国内典型城市降雨径流初期累积特征分析

王 倩，张琼华，王晓昌（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

国内典型城市降雨径流初期累积特征分析

王 倩，张琼华*，王晓昌（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055）

提出以携带50％污染物负荷的径流定义初期雨水，选取累积50％污染物负荷的历时（T50）及对应累积径流深度（D50）两个参数，总结分析典型山地城市、平原城市、河网城市等6个城市17场降雨径流污染物累积特征.进一步以山地城市和平原城市为例，探讨了不同降雨强度、区域环境径流污染物累积特征及相互影响.结果表明，径流污染物累积趋势完全一致但特征不同，山地城市、河网城市、高原城市和河口城市表现为初期累积，平原城市则表现为中期累积.随着雨强增大，污染物D50骤增，T50锐减.相比平原城市，山地城市不同类型污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分别截留初期7.4mm和5.2mm径流可以控制50％污染物负荷.

降雨径流；初期雨水；D50和T50；降雨强度

雨水作为非常规水资源逐渐被接受和广泛收集利用，但随着城市化进程的加快、不透水面积增大，雨水径流量及径流携带的负荷即径流污染也随之增大［1］，城市面源污染的影响日益突出，局部地区甚至危害到受纳水体生态安全［2］.研究发现降雨过程中初期一小部分径流携带了大部分污染物负荷，初期雨水污染严重［3-4］，因此，城市径流污染控制尤其是初期雨水控制显得尤为重要.

目前，对于城市径流的研究主要集中在径流污染物的排放特征［5-8］及其初期冲刷特性［9-10］，并根据20/80［11］、25/50［12］、30/80［13］、20/40［14］等初期冲刷定义探讨了不同城市典型下垫面［15-16］、降雨条件及不同污染物［6，17］等的排污特征和冲刷特性.但是比例形式的污染负荷和径流量难以在实际工程上计量并应用，所以常常简化采用时间或径流深度作为初期雨水单一控制指标指导雨水利用.如白建国等［18］提出高于地表水Ⅴ类标准的径流雨水为初期雨水，并实测徐州市截留初期30min路面径流可满足该水质要求，Bach等［19］和何强等［20］根据污染物浓度达到背景浓度或稳定阶段形成的径流深度控制初期雨水，Ming等［21］研究发现热带城市截留初期10mm径流可控制50％左右污染物负荷.然而，基于浓度定义初期雨水确定的控制标准可能会导致处理不经济或不能满足总量控制的要求，而基于负荷定义确定的初期雨水控制标准研究不够广泛，工程上缺乏可利用的数据.

本文选取降雨历时和累积径流深度作为初期雨水控制指标，明确携带50％污染物负荷的径流定义初期雨水，总结分析山地城市、平原城市、河网城市、高原城市、河口城市等6个典型城市17场降雨径流污染物累积特征；以山地城市和平原城市为例，探讨了降雨强度、区域环境对径流污染物累积特征的影响.

1 研究区域与研究方法

1.1 研究城市选择

选择典型山地城市（重庆）、平原城市（北京、沈阳）、河网城市（苏州）、高原城市（昆明）、河口城市（东莞）等6个城市的道路径流为研究对象，研究径流污染物负荷迁变特征.

1.2 数据收集与分析

对以上6个城市17场降雨径流进行TSS、COD、营养盐（TN、TP等）和溶解态重金属（Cu、Pb、Zn、Cd）指标的全过程分析，城市降雨基本特征见表1.数据采用Origin8.5软件分析.

1.3 研究方法

单场降雨径流中污染物负荷累积计算公式如下：

式中：P为污染物负荷累积比例，％；Li和L分别为第i个及全部径流样品携带的污染物负荷，mg/m2；Ci为第i个样品的污染物浓度，mg/L；Qi为Δti内径流量，L/s；Δti为第i个样品间隔时间，min；n为样品个数.

定义累积50％污染物负荷的历时为T50，对应累积径流深度为D50，以T50和D50作为初期径流控制的指标.累积径流深度定义公式如下：

式中：D为累积径流深度，mm；A为汇水面积，m2；60为时间换算单位.

表1 研究区域降雨基本特征Table 1 Characteristics of rainfall events in the study area

2 城市降雨径流污染物累积特征

根据城市特点，系统分析6个典型城市17场降雨过程径流污染物累积特征.

2.1 山地城市降雨径流污染物累积特征

图1（a1）～图1（a4）为山地城市重庆4场降雨径流污染物累积曲线.由图中可以看出，污染物累积趋势完全一致，但累积速度有所差异，曲线斜率越大，累积速度越快.如2010年6月19日降雨过程，不同污染物累积50％负荷速度大小依次为：Cu＞Zn＞COD＞TN＞Pb＞Cd＞TP＞TSS，TSS累积速度最慢，是典型特征污染物，T50为101min.4场降雨过程径流污染物T50范围分别为：23～101min、3～20min、3～28min和42～77min，不同降雨过程污染物T50差异显著，同一降雨过程不同污染物T50变化也较大，4场降雨径流典型特征污染物分别为TSS、Pb、Pb、Zn，T50的平均值分别为57min.

图1 6个城市17场降雨径流污染物负荷累积曲线Fig.1 Cumulative curves for pollutant load of 17 rainfall events in 6 cities

2.2 平原城市降雨径流污染物累积特征

图1（b1）～图1（b3）、图1（c1）～图1（c2）分别为平原城市北京和沈阳共5场降雨径流污染物累积曲线.可以看出，图（b1）、（b2）和（c2）均表现出径流污染物初期累积速度很慢、中期加快的特征.如北京2010年6月13日降雨过程，30min内累积不到10％污染物负荷，中期累积速度很快，50min内累积了全部污染物的50％以上负荷.图（b3）、（c1）则表现出污染物以稳定的速度累积，结合表1的数据可知，降雨强度和降雨量相似的降雨事件，径流污染物累积特征一致.北京3场降雨过程径流污染物T50范围分别为：44～50min、36～39min和56～74min，典型特征污染物分别为TSS、NH4+-N、TSS，T50的平均值为54min.沈阳2场降雨过程污染物的T50范围分别为：190～218min、125～132min，典型特征污染物分别为TN和TSS，T50平均值为175min.

平原城市不同降雨过程污染物T50差异较大，同一降雨过程T50接近.但沈阳T50是北京的3倍多，可能与沈阳降雨历时较长有关.

2.3 河网城市降雨径流污染物累积特征

图1（d1）～图1（d3）为河网城市苏州3场降雨径流污染物累积曲线.由图中可以看出，3场降雨过程径流污染物T50范围分别为：20～26min、79～89min、48～52min，不同降雨过程T50差异显著，但同一降雨过程不同污染物T50变化不大，典型特征污染物分别为COD、TP和COD，T50的平均值为57min.

2.4 高原城市降雨径流污染物累积特征

图1（e1）～图1（e2）为高原城市昆明2场降雨径流污染物累积曲线.由图中可以看出，2011年6月27日降雨过程径流污染物累积特征差异比2011年7月22日大，可能是因为后者雨强（0.5mm/min）比前者（0.3mm/min）大.2场降雨过程径流污染物T50范围分别为：27～40min、35～39min，总体差异不大，这可能是因为昆明污染程度低且雨强大，径流对污染物的溶解、冲刷快且较为彻底.高原城市在较大雨强下污染物累积特征差异不大，且雨强越大，差异越小.2场降雨径流典型污染物均为TN，T50的平均值为40min.

2.5 河口城市降雨径流污染物累积特征

图1（f1）～图1（f3）为河口城市东莞3场降雨径流污染物累积曲线.由图中可以看出，3场降雨过程径流污染物T50范围分别为：32～44min、46～50min、47～54min，不同降雨事件污染物T50略有差异，同一降雨过程污染物T50变化不大.3场降雨径流典型特征污染物分别为TSS、COD和TSS，T50的平均值为49min.

综上所述，径流污染物累积趋势完全一致但特征不同，具体表现为：山地城市、河网城市、高原城市、河口城市污染物初期累积速度较快，体现为初期累积；平原城市初期累积速度很慢，体现为中期累积，这可能与平原城市的降雨特征（如历时、雨型）、污染状况等有关.径流典型特征污染物随研究区域、降雨事件差异较大，且沈阳典型特征污染物T50最大，其他城市T50为50min左右.

为了进一步探明降雨条件和区域环境对污染物累积特征的影响，论文选取TSS、COD、营养盐（TN、TP）和溶解态重金属（Cu、Pb、Zn、Cd），以山地城市（重庆）和平原城市（北京）为例分析不同类型污染物的D50和T50及降雨强度和区域环境对其的影响，为初期雨水污染控制及利用提供依据.

3 结果分析与讨论

3.1 不同类型污染物D50和T50特征分析

3.1.1 山地城市不同类型污染物D50和T50特征分析 图2（a1）～图2（a4）为山地城市重庆4场降雨径流不同类型污染物累积曲线.可以看出，前3场降雨过程不同类型污染物累积特征差异较大，第4场差异较小，这是因为第4场降雨强度最小，径流对污染物的溶解、冲刷及运移能力较弱.4场降雨过程TSS、COD、营养盐和重金属的D50和T50的范围分别为：4～10mm/3～101min、3.6～10mm/3～69min、4～10mm/3～92min、3.1～16mm/ 7～65min，不同降雨过程，同种类型污染物D50和T50差异显著，其中TSS的T50和重金属的D50差异最大，说明TSS和重金属的初期累积受降雨条件影响较大.

3.1.2 平原城市不同类型污染物D50和T50特征分析 图2（b1）～图2（b3）为平原城市北京3场降雨径流不同类型污染物累积曲线.可以看出，同一降雨过程不同类型污染物D50和T50接近，3场降雨过程TSS、COD和营养盐的D50和T50的范围分别为：3.5～6.5mm/36～75min、2.7～5.8mm/36～69min、2.7～5.9mm/37～69min，不同降雨过程，同种类型污染物D50和T50差异较大，其中TSS的T50差异最大，与重庆的研究结果一致.

3.1.3 不同类型污染物D50和T50特征分析 由以上分析可知，不同降雨过程相同类型污染物T50差异较大，山地城市表现得更加明显；同一降雨过程中，平原城市不同类型污染物T50相近，山地城市差异较大.因此，平原城市可选取易于监测的TSS作为典型特征污染物控制径流污染.

3.2 降雨强度对不同类型污染物D50和T50的影响

3.2.1 典型降雨强度下不同类型污染物D50和

图2 重庆和北京7场降雨径流中不同类型污染物累积曲线Fig.2 Cumulative curves for different pollutants of 7rainfall events in Chongqing and Beijing

将降雨事件按雨强分为较小雨强（＜0.1mm/ min）、中等雨强（0.1～0.2mm/min）和较大雨强（＞0.2mm/min）三类，分析降雨强度对不同类型污染物D50和T50的影响.

由图3（a1）可以看出，当降雨强度大于0.2mm/ min（即较大雨强）时，污染物D50骤增，约为较小和中等雨强下的1.9～3.9倍.由图3（a2）可以看出，随着雨强增大，污染物T50锐减，较小、中等雨强下污染物T50分别为较大雨强下的3.7～6.9倍、0.4～2.4倍.TSS和重金属分别在较小和较大雨强D50和T50最大，是相应条件下的典型特征污染物；中等雨强下，四种类型污染物D50接近，说明降雨强度的增大促进了TSS、COD、营养盐的初期累积，尤其是TSS，在较小雨强下初期累积最弱，而在中等及较大雨强下与COD和营养盐相近，这是因为TSS的赋存状态为颗粒态，雨强越大，其冲刷、运移速度越快，而COD、营养盐的赋存状态有溶解态和颗粒态，受径流的溶解、冲刷和运移综合作用，重金属的D50和T50变化比较复杂，可能与重金属的排污特征有关.

图3 典型降雨强度下径流中不同类型污染物的D50和T50Fig.3 D50and T50of different pollutants in the runoff with typical rainfall intensity

3.2.2 降雨强度对不同类型污染物D50和T50的影响 降雨强度对TSS初期累积影响最大，雨强越大，其初期累积速度越快，其次是COD、营养盐，对重金属的影响较为复杂.随着雨强增大，不同类型污染物D50骤增，T50锐减.

3.3 区域环境对不同类型污染物D50和T50的影响

3.3.1 山地城市和平原城市不同类型污染物D50和T50分析 图4（a1）和图4（a2）可以看出，重庆不同类型污染物D50比北京大，约为北京的1.25～1.36倍，而北京污染物T50比重庆大，约为重庆的1.12～1.38倍，一方面这是因为重庆路面坡度大，地面径流系数比北京大，相同降雨条件下形成的径流量高于北京，坡度大使污染物冲刷、运移速度加快，T50减小；另一方面重庆降雨量比北京大，城区污染程度小，污染物很快在初期被冲刷干净.重庆四种类型污染物D50大小依次为：重金属＞TSS＞营养盐、COD，重金属是典型特征污染物，D50和T50分别为7.4mm和35min.北京污染物D50大小依次为：TSS＞COD＞营养盐，TSS是典型特征污染物，D50和T50分别为5.2mm和53min.

3.3.2 区域环境对不同类型污染物D50和T50的影响 区域降雨频率和降雨量等因素影响路面污染状况，路面坡度影响径流的形成和污染物的冲刷、运移.相比平原城市，山地城市不同类型污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分别截留初期7.4mm、5.2mm径流可以控制50％污染物负荷.

4 建议

由于区域环境、降雨条件的差异，工程上单一采用时间或径流深度控制初期雨水容易造成雨水资源浪费、处理不经济或不能有效控制污染等问题.因此，雨水利用工程在实施过程中，需要长期积累各城市典型降雨径流数据，经分析确定最佳的T50和D50才能更为准确的指导工程实践.

5 结论

5.1 径流污染物累积趋势完全一致，但特征不同：山地城市、河网城市、高原城市、河口城市污染物体现为初期累积，平原城市体现为中期累积；径流典型特征污染物随研究区域、降雨事件差异较大，且沈阳典型特征污染物T50最大，其他城市T50为50min左右.

5.2 同一降雨过程山地城市不同类型污染物D50和T50差异较大，平原城市较为相近，平原城市可选取易于监测的TSS作为典型特征污染物控制径流污染.5.3 雨强越大，TSS初期累积速度越快；随着雨强增大，污染物D50骤增，T50锐减.

5.4 相比平原城市，山地城市污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分别截留初期7.4mm、5.2mm径流可以控制50％污染物负荷.

［1］Zhao J W，Shan B Q，Yin C Q.Pollutant loads of surface runoff in Wuhan City Zoo，an urban tourist area［J］.Journal of Environmental Sciences，2007，19（4）：464-468.

［2］李立青，尹澄清，何庆慈，等.武汉市城区降雨径流污染负荷对受纳水体的贡献［J］.中国环境科学，2007，27（3）：312-316.

［3］Sansalone J，Cristina C.First flush concepts for suspended and dissolved solids in small impervious watersheds［J］.Journal of Environmental Engineering，2004，130（11）：1301-1314.

［4］欧阳威，王 玮，郝芳华，等.北京城区不同下垫面降雨径流产污特征分析［J］.中国环境科学，2010，30（9）：1249-1256.

［5］Wang S M，He Q，Ai H N，et al.Pollutant concentrations and pollution loads in stormwater runoff from different land uses in Chongqing［J］.Journal of Environmental Sciences，2013，25（3）：502-510.

［6］崔玉洁，刘德富，宋林旭，等.高岚河不同降雨径流类型磷素输出特征［J］.环境科学，2013，34（2）：555-560.

［7］谢继锋，胡志新，徐 挺，等.合肥市不同下垫面降雨径流水质特征分析［J］.中国环境科学，2012，32（6）：1018-1025.

［8］陈 莹，赵剑强，胡 博.西安市城市主干道路面径流污染特征研究［J］.中国环境科学，2011，31（5）：781-788.

［9］李春林，刘 淼，胡远满，等.沈阳市降雨径流初期冲刷效应［J］.生态学报，2013，18：5952-5961.

［10］曹宏宇，黄申斌，李娟英，等.上海临港新城初期地表径流污染特性与初期效应研究［J］.水资源与水工程学报，2011，22（6）：66-71.

［11］Stahre P，Urbonas B.Stormwater detention： for drainage，water quality，and CSO management［M］.New Jersey： Prentice-Hall，Inc，1990.

［12］Vorreiter L，Hickey C.Incidence of the first flush phenomenon in catchments of the Sydney region［A］.1994，359-359.

［13］Saget A，Chebbo G，Bertrand-Krajewski J L.The first flush in sewer systems［J］.Water Science and Technology，1996，33（9）：101-108.

［14］Deletic A.The first flush load of urban surface runoff［J］.Water Research，1998，（8）：2462-2470.

［15］任玉芬，王效科，欧阳志云，等.北京城市典型下垫面降雨径流污染初始冲刷效应分析［J］.环境科学，2013，34（1）： 373-378.

［16］何 强，潘伟亮，王书敏，等.山地城市典型硬化下垫面暴雨径流初期冲刷研究［J］.环境科学学报，2014，34（4）：959-964.

［17］王 骏，毕春娟，陈振楼，等.温州城市降雨径流中BOD5和COD污染特征及其初始冲刷效应［J］.环境科学，2013，34（5）：1735-1744.

［18］白建国，朱 洵.初期径流雨水工程截流措施及效果初探［J］.南水北调与水利科技，2013，11（4）：215-217.

［19］Bach P M，McCarthy D T，Deletic A.Redefining the stormwater first flush phenomenon［J］.Water Research，2010，44（8）：2487-2498.

［20］何 强，王书敏，艾海男，等.城市暴雨径流初期冲刷现象识别模式［J］.环境科学学报，2011，11：2432-2439.

［21］Ming F C，Zulifli Y.Sizing first flush pollutant loading of stormwater runoff in tropical urban catchments［J］.Environment Earth Science，2014，72：4047-4058.

［22］张千千，王效科，郝丽岭，等.重庆市路面降雨径流特征及污染源解析［J］.环境科学，2012，33（1）：76-82.

［23］Zhang Q Q，Wang X K，Hou P Q，et al.The temporal changes in road stormwater runoff quality and the implications to first flush control in Chongqing，China［J］.Environmental monitoring and assessment，2013，185（12）：9763-9775.

［24］李立青，吕书丛，朱仁肖，等.北京市新建城区不透水地表径流N、P输出形态特征研究［J］.环境科学，2012，11：3760-3767.

［25］李春林，刘 淼，胡远满，等.沈阳市降雨径流污染物排放特征［J］.生态学杂志，2014，33（5）：1327-1336.

［26］田永静，李 田，叶公建，等.苏州市工业用地地表径流污染特性研究［J］.环境污染与防治，2009，31（6）：39-42.

［27］谷 雨，张乃明.昆明主城区城市地表径流污染特征分析［J］.环境工程学报，2013，7（7）：2587-2595.

［28］马 英，马邕文，万金泉，等.东莞不同下垫面降雨径流污染输移规律研究［J］.中国环境科学，2011，31（12）：1983-1990.

Cumulative characteristics of runoff pollutants in typical domestic cities.

WANG Qian，ZHANG Qiong-hua*，WANG Xiao-chang（School of Environmental and Municipal Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1719～1725

The rainfall runoff with 50％pollutant load was defined as initial rainwater，and the time（T50）accumulating 50％pollutant loading and corresponding runoff depth（D50）was selected to analyze the cumulative characteristics of pollutants during 17 rainfall events in typical domestic mountainous city，plain city，river city，etc.Taken mountainous and plain cities as examples，the cumulative characteristics of different types of pollutants in the runoff were discussed and the effects of rainfall intensity and its regional environment were studied.The results indicated that the accumulation of runoff pollutants had the same trend but exhibited different characteristics.It tended to accumulate at mid-stage in plain city while at initial stage in other cities.With rainfall intensity increased，the D50of pollutants increased greatly while T50declined sharply.Pollutants in mountainous city had a higher D50and a lower T50than that in plain city.It was suggested that mountainous cities and plain city intercepting 7.4mm and 5.2mm runoff respectively could control 50％pollutant load.

rainfall runoff；initial rainwater；D50and T50；rainfall intensity

X522

A

1000-6923（2015）06-1719-07

王 倩（1990-），女，湖北襄阳人，西安建筑科技大学博士研究生，主要研究方向为雨污水再生利用.

2014-10-20

住房和城乡建设部软科学研究项目（2011-K7-14）；水污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07315002）

* 责任作者，讲师，qionghuazhang@126.com