不同下垫面雨水径流的产汇流规律研究

2016-11-16张惠锋

城市道桥与防洪 2016年4期

关键词：主干径流屋面

张惠锋

（住房和城乡建设部标准定额研究所，北京市100835）

不同下垫面雨水径流的产汇流规律研究

张惠锋

（住房和城乡建设部标准定额研究所，北京市100835）

选取屋面、主干道和高架道路等不同下垫面，通过现场采样测试和数理统计分析的方法，研究其各自的雨水径流产汇流规律。结果表明：屋面雨水径流的初始冲刷效应不明显，且污染物浓度较小，建议对于此类屋面不采用初期雨水弃流措施；而城市主干道路和高架道路雨水径流存在较为显著的初始冲刷效应，建议因地制宜地采取措施对初期雨水进行收集处理。

下垫面；产汇流；屋面；主干道；高架道路

0　引　言

在国外，发达国家较早注重于雨水的源头控制和收集利用，基于此新近发展出诸多创新雨水管理理念，如美国的最佳管理措施（BMP）和低影响开发（LID），英国的可持续城市排水系统（SUDS），澳大利亚的水敏感城市设计（WSUD），新西兰的低影响城市设计和发展体系（LIUDD）等[1～4]。

在国内，雨水径流污染已经成为影响我国城市水环境质量，制约城市生态环境的主要因素之一。目前，我国正积极推进生态文明和海绵城市建设，采用源头削减、中途控制、末端处理等全过程雨水控制利用措施，实现城市良性水文循环，维持或恢复城市海绵功能。典型的单项技术包括透水铺装、绿色屋顶、下沉式绿地、植草沟、雨水湿地和生物滞留设施等[5,6]。

在雨水径流过程研究中，下垫面的特征解析是雨水控制利用技术应用的基础。然而，我国尚缺少精确可靠的下垫面解析技术和大量详实的数据积累。为此，选取屋面、主干道和高架道路等不同下垫面，通过现场采样测试和数理统计分析的方法，研究其各自的雨水径流产汇流规律，为工程方案比选和设计提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1样品采集与测试方法

选取某小区的一个屋面进行雨水径流样品采集，屋面为水泥材质，采样口位于雨水管出口，相应的屋面汇水面积约200 m2。选取某主干道路进行样品采集，路面材质为沥青，采样口为道路雨水口，相应的路面汇水面积约120 m2。选取某高架匝道为典型路段进行样品采集，路面材质为沥青，采样口为道路雨水口，相应的路面汇水面积约180 m2。

从产生地表径流开始，30 min内，每间隔5 min采集一次样品；30 min后，每间隔20～30 min采集一次样品，直至降雨和径流结束（或显著减小且地表径流的浊度显著降低）。所有水样采集后均立刻放入便携式采样箱冷藏保存（0～4℃），样品运回实验室保存和分析测试。

该项研究测定的主要水质指标包括SS、CODCr、NH+4-N和TP等。SS测试采用重量法（GB 11901-89），CODCr测试采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007），NH+4-N测试采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535-2009），TP测试采用钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）[7]。

1.2降雨事件的过程参数

为了配合雨水径流的产汇流特征分析，在采样点周边设置自动雨量计（RG3-M型）同步监测雨量，7场降雨事件的过程参数见表1所列。

2　结果与讨论

2.1屋面雨水的产汇流特征

屋面雨水径流SS、CODCr、NH+4-N和TP等污染物特征统计情况见表2～表5所列。

从表2～表5可见，屋面雨水的产汇流呈现如下特征：

（1）屋面雨水径流污染物浓度随时间变化较小。

表1　降雨事件的过程参数表

表2　屋面雨水径流SS特性统计表　mg/L

表3　屋面雨水径流CODCr特性统计表　mg/L

表4　屋面雨水径流NH+4-N特性统计表　mg/L

表5　屋面雨水径流TP特性统计表　mg/L

在2010年4次降雨事件中，屋面雨水径流污染物浓度随时间变化较小，并未出现污染物浓度随时间的明显波动现象。其中，SS均在100.0 mg/L以内变化，CODCr均在80.0 mg/L以内变化，NH+4-N均在2.5 mg/L以内变化，TP均在0.4 mg/L以内变化。

（2）屋面雨水径流污染物的相关性较弱。

利用SPSS统计软件对屋面雨水径流污染物进行了相关性分析，结果表明，在2010年4次降雨事件中，屋面雨水径流的各污染物指标之间均不构成显著相关性（置信度为95%～99%）。

（3）屋面雨水径流污染物初始冲刷效应不显著。

标准方差、变异系数（相对方差）和极差系数等指标可以反映样本的离散程度，用于分析雨水径流污染物的浓度变化，可以表征雨水径流污染特性。统计指标值越大，雨水径流污染的初始冲刷效应越显著。由统计结果可见，在2010年4次降雨事件中，屋面雨水径流的污染物初始冲刷效应不显著，各项污染物指标的变异系数基本小于20.0，级差系数均小于1.0。因此，对屋面雨水径流采用初期雨水弃流措施可能难以产生明显的效果。

2.2主干道路雨水的产汇流特征

城市主干道路雨水径流SS、CODCr、NH+4-N和TP等污染物特征统计情况见表6～表9所列。

表6　主干道路雨水径流SS特性统计表　mg/L

表7　主干道路雨水径流CODCr特性统计表　mg/L

表8　主干道路雨水径流NH+4-N特性统计表　mg/L

表9　主干道路雨水径流TP特性统计表　mg/L

从表6～表9可见，主干道路雨水的产汇流呈现如下特征：

（1）主干道路雨水径流污染物浓度随时间变化较大。

在2010年4次降雨事件中，城市主干道路雨水径流污染物浓度随时间变化较大，出现污染物浓度随时间的增加而显著变小的趋势。其中，SS最小值为57.5 mg/L，最大值为1133.0 mg/L；在降雨的前30 min内，SS浓度均超过30 mg/L。CODCr最小值为22.2 mg/L，最大值为383.0 mg/L；在降雨的前30 min内，CODCr浓度均远超100.0 mg/L。NH+4-N最小值为0.2 mg/L，最大值为2.6 mg/L；在降雨的前30 min内，NH+4-N浓度均超过0.3 mg/L。TP最小值为0.1 mg/L，最大值为1.6 mg/L；在降雨的前30 min之内（除2010年4月21日降雨事件之外的部分样品），TP浓度基本小于3.0 mg/L。

（2）主干道路雨水径流污染物的相关性较弱。

SPSS统计软件分析结果表明，在2010年4次降雨事件中，主干道路雨水径流的各污染物指标之间均不构成显著相关性（置信度为95%～99%）。

（3）主干道路雨水径流污染物初始冲刷效应显著。

在2009年4次降雨事件中，主干道路雨水径流污染物初始冲刷效应较为显著。在降雨的前5 min内，主干道路雨水径流的最大SS和CODCr浓度分别达到860.0 mg/L和360.0 mg/L。同时，主干道路雨水径流的SS和CODCr标准方差最大值分别达到297.5和111.5，变异系数最大值分别达到76.9和58.0，较屋面雨水径流均显著增大。因此，对主干道路雨水径流采用初期雨水收集处理措施可能具有较好的控制效果。

2.3高架道路雨水的产汇流特征

高架道路雨水径流SS和CODCr特征统计情况见表10和表11所列。

从表10和表11可见，高架道路雨水的产汇流呈现如下特征：

表10　高架道路雨水径流CODCr特性统计表　mg/L

表11　高架道路雨水径流SS特性统计表　mg/L

（1）高架道路雨水径流污染物浓度随时间变化较大。

在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水径流污染物浓度呈现随时间的增加而显著变小的趋势。在相同的降雨历时内（40 min），3场降雨的CODCr标准方差分别为171.0、100.0和124.0，变异系数分别为2.0、1.5和1.1，级差系数分别为1.2、0.9和0.6。从大到小依次排序发现，3月21日降雨事件的CODCr标准方差、变异系数和级差系数均为最大，表明该降雨事件的CODCr离散程度最大。结合8月7日降雨事件的过程参数发现，3月21日降雨事件的最大降雨强度明显大于其他2场降雨事件，推测高架道路雨水径流的CODCr冲击负荷受（最大）降雨强度的影响较大。3场降雨的SS标准方差分别为264.0、226.0和206.0，变异系数分别为1.5、3.0和1.5，级差系数分别为0.9、1.6和0.9。从大到小依次排序发现，6月4日降雨事件的SS变异系数和级差系数均为最大，表明该降雨事件的SS离散程度最大。结合3场降雨事件的过程参数发现，6月4日降雨事件的前期晴天数和最大降雨强度明显大于其他2场降雨事件，推测高架道路雨水径流的SS冲击负荷受前期晴天数的影响较大。

（2）高架道路雨水径流污染物指标的相关性较强。

SPSS统计软件分析结果表明，在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水径流的主要污染物CODCr与SS均呈显著正相关（置信度为95%～99%）。据此推测，高架道路雨水径流的大部分污染物是由颗粒物质所携带的。因此，通过加强对高架道路的清扫，减小颗粒物质的累积，并对雨水径流进行截流、调蓄、沉淀或旋流分离处理可以有效地控制污染物总量。

（3）高架道路雨水径流污染物初始冲刷效应显著。

在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水径流呈现产汇流时间短和初始污染物浓度高的特点。在降雨的前5 min内，高架道路雨水径流的SS浓度分别达到1 246.0 mg/L、635.0 mg/L和 892.0 mg/L，CODCr浓度分别达到 626.0 mg/L、426.0 mg/L和635.0 mg/L。因此，高架道路雨水径流存在显著的污染物初始冲刷效应，且SS的初始冲刷程度大于CODCr。