基于MFF30方法的城市降雨径流初期冲刷效应*

李 琪，张 娜,2†，罗英杰，王 昕，景永才

(1 中国科学院大学资源与环境学院， 北京 101408； 2 中国科学院怀柔生态环境综合观测研究站， 北京 101408)

在城市化进程中，大量生态用地转变为不透水下垫面，使得雨水下渗减少、地表径流量增加、径流污染物浓度明显升高[1-4]，造成城市内涝频繁发生、面源污染加剧的现象。在径流污染的控制过程中，对整场降雨的径流污染物全部进行控制的做法既不经济也不现实。有研究表明，在降雨初期径流中常携带大量污染物，即初期冲刷效应，其对径流污染起着重要作用，因此，控制初期冲刷效应可对控制径流污染起到事半功倍的效果[5]。而合理判别降雨径流的初期冲刷效应，并科学评估冲刷强度，是控制初期冲刷的重要基础，对于指导经济有效地控制径流污染意义重大。

20世纪80年代以来，国内外学者对径流初期冲刷效应的判别进行了大量研究。其中，应用最广泛的是基于累积污染负荷比例-累积径流比例的M(V)曲线判别法。该法是对某次降雨事件的某种污染物计算该污染物随时间的累积负荷占总污染负荷的比例，以及径流随时间的累积量占总径流量的比例，建立M(V)曲线。最简单、最粗略的方法是，在径流产生的任意时段内，只要M(V)曲线位于对角线上方，即认为发生了初期冲刷[6-8]。这种方法对判别初期冲刷是否存在的要求最低，且仅能定性判别冲刷的有无。更通常地是从累积径流比例与累积污染负荷比例的关系间接判别，主要有FFn/m法和MFFn法。FFn/m法表示若前n%的地表径流携带的累积污染负荷比例大于m%，则认为发生了初期冲刷[9-11]。所需的累积径流量越小(即n/m越小)，初期冲刷效应越强。该法计算简便，含义明确易懂，应用最广。然而，FFn/m法的一个重大缺陷是，对于n/m需小到什么程度才被认为是强冲刷，并没有一个固定的依据。MFFn表示当产生前n%的地表径流时，累积污染负荷比例与累积径流比例的比值[12]。相比FFn/m法，该法最大的优势是能给出一个明确的依据，判别m/n需达到多大时才被认为是强冲刷。然而，目前更多根据MFF30的大小将初期冲刷效应分为无冲刷、弱冲刷和强冲刷3级，这种分类标准对初期冲刷效应强弱的判别仍较粗，有时虽从M(V)曲线可明显识别出冲刷强度之差别，但用此标准却无法判别出这种差异。因此，细化对初期冲刷效应强度的评价十分必要。

初期冲刷效应因下垫面的不同而不同。目前大量研究关注的是下垫面的类型及不透水面积比例。有研究表明，初期冲刷效应在不透水面积比例较高的路面更易发生[13]，沥青油毡屋面的初期冲刷效应强于水泥混凝土路面[14]，而水泥混凝土屋面强于沥青路面[12]。也有研究表明，平顶屋面发生初期冲刷效应的强度高于坡顶屋面[5]。同时，一些研究关注下垫面的使用属性对初期冲刷效应的影响。例如，交通流量大的高速路面的雨水径流是暴雨污染的最重要来源[15]；且交通流量越大，初期冲刷效应越强[16]。然而，对下垫面材料性质(如曼宁系数和洼蓄量)和地表特征(如坡度和漫流宽度)如何影响初期冲刷效应的研究仍较为缺乏，相关规律和结论有待提炼。

本研究提出基于MFF30的初期冲刷效应强度评价5级分类标准，选取北京市区和郊区7种典型子汇水小区，综合分析M(V)曲线和污染物浓度变化曲线，运用细化的分类标准探讨在不同降雨事件中，具有不同类型及地表特征或材料性质的下垫面上发生的初期冲刷效应，以期为城市雨洪管理和海绵城市建设提供依据。

1 材料与方法

1.1 典型子汇水小区的选取

根据城市常见下垫面的类型、地表特征(坡度和漫流宽度)和材料性质(曼宁系数和洼蓄量)，选取7个典型子汇水小区，其中4个位于北京郊区(中国科学院大学怀柔校区)(JL1，JL2，JQ1和JQ2)，3个位于北京市区(四环内)(SH1，SL1和SHLV1)(表1)。

1.2 实地监测、采样和水质测定

选取具有不同量级、前期干燥天数、雨强动态变化的7个降雨事件(表2和图1)。用置于楼顶的雨量计(HOBO RG3-M)自动记录降雨强度和持续时间，计算每分钟的降雨量及累积降雨量(图1)。

在选取的7个典型子汇水小区中，实测地表径流过程及其水质。自制一个地表径流测定系统(图2)。降雨时，将集雨漏斗放在选定的雨水井边沿，使径流经集雨漏斗汇集到雨水井内的塑料桶中；用抽水泵将桶内水随时抽出，每几分钟记录一次水表读数，可计算该时段内的地表产流量。由于抽水泵在几秒内即可将整桶水及时抽干，故可忽略地表产流速率与抽水泵抽水速率之间的差异。在记录水表读数的同时，采集水样。一般地，径流初期30 min内每2 min记录和采样一次，之后的记录和采样频率视雨强和流量在5～30 min变化，直至降雨结束。

表1 选取的7个子汇水小区的基本特征Table 1 Characteristics of the seven selected subcatchments

注：子汇水小区的命名原则为：第1个字母表示市区或郊区；中间1～3个字母表示下垫面类型的首字母；最后的数字表示对应下垫面类型的排序。

表2 选取的7个降雨事件的基本特征Table 2 Characteristics of the seven selected rainfall events

图1 选取的7个降雨事件中累积降雨量的动态变化Fig.1 Variations in the cumulative rainfall during the seven selected rainfall events

(a)集雨漏斗，(b)抽水泵，(c)水表，(d)软管，(e)塑料桶。图2 自制地表径流测定系统Fig.2 The self-made surface runoff measurement system

在实验室，用标准方法测定水样中的总悬浮颗粒物(TSS)、化学需氧量(COD)和总氮(TN)(表3)。

表3 水质测定方法Table 3 Methods for water quality measurement

1.3 初期冲刷效应的判别方法

污染物初期冲刷率MFFn[17]的计算如下

式中：M为污染物总量；V为地表径流总量；t为径流量达到n%的时刻；Ct为t时刻污染物浓度；Qt为t时刻地表径流量。

本研究生成MFF30(即当产生前30%的地表径流时，累积污染负荷比例与累积径流比例的比

值)的5级分类标准(表4)，以评价7个典型子汇水小区每场降雨的径流初期冲刷效应。通过与FFn/80法(即携带80%的累积污染负荷所需的累积径流比例)比较，说明MFFn法的优势；通过与MFF20和MFF40法比较，说明MFF30法的优势；通过与MFF303级分类标准[5]比较，说明本研究提出的MFF305级分类标准的优势。

表4 MFF30的5级分类标准Table 4 Five-level classification criteria of MFF30

注：FF30表示前30%的地表径流携带的累积污染负荷比例。

2 结果分析

2.1 MFF30法与其他基于M(V)曲线的判别方法的比较

本研究表明，在发生中等及以上级别初期冲刷效应的17种情形(对应不同的下垫面和降雨量级)中，有13种情形的M(V)曲线转折点(M(V)曲线从迅速增加到开始变缓的点)出现的时刻与前30%的地表径流发生的时刻基本吻合。说明在整个产流过程中，前30%的地表径流所累积的污染负荷最为重要，冲刷效应最强。相对地，前20%或40%等的径流发生的时刻与M(V)曲线转折点出现的时刻多有出入。因此，MFFn法中，MFF30法判别初期冲刷效应的效果优于MFF20或MFF40等类似方法(以2016年8月18日中雨时TSS和COD的M(V)曲线为例说明(图3))。同时，在这17种情形中，有12种情形的M(V)曲线转折点出现的时刻与累积达到80%的污染负荷的时刻不吻合。因此，FFn/80法判别初期冲刷效应的效果远不及MFF30法(以2016年8月18日中雨时TSS和COD的M(V)曲线为例说明(图3))。

▲表示MFF20或MFF40法的识别点；●表示M(V)曲线转折点；■表示MFF30法的转折点；◆表示FFn/80法的转折点。图3 MFF30法、MFF20法、MFF40法、FFn/80法判别初期冲刷效应的比较Fig.3 Comparison of the effectiveness of identifying first flush effect among MFF30, MFF20, MFF40, and FFn/80 methods

更进一步，MFF30值在1.50～2.00之间的M(V)曲线与1.00～1.50之间的M(V)曲线相比时，前者距对角线的距离明显大于后者(如图4(g)的JL1和JL2、图5(c)的JL1和JL2)，5级分类标准将其加以区分：分别认为是中等冲刷和弱冲刷，而3级分类标准认为均是同等程度的弱冲刷。同样，5级分类标准又将3级分类标准的强冲刷细化为强冲刷和很强冲刷(表4、表5和表6)。因此，本研究的5级分类标准比3级分类标准更能明显识别初期冲刷效应的强度。

图4 TSS的M(V)曲线Fig.4 M(V) curves of TSS

图5 COD的M(V)曲线Fig.5 M(V) curves of COD

表5 市区子汇水小区降雨径流中TSS、COD和TN的初期冲刷效应Table 5 First flush effect of rainfall runoff on TSS, COD, and TN in urban subcatchments

表6 郊区子汇水小区降雨径流中TSS、COD和TN的初期冲刷效应Table 6 First flush effect of rainfall runoff on TSS, COD, and TN in suburban subcatchments

本研究的5级分类标准比3级分类标准更能准确区分初期冲刷效应的强度。例如，图4(g)和5(c)中，与MFF30值在1.00～1.50之间的JL2的M(V)曲线相比，MFF30值在1.50～2.00之间的JL1的M(V)曲线距对角线的距离明显较大，用5级分类标准可区分这种差异，分别为中等冲刷和弱冲刷，但用3级分类标准却无法区分这种差异(表6)。同时，5级分类标准将3级分类标准中的强冲刷细分为强冲刷和很强冲刷(表5和表6)。

2.2 不同污染物的初期冲刷效应

2.2.1 TSS的初期冲刷效应

在市区，与不透水下垫面相比，在SHLV1的混凝土屋顶-绿地上，小雨时虽然无地表径流产生，但中雨时，不仅产生地表径流且TSS的初期冲刷效应最强，MFF30达到2.47，累积径流比例达30%需18 min，之后，M(V)曲线上升速率明显降低，初期冲刷效应开始减弱(表5、图4(b)和4(d))。

在郊区，中雨时，与校内JL2相比，虽同为沥青路面，但校外JL1的初期冲刷效应却很强；产流15 min时，前10%的径流即可携带61%的TSS负荷，TSS浓度也达到峰值；MFF30高达2.66(表6和图4(c))。

总体来说，对于TSS，在小雨、中雨、大雨和大暴雨时，JL2、JQ1、JQ2和SH1的初期冲刷效应均弱或无；SL1和SHLV1的初期冲刷效应均很强；JL1的变化最大，可能弱(如仅隔1 d的小雨和2017年大雨时)，也可能很强(如前期干燥天数超过10 d的中雨时)(表5、表6和图4)。

2.2.2 COD的初期冲刷效应

在市区，小雨时，虽同为不透水下垫面，坡度较大且干扰较多的SL1的初期冲刷效应却达到很强级别，MFF30高达2.73，累积径流比例达30%需11～20 min(表5、图5(b)和5(d))。

在郊区，只有在大雨时，在坡度较大的JL2的COD初期冲刷效应可达强级别，MFF30为2.35(表6和图5(f))。

总体来说，小雨、中雨、大雨和大暴雨时，JL1、JQ1、SH1、SHLV1和JQ2的COD初期冲刷效应均中等、弱或无；SL1的初期冲刷效应均强或很强；而JL2的初期冲刷效应变化最大，小雨和中雨时弱，大雨时强(表5、表6和图5)。

2.2.3 TN的初期冲刷效应

小雨、中雨和大雨时，无论下垫面的坡度、透水性和污染源如何，TN的效应均弱或无，最强也仅刚达到中等级别。大暴雨时，初期冲刷效应明显加强，接近或达到强级别(表5、表6和图6)。

2.3 不同降雨的径流污染物的初期冲刷效应

本研究计算了在小雨、中雨、大雨和大暴雨时，各子汇水小区前30%的地表径流中携带的累积污染负荷比例(FF30)的平均值、中位数和标准差(图7(a))。

总体来看，随着降雨量的增大，FF30呈现逐渐增加的趋势，大暴雨时达到最大(0.46±0.09)，小雨时最小(0.34±0.06)。然而，2016年7月12日中雨时的初期冲刷效应强于2017年6月22日大雨，FF30分别为(0.43±0.13)和(0.35±0.11)；2016年8月12日小雨时的初期冲刷效应强于2016年8月18日中雨，FF30分别为(0.45±0.12)和(0.40±0.11)(图7(a))。

2.4 不同下垫面的径流污染物的初期冲刷效应

本研究计算7个典型子汇水小区在7场不同降雨事件中的FF30的平均值、中位数和标准差。总体来说，透水砌砖路面和的混凝土路面的初期冲刷效应较弱，不透水沥青路面的初期冲刷效应最强，混凝土屋顶-绿地的初期冲刷效应居中(图7(b))。

3 讨论

3.1 降雨对初期冲刷效应的影响

降雨量、前期干燥天数和雨强的动态变化对初期冲刷效应均有很大的影响[11,18]。

在其他条件近似的情况下，雨前干燥天数越长，地表累积的污染物越多，初期冲刷效应也会越强[19]。例如，JL1在中雨时TSS的初期冲刷效应强，但大雨时仅为弱或中等(图4(c)、4(e)和4(f))。这是因为：中雨发生前的干燥天数达12 d，而大雨发生前的干燥天数仅为1～5 d，正是前期干燥天数的差异致使初期冲刷效应有很大差异。

雨强的时间动态对初期冲刷效应也有很大影响[18]。例如，在SL1的沥青路面，即使在小雨和中雨且前2天有小雨的情况下，也发生了强的TSS初期冲刷效应；但在JL2的沥青路面，即使在大雨且前期干燥天数较长(5 d)的情况下，也仅发生弱TSS初期冲刷效应(图4(b)和图4(f))。这与雨强的动态特征密切相关[19]。尽管2016年8月7日的降雨达到大雨量级，但在开始的40 min内，总降雨量仅0.7 mm；在随后的30 min内，雨强才开始迅速增加，降雨量达到18.0 mm。可见，如果初始雨强明显较低，且径流累积到30%历时较长，则径流对污染物的初期冲刷将十分有限，即使总降雨量较大(如JL2)。相反，即使总降雨量较小，但若初始雨强并不明显地低于中期雨强，但若初始雨强并不明显地低于中期雨强(如2016年8月12日的小雨(图1(b)))，则径流对污染物的初期冲刷效应可能较强(如SL1)。

更重要地，初期冲刷效应是降雨量、雨强的动态变化、前期干燥天数综合作用的结果，而不是某单个降雨因素的作用。例如，2016年7月12日中雨的初期冲刷效应强于2017年6月22日大雨(图7(a))，这是因为尽管中雨的降雨量较小，但初始雨强更大、变化更稳定，且前期干燥天数更长，这对初期冲刷效应有很大的促进作用。而2016年7月27日小雨时冲刷最弱，这是因为所选小雨事件，不仅总降雨量最小，且雨强分布较均匀、径流对下垫面的冲刷力度较弱，加之前期干燥天数仅为1 d、上一场降雨已经携带冲刷部分污染物，致使小雨时初期冲刷效应大多不是很明显。

图6 TN的M(V)曲线Fig.6 M(V) curves of TN

□表示平均值；×表示最大值或最小值；矩形内长横线表示中位数；短横线表示标准差。图7 对不同子汇水小区的FF30Fig.7 The FF30 values for different subcatchments

3.2 下垫面对初期冲刷效应的影响

下垫面特征对地表产流和汇流，以及污染物的累积和冲刷均有显著影响，而这些影响最终可反映在初期冲刷效应的差异上[2]。

3.2.1 下垫面类型及其材料性质对初期冲刷效应的影响

下垫面的类型(如沥青路面、混凝土路面、砌砖路面、绿地)不同，其材料性质可能有很大差异，主要表现在透水性、曼宁系数和洼蓄量上。其他条件近似时，透水性较强、曼宁系数和洼蓄量较大的砌砖路面的产流量也较低，这时，可通过径流冲刷携带的污染负荷较少，初期冲刷效应通常不明显。例如，尽管JQ1的透水砌砖路面的坡度和漫流宽度比JL1和JL2的不透水沥青路面大得多，但其地表产流量始终最低，前30%的地表径流携带的累积污染负荷均最少，这导致同场小雨时JQ1的TSS初期冲刷效应均比JL1和JL2弱(图4(a))，以及同场中雨和大雨时JQ1的TSS、COD和TN的初期冲刷效应弱于JL1或JL2(图4(c)、4(e)、5(c)、5(e)、6(c)和6(e))。

但另一方面，曼宁系数较大的粗糙地表在前期干燥时期可拦截更多的污染物，因此，尽管其产流量总是很低，但由于地表可累积的潜在污染物较多，在产流的情况下，累积径流比例达到30%时，被径流冲刷携带的累积污染物可能并不比产流量高的子汇水小区低。这也是为什么JQ1砌砖路面的初期冲刷效应有时甚至强于JL1和JL2沥青路面的原因(图5(a)、5(f)和6(f))。对这种现象的解释在SLV1屋顶-绿地中获得进一步验证。小雨时SLV1地表不产流。同场中雨时，尽管SLV1的产流量总是最低，但其初期冲刷效应却大多强于SH1或SL1(图4(d)和5(d))。

3.2.2 下垫面坡度和漫流宽度对初期冲刷效应的影响

除类型及其材料性质之外，下垫面的坡度和漫流宽度也对初期冲刷效应有很大影响。其他条件近似时，坡度越大，径流流速越大，累积于地表的污染物可被冲刷携带的概率越高；漫流宽度越大，累积的污染物量越大，相应地，可被冲刷携带的概率也越高。例如，同场小雨和中雨时，同为不透水下垫面，坡度较大的SL1的TSS、COD和TN的初期冲刷效应均比坡度较小的SH1强(图4(b)、4(d)、5(b)、5(d)、6(b)和6(d))。又如，同场小雨时，同为沥青路面，坡度较大的JL2的TSS和COD初期冲刷效应均略强于坡度较小的JL1(图4(a)和5(a))；同场大雨时，JL2的TN初期冲刷效应也略强于JL1(图6(e)和6(f))。

更进一步地，尽管总的来说坡度较大的JL2的初期冲刷效应略强于JL1(图7(b))，但并非总是如此。中雨时，JL1的TSS初期冲刷效应很强，而JL2却很弱(图4(c))；大雨时，JL1的TSS的初期冲刷效应也强于JL2(图4(e)和4(f))。JL1位于校外交通主干道旁的辅路，来往较多的车辆和行人使其在雨前已累积大量的污染物；而JL2位于校内马路，几无车辆经过，行人稀少，在相同的前期干燥天数下，地表累积的污染物比JL1少得多。这是两场降雨时JL1的TSS初期冲刷效应强于JL2的主要原因。

3.3 研究缺陷与展望

尽管我们已尽最大努力完成7场降雨的水量和水质监测，获得一些结果和结论，但仍存在明显的缺陷。

首先是子汇水小区的选取。本研究选取的7个子汇水小区的特征各异，它们对初期冲刷效应可产生或正或负的影响，这种交互作用使得无法判定究竟是哪一个因子在起主导作用。接下来拟在获取高分辨率地形图的基础上，细致划分子汇水小区，选取在下垫面特征和地理位置上具有较好可比性的小区，进行实测或模拟研究，探讨各单因素对初期冲刷效应的影响。

其次，由于人员和仪器数量的限制，我们没能做到对市区和郊区的同时测定，使得市区和郊区的结果无法直接进行比较。拟在今后的研究中尽可能加大对人员和仪器的经费投入。

再次，由于纯绿地产流比较困难，本研究对绿地的径流缺乏长时间的连续监测。在今后的研究中，我们将补充这方面的工作。

最后，拟通过模拟手段解决以上这些在实测过程中遇到的问题。同时，也将用模拟获得的更多子汇水小区的数据进一步证明本研究获得的结果。这也是我们正在做的工作。

4 结论

本研究提出的MFF30的5级分类标准具有明显的优势，可以明确地定量判别很强、强、中等、弱或无初期冲刷效应的出现，而且用以判别初期冲刷效应强度的时刻大多与M(V)曲线拐点出现的时刻接近。

在不同降雨事件中，降雨量、前期干燥天数和雨强的动态变化差异很大，对初期冲刷效应的影响错综复杂，因此，不宜直接比较不同降雨事件发生的初期冲刷效应，即使总降雨量处于同一量级。前期干燥天数和雨强的动态变化对初期冲刷效应的影响最大；而总降雨量的影响很小，尽管与总降雨量密切相关的总地表径流量与初期冲刷效应关系密切。

影响初期冲刷效应的下垫面因素包括下垫面的类型及其材料性质(如透水性、曼宁系数和洼蓄量)、地表特征(如坡度和漫流宽度)，以及地理位置等。这些影响错综复杂，通常不是某单个因素就能完全解释的，特别是在人类影响很大的汇水小区。对于坡度较大的子汇水小区，即使是中雨或分布均匀的小雨时，初期冲刷效应也可达到强或很强级别；在人为干扰较多、车流量和人流量大得多的子汇水小区，初期冲刷效应通常也较强。在城市雨洪管理和海绵城市建设中，对这些地方，尤其需要加强初期产流及其面源污染的防控。相反，鉴于砌砖路面的所有污染物的初期冲刷效应均很弱或无，在城市雨洪管理和海绵城市建设中，可大力增加砌砖路面的比例。