雨水徑流污染負(fù)荷評價(jià)方法及水源污染治理對策

袁茂新 陳俊 陳波

（1.常州市城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇常州 213022；2.常州市排水管理處，江蘇常州 213017）

隨著城市建設(shè)的擴(kuò)大，城市人口的增多，城市水文環(huán)境相比自然環(huán)境發(fā)生了根本改變。

城市水文環(huán)境的變化首先是徑流量的增加，以及隨之的徑流時(shí)間的縮短。城市水文環(huán)境除了水量的變化，水質(zhì)的下降也不容忽視。

城市雨水徑流中主要存在的污染物質(zhì)如表1所示。

表1 城市雨水徑流主要污染物

1 雨水徑流取樣實(shí)驗(yàn)

1.1 取樣點(diǎn)及取樣對象

雨水徑流取樣地點(diǎn)位于南方某鎮(zhèn)市政道路。此處為商業(yè)區(qū)，取樣對象為屋頂雨水和路面雨水，同時(shí)為比較雨水水質(zhì)與徑流水質(zhì)的差別，直接收集雨水作為對照。

對每場降雨，第一個(gè)徑流取樣在降雨開始后半個(gè)小時(shí)內(nèi)，隨后每隔30min接取下一個(gè)徑流水樣。屋頂雨水和路面雨水在同一時(shí)間段內(nèi)先后取樣，相隔時(shí)間不超過5min。

1.2 分析儀器及實(shí)驗(yàn)方法

取得的雨水本底及徑流在取樣現(xiàn)場測量其DO等常規(guī)參數(shù)，經(jīng)處理保存的水樣在3d內(nèi)相繼進(jìn)行SS、COD、TOC、TN、TP等參數(shù)測量。各參數(shù)測量儀器或方法歸納于表2。

表2 雨水本底及徑流參數(shù)測量儀器或方法

1.3 雨水徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雨水徑流取樣分析期間取得的20余次雨水徑流污染物數(shù)據(jù)，選取降雨歷時(shí)較長且結(jié)果具有代表性的一場降雨的雨水徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及結(jié)果討論。

圖1～6示出了代表性降雨的屋頂徑流和路面徑流各污染物參數(shù)隨時(shí)間變化的柱狀圖，圖中橫線為雨水的本底測量結(jié)果，橫坐標(biāo)原點(diǎn)為降雨初始時(shí)刻。

分析圖1～6的雨水徑流數(shù)據(jù)結(jié)果，并與雨水本底進(jìn)行比較，可以看出：

1)對DO數(shù)據(jù)，屋頂和路面雨水徑流均較雨水本底低。屋頂雨水徑流DO值隨時(shí)間變化不大；路面雨水徑流在初雨時(shí)水質(zhì)處于缺氧狀態(tài)，DO值隨降雨歷時(shí)逐漸上升到接近屋頂徑流。這說明初雨時(shí)路面雨水徑流所沖刷的大量耗氧化合物顯著降低了水質(zhì)的DO值。

2)對SS數(shù)據(jù)，屋頂徑流與雨水本底數(shù)值相差不大；路面徑流SS含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過屋頂徑流和雨水本底，初雨時(shí)超過1.0g/L。在降雨后期由于降雨量減小，或雨水浸泡沖刷，路面徑流SS有所波動(dòng)。

圖1 降雨徑流DO值隨時(shí)間變化

圖2 降雨徑流SS值隨時(shí)間變化

圖3 降雨徑流COD值隨時(shí)間變化

圖4 降雨徑流TOC值隨時(shí)間變化

圖5 降雨徑流TN值隨時(shí)間變化

圖6 降雨徑流TP值隨時(shí)間變化

3)對COD數(shù)據(jù)，屋頂徑流雖然相對本底也有一定程度的增大，但污染程度遠(yuǎn)不能與路面徑流相比。路面徑流在初雨時(shí)的COD數(shù)值在800mg/L以上，使初雨時(shí)路面雨水是缺氧狀態(tài)。

4)對TOC數(shù)據(jù)，屋頂徑流和路面徑流均較雨水本底的值高。路面徑流TOC值在降雨初期與屋頂徑流相差不大，在降雨后期兩者均增高，且路面徑流TOC顯著增大。

5)對TN數(shù)據(jù)，屋頂徑流>雨水本底>路面徑流，并且屋頂徑流的TN濃度在降雨后期升高明顯。這一現(xiàn)象說明取樣點(diǎn)處屋頂所放置的雜物或采用的涂料使屋頂成為TN的來源，降雨后期屋頂徑流TN的升高是因?yàn)閺搅髁康臏p少導(dǎo)致雨水對TN的稀釋作用減弱，同時(shí)沖刷溶解引起污染物的增多。路面徑流TN相對雨水本底偏低或接近，可知氮類化合物在路面富集程度微弱，路面徑流中的TN主要來自雨水本底。

6)對TP數(shù)據(jù)，屋頂徑流與雨水本底基本一致，可見屋頂徑流對雨水徑流中TP的濃度貢獻(xiàn)不大。路面徑流的TP濃度較屋頂徑流和雨水本底更高，這說明了路面沉積顆粒物對含磷化合物的吸附和結(jié)合導(dǎo)致了路面徑流成為雨水徑流中TP的主要來源。

由結(jié)果可見，COD與TOC的變化規(guī)律存在偏差，其原因是：

1)由于COD測量的污染物除有機(jī)物外，還包括其他還原類物質(zhì)，因此在降雨初期，亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等物質(zhì)附著在SS上被徑流沖刷攜帶或溶解在徑流中，造成初雨時(shí)COD的顯著偏高；初雨后屋頂及路面還原類物質(zhì)所剩不多，濃度迅速下降。

2)取樣點(diǎn)周圍密集分布飯館、餐廳等有機(jī)物污染源，在其周邊的油類物質(zhì)沉積會(huì)在降雨歷時(shí)內(nèi)持續(xù)地釋放有機(jī)物。由于亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等還原類物質(zhì)的流失，COD迅速下降，但油類物質(zhì)的持續(xù)釋放使TOC數(shù)據(jù)在降雨后期反而升高。

3)比較屋頂徑流和路面徑流可以發(fā)現(xiàn)，前者的COD和TOC數(shù)值變化基本一致，屋頂污染物可能基本以有機(jī)物質(zhì)為主；后者的COD在初雨后迅速下降，TOC在降雨后期升高，因此路面的初雨徑流攜帶了還原類無機(jī)物和有機(jī)物等更多樣的水體污染物，降雨后期路面徑流的污染物則以有機(jī)物為主。

2 雨水徑流污染物沖刷規(guī)律

2.1 雨水徑流污染物濃度方程

研究降雨徑流對污染物的沖刷、輸送和聚集，應(yīng)用最廣泛的模型是SWMM模型和STORM模型所采用的“一階負(fù)荷模型”。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)對城區(qū)的天然雨水和屋頂、路面徑流的降雨徑流污染物濃度隨時(shí)間變化的實(shí)測曲線統(tǒng)計(jì)分析，可歸納出城市徑流污染物濃度變化的一般表達(dá)式：

式中：

Ct－降雨過程開始t時(shí)間后徑流中的污染物濃度，mg/L

C0－降雨過程開始時(shí)徑流的污染物濃度，mg/L

K－綜合沖刷系數(shù)，表征降雨強(qiáng)度、匯水面性質(zhì)和污染物性狀等綜合影響因素，h-1

雨水徑流中污染物實(shí)測參數(shù)均以濃度為單位，故后續(xù)分析計(jì)算采用如上所示濃度關(guān)系式。

根據(jù)城市徑流污染物濃度變化式，對圖1～6中雨水徑流污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，得到部分污染物濃度隨時(shí)間變化的指數(shù)曲線和R2值，如表3所示。

表3 雨水徑流污染物濃度隨時(shí)間變化指數(shù)方程

2.2 雨水徑流污染物負(fù)荷方程

由表3中使用城市徑流污染物濃度變化式所擬合的方程可見，各污染物濃度隨降雨歷時(shí)變化趨勢不一，部分參數(shù)的濃度反而隨時(shí)間增大。

雨水徑流的污染程度同時(shí)受水質(zhì)和水量的影響，以污染物濃度衡量污染程度是不確切的。采用污染負(fù)荷對雨水徑流面源污染進(jìn)行評價(jià)是度量污染物質(zhì)在水體中污染程度的合理方法。

對雨水徑流污染負(fù)荷，常用的方法是建立徑流負(fù)荷概率模型來進(jìn)行估算。但此方法需要某地長期降雨數(shù)據(jù)且計(jì)算過程復(fù)雜。為簡單迅速估算一場降雨的污染負(fù)荷，可以降雨量與污染物濃度相乘，得到在降雨過程中以單位面積上污染物量表示的污染負(fù)荷。

該場降雨量隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

圖7 降雨量隨時(shí)間變化曲線

將降雨量隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行指數(shù)擬合，得到降雨量隨時(shí)變化指數(shù)方程：

式中：

P－降雨量，mm

t－降雨開始后的時(shí)間，h

將降雨量指數(shù)方程與表2中的污染物濃度方程相乘，便得到降雨過程中屋頂和路面徑流的污染負(fù)荷計(jì)算公式：

式中：

Q－屋頂或路面沉積物污染負(fù)荷，g/m2

P－降雨量，mm

Ct－污染物濃度，mg/L

由此得到污染物負(fù)荷在雨水徑流沖刷下隨時(shí)間變化的指數(shù)方程，如表4所示。

表4 雨水徑流污染負(fù)荷隨時(shí)間變化指數(shù)方程

由表4結(jié)果可見，雨水徑流中的污染物負(fù)荷都隨降雨歷時(shí)明顯遞減。相比屋頂雨水徑流，路面雨水徑流的污染程度更為嚴(yán)重。比較初始徑流污染負(fù)荷的數(shù)值（即公式中指數(shù)項(xiàng)前面的系數(shù)）可知路面徑流的TN值低于屋頂徑流，其他污染物數(shù)值均高于屋頂徑流，污染負(fù)荷占全部徑流負(fù)荷的80%以上（TOC除外）。

由雨水徑流污染負(fù)荷方程，可以粗略估算雨水徑流中污染物的初始負(fù)荷及其隨降雨歷時(shí)的遞減變化過程。此外，還可利用估算得到的污染負(fù)荷計(jì)算雨水徑流對自然水體面源污染的影響。

例如，為估算本次代表性降雨對水體的面源污染影響，可按降雨時(shí)間2小時(shí)對污染負(fù)荷曲線進(jìn)行積分，得降雨期間的污染物負(fù)荷總量：

式中：

S－一場降雨期間單位面積（屋頂或路面）徑流所產(chǎn)生的污染物量，g/m2

Q－屋頂或路面沉積物污染負(fù)荷，g/m2

t1－降雨初始時(shí)間

t2－降雨結(jié)束時(shí)間

α－表征雨水徑流初始負(fù)荷的系數(shù)

β－表征雨水徑流污染負(fù)荷隨時(shí)間變化的系數(shù)

以路面徑流污染為例，對表4中的路面污染負(fù)荷方程積分，按降雨歷時(shí)2小時(shí)，可得此場降雨所產(chǎn)生的路面徑流污染負(fù)荷總量。將此值與取樣點(diǎn)所在的取樣點(diǎn)硬化路面面積15840m2相乘，得到取樣區(qū)域在此場降雨中所產(chǎn)生的路面雨水污染物總量（表5）。

表5 路面雨水徑流污染負(fù)荷隨時(shí)間變化指數(shù)方程

3 雨水徑流污染問題的可行性對策

南方某鎮(zhèn)遍布工業(yè)企業(yè)，機(jī)動(dòng)車密度大，工商業(yè)活動(dòng)頻繁，造成雨水徑流水質(zhì)惡劣。雨水徑流成為面源污染重要來源。以位于取樣點(diǎn)附近的水庫為例，降雨時(shí)水庫各項(xiàng)污染指標(biāo)全面上升，總體水質(zhì)從II～I(xiàn)II類惡化至IV類和V類。

針對其降雨和雨水徑流污染現(xiàn)狀并參考國內(nèi)外雨水收集處理工程對策：

1)城區(qū)路面凈化美化

通過合理的綠化美化和科學(xué)的垃圾收運(yùn)，不但增大了綠化范圍和透水面積，也減少了路面顆粒物的沉積量，從源頭控制了雨水徑流的水量和水質(zhì)。

2)地表徑流的減量

通過改變城區(qū)硬化地面的性質(zhì)，來增大雨水下滲量，同時(shí)充分利用土壤、植被的儲(chǔ)存和凈化功能來減少徑流量，維護(hù)區(qū)域水循環(huán)平衡。

3)初雨徑流的棄除和雨水徑流的收集

雨水徑流的收集應(yīng)主要包括棄除了初雨徑流的屋頂雨水和路面雨水。

利用天溝、雨水斗、雨落管等設(shè)施收集屋頂雨水徑流；利用雨水管、雨水明/暗渠等設(shè)施收集路面雨水[13]。將污染程度最為嚴(yán)重的初雨徑流通過棄流池/井棄除后，收集的雨水徑流可儲(chǔ)存在雨水集蓄池中以進(jìn)行后續(xù)處理或利用。

4)更廣泛地采用生態(tài)處理設(shè)施

我國南方氣候濕熱，因此植物生長周期較長，可以較多地考慮生態(tài)型的處理設(shè)施。

4 結(jié)論

1)雨水徑流的取樣結(jié)果表明，雨水徑流實(shí)際情況為路面徑流遠(yuǎn)比屋頂徑流污染程度嚴(yán)重。特別是路面的初雨徑流，對水體的污染負(fù)荷多占全部徑流負(fù)荷的80%以上，對自然水體健康和污水處理負(fù)荷造成明顯的沖擊作用。初雨徑流中污染物以SS和COD最為明顯，初雨濃度均超過污水綜合排放三級標(biāo)準(zhǔn)[15]。兩者是造成水體感官指標(biāo)下降和缺氧變質(zhì)的主要因素，在面源污染防治中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

2)污染物濃度受雨水和污染源等多方面影響而隨降雨歷時(shí)增加或減小，不能反映雨水徑流污染實(shí)際危害情況，而以污染負(fù)荷評價(jià)徑流污染程度和面源污染危害可以得到更契合實(shí)際的結(jié)果，且方法簡單易操作，對單場降雨可以給出滿意結(jié)果。

3)根據(jù)我國南方的實(shí)際情況，選擇雨洪蓄集-生態(tài)處理的雨水徑流收集工藝和處理設(shè)施，并結(jié)合其他源頭控制、輸移控制、末端處理的管理措施和工程設(shè)備，是緩解和治理雨水徑流造成的面源污染問題的切實(shí)可行方案。

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