式雨量計進行測定，同時可以分析降雨強度。

1.3 試驗方法

采集的樣品要進行預處理，然后放入冰箱冷藏保存，試驗以濁度、化學需氧量(CODcr)、總氮(TN)和總磷(TP)4個指標進行分析，徑流水質指標分別取3次同一樣品化驗數據的平均值。具體試驗方法見表1。

表1 幾種污染物常規的試驗檢測方法

1.4 降雨徑流污染物流輸移模型

研究降雨徑流對污染物的沖刷和輸移規律對雨水利用系統的水質控制和非點源污染控制都有十分重要的意義。國外研究人員建立了一些相關模型，如統計模型和機制模型。然而，由于面源污染具有隨機性，不連續性，滯后性等特征，其結構非常復雜，再加上降雨所在地域的差異，導致描述該模型結構和功能的某些公式的準確性和適用性大大降低，增加了徑流污染研究定量分析有效控制的難度[11]。

徑污染物流輸移模型通常可分為功能模型和機理模型[12]。功能模型只是一種經驗性模型，機理模型是以流體動力學方程為特征的研究，它將整個下墊面上的面源污染劃分為污染物積累、產流、匯流、土壤侵蝕和沖刷等過程，系統的分析降雨徑流污染物輸移全過程。表2列出了幾種主要的徑污染物流輸移模型。

表2 徑污染物流輸移模型

根據上述5種模型的特點，充分考慮蘭州市降雨分布特點和城市住宅小區面源污染特點，本文選取了CREAMS模型，該模型比較適用于中小強度降雨地區的降雨徑流污染物輸移特性研究，輸入降雨徑流的基本參數，就能通過模型計算徑流的水量和水質，同時CREAMS模型計算則相對簡單，以降雨強度為自變量，根據降雨匯水面積、透水/弱透水面積比、地面下滲能力等參數，計算徑流污染負荷。

結合CREAMS模型特點，我們對降雨徑流污染物輸移模型的優化如下：

大量研究表明，降雨徑流污染物在弱透水性下墊面上的沖刷速率與積累的污染物量成正比，污染物的沖刷速率可用含有降雨強度的模型來表示[15]：

(1)

式中:W表示單位面積下墊面上污染物沖刷速率(mg/m2·s);P表示弱透水地表表層可沖刷污染物的量(mg/m2);t表示降雨歷時(s);k表示衰減系數。

如前所述，污染物質的沖刷受到許多因素的影響，即衰減速率與許多因素有關，假設k與單位面積平均降雨強度R(mm/s)成正比，則有：

(2)

式中:c表示沖刷系數(經驗值);R表示單位面積平均降雨強度(mm/s)。

式中計算污染物沖刷量,沒有考慮降雨開始階段的集流時間,認為降雨即開始沖刷,計算結果存在誤差。為了降低誤差,采用有效降雨強度Ref來代替降雨強度R,有效降雨強度與區域面的產流速度在數值上相同,徑流時間tr替換降雨歷時t[16]。徑流時間利用ASCE運動波方程[17]得出。

式(2)即為

(3)

其中：

(4)

(5)

式中:Ref表示有效降雨強度(mm/s);Q(tr)表示tr時刻的徑流量(L/s);A表示匯水面積(m2);L表示坡面方向長度(m);n表示粗糙度;S表示坡度。

將式(4)帶入式(3)進行積分得：

(6)

式中:P0表示下墊面上的初始污染物量(mg/m2)。

(7)

式中:Hef表示有效降雨深度(mm)。

將式(7)帶入式(6)后得：

p=cP0e-cHef

(8)

將式(8)帶入式(3)后得：

(9)

污染物輸移濃度：

(10)

式中:C(tr)表示徑流污染物濃度(mg/L)。

將式(9)帶入式(10)后得：

C(tr)=cP0e-cHef

(11)

將式(11)進行整理得[4]：

ln[C(tr)]=ln(cP0)-cHef

(12)

參照線性回歸方程y=kx+b，徑流污染物濃度與有效降雨深度為線性關系。式(12)是在CREAMS沖刷模型的基礎上，對城市小區降雨徑流對匯水面污染沖刷物沖刷規律的一般表達的優化模型。該模型是一種功能模型與機制模型相結合的建模方法，優點是參數較少，邏輯關系清晰。該模型可用于村鎮和小區降雨徑流面源污染負荷的計算，確定初期降雨徑流控制量。

2 結果與分析

2.1 降雨資料

我們選取5場降雨過程來研究降雨徑流污染物的輸移規律，校園降雨監測信息見表3。

表3 校園降雨監測信息

2.2 實測降雨徑流過程污染物變化趨勢

降雨徑流污染物的變化主要受降雨強度、降雨量、徑流歷時和相鄰兩次降雨時間間隔的影響[18]。由于大學校園的開放性較高，各類下墊面上的污染物受車輛和人類活動影響同樣明顯。由圖1可知，各污染物濃度隨徑流時間的變化趨勢比較相似，在初始階段由于降雨徑流對各下墊面的沖刷作用使得污染物濃度快速上升，并很快達到峰值[19]，到一定階段后污染物濃度隨徑流時間下降，最后趨于穩定。其中2020年7月17日徑流時間第10 min CODcr質量濃度達到425.21 mg/L，第20 min濁度達到726.03 NTU,TN和TP質量濃度分別達到51.80 mg/L，2.79 mg/L，污染物各項指標明顯高于其他時期，其主要原因是降雨前干期長度大，校園內弱透水性下墊面上積累的污染物較其他時期多，降雨強度和降雨量小，對污染物的沖刷和稀釋作用弱，最終導致徑流污染物濃度高。2020年7月5日和2020年8月10日降雨徑流污染物濃度變化情況不明顯，而且污染物濃度明顯低于其他降雨時段，主要原因是相鄰兩次降雨間隔較短導致徑流沖刷時污染物濃度衰減較弱。徑流污染物各項指標都在徑流時間第10～20 min達到峰值，并于45 min后逐漸趨于平穩，這是由于弱透水性下墊面上積累的污染物在降雨的沖刷作用下在徑流初期迅速匯集，使污染物濃度很快達到峰值，降雨徑流后期弱透水性下墊面上大部分污染物已經被沖刷怠凈，各污染物濃度隨徑流時間整體呈下降趨勢且變化速率較緩，最后逐漸趨于穩定。

圖1 徑流各污染物隨徑流時間的變化趨勢

2.3 模型的驗證

對于上面推出的徑流濃度模型，選取2020年7月5日和2020年7月23日兩場降雨驗證其可靠性。由圖2可知，有效降雨深度(Hef)與徑流污染物濃度ln[C(t)]總體上呈現較好的線性關系[20]，對2020年7月5日和2020年7月23日兩場降雨的濁度，COD，TN，TP模擬的相關系數分別是0.725，0.426，0.776，0.807，0.775，0.699，0.902，0.748，從相關系數R2的值來看，2020年7月5日化學需氧量(CODcr)徑流模型的精度與其他污染物指標相比穩定性稍差，其原因是降雨前期弱透水性下墊面上污染物積累過程的差異造成。綜合分析模型的穩定性是由多重因素決定，其中人類活動程度和車輛活動程度，兩者的共同作用會進一步降低徑流污染物輸移模型精度，而降雨前期污染物積累程度會增加徑流污染物輸移模型的可靠性。

圖2 兩場不同降雨條件下污染物沖刷規律模擬結果

2.4 徑流過程中污染物相關性

對5場降雨徑流污染物相關性的研究見圖3，通過比較發現，污染物各項指標(濁度，CODcr，TN，TP)在徑流過程中有一定的相關性，其中CODcr與濁度，TN與濁度，TP與濁度，TP與TN，CODcr與TN，CODcr與TP的平均相關系數R2的值分別為0.835，0.835，0.846，0.920，0.786，0.846。由此可知，濁度作為降雨徑流污染物中主要的指標之一，同時也是污染物中最為直觀的，其對徑流中其他污染物的輸移規律影響顯著。故可將濁度作為校園弱透水性下墊面降雨徑流水質控制的側重點。根據這一性質，通過對校園內弱透水性下墊面進行有效清掃和對初期降雨徑流棄流、沉淀、過濾，可以有效控制濁度，CODcr，TN和TP等污染物的總量[21]。

圖3 徑流污染物相關性

從理論上講，可溶性污染物或不溶性污染物均在總固體之中，因此雨水徑流中的各種污染物含量均與總污染物含量有一定關系[24]。因此從降雨徑流過程中一些比較明顯的污染物的研究出發，可以預測污染物輸移過程的總污染負荷。

2.5 初期降雨徑流污染物負荷的計算

初期降雨徑流一般是指降雨在初始階段雨水沖刷地表形成的一部分徑流，是基于特定降雨條件和下墊面類型下的沖刷規律總結而來的經驗概念。由于不同降雨過程徑流沖刷存在差異，對初期降雨徑流時間的定義總是存在爭議，目前這仍是國內外學者解決降雨徑流問題時的關鍵[25]。

主要被接受的觀點有兩種：以徑流產流歷時為基礎，在徑流產生過程中，以某一時間節點之前的雨水定義為初期降雨徑流，假如在從徑流產生開始到徑流過程的某一時間節點這部分徑流中包含了這場降雨徑流的大部分污染物，在此之后水質明顯變好，則這一時間節點之前的徑流稱為初期降雨徑流[22]。其次是以降雨量為研究基礎，在降雨徑流產生過程中，從徑流開始到結束一定降雨量范圍內引起的雨水徑流定義為初期降雨徑流，如果整場降雨徑流的大部分污染物都包含在前5 mm降雨量的降雨徑流中，5 mm降雨量后徑流污染物濃度有明顯下降的趨勢，則稱前5 mm降雨量所形成的的徑流為初期雨水徑流[26]。

本試驗中，由于降雨區域內匯流路徑較長，故對校園設計初期徑流時間擬定為30 min。校園匯水面比較平整，我們假定:(1)降落在匯流形成區間下墊面上的雨水完全構成徑流(即徑流系數=1)，不考慮下墊面對徑流的下滲和截留等作用；(2)整個降雨區域內的降雨強度是均勻且連續的，匯水面積上徑流的速度變化常數；(3)降雨歷時等于或大于徑流時間，依據雨水管渠設計流量推理公式的推導思想和降雨徑流對城市匯水面污染物的沖刷規律，可推導出由雨水徑流帶來的污染物負荷的計算公式[27]。

徑流水質計算方法：

(13)

式中:M表示污染物總量(mg);Ci和Ci+1為與Qi與Qi+1節點相對應的污染物濃度(mg/L);Δti表示相鄰時間間隔(min)。

初期雨水污染物負荷率：

(14)

式中:μm表示污染物負荷率;M1和Mn分別為初期雨水污染物負荷量和徑流總污染物負荷量(mg)。

選取2020年7月5日和2020年7月23日兩場降雨，分別采用實測數據和模型計算初期徑流污染物負荷率，初期徑流時間為30 min，計算結果見表4。

表4 初期降雨徑流污染物負荷率

由表4可知，初期徑流污染物負荷率的實測數據計算值與模型計算值相對誤差很小，說明徑流污染物輸移模型的準確度很高。結合兩場降雨的降雨間隔可知，降雨前期晴天數越多，初期降雨徑流污染物的負荷率就越大。兩場降雨的初期徑流污染物負荷率在65%～85%，表明只要集中收集處理初期降雨徑流，就可以控制65%以上的徑流污染物，避免含有大量污染物的降雨徑流全部排入水體后造成周圍水環境惡化。

3 結 論

(1)本文提出的降雨徑流污染物輸移優化模型，對蘭州市弱透水性下墊面中小雨強徑流污染物輸移特性適應性好。

(2)弱透水性下墊面降雨徑流主要污染物隨徑流時間的變化趨勢性基本一致，在降雨徑流形成初始階段，由于徑流沖刷作用使得污染物濃度快速上升，并很快達到峰值，隨后污染物濃度隨徑流時間緩慢下降，最后趨于穩定。

(3)徑流初期的污染物指標明顯偏高，且各污染物顯著相關，初期雨水徑流污染負荷率計算結果表明，徑流歷時為30 min時，弱透水性下墊面(由屋面、瀝青路面和其他弱透水性下墊面組成)徑流雨水濁度，CODcr，TN，TP的污染物負荷率可達到65%～85%，徑流初期的雨水水質的處理，是降雨徑流污染物控制的關鍵。