濟(jì)南城區(qū)降雨徑流污染特征及初期沖刷效應(yīng)研究

高紹智　李玲玲　馬中雨　李祥　陳興廳

摘要：降雨期間初期降雨徑流對(duì)自然水體環(huán)境質(zhì)量存在潛在威脅。選取濟(jì)南市分流制雨水排水系統(tǒng)不同位置的匯水區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究濟(jì)南城區(qū)降雨徑流污染物特征及初期沖刷效應(yīng)的影響，結(jié)果表明降雨徑流中各類污染物濃度在降雨初期波動(dòng)較大且快速達(dá)到峰值，隨后濃度迅速下降并穩(wěn)定，COD、氨氮、總氮和總磷濃度均大幅高出地表水V類標(biāo)準(zhǔn);用地類型、街道路面、交通流量、綠化等匯水區(qū)特性是影響下墊面污染物累積程度的關(guān)鍵因素;降雨特性和匯水區(qū)面積是影響初期沖刷效應(yīng)的關(guān)鍵因素，初期沖刷效應(yīng)和降雨強(qiáng)大呈正相關(guān)，與匯水區(qū)面積呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵字：降雨徑流;污染物特征;初期沖刷效應(yīng)

0 引言

濟(jì)南市城區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，歷年平均降水量在 600～700mm之間。由于受季風(fēng)影響，城區(qū)降水量的季節(jié)分配極不均勻，夏季雨水集中，降雨量較大。春季降水量一般在80mm左右;夏季降水量在400mm以上，占年降水總量的60%以上;秋季降水量平均在 110～130mm;冬季降水量很少，低于年降水總量的4%。全年降水強(qiáng)度平均為8.0～8.8mm/d，其中夏季的降雨強(qiáng)度最大，為11.6～13.2mm/d，歷年日最大降水強(qiáng)度多發(fā)生在7～8月份。

隨著近年來濟(jì)南市城區(qū)城市化快速發(fā)展，城市不透水下墊面面積比例增加，導(dǎo)致由雨水沖刷而形成的雨水徑流污染日益嚴(yán)重，削減強(qiáng)降雨事件引起的徑流污染對(duì)城市自然水體的環(huán)境質(zhì)量影響是海綿城市建設(shè)的主要目的之一。高度城市化地區(qū)在降雨期間產(chǎn)生的雨水徑流包含一定濃度的污染物，如烷烴有機(jī)物、總氮、總磷、大腸桿菌及重金屬等，未經(jīng)處理直接排放會(huì)引起受納水體水質(zhì)變差、生態(tài)系統(tǒng)破壞等嚴(yán)重影響。降雨徑流的污染物主要來源于居民和商業(yè)區(qū)域、工業(yè)活動(dòng)、建設(shè)、街道和停車場(chǎng)，以及大氣沉降。在降雨徑流的初期階段，不透水下墊面的污染物被徑流沖刷并隨徑流進(jìn)入雨水排水系統(tǒng)，這個(gè)過程稱之為初期沖刷效應(yīng)，通過截留設(shè)施將初期雨水徑流經(jīng)過截留處理后再排放進(jìn)入水體，可以大幅降低初期雨水對(duì)受納水體的環(huán)境質(zhì)量影響。因此，研究當(dāng)?shù)亟涤陱搅鞯奈廴咎卣骱统跗跊_刷效應(yīng)，對(duì)于城市降雨徑流污染控制有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

本研究范圍為濟(jì)南市西起緯六路及無影山路，東至二環(huán)東路，涉及濟(jì)月路、商埠、英雄山、北湖、古城、金雞嶺、全福、山大路、千佛山9個(gè)片區(qū)，服務(wù)面積81.1平方公里，服務(wù)人口約119.73萬人。該區(qū)域匯水面積相對(duì)較大，土地利用類型多樣且排水系統(tǒng)為分流制排水系統(tǒng)， 降雨時(shí)產(chǎn)生的初期沖刷為典型的雨水管網(wǎng)沖刷， 所以研究該區(qū)域的初期沖刷現(xiàn)象具有一定代表性。

研究區(qū)土地利用類型相對(duì)較復(fù)雜， 以居住商業(yè)用地、工業(yè)用地、公共事業(yè)用地、透水區(qū)為主。工業(yè)用地占總面積的23.41%，徑流系數(shù)為0.9;透水區(qū)占23.46%，透水區(qū)包括草地、裸地等雨水可快速入滲地區(qū)，徑流系數(shù)為 0.16;居住商業(yè)用地占28.20%，包括住宅小區(qū)、廣場(chǎng)、商場(chǎng)等地區(qū)，徑流系數(shù)為0.9;道路面積占15.92%，徑流系數(shù)為0.9，公共事業(yè)用地主要包括學(xué)校，政府機(jī)關(guān)等地區(qū)，占總面積的9%，徑流系數(shù)為0.8。區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.7，不透水地區(qū)占匯水面積的71.54%，平均坡度為0.53%。

1.2 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)

水質(zhì)樣品采用人工取樣法在6個(gè)取樣點(diǎn)（表1）檢查井處取樣。徑流發(fā)生初期30min內(nèi)間隔5min采集一次樣品，在30～60min內(nèi)間隔15分鐘采集一次樣品，之后間隔30min采集一次樣品，具體采樣次數(shù)根據(jù)降雨強(qiáng)度與歷時(shí)情況確定。。樣品使用1L聚乙烯采樣瓶收集，采集后24h內(nèi)檢測(cè)，未能及時(shí)檢測(cè)的置于4℃冰箱內(nèi)貯存不超過48h。

水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)包括COD、總磷、總氮和氨氮，具體方法如表2所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

本文通過過程樣的監(jiān)測(cè)計(jì)算獲得單次降雨的各取樣點(diǎn)平均濃度（Event Mean Concentration， EMC）。污染物EMC值為整個(gè)降雨徑流事件中該污染物質(zhì)量與徑流總體積之比，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)上均不可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)水量、水質(zhì)監(jiān)測(cè)，實(shí)際徑流量與污染物濃度均為離散數(shù)據(jù)，通常污染物事件平均濃度值可由式（2.2）近似計(jì)算得到：

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨徑流污染物特征

在2017年和2018年的夏季分別對(duì)6場(chǎng)產(chǎn)生出流的降雨事件進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)降雨事件的特征見表2。相關(guān)降雨事件包括了不同類型的降雨，水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果具有代表性。

監(jiān)測(cè)到的6次降雨徑流中各種污染物濃度變化趨勢(shì)一致，在雨水徑流初期達(dá)到峰值，然后逐漸下降至一個(gè)穩(wěn)定水平，其中2017年6月22日旅游路匯入羊頭峪西溝取樣點(diǎn)的雨水徑流污染物濃度變化趨勢(shì)最有代表性，如圖2所示。本研究區(qū)域的雨水管網(wǎng)屬于干管，匯水面積大，接入支管多，降雨時(shí)各小匯水區(qū)的徑流經(jīng)支管匯集后進(jìn)入干管。由于各個(gè)支管的匯水區(qū)面積大小不一，因此相應(yīng)的集水時(shí)間不一樣，導(dǎo)致各個(gè)匯水區(qū)匯入干管的雨水徑流中污染物濃度和到達(dá)取樣點(diǎn)的時(shí)間各有差異，引起取樣點(diǎn)的各類污染物濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)有一定的波動(dòng)。

6場(chǎng)降雨徑流中各類污染物的EMC值如表3所示。對(duì)于相同的污染物，其其EMC在不同降雨場(chǎng)次中差異明顯，其中COD差異最為顯著。目前濟(jì)南市大部分城區(qū)的地表水水質(zhì)控制目標(biāo)為V類標(biāo)準(zhǔn)，比較6場(chǎng)降雨過程中各個(gè)取樣點(diǎn)的污染物EMC與地表水IV類和V類標(biāo)準(zhǔn)值，發(fā)現(xiàn)本研究監(jiān)測(cè)的各類污染物EMC平均值都大于地表水V類水標(biāo)準(zhǔn)值，這說明污水徑流對(duì)受納水體環(huán)境質(zhì)量存在潛在威脅。從表可以發(fā)現(xiàn)，總氮和COD、總磷的EMC分別超過地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的1.98倍和2.23倍、1.75倍，只有氨氮的EMC值接近V類地表水標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氨氮的要求;而對(duì)于要求更高的地表水IV類標(biāo)準(zhǔn)，則所有的污染物都明顯超過了標(biāo)準(zhǔn)值。

雨水徑流的污染物主要來源于匯水區(qū)下墊面地表的污染物累積過程，這個(gè)過程可以用雨前落干期天數(shù)的非線性函數(shù)來表示。累積過程和累積區(qū)域內(nèi)的街道路面、交通流量、植被、用地性質(zhì)等有關(guān)。因此，對(duì)于每一類的污染物和用地類型的組合，其累積過程表達(dá)函數(shù)是不同的。于軍亭等在濟(jì)南對(duì)不同下墊面暴雨徑流污染特征進(jìn)行研究，研究表明不同下墊面的綜合COD濃度為70mg/L，略低于本次研究的監(jiān)測(cè)值，這可能是由于本次取樣點(diǎn)位于城市干道附近，周圍路面機(jī)動(dòng)車輛密集，汽車排放及輪胎磨損產(chǎn)生的固體顆粒較多，同時(shí)汽油潤滑油泄漏及燃料不完全燃燒會(huì)引起懸浮固體、有機(jī)物。總氮和氨氮的濃度超標(biāo)原因可能是由于屋面油氈年代久遠(yuǎn)老化，易于風(fēng)化成微小固體含氮顆粒隨降雨形成徑流，且研究區(qū)域的綠化的定期施肥和噴灑農(nóng)藥也會(huì)引起氮營養(yǎng)鹽污染。同時(shí)，研究區(qū)域周邊存在鋼鐵公司和煉油廠，導(dǎo)致空氣中存在較高濃度的含氮顆粒。本研究七里山路匯入英雄山路口的取樣點(diǎn)的總氮、總磷、COD和氨氮的EMC值遠(yuǎn)低于其他取樣點(diǎn)的各類污染物濃度值，這可能是由于其匯水區(qū)主要是科教區(qū)，內(nèi)部綠化面積較大，同時(shí)內(nèi)部道路清掃相對(duì)校外道路頻率高。位于生活區(qū)和商業(yè)區(qū)附近的取樣點(diǎn)的各類污染物EMC濃度最高，該類區(qū)域人口密度集中，會(huì)形成較多的廚余垃圾和餐廚垃圾，由于管理不善導(dǎo)致垃圾無序堆放和餐廚垃圾直排入雨水口的現(xiàn)象會(huì)引起管網(wǎng)內(nèi)部的污染物濃度升高。

黃俊等研究表明，磷是富營養(yǎng)化的控制因子，作為營養(yǎng)化限制因子的總磷濃度限值應(yīng)為0.05mg/L。因此，參照目前濟(jì)南市大部分城區(qū)施行的V類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域?qū)Τ跗谟晁M(jìn)行處理的調(diào)蓄池的主要處理對(duì)象是COD和總磷。總氮和氨氮在徑流形成的初期瞬時(shí)濃度很高，因此在初期雨水徑流中氮素的影響不能忽視。

2.2 初期沖刷效應(yīng)分析

沖刷是降雨時(shí)期雨水對(duì)子匯水下墊面固體物質(zhì)的侵蝕和溶解的過程，雨水徑流的污染物濃度在降雨初期是最高的，如果水深超過數(shù)毫米，這種侵蝕和溶解過程可通過沉積物遷移理論描述，即初期沖刷效應(yīng)。初期沖刷效應(yīng)可以用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠磉M(jìn)行量化，本文采用Geiger的研究結(jié)論，以污染物的累積負(fù)荷和累積徑流流量的相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過判斷兩者形成的累積曲線的發(fā)散性來確定其初期沖刷強(qiáng)度。具體表現(xiàn)形式為：

式中L表示污染物累積負(fù)荷;無量綱，m（t）指污染物累積負(fù)荷，kg;M為場(chǎng)降雨污染負(fù)荷;F為累積徑流，無量綱;v（t）為累積徑流量，m;V為降雨徑流量，m。

污染物累積負(fù)荷L和累積徑流量F可以用函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合公式為：

b是初期沖刷系數(shù)，表示擬合曲線與平衡曲線的偏差，b值小于1表示存在初期沖刷效應(yīng)，值越小表示初期沖刷強(qiáng)度越大。表3表示降雨強(qiáng)度最高、最低和中間三場(chǎng)降雨中各個(gè)取樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的匯水區(qū)表面各種污染物的沖刷系數(shù)。

常靜等研究發(fā)現(xiàn)匯水區(qū)面積、徑流系數(shù)和降雨強(qiáng)度是影響初期沖刷效應(yīng)的關(guān)鍵因子。比較表4中的初期沖刷系數(shù)，發(fā)現(xiàn)所有的污染物在最強(qiáng)降雨和中間降雨強(qiáng)度下時(shí)均發(fā)生了初期沖刷效應(yīng)，在降雨強(qiáng)度為1.36mm/h的降雨場(chǎng)次中，各個(gè)匯水區(qū)基本沒有發(fā)生初期沖刷效應(yīng)，這與任玉芬等研究結(jié)果一致，即初期沖刷效應(yīng)和降雨強(qiáng)度有明顯的正相關(guān)性。同時(shí)，在同場(chǎng)降雨中，經(jīng)十路匯入舜耕路口東側(cè)取樣點(diǎn)的匯水區(qū)的初期沖刷系數(shù)比其他匯水區(qū)低，這是由于該匯水區(qū)的匯水面積最小，導(dǎo)致其初期沖刷強(qiáng)大越大。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)域降雨徑流中各類污染物濃度在降雨初期波動(dòng)較大且快速達(dá)到峰值，隨后濃度迅速下降，變化逐漸平緩;降雨徑流中COD、氨氮、總氮和總磷濃度均大幅高出地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。

（2）下墊面污染物累積程度是下墊面用地類型、街道路面、交通流量、綠化等匯水區(qū)特性的綜合作用效果，當(dāng)生活、生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)生變化時(shí)，雨水徑流的污染物濃度隨之產(chǎn)生變化。

（3）初期沖刷效應(yīng)和降雨強(qiáng)大呈正相關(guān)，與匯水區(qū)面積呈負(fù)相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 濟(jì)南市面源污染現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J]. 張華玲，閆懷忠，高焰，孟廉潔.? 中國環(huán)境監(jiān)測(cè). 2006（04）：60-64.

[2] 車伍，趙楊，李俊奇等. 海綿城市建設(shè)指南解讀之基本概念與綜合目標(biāo)[J].中國給水排水，2015，31（ 8） ： 1-5.

[3] Pongmala K，Autixier L，Madoux-Humery AS et al.Modelling total suspended solids， E.coli and carbamazepine，a tracer of wastewater contamination from combined sewer overflow [J].Journal of Hydrology，2015，531（ 11） ： 830-839.

[4] Shen Z，Liu J，Aini G et al.A comparative study of the grain-size distribution of surface dust and stormwater runoff quality on typical urban roads and roofs in Beijing， China [J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23（ 3） ： 1-12.

[5] 常靜，劉敏，許世遠(yuǎn)，等. 上海市降雨徑流污染時(shí)空分布與初始沖刷效應(yīng)[J]. 地理研究，2006，25 （6）：994-1002.

[6] JEAN L，KERAJEWSKI B，CHEBBO G，et al. Distribution of pollutant mass vs volume in stormwater discharges and the first flush phenomenon [J]. Water Research，1998，32（8）：2341-2356.

[7] 國家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）[M]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[8] 賈俊平. 統(tǒng)計(jì)學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[9] 于軍亭，楊文哲，陳淑芬.濟(jì)南城區(qū)降雨徑流污染特征分析[J].山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，2：85-87.

[10] 黃 俊，張朝能，寧 平，等. 滇池流域水體氮磷富營養(yǎng)化試驗(yàn)研究[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，43（6）：112-117.

[11] GEIGER W. Flushing effects in combined sewer systems [J]. Urban Storm Drainage， 1987，4：40-46.

[12] 任玉芬，王效科，韓冰，等. 城市不同下墊面的降雨徑流污染[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005， 25（12）：3225-3230.

（作者單位：1.濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司;2.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心）