典型村落不同下墊面降雨徑流污染物積累與沖刷規律

汪楚喬，陳柔君，吳 磊，宋海亮，李先寧

(東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096)

隨著農村城鎮化的迅速發展，農村降雨徑流污染已經成為農村面源污染的一個重要問題，其徑流中包含的大量有機污染物、氮、磷等營養物質，嚴重影響了受納水體的水環境質量，需要對村落降雨徑流污染的形成規律進行研究。

降雨徑流污染的形成包括污染物的積累、雨水的沖刷與徑流的輸移，徑流污染的形成基礎即降雨中污染的積累與沖刷，也是研究徑流污染的重點，污染物的積累與沖刷過程研究對實現降雨徑流污染物的有效控制具有重要的理論意義[1]。污染物積累主要包括污染物在非降雨期在下墊面或大氣中的逐漸積累過程，影響積累速度的因素主要有下墊面特性、環境因素與不同地域特征[2]。降雨時，積累在下墊面和大氣中的污染物在雨水淋洗及徑流沖刷等作用下，將貯備的固相和氣相污染物轉移至雨水徑流中。下墊面光滑程度、降雨強度與污染物類型都會影響雨水的沖刷速度[3]。現有的研究中大都采用污染物的沖刷速率與降雨強度的指數衰減模型，研究結果顯示建立的模型能較準確地描述沖刷轉移過程[3-4]。雖然下墊面沖刷和降雨過程具有實時關系，但是降雨徑流需要先匯集，從而導致了匯流時間差，為避免此時間差帶來的誤差，需要通過數據研究徑流與沖刷量的相關函數關系。選用合適的數學模型模擬降雨徑流與雨水沖刷的過程，才能更準確地預測降雨徑流中污染物的變化規律。

本研究利用宜興市周鐵鎮地表徑流水質、污染特征方面的基礎資料，確定徑流的污染程度，建立各污染物之間的相關性，根據現場實地監測的降雨數據，獲取適合于該地區特征的相關參數，建立徑流污染物的累積與沖刷模型，為太湖地區徑流污染評價監測、管理和調控提供研究資料和依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

本次試驗選取的采樣點在周鐵鎮沙塘港村，是位于太湖西岸重污染區的典型村落。周鐵鎮位于宜興市東北部， 全鎮總面積為73.2 km2，總人口為5.88萬人。全鎮地形平坦，屬太湖水網地區。四季分明，氣候溫和，水源充沛，土地肥沃，特產豐富，素有“魚米古鎮”之稱。氣候屬北亞熱帶南部季風區，年平均降水量為1 191.3 mm，年平均日照為1 941.9 h，年平均氣溫在15.6 ℃，鎮區用地基本不受洪水淹沒，最低水位為2.7 m，枯水位時主要河道亦能通航。

沙塘港村隸屬周鐵鎮，位于太湖西濱，東南毗鄰太湖，南連新莊鎮，西依萬石、芳橋鎮，北靠橫蕩河，橫蕩河由此處流入太湖。沙塘港村位于周鐵鎮東南2 km，地理位置優越，水陸交通便捷。總面積為2.9 km2，有自然村落2個，劃分村民小組18個，總人口有3 423人，現有村莊2.62×105m2，耕地面積2.49×106m2，山地面積3.00×105m2。村中地面硬化程度高于90%以上，基本全村每戶都有全硬化庭院，屋面特征明顯，有90%以上為瓦屋面，道路全硬化程度也高于90%以上。

1.2 采樣方法

考慮到試驗結果的適用性和代表性，當地大部分村落都有的道路、庭院、屋面這三種不同下墊面，在沙塘港村現場進行調研，設立采樣點來監測分析三種不同下墊面的降雨徑流。

試驗中用內配1 L聚乙烯采樣瓶的8000D型水質自動采樣器對監測點的降雨徑流進行采樣，由于徑流污染物在降雨徑流形成初期迅速增加，故每個采樣點的采樣都是從開始產流一直到產流結束，根據降雨強度大小，采用不同的采樣間隔，如高強度降雨和降雨初期時采樣間隔為5 min，而降雨后期或者中小強度降雨情況采樣間隔一般適當延長為20～30 min。降雨量和降雨歷時采用YM-21型雨量計進行測定，其他具體監測方法同課題組之前研究[5-6]。

1.3 監測指標和分析方法

水樣采集后，立即送往現場試驗室進行分析，COD、SS、TN、TP測定方法均參照國家環境保護總局推薦方法[7]。

1.4 模型的描述

為確定地表污染物的積累量，一般將地面污染物用真空吸塵器吸取，之后分析收集的污染物。但雨水的沖刷作用并不會使全部污染物轉移至雨水徑流，所以實際可沖刷轉移至降雨徑流中的污染物不能通過直接收集的方法反映[8]。另一方面，積累污染物的采集也存在著很大的不確定性，與下墊面的清掃、天氣、風力等很多方面有關，通過試驗采集了不同下墊面的積累污染物，沒有發現明確的規律。因此，為增加模型模擬的精度，可以通過對沖刷過程的研究得到可沖刷污染物的量，將可沖刷污染物累積量應用到沖刷模型中。

徑流污染物的沖刷速率可用含有降雨強度和污染物量的模型表示，存在著簡單的線性關系[4,9]，如式(1)。

(1)

其中：Ws—單位面積的沖刷速率，mg/(m2·min) ；S—平均降雨強度，mm/min；c—沖刷系數，mm-1；M—地表殘留污染物量，mg/m2；t—降雨歷時，min[10]。

沖刷系數采用以Osuch-Pajdzińska研究為基礎的修正公式[9]，如式(2)。

(2)

降雨強度對污染物的沖刷速度影響很大，污染物的沖刷速率與降雨強度的指數衰減模型，可以較準確的反映污染物的沖刷轉移過程[3-4,11]。由于降雨的匯集導致的匯流時間，需研究徑流與沖刷量之間的函數關系，以避免此匯流時間差導致的誤差。

考慮到未產生雨水徑流的降雨和降雨與徑流污染物沖刷存在著時間差的事實，采用區域表面產流負荷代替實際降雨強度。最后可以得到降雨所形成的徑流污染物濃度，即濃度模型[12]，如式(3)和式(4)。

C(t)=cM0exp[-cHef]

(3)

Hef=累積徑流量/匯流區域面積

(4)

其中：C(t)—徑流污染物質量濃度，mg/L；c—沖刷系數，mm-1；M0—地表初始污染物量，mg/m2；Hef—徑流產流深度，mm；t—降雨歷時，min。

式(1)可作為徑流污染物沖刷的基礎模型。應用到單場降雨，將式(1)變形，可得式(5)。

ln[C(t)]=ln(cM0)-cHef

(5)

由式(5)可知，有效降雨深度與徑流污染物濃度為線性關系，函數公式結構較為簡單，可以為一些相關的模擬計算提供基礎。

2 模型的驗證

2.1 降雨資料

模型中實測的降雨資料來自對宜興市周鐵鎮沙塘港村屋面、庭院、道路3中不同下墊面降雨徑流水質進行的監測，測定的水質指標為COD、TP、TN和SS，9場降雨事件的特征見課題組之前研究[6]。將9場降雨分為中小強度降雨(<0.1 mm/min)和高強度降雨(>0.1 mm/min)兩種條件。

2.2 模型精度的檢驗

根據前期研究數據，當地的4種下墊面中屋面、庭院和道路都具有較明顯的初期沖刷效應。對9場采集的降雨徑流采用式(5)檢驗模型精度。

對一場中小強度降雨(降雨量為3.2 mm，降雨時間為60 min)的徑流采用式(5)檢驗模型精度，結果如圖1所示。

圖1 小強度降雨條件下污染物沖刷規律模擬結果Fig.1 Simulation Results of Different Pollutants Wash-Off Characteristics under Low Rainfall Intensity

對一場高強度降雨(降雨量為20.7 mm，降雨時間為60 min)的徑流采用式(5)檢驗模型精度，結果如圖2所示。

由圖1和圖2可知，有效降雨深度Hef與降雨徑流污染物濃度ln[C(t)]具有較好的線性關系。從相關系數R2的值來看，庭院和道路徑流模擬的精度與屋面相比要稍低，而道路徑流模擬的精度與庭院相比也略低。其原因是屋頂無人類活動，造成污染物沖刷的因素主要為降雨。而在地面徑流中，庭院和道路上都有較多人類活動產生的影響，且道路上還有較多車輛活動，兩者的共同作用會進一步降低模型精度。

圖2 高強度降雨條件下污染物沖刷規律模擬結果Fig.2 Simulation Results of Different Pollutants Wash-Off Characteristics under High Rainfall Intensity

2.3 沖刷系數

分別計算中小降雨強度(<0.1 mm/min)和高降雨強度下徑流污染物的沖刷系數，結果如表1所示。由表1可知，COD、SS、TP與TN的沖刷系數都是正值，沖刷系數之間沒有明顯差異，這主要是由于COD、TP與TN在顆粒物上具有較高的附著性[9,13]，所以污染物濃度受沖刷過程影響非常大。Lee等[14]在研究韓國城市降雨徑流時發現，降雨徑流中COD、SS、N、P的初期沖刷效應與降雨強度存在相關關系，而且會隨著流域面積的減小而增大。羅專溪等[15]在研究川中丘陵區村鎮降雨特征時發現，村鎮降雨徑流中TN、TP、COD、SS與降雨特征存在較好的相關性，且降雨初期徑流中N、P污染有較高的濃度，隨降雨量和徑流量的增大而產生了污染源的耗竭效應，但COD和SS隨著降雨強度和降雨量等產生明顯的耗竭效應。

隨降雨時間的延長，懸浮顆粒物的沖刷轉移速率逐漸降低，所以污染物的沖刷系數都為正值，與懸浮顆粒物之間差異性較小。在中小強度降雨條件下，TN的沖刷系數較高，可能是由于TN中溶解性成分較多，而溶解性污染物更易被沖刷至徑流中[16]。高強度降雨條件下的沖刷系數小于中小強度降雨條件下的沖刷系數，原因是降雨強度的增加使得地面可沖刷的污染物量增加。當有效降雨深度增大到10 mm時，地表貯備的污染物已接近輸送完成，此時徑流污染物濃度也逐漸穩定，沖刷規律在此時不能表示污染物變化，所以引起求出的平均沖刷系數偏小。在有效降雨深度大于10 mm時，適宜直接用穩定的終端濃度表示污染物濃度。同時由于降雨初期的3 mm徑流是導致降雨污染的主要過程[17-18]，式(5)可直接應用于中小降雨強度沖刷系數的計算，而在高強度降雨條件下，由于降雨量增加很快，當采樣間隔為5 min、徑流量達到3 mm時，采樣數少，難以據此求出沖刷系數，故還需對高強度降雨過程進一步研究。

表1 9場降雨事件中不同下墊面降雨徑流污染物沖刷系數 Tab.1 Wash-Off Transport Coefficients of Pollutants on Different Underlying Surfaces in 9 Rainfall Events

2.4 雨水徑流可沖刷污染物積累量

隨著中國農村地區向城鎮化發展速度的加快，雨水徑流污染物濃度不斷升高，形成更嚴重的水環境污染。不同下墊面原始污染物積累量對預測雨水徑流污染物沖刷過程有較大影響，如何取得或測定污染物的積累量，對無序排放污水污染控制非常重要。

1.4節中提到雨水的沖刷作用并不會使全部污染物轉移至雨水徑流，所以實際可沖刷轉移至徑流中的污染物不能很好地通過真空吸塵器收集的方法反映。但是可以通過污染沖刷量來對可沖刷污染物的公式進行推導，同時以此為基礎研究不同下墊面的可沖刷污染物積累量。

不同下墊面中的污染物經過沖刷過程轉移到降雨徑流中表現為徑流中污染物，所以理論上，通過監測徑流量和污染物濃度的數據，可得到不同下墊面可轉移沖刷的污染物量。故可轉移沖刷的污染物濃度可在式(5)的基礎上推導得到，根據式(5)，對Hef和ln[C(t)]進行線性模擬可以得式(6)。

(6)

對所監測的9場降雨數據進行處理，分為中小強度降雨(<0.1 mm/min)和高降雨強度兩種條件，并計算其可沖刷污染物積累量，結果如表2所示。

表2 9場降雨事件中降雨徑流可沖刷污染物積累量Tab.2 Accumulation Amounts of Washed-Off Pollutants of Rainfall Runoff in 9 Rainfall Events

由表2可知，高強度降雨對地表污染物的沖刷大于中小強度降雨，高強度降雨沖刷得較徹底。地表顆粒污染物的積累量可以達到較高的值，中小強度降雨只能將地表部分污染物沖刷至徑流中，屋面、庭院、道路在高降雨強度下SS的可沖刷污染物積累量M0分別為359、422、507 mg/m2，而中小降雨強度下沖刷的分別為191、192、375 mg/m2。同時地表積累的溶解性污染物更易轉移至雨水徑流中，屋面、庭院、道路在中小降雨強度下沖刷的TN分別為40.23、20.85、26.24 mg/m2，而高降雨強度下沖刷的分別為55.98、48.6、33.7 mg/m2。屋面的污染來源中有很大一部分為大氣干沉降產物，已有研究表明太湖流域大氣干沉降產物中TN量要遠高于TP量[19]，故本研究中屋面沖刷TN量大而TP量相對較少，而道路和庭院污染物來源就更加復雜，主要跟大氣污染狀況、風速和人類活動(包括交通量和地面清掃等)有較大關系。經試驗所在現場的調查發現，當地道路定期有清掃，而庭院為較臟的時候才進行清掃，這對負載COD、TN、TP的顆粒物濃度都會產生影響，因此研究可沖刷污染物的積累量有著重要的意義，尤其是在中小降雨強度條件下可以提高模型的模擬精度。

2.5 污染物積累與徑流沖刷模型

將以上得到的中小強度條件下的沖刷系數c和可沖刷污染物積累量M0帶入式(3)，可分別得到屋面、庭院、道路3種下墊面的COD、SS、TN和TP濃度隨有效降雨深度的變化規律，并選取一場小降雨強度的實測數據與之進行比較，如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)、圖3(c) 分別為屋面、庭院、道路下墊面COD、SS、TN和TP濃度隨有效降雨深度的變化規律及小降雨強度的實測數據。

圖3 中小降雨強度條件下徑流污染物濃度變化模擬Fig.3 Simulations of Concentration Changes of Pollutants under Low and Moderate Rainfall Intensity

由圖3可知，污染物濃度模擬結果與實測結果較吻合，顯示了較高的模擬精度，由于累計徑流深度的不斷增加，沖刷系數到達高值后出現下降的趨勢。在污染物的沖刷過程中，沖刷系數c是不恒定的，由式(5)可知，沖刷系數受產流負荷的影響較大，產流負荷會在徑流初期增加速度很快，沖刷系數因而升高。模擬采用的是小降雨強度條件下的沖刷系數和可沖刷污染物積累量的平均值，因此存在著一定的誤差，在后期的使用時可以對參數進行調試，使其最大限度的符合實測值。由于一年中小強度降雨所占的比例較大，所以建立的累積與沖刷模型具有實用意義。

3 結論

(1)公式ln[C(t)]=ln(cM0)-cHef可直接應用于中小降雨強度參數的計算。中小降雨強度條件下，屋面COD、SS、TN和TP的沖刷系數分別為0.82、0.83、0.92 mm-1和0.86 mm-1；庭院COD、SS、TN和TP的沖刷系數分別為0.60、0.87、0.97 mm-1和0.91 mm-1；道路COD、SS、TN和TP的沖刷系數分別為0.77、0.63、0.83 mm-1和0.56 mm-1。

(2)利用濃度模型對不同下墊面徑流污染物濃度變化規律進行了模擬，模型模擬結果與實測結果擬合性較好，建立的模型可用于太湖流域村落不同下墊面中小降雨強度條件下降雨徑流污染沖刷規律的表達。

[1]王寶山,黃廷林,聶小保,等.不透水表面雨水徑流污染物沖刷規律研究[J].環境工程學報,2010,4(9):1950-1954.

[2]LI M,BARRETT M E.Relationship between antecedent dry period and highway pollutant:Conceptual models of buildup and removal processes[J].Water Environment Research,2008,80(8):740-747.

[3]EGODAWATTA P,THOMAS E,GOONETILLEKE A.Understanding the physical processes of pollutant build-up and wash-off on roof surfaces[J].Science of the Total Environment,2009,407(6):1834-1841.

[4]SOONTHORNNONDA P,CHRISTENSEN E R,LIU Y,et al.A

washoff model for stormwater pollutants[J].Science of the Total Environment,2008,402(2-3):248-256.

[5]戴保琳.利用農作物秸稈強化人工濕地對降雨徑流中氮及重金屬去除的研究[D].南京:東南大學,2015.

[6]汪楚喬,陳柔君,吳磊,等.宜興典型村落不同下墊面降雨徑流污染物排放特征[J].生態與農村環境學報,2016,32(4):632- 638.

[7]國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M].4版.北京:中國環境科學出版社,2002.

[8]EGODAWATTA P,GOONETILLEKE A.Understanding road surface pollutant wash-off and underlying physical processes using simulated rainfall[J].Water Science and Technology Echnology ,2008,57(8):1241-1246.

[9]EGODAWATTA P,THOMAS E,GOONETILLEKE A.Mathematical interpretation of pollutant wash-off from urban road surfaces using simulated rainfall[J].Water Research,2007,41(13):3025- 3031.

[10]張超,姜應和,金建華,等.不同下墊面徑流污染物沖刷規律研究[J].武漢理工大學學報,2012,34(8):128-132.

[11]EGODAWATTA P G A.Modeling pollutant build-up and wash-off in urban road and roof surfaces[Z].2008.

[12]王寶山.城市雨水徑流污染物輸移規律研究[D].西安:西安建筑科技大學,2011.

[13]VAZE J C F H S.Experimental study of pollutant accumulation on an urban road surface[J].Urban Water,2002(4):379-389.

[14]LEE J H B K.Characterization of urban stormwater runoff[J].Water Research,2000,34(2):1773-1781.

[15]羅專溪,朱波,王振華,等.川中丘陵區村鎮降雨特征與徑流污染物的相關關系[J].中國環境科學,2008,28(11):1032-1036.

[16]GOONETILLEKE A,EGODAWATTA P,KITCHEN B.Evaluation of pollutant build-up and wash-off from selected land uses at the Port of Brisbane,Australia[J].Marine Pollution Bulletin,2009,58(2):213-221.

[17]KAHINDA J M,TAIGBENU A E,BOROTO J R.Domestic rainwater harvesting to improve water supply in rural South Africa[J].Physics and Chemistry of the Eearth,2007,32(15-18):1050-1057.

[18]GOONETILLEKE A,THOMAS E,GINN S,et al.Understanding the role of land use in urban stormwater quality management[J].Journal of Environmental Management,2005,74(1):31-42.

[19]劉濤,楊柳燕,胡志新,等.太湖氮磷大氣干濕沉降時空特征[J].環境監測管理與技術,2012(6):20-24.