雨水径流污染负荷评价方法及水源污染治理对策

袁茂新 陈俊 陈波

（1.常州市城乡建设局，江苏常州 213022；2.常州市排水管理处，江苏常州 213017）

随着城市建设的扩大，城市人口的增多，城市水文环境相比自然环境发生了根本改变。

城市水文环境的变化首先是径流量的增加，以及随之的径流时间的缩短。城市水文环境除了水量的变化，水质的下降也不容忽视。

城市雨水径流中主要存在的污染物质如表1所示。

表1 城市雨水径流主要污染物

1 雨水径流取样实验

1.1 取样点及取样对象

雨水径流取样地点位于南方某镇市政道路。此处为商业区，取样对象为屋顶雨水和路面雨水，同时为比较雨水水质与径流水质的差别，直接收集雨水作为对照。

对每场降雨，第一个径流取样在降雨开始后半个小时内，随后每隔30min接取下一个径流水样。屋顶雨水和路面雨水在同一时间段内先后取样，相隔时间不超过5min。

1.2 分析仪器及实验方法

取得的雨水本底及径流在取样现场测量其DO等常规参数，经处理保存的水样在3d内相继进行SS、COD、TOC、TN、TP等参数测量。各参数测量仪器或方法归纳于表2。

表2 雨水本底及径流参数测量仪器或方法

1.3 雨水径流实验结果

雨水径流取样分析期间取得的20余次雨水径流污染物数据，选取降雨历时较长且结果具有代表性的一场降雨的雨水径流实验结果进行数据分析及结果讨论。

图1～6示出了代表性降雨的屋顶径流和路面径流各污染物参数随时间变化的柱状图，图中横线为雨水的本底测量结果，横坐标原点为降雨初始时刻。

分析图1～6的雨水径流数据结果，并与雨水本底进行比较，可以看出：

1)对DO数据，屋顶和路面雨水径流均较雨水本底低。屋顶雨水径流DO值随时间变化不大；路面雨水径流在初雨时水质处于缺氧状态，DO值随降雨历时逐渐上升到接近屋顶径流。这说明初雨时路面雨水径流所冲刷的大量耗氧化合物显著降低了水质的DO值。

2)对SS数据，屋顶径流与雨水本底数值相差不大；路面径流SS含量远远超过屋顶径流和雨水本底，初雨时超过1.0g/L。在降雨后期由于降雨量减小，或雨水浸泡冲刷，路面径流SS有所波动。

图1 降雨径流DO值随时间变化

图2 降雨径流SS值随时间变化

图3 降雨径流COD值随时间变化

图4 降雨径流TOC值随时间变化

图5 降雨径流TN值随时间变化

图6 降雨径流TP值随时间变化

3)对COD数据，屋顶径流虽然相对本底也有一定程度的增大，但污染程度远不能与路面径流相比。路面径流在初雨时的COD数值在800mg/L以上，使初雨时路面雨水是缺氧状态。

4)对TOC数据，屋顶径流和路面径流均较雨水本底的值高。路面径流TOC值在降雨初期与屋顶径流相差不大，在降雨后期两者均增高，且路面径流TOC显著增大。

5)对TN数据，屋顶径流>雨水本底>路面径流，并且屋顶径流的TN浓度在降雨后期升高明显。这一现象说明取样点处屋顶所放置的杂物或采用的涂料使屋顶成为TN的来源，降雨后期屋顶径流TN的升高是因为径流量的减少导致雨水对TN的稀释作用减弱，同时冲刷溶解引起污染物的增多。路面径流TN相对雨水本底偏低或接近，可知氮类化合物在路面富集程度微弱，路面径流中的TN主要来自雨水本底。

6)对TP数据，屋顶径流与雨水本底基本一致，可见屋顶径流对雨水径流中TP的浓度贡献不大。路面径流的TP浓度较屋顶径流和雨水本底更高，这说明了路面沉积颗粒物对含磷化合物的吸附和结合导致了路面径流成为雨水径流中TP的主要来源。

由结果可见，COD与TOC的变化规律存在偏差，其原因是：

1)由于COD测量的污染物除有机物外，还包括其他还原类物质，因此在降雨初期，亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等物质附着在SS上被径流冲刷携带或溶解在径流中，造成初雨时COD的显著偏高；初雨后屋顶及路面还原类物质所剩不多，浓度迅速下降。

2)取样点周围密集分布饭馆、餐厅等有机物污染源，在其周边的油类物质沉积会在降雨历时内持续地释放有机物。由于亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等还原类物质的流失，COD迅速下降，但油类物质的持续释放使TOC数据在降雨后期反而升高。

3)比较屋顶径流和路面径流可以发现，前者的COD和TOC数值变化基本一致，屋顶污染物可能基本以有机物质为主；后者的COD在初雨后迅速下降，TOC在降雨后期升高，因此路面的初雨径流携带了还原类无机物和有机物等更多样的水体污染物，降雨后期路面径流的污染物则以有机物为主。

2 雨水径流污染物冲刷规律

2.1 雨水径流污染物浓度方程

研究降雨径流对污染物的冲刷、输送和聚集，应用最广泛的模型是SWMM模型和STORM模型所采用的“一阶负荷模型”。在此基础上，根据对城区的天然雨水和屋顶、路面径流的降雨径流污染物浓度随时间变化的实测曲线统计分析，可归纳出城市径流污染物浓度变化的一般表达式：

式中：

Ct－降雨过程开始t时间后径流中的污染物浓度，mg/L

C0－降雨过程开始时径流的污染物浓度，mg/L

K－综合冲刷系数，表征降雨强度、汇水面性质和污染物性状等综合影响因素，h-1

雨水径流中污染物实测参数均以浓度为单位，故后续分析计算采用如上所示浓度关系式。

根据城市径流污染物浓度变化式，对图1～6中雨水径流污染物数据进行指数拟合，得到部分污染物浓度随时间变化的指数曲线和R2值，如表3所示。

表3 雨水径流污染物浓度随时间变化指数方程

2.2 雨水径流污染物负荷方程

由表3中使用城市径流污染物浓度变化式所拟合的方程可见，各污染物浓度随降雨历时变化趋势不一，部分参数的浓度反而随时间增大。

雨水径流的污染程度同时受水质和水量的影响，以污染物浓度衡量污染程度是不确切的。采用污染负荷对雨水径流面源污染进行评价是度量污染物质在水体中污染程度的合理方法。

对雨水径流污染负荷，常用的方法是建立径流负荷概率模型来进行估算。但此方法需要某地长期降雨数据且计算过程复杂。为简单迅速估算一场降雨的污染负荷，可以降雨量与污染物浓度相乘，得到在降雨过程中以单位面积上污染物量表示的污染负荷。

该场降雨量随时间变化曲线如图7所示。

图7 降雨量随时间变化曲线

将降雨量随时间变化曲线进行指数拟合，得到降雨量随时变化指数方程：

式中：

P－降雨量，mm

t－降雨开始后的时间，h

将降雨量指数方程与表2中的污染物浓度方程相乘，便得到降雨过程中屋顶和路面径流的污染负荷计算公式：

式中：

Q－屋顶或路面沉积物污染负荷，g/m2

P－降雨量，mm

Ct－污染物浓度，mg/L

由此得到污染物负荷在雨水径流冲刷下随时间变化的指数方程，如表4所示。

表4 雨水径流污染负荷随时间变化指数方程

由表4结果可见，雨水径流中的污染物负荷都随降雨历时明显递减。相比屋顶雨水径流，路面雨水径流的污染程度更为严重。比较初始径流污染负荷的数值（即公式中指数项前面的系数）可知路面径流的TN值低于屋顶径流，其他污染物数值均高于屋顶径流，污染负荷占全部径流负荷的80%以上（TOC除外）。

由雨水径流污染负荷方程，可以粗略估算雨水径流中污染物的初始负荷及其随降雨历时的递减变化过程。此外，还可利用估算得到的污染负荷计算雨水径流对自然水体面源污染的影响。

例如，为估算本次代表性降雨对水体的面源污染影响，可按降雨时间2小时对污染负荷曲线进行积分，得降雨期间的污染物负荷总量：

式中：

S－一场降雨期间单位面积（屋顶或路面）径流所产生的污染物量，g/m2

Q－屋顶或路面沉积物污染负荷，g/m2

t1－降雨初始时间

t2－降雨结束时间

α－表征雨水径流初始负荷的系数

β－表征雨水径流污染负荷随时间变化的系数

以路面径流污染为例，对表4中的路面污染负荷方程积分，按降雨历时2小时，可得此场降雨所产生的路面径流污染负荷总量。将此值与取样点所在的取样点硬化路面面积15840m2相乘，得到取样区域在此场降雨中所产生的路面雨水污染物总量（表5）。

表5 路面雨水径流污染负荷随时间变化指数方程

3 雨水径流污染问题的可行性对策

南方某镇遍布工业企业，机动车密度大，工商业活动频繁，造成雨水径流水质恶劣。雨水径流成为面源污染重要来源。以位于取样点附近的水库为例，降雨时水库各项污染指标全面上升，总体水质从II～III类恶化至IV类和V类。

针对其降雨和雨水径流污染现状并参考国内外雨水收集处理工程对策：

1)城区路面净化美化

通过合理的绿化美化和科学的垃圾收运，不但增大了绿化范围和透水面积，也减少了路面颗粒物的沉积量，从源头控制了雨水径流的水量和水质。

2)地表径流的减量

通过改变城区硬化地面的性质，来增大雨水下渗量，同时充分利用土壤、植被的储存和净化功能来减少径流量，维护区域水循环平衡。

3)初雨径流的弃除和雨水径流的收集

雨水径流的收集应主要包括弃除了初雨径流的屋顶雨水和路面雨水。

利用天沟、雨水斗、雨落管等设施收集屋顶雨水径流；利用雨水管、雨水明/暗渠等设施收集路面雨水[13]。将污染程度最为严重的初雨径流通过弃流池/井弃除后，收集的雨水径流可储存在雨水集蓄池中以进行后续处理或利用。

4)更广泛地采用生态处理设施

我国南方气候湿热，因此植物生长周期较长，可以较多地考虑生态型的处理设施。

4 结论

1)雨水径流的取样结果表明，雨水径流实际情况为路面径流远比屋顶径流污染程度严重。特别是路面的初雨径流，对水体的污染负荷多占全部径流负荷的80%以上，对自然水体健康和污水处理负荷造成明显的冲击作用。初雨径流中污染物以SS和COD最为明显，初雨浓度均超过污水综合排放三级标准[15]。两者是造成水体感官指标下降和缺氧变质的主要因素，在面源污染防治中应重点考虑。

2)污染物浓度受雨水和污染源等多方面影响而随降雨历时增加或减小，不能反映雨水径流污染实际危害情况，而以污染负荷评价径流污染程度和面源污染危害可以得到更契合实际的结果，且方法简单易操作，对单场降雨可以给出满意结果。

3)根据我国南方的实际情况，选择雨洪蓄集-生态处理的雨水径流收集工艺和处理设施，并结合其他源头控制、输移控制、末端处理的管理措施和工程设备，是缓解和治理雨水径流造成的面源污染问题的切实可行方案。

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