城镇化屋面雨水径流污染物变化特征研究

郭 宇，陈伟伟

(1.河南省焦作水文水资源勘测局， 河南 焦作 454000；2.黄河水利科学研究院 水利部黄河泥沙重点实验室， 河南 郑州 450003)

城镇化进程的加快使得不透水面表层累积的污染物在径流冲刷效应情况下所形成的非点源污染成为城市水体恶化的主要来源之一。自20世纪70年代以来，国外开展了不同下垫面类型初期径流冲刷效应、降雨径流污染模型开发与应用、及其对受纳水体的影响等方面的研究[1-6]，集中体现在构建模型、初期雨水控制、面源管理措施等方面。我国自20世纪80年代开始对降雨径流污染进行采样监测，集中体现在径流水质与变化规律、径流水质统计与分析、定量分析计算污染负荷、模型适宜性应用等方面[7-11]；同时，对城镇雨水径流污染效应与截流式合流制溢流水污染进行对比分析，在雨水径流污染物种类、变化规律及其影响因素等方面取得相应成果，为城镇雨水径流污染控制奠定基础[12-16]。

研究表明[2]，径流上涨阶段为径流污染负荷的主要输出时间段，污染浓度峰值较径流峰值往往提前，但有关对受纳水体影响程度、污染负荷定量分析等相关成果较少。本文根据新乡市区2015年屋面降雨径流水文水质变化特征的实时监测情况，对雨污合流致城区屋面径流污染负荷进行定量研究，旨在为海绵城市建设、面源污染调控等提供支撑。

1 试验监测与数据分析

本次试验地点选择在新乡市某事业单位的办公楼顶，下垫面铺设沥青防水材料，采样区面积187.5 m2，呈矩形。结合建筑物布局，布设雨落管1根，利用75 L聚乙烯桶收集天然降雨条件下的雨水径流。试验点附近建有自动气象站，根据监测的场次降雨过程，将单次采样耗时与容器体积分析的瞬时径流量作为采样起止时刻中值径流量，采用径流强度、降雨强度描述场次降雨过程。利用500 mL聚乙烯瓶收集径流水质，指标包括SS(固体悬浮物)、COD(化学需氧量)、TN(总氮)，水样按照环境监测标准方法进行分析。采样频率为降雨前30 min内间隔5 min采集水样1个，30 min～60 min内间隔15 min采集水样1个，其后间隔30 min采集水样1个。

污染物浓度分析方法为径流过程中污染物流量与其加权平均浓度，如式(1)所示：

(1)

式中：Cemc为场次径流污染物平均浓度，mg/L；M为场次径流污染物总量，g；V为径流总量，m3；t为时间，min；Ct为t时刻污染物浓度，mg/L；Qt为t时刻雨水径流流量，m3/min；Δt为采样间隔时间，min。

2 污染物特征分析

根据7场次降雨径流水质变化过程的监测情况，水质指标的变化范围、均值、标准差率、Cemc见表1。分析可知，降雨径流COD浓度范围约4.90 mg/L～594.20 mg/L，SS约14.0～644.0 mg/L，TN约1.16 mg/L～41.6 mg/L；场次平均浓度范围COD约30.96 mg/L～255.43 mg/L，SS约53.27 mg/L～428.18 mg/L，TN约8.27 mg/L～25.48 mg/L。分析可知，污染物的标准差率变化均呈SS>COD>TN的规律，这与试验过程中水质指标浓度的变化情况相类似。

在降雨径流冲刷效应下，初期径流中COD浓度较高，干期累积的污染物被冲刷并携带进入径流中，随着降雨持续，雨水径流中COD浓度逐渐变小，最后稳定在相对较小的浓度范围内，处于一个较低水平。

屋面径流中SS含量的高低与材料之间没有特别明显的关系，主要来自于大气沉降，固体颗粒积累量决定了初雨径流中SS的含量。受降雨干期长度的影响，导致屋面固体颗粒物积累量有所不同，使得初期径流中SS存在较大差异。

屋面径流中TN浓度处于较高水平，最高达到41.6 mg/L，主要原因与其表层铺设材料的组成成分密切，沥青在老化分解过程中会释放含氮有机物。虽然降雨径流过程中TN浓度变化有些波动，但随着降雨历时延长，其浓度变化总体也呈逐渐降低的趋势。

可见，屋面雨水径流水质状况与其下垫面表层的污染物累积量较为密切，与场次降雨时间间隔、降雨量、降雨历时、下垫面新旧程度以及自身老化析出物等因素有关。但COD、SS、TN等指标的浓度变化规律大体一致，即随着降雨历时的延长其浓度逐渐降低，并趋向于一个稳定值，处于一个较低的水平。

3 污染负荷定量计算

采用降雨径流污染物平均浓度法分析污染负荷量，如式(2)所示：

(2)

式中：CM为污染物径流年均浓度，mg/L；Ws为径流总量，m3；WT为污染负荷量，mg。由于污染物浓度、径流量等与场次降雨过程密切相关，因此，采用SS、COD、TN作为屋面径流污染物负荷的主要指标。

根据新乡市雨量站监测数据，2015年城区降水量为520.71 mm，与多年平均较为接近，具有一定代表性。研究表明[17]，一般情况下，1 mm降水量可湿润下垫面，1 mm～10 mm降水量可形成径流。资料分析表明，2015年新乡市区有效降雨次数36场，有效降雨量485.9 mm。根据笔者以前研究成果[12-15]，新乡市区屋面径流系数为0.93，则2015年有效径流量为451.9 mm，市区屋面径流量为684.63 m3。结合试验采样频率、地点代表性等影响因素，将屋面雨落管口的污染物场次平均浓度作为污染物负荷计算基础，以降雨量为权重，分析屋面雨水径流污染负荷。可知，屋面SS、COD、TN的平均浓度分别为149.32 mg/L、85.75 mg/L、11.59 mg/L，污染负荷量分别为102.23 kg、58.71 kg、7.94 kg。根据新乡市城区屋面面积、污染物负荷量等，2015年屋面SS、COD、TN的输出系数分别为674.8 kg/(hm2·a)、387.5 kg/(hm2·a)、52.4 kg/(hm2·a)。

目前，由降雨径流污染形成城市面源控制已取得成效，但降雨初期高浓度污染物排入受纳水体对其影响依然较大，具有随机性强、变化过程复杂等特性。由城镇化雨水径流污染所带来的受纳水体水质恶化情况应引起重视，亟待开展相关基础性研究。

表1 屋面径流污染物特征值

4 初期冲刷效应

初期冲刷效应受影响因素较多，其中降雨强度、地表径流量、流域面积、下垫面类型、污染物性质等是影响初期冲刷的主要因素，这些因素具有较为明显的区域特征，对于不同地区的研究结果可能会存在很大差别。一般情况下，地表径流初期冲刷现象在汇水面积较小的区域容易发生。因此，初期冲刷的判断与度量对于城市小流域地表径流污染的治理具有重要意义。

本节参考已有研究成果[14-15,18-20]，建立M(V)曲线用来表征污染物负荷量随径流量的变化过程进行分析，横坐标采用累积径流量与总径流量的比值，纵坐标采用累积污染物负荷量与总污染物负荷量的比值，建立曲线表征污染物负荷与径流量之间的关系，如式(3)所示：

L=f(F)

(3)

式中：L为无量纲化处理后污染物负荷量；F为无量纲化处理后雨水径流量。

(4)

式中：w(t)为t时刻径流污染负荷量，mg；W为雨水冲刷污染物总负荷量，mg；C(t)为t时刻污染物浓度，mg/L；Q(t)为t时刻雨水径流量，L/min；t′为径流计算时间，min。

(5)

式中：v(t)为t时刻雨水径流量，L；V为雨水总径流量，L；其它符号意义同上。

通过曲线偏移平衡线(45°线)的最大值分析评价降雨径流的初期冲刷效应程度，其中45°线表征降雨径流事件中污染物浓度保持稳定。若降雨径流水质参数均位于平衡线上方，表明在初始径流中大部分污染负荷已经被输送，存在初期冲刷效应。当数值位于45°线下方时，则污染负荷的输出要小于径流输出发生的稀释效应。分别计算屋面SS、COD、TN在不同场次降雨中累积径流量、累积污染负荷，采用M(V)曲线分析不同降雨特征下的初期冲刷效应，如图1、图2、图3所示。分析可知，降雨径流中SS、COD、TN在所有降雨场次中污染物累积曲线斜率均大于1，符合初始冲刷定义，发生了初始冲刷。

图1 屋面SS初始冲刷效应

图2 屋面COD初始冲刷效应

图3屋面TN初始冲刷效应

可以看出，11月8日降雨径流污染物累积曲线与对角线的距离最大，最大离散点出现在26.9%，表明26.9%的径流量冲去了62.3%的污染物(以SS计，下同)，初期冲刷效应最显著。7月23日降雨径流初期冲刷效应最不明显，最大离散点在52.5%处，表明52.5%的径流量冲刷去了67%的污染物，初期冲刷效应最不明显。其余场次降雨最大离散点在12.5%～35.1%之间，径流量冲刷去了31.4%～60.7%的污染物。对比11月8日、7月23日的降雨强度、径流量等，分析可知，时间段内降雨强度越大，降雨前期干期历时越长，M(V)值(初期冲刷率越高，标准化后的污染物量与径流量的比值)越大，初期冲刷效应越明显。

由图1、图2、图3所示可知，11月8日降雨的M(V)值最大，场次降雨中初期冲刷效应最明显；7月23日降雨的M(V)值最小，场次降雨中初期冲刷效应最不明显。

5 结 论

(1) 污染物指标SS、COD、TN的浓度变化趋势大体一致，即随着降雨过程的延续其浓度逐渐降低，并趋于一个稳定的浓度范围，处于较低水平。污染物标准差率呈SS>COD>TN的规律，与各自浓度变化过程曲线的指向性基本一致，与笔者以往相关结论较为相似。

(2) 采用降雨径流污染平均浓度法对屋面污染负荷进行了分析与计算，2015年试验区屋面径流量684.63 m3，SS、COD、TN污染负荷量分别为102.23 kg、58.71 kg、7.94 kg，输出系数分别为674.8 kg/(hm2·a)、387.5 kg/(hm2·a)、52.4 kg/(hm2·a)。受区域水文气象、下垫面特征、降雨情况等因素影响，参照同行有关输出系数的研究结果，本文的污染物输出系数的计算结果在已有研究成果范围内。

(3) 利用M(V)曲线对污染物负荷量随雨水径流量增加的变化过程进行了分析，结果表明，SS、COD、TN在所有场次降雨中污染物累积曲线斜率均大于1.0，发生了初始冲刷，且以11月8日降雨的初始冲刷效应最为明显。结合发生初期冲刷效应的前期条件，与同行的研究结果相比具有一定的创新。

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