國內典型城市降雨徑流初期累積特征分析

王 倩，張瓊華，王曉昌（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

國內典型城市降雨徑流初期累積特征分析

王 倩，張瓊華*，王曉昌（西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055）

提出以攜帶50％污染物負荷的徑流定義初期雨水，選取累積50％污染物負荷的歷時（T50）及對應累積徑流深度（D50）兩個參數，總結分析典型山地城市、平原城市、河網城市等6個城市17場降雨徑流污染物累積特征.進一步以山地城市和平原城市為例，探討了不同降雨強度、區域環境徑流污染物累積特征及相互影響.結果表明，徑流污染物累積趨勢完全一致但特征不同，山地城市、河網城市、高原城市和河口城市表現為初期累積，平原城市則表現為中期累積.隨著雨強增大，污染物D50驟增，T50銳減.相比平原城市，山地城市不同類型污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分別截留初期7.4mm和5.2mm徑流可以控制50％污染物負荷.

降雨徑流；初期雨水；D50和T50；降雨強度

雨水作為非常規水資源逐漸被接受和廣泛收集利用，但隨著城市化進程的加快、不透水面積增大，雨水徑流量及徑流攜帶的負荷即徑流污染也隨之增大［1］，城市面源污染的影響日益突出，局部地區甚至危害到受納水體生態安全［2］.研究發現降雨過程中初期一小部分徑流攜帶了大部分污染物負荷，初期雨水污染嚴重［3-4］，因此，城市徑流污染控制尤其是初期雨水控制顯得尤為重要.

目前，對于城市徑流的研究主要集中在徑流污染物的排放特征［5-8］及其初期沖刷特性［9-10］，并根據20/80［11］、25/50［12］、30/80［13］、20/40［14］等初期沖刷定義探討了不同城市典型下墊面［15-16］、降雨條件及不同污染物［6，17］等的排污特征和沖刷特性.但是比例形式的污染負荷和徑流量難以在實際工程上計量并應用，所以常常簡化采用時間或徑流深度作為初期雨水單一控制指標指導雨水利用.如白建國等［18］提出高于地表水Ⅴ類標準的徑流雨水為初期雨水，并實測徐州市截留初期30min路面徑流可滿足該水質要求，Bach等［19］和何強等［20］根據污染物濃度達到背景濃度或穩定階段形成的徑流深度控制初期雨水，Ming等［21］研究發現熱帶城市截留初期10mm徑流可控制50％左右污染物負荷.然而，基于濃度定義初期雨水確定的控制標準可能會導致處理不經濟或不能滿足總量控制的要求，而基于負荷定義確定的初期雨水控制標準研究不夠廣泛，工程上缺乏可利用的數據.

本文選取降雨歷時和累積徑流深度作為初期雨水控制指標，明確攜帶50％污染物負荷的徑流定義初期雨水，總結分析山地城市、平原城市、河網城市、高原城市、河口城市等6個典型城市17場降雨徑流污染物累積特征；以山地城市和平原城市為例，探討了降雨強度、區域環境對徑流污染物累積特征的影響.

1 研究區域與研究方法

1.1 研究城市選擇

選擇典型山地城市（重慶）、平原城市（北京、沈陽）、河網城市（蘇州）、高原城市（昆明）、河口城市（東莞）等6個城市的道路徑流為研究對象，研究徑流污染物負荷遷變特征.

1.2 數據收集與分析

對以上6個城市17場降雨徑流進行TSS、COD、營養鹽（TN、TP等）和溶解態重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd）指標的全過程分析，城市降雨基本特征見表1.數據采用Origin8.5軟件分析.

1.3 研究方法

單場降雨徑流中污染物負荷累積計算公式如下：

式中：P為污染物負荷累積比例，％；Li和L分別為第i個及全部徑流樣品攜帶的污染物負荷，mg/m2；Ci為第i個樣品的污染物濃度，mg/L；Qi為Δti內徑流量，L/s；Δti為第i個樣品間隔時間，min；n為樣品個數.

定義累積50％污染物負荷的歷時為T50，對應累積徑流深度為D50，以T50和D50作為初期徑流控制的指標.累積徑流深度定義公式如下：

式中：D為累積徑流深度，mm；A為匯水面積，m2；60為時間換算單位.

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

2 城市降雨徑流污染物累積特征

根據城市特點，系統分析6個典型城市17場降雨過程徑流污染物累積特征.

2.1 山地城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（a1）～圖1（a4）為山地城市重慶4場降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，污染物累積趨勢完全一致，但累積速度有所差異，曲線斜率越大，累積速度越快.如2010年6月19日降雨過程，不同污染物累積50％負荷速度大小依次為：Cu＞Zn＞COD＞TN＞Pb＞Cd＞TP＞TSS，TSS累積速度最慢，是典型特征污染物，T50為101min.4場降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：23～101min、3～20min、3～28min和42～77min，不同降雨過程污染物T50差異顯著，同一降雨過程不同污染物T50變化也較大，4場降雨徑流典型特征污染物分別為TSS、Pb、Pb、Zn，T50的平均值分別為57min.

圖1 6個城市17場降雨徑流污染物負荷累積曲線Fig.1 Cumulative curves for pollutant load of 17 rainfall events in 6 cities

2.2 平原城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（b1）～圖1（b3）、圖1（c1）～圖1（c2）分別為平原城市北京和沈陽共5場降雨徑流污染物累積曲線.可以看出，圖（b1）、（b2）和（c2）均表現出徑流污染物初期累積速度很慢、中期加快的特征.如北京2010年6月13日降雨過程，30min內累積不到10％污染物負荷，中期累積速度很快，50min內累積了全部污染物的50％以上負荷.圖（b3）、（c1）則表現出污染物以穩定的速度累積，結合表1的數據可知，降雨強度和降雨量相似的降雨事件，徑流污染物累積特征一致.北京3場降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：44～50min、36～39min和56～74min，典型特征污染物分別為TSS、NH4+-N、TSS，T50的平均值為54min.沈陽2場降雨過程污染物的T50范圍分別為：190～218min、125～132min，典型特征污染物分別為TN和TSS，T50平均值為175min.

平原城市不同降雨過程污染物T50差異較大，同一降雨過程T50接近.但沈陽T50是北京的3倍多，可能與沈陽降雨歷時較長有關.

2.3 河網城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（d1）～圖1（d3）為河網城市蘇州3場降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，3場降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：20～26min、79～89min、48～52min，不同降雨過程T50差異顯著，但同一降雨過程不同污染物T50變化不大，典型特征污染物分別為COD、TP和COD，T50的平均值為57min.

2.4 高原城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（e1）～圖1（e2）為高原城市昆明2場降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，2011年6月27日降雨過程徑流污染物累積特征差異比2011年7月22日大，可能是因為后者雨強（0.5mm/min）比前者（0.3mm/min）大.2場降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：27～40min、35～39min，總體差異不大，這可能是因為昆明污染程度低且雨強大，徑流對污染物的溶解、沖刷快且較為徹底.高原城市在較大雨強下污染物累積特征差異不大，且雨強越大，差異越小.2場降雨徑流典型污染物均為TN，T50的平均值為40min.

2.5 河口城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（f1）～圖1（f3）為河口城市東莞3場降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，3場降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：32～44min、46～50min、47～54min，不同降雨事件污染物T50略有差異，同一降雨過程污染物T50變化不大.3場降雨徑流典型特征污染物分別為TSS、COD和TSS，T50的平均值為49min.

綜上所述，徑流污染物累積趨勢完全一致但特征不同，具體表現為：山地城市、河網城市、高原城市、河口城市污染物初期累積速度較快，體現為初期累積；平原城市初期累積速度很慢，體現為中期累積，這可能與平原城市的降雨特征（如歷時、雨型）、污染狀況等有關.徑流典型特征污染物隨研究區域、降雨事件差異較大，且沈陽典型特征污染物T50最大，其他城市T50為50min左右.

為了進一步探明降雨條件和區域環境對污染物累積特征的影響，論文選取TSS、COD、營養鹽（TN、TP）和溶解態重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd），以山地城市（重慶）和平原城市（北京）為例分析不同類型污染物的D50和T50及降雨強度和區域環境對其的影響，為初期雨水污染控制及利用提供依據.

3 結果分析與討論

3.1 不同類型污染物D50和T50特征分析

3.1.1 山地城市不同類型污染物D50和T50特征分析 圖2（a1）～圖2（a4）為山地城市重慶4場降雨徑流不同類型污染物累積曲線.可以看出，前3場降雨過程不同類型污染物累積特征差異較大，第4場差異較小，這是因為第4場降雨強度最小，徑流對污染物的溶解、沖刷及運移能力較弱.4場降雨過程TSS、COD、營養鹽和重金屬的D50和T50的范圍分別為：4～10mm/3～101min、3.6～10mm/3～69min、4～10mm/3～92min、3.1～16mm/ 7～65min，不同降雨過程，同種類型污染物D50和T50差異顯著，其中TSS的T50和重金屬的D50差異最大，說明TSS和重金屬的初期累積受降雨條件影響較大.

3.1.2 平原城市不同類型污染物D50和T50特征分析 圖2（b1）～圖2（b3）為平原城市北京3場降雨徑流不同類型污染物累積曲線.可以看出，同一降雨過程不同類型污染物D50和T50接近，3場降雨過程TSS、COD和營養鹽的D50和T50的范圍分別為：3.5～6.5mm/36～75min、2.7～5.8mm/36～69min、2.7～5.9mm/37～69min，不同降雨過程，同種類型污染物D50和T50差異較大，其中TSS的T50差異最大，與重慶的研究結果一致.

3.1.3 不同類型污染物D50和T50特征分析 由以上分析可知，不同降雨過程相同類型污染物T50差異較大，山地城市表現得更加明顯；同一降雨過程中，平原城市不同類型污染物T50相近，山地城市差異較大.因此，平原城市可選取易于監測的TSS作為典型特征污染物控制徑流污染.

3.2 降雨強度對不同類型污染物D50和T50的影響

3.2.1 典型降雨強度下不同類型污染物D50和

圖2 重慶和北京7場降雨徑流中不同類型污染物累積曲線Fig.2 Cumulative curves for different pollutants of 7rainfall events in Chongqing and Beijing

將降雨事件按雨強分為較小雨強（＜0.1mm/ min）、中等雨強（0.1～0.2mm/min）和較大雨強（＞0.2mm/min）三類，分析降雨強度對不同類型污染物D50和T50的影響.

由圖3（a1）可以看出，當降雨強度大于0.2mm/ min（即較大雨強）時，污染物D50驟增，約為較小和中等雨強下的1.9～3.9倍.由圖3（a2）可以看出，隨著雨強增大，污染物T50銳減，較小、中等雨強下污染物T50分別為較大雨強下的3.7～6.9倍、0.4～2.4倍.TSS和重金屬分別在較小和較大雨強D50和T50最大，是相應條件下的典型特征污染物；中等雨強下，四種類型污染物D50接近，說明降雨強度的增大促進了TSS、COD、營養鹽的初期累積，尤其是TSS，在較小雨強下初期累積最弱，而在中等及較大雨強下與COD和營養鹽相近，這是因為TSS的賦存狀態為顆粒態，雨強越大，其沖刷、運移速度越快，而COD、營養鹽的賦存狀態有溶解態和顆粒態，受徑流的溶解、沖刷和運移綜合作用，重金屬的D50和T50變化比較復雜，可能與重金屬的排污特征有關.

圖3 典型降雨強度下徑流中不同類型污染物的D50和T50Fig.3 D50and T50of different pollutants in the runoff with typical rainfall intensity

3.2.2 降雨強度對不同類型污染物D50和T50的影響 降雨強度對TSS初期累積影響最大，雨強越大，其初期累積速度越快，其次是COD、營養鹽，對重金屬的影響較為復雜.隨著雨強增大，不同類型污染物D50驟增，T50銳減.

3.3 區域環境對不同類型污染物D50和T50的影響

3.3.1 山地城市和平原城市不同類型污染物D50和T50分析 圖4（a1）和圖4（a2）可以看出，重慶不同類型污染物D50比北京大，約為北京的1.25～1.36倍，而北京污染物T50比重慶大，約為重慶的1.12～1.38倍，一方面這是因為重慶路面坡度大，地面徑流系數比北京大，相同降雨條件下形成的徑流量高于北京，坡度大使污染物沖刷、運移速度加快，T50減小；另一方面重慶降雨量比北京大，城區污染程度小，污染物很快在初期被沖刷干凈.重慶四種類型污染物D50大小依次為：重金屬＞TSS＞營養鹽、COD，重金屬是典型特征污染物，D50和T50分別為7.4mm和35min.北京污染物D50大小依次為：TSS＞COD＞營養鹽，TSS是典型特征污染物，D50和T50分別為5.2mm和53min.

3.3.2 區域環境對不同類型污染物D50和T50的影響 區域降雨頻率和降雨量等因素影響路面污染狀況，路面坡度影響徑流的形成和污染物的沖刷、運移.相比平原城市，山地城市不同類型污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分別截留初期7.4mm、5.2mm徑流可以控制50％污染物負荷.

4 建議

由于區域環境、降雨條件的差異，工程上單一采用時間或徑流深度控制初期雨水容易造成雨水資源浪費、處理不經濟或不能有效控制污染等問題.因此，雨水利用工程在實施過程中，需要長期積累各城市典型降雨徑流數據，經分析確定最佳的T50和D50才能更為準確的指導工程實踐.

5 結論

5.1 徑流污染物累積趨勢完全一致，但特征不同：山地城市、河網城市、高原城市、河口城市污染物體現為初期累積，平原城市體現為中期累積；徑流典型特征污染物隨研究區域、降雨事件差異較大，且沈陽典型特征污染物T50最大，其他城市T50為50min左右.

5.2 同一降雨過程山地城市不同類型污染物D50和T50差異較大，平原城市較為相近，平原城市可選取易于監測的TSS作為典型特征污染物控制徑流污染.5.3 雨強越大，TSS初期累積速度越快；隨著雨強增大，污染物D50驟增，T50銳減.

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別截留初期7.4mm、5.2mm徑流可以控制50％污染物負荷.

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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，湖北襄陽人，西安建筑科技大學博士研究生，主要研究方向為雨污水再生利用.

2014-10-20

住房和城鄉建設部軟科學研究項目（2011-K7-14）；水污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07315002）

* 責任作者，講師，qionghuazhang@126.com