蘇州市新建城區地表徑流污染分析

柯 杭，陳 嫣，王盼，王衛剛

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

過去的十多年間，城市污水處理的力度不斷加大，點源污染逐步得到全面控制，然而，城市水環境質量并未得到根本改善[1]。不斷加快的城市化進程改變了天然地表狀態，大量透水地表被建筑物、道路、停車場等不透水地表所取代，城市地表徑流量增加、峰值提高和洪峰提前等一系列水文過程發生改變。與此同時，人類的各種活動加速了城市地表污染物的累積，降雨過程中雨水及其形成的徑流流經城市地面，沖刷、攜帶一系列污染物質，并最終排入城市水體，使地表徑流污染逐步成為城市水環境惡化的主要因素。美國環保署在1993年就把城市地表徑流污染列為全美河流和湖泊的第三大污染源[2]。

本文以蘇州市某新建城區為例，監測實際降雨下，商業區、居住區、公建區等城市不同功能用地下墊面的徑流水質及其相應排水系統的系統出流水質，并通過旱季混接污水監測掌握系統混接污水的特征。在此基礎上，分析估算下墊面徑流沖刷污染負荷、雨水管網混接污染負荷、管道沉積物污染負荷等不同污染源的污染負荷，識別此區域徑流污染主要來源，為制定城市地表徑流污染控制對策提供參考。同時，隨著海綿城市建設理念的推廣普及，新建城區與老城區相比，具有更好的海綿改造條件，城市更新過程中必然會融入更多的海綿城市元素，本文的結果也可作為未來海綿城市建設成效評估的基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區域

蘇州是太湖流域乃至長三角地區的典型城市。研究區域位于蘇州市中心城區北部新建城區，2010年基本完成開發任務，規劃建設條件較好。研究區域內建設用地比例較高，占區域總面積80%以上。其中，居住用地占29%，道路用地占24%，商業用地占10%，集中綠地面積和水域面積相對較少，占比分別為16%和7%。在研究區域內，選取蘇州城區典型的城市不同功能用地的下墊面，主要包括屋面、路面、停車場，監測點如圖1所示。A點為公建區，B點為次干路，C點為主干路，D點為居住區，E點為商業區。為了獲取雨水管網混接污染負荷及對應系統的出流污染負荷，在選取的商業區、居住區、公建區對應的系統排口處進行旱天監測以及雨天監測。

圖1 研究區域監測點位Fig.1 Monitoring Location in Study Area

1.2 采樣方法

本研究于2018年5月—10月及2019年3月—5月開展共10場降雨的監測。其中，數據完整、有效的降雨場次為6場，按照國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準(12 h內降雨量)，共有3場小雨、2場中雨和1場大雨，各場降雨數據由位于當地的氣象站提供，如表1所示。蘇州市4月—9月降雨量占全年70%以上，所選降雨事件大多位于這一時間段，參考蘇州市海綿城市相關規劃，其65%年徑流總量控制目標對應的日設計降雨量為14.82 mm，所選降雨事件的降雨量也分布于這一區間，說明所選降雨事件可作為該區域的典型降雨事件。監測期間，使用自制的采樣裝置在各監測點進行人工采樣：雨天分別于徑流形成的第5、10、20、30、45、60、90、120 min采樣，獲得共計2 h的樣品；旱天的采樣間隔為2 h，連續進行2 d(周日、周一)以獲得48 h的樣品。所有水樣采集后立刻放入便攜式采樣箱冷藏保存(0～4 ℃)，樣品運回實驗室后，根據國家標準方法進行保存和分析測試。其中，懸浮物SS測試參考《水質 懸浮物的測定 重量法》(GB/T 11901—1989)，化學需氧量CODCr測試參考《水質 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》(HJ/T 399—2007)。

表1 有效降雨場次的降雨特征Tab.1 Rainfall Characteristics of Effective Rainfall Events

1.3 分析方法

對徑流水質調查的研究，通常采用事件平均濃度(EMC)對降雨事件進行描述，事件平均濃度是以流量為權求得一次降雨事件徑流平均濃度。受設備條件限制，本研究在進行地表徑流采樣時未能同步實測各監測點的流量數據。同一次降雨事件，徑流水量的變化過程與降雨量的變化過程直接相關，即徑流量的大小隨著降雨強度的變化而變化。因此，本研究通過降雨量數據，對徑流水質數據進行加權平均處理，得到以降雨量為權的污染物事件平均濃度。

下墊面徑流沖刷污染負荷、系統出流污染負荷的計算如式(1)[2]。

L=0.01αΨPC

(1)

其中：L——單位面積的年污染負荷，kg/(ha·a)；

α——徑流修正系數，典型值一般取0.9；

Ψ——排水區域綜合徑流系數；

P——年降雨量，mm/a，蘇州市年平均降水量為1 100 mm/a；

C——事件平均濃度，mg/L。

雨水管網混接污染負荷的計算如式(2)。

L=365QC/(1 000A)

(2)

其中：L——單位面積的年排放污水負荷，kg/(ha·a),1 ha=1×104m2；

Q——污水日排放量，m3/d；

C——污水按流量加權的平均濃度，mg/L；

A——排水區域面積，ha。

管道沉積物污染負荷很難通過采樣直接測量，本研究通過系統中污染物質量平衡關系間接計算管道沉積物污染負荷，即：管道沉積物污染負荷=系統出流污染負荷-下墊面徑流沖刷污染負荷-雨水管網混接污染負荷。

2 結果與討論

2.1 瞬時樣品水質特征

根據蘇州新建城區6場降雨監測，得到系統出流水質情況(圖2)和路面/屋面徑流水質情況(圖3)。居住區、商業區、公建區系統出流水質的CODCr中值質量濃度分別為43、61、42 mg/L，SS質量濃度分別為47、89、83 mg/L。居住區、商業區水質參數的四分位差較小，公建區則相對較大。路面/屋面徑流水質，主干路、次干路、停車場、屋面、商業區道路的CODCr質量濃度分別為107、43、16、6、278 mg/L，SS質量濃度分別為293、115、48、12、190 mg/L。商業區道路的COD顯著大于其他監測點，且四分位差也較大，說明商業區道路的徑流污染水平受降雨條件以及降雨當時路面的清潔情況影響較大。另外，由于停車場和屋面徑流采樣點位于公建區內，將公建區系統出流水質與停車場和屋面徑流水質進行對比，發現系統出流水質濃度均高于路面/屋面徑流，說明管道沉積物對系統出流水質具有一定程度的影響。

圖2 系統出流水質濃度區間圖Fig.2 Water Quality Intervals of System Outflow

圖3 路面/屋面徑流水質濃度區間圖Fig.3 Underlying Water Quality Intervals of Road and Roof Runoff

水質參數間的相關性分析有助于判斷污染物的賦存狀態。對監測數據進行相關性分析：系統出流水質的COD與SS的Pearson相關系數在-0.36～-0.01，兩參數間的相關性不強，說明系統出流水質的COD同時以溶解態、顆粒態存在；路面徑流的COD與SS的Pearson相關系數在0.61～0.97，具有良好的正相關性，說明路面徑流中的污染物主要以顆粒態存在；屋面徑流的COD與SS的Pearson相關系數為0.01，兩參數間基本無相關性。

根據6場降雨監測數據，計算以降雨量為權的污染物事件平均濃度如表2所示。對于路面徑流的事件平均濃度，美國某地的高速路徑流COD、SS質量濃度分別為253、68 mg/L[3]，意大利某城市的路面徑流COD、SS質量濃度分別為129、140 mg/L[4]，國內多個城市的路面徑流COD、SS質量濃度分別為127～553、126～2 150 mg/L[5-10]。蘇州市海綿辦于2018年組織開展了蘇州市老城區降雨徑流污染的調查分析，其中，交通區路面徑流COD、SS質量濃度分別為265、483 mg/L，商業區路面徑流COD、SS質量濃度分別為111、250 mg/L。蘇州新建城區的路面徑流水質調查顯示，主干路和次干路的路面徑流水質與國內外以及蘇州老城區的污染程度相比較輕，而受人為活動干擾較多的商業區道路，其路面徑流污染物濃度有所增大。另外，該城區的主干路和次干路在道路保潔方面采用了較高的道路環衛機械作業標準，并結合人工清掃、保潔、巡檢等作業要求，路面徑流水質的污染水平得到較好的控制;而商業區道路受作業條件限制，只有人工清掃與保潔，徑流污染濃度較大，可見道路清掃等非工程性措施可有效減輕新建城區道路徑流污染程度。對于屋面徑流的事件平均濃度，文獻中法國某城市的屋面徑流COD、SS質量濃度分別為31、29 mg/L[11]，國內城市中，北京的屋面徑流COD、SS質量濃度分別為140、78 mg/L;武漢的屋面徑流COD、SS質量濃度分別為55、60 mg/L[12]。本研究中蘇州新建城區的屋面徑流濃度顯著低于上述各城市，這與采樣條件中前期晴天數有較大關系。本研究的采樣集中于降雨頻繁的季節，前期晴天數<2 d，因而屋面累積的污染物相對較少。

表2 系統出流與路面/屋面徑流的事件平均濃度(EMC)Tab.2 EMC of System Outflow, Road and Roof Runoff

2.2 下墊面徑流沖刷污染負荷測算

在估算下墊面徑流沖刷污染負荷時，需確定不同地塊的地面與屋面比例。本研究根據研究區GIS數據，估算的地面與屋面比例如下：居住區為60%/40%；商業區為50%/50%；公建區為80%/20%。利用對應的下墊面徑流污染物事件平均濃度，計算下墊面徑流沖刷污染負荷，如表3所示。美國對28個城市進行了降雨徑流監測[13]，統計得出的住宅區CODCr、SS年污染負荷分別為250、550 kg/(ha·a)，商業區CODCr、SS年污染負荷分別為666、1 460 kg/(ha·a)。西安市非點源污染負荷估算[14]結果顯示，CODCr、SS年污染負荷分別為486、1 722 kg/(ha·a)。深圳市光明新區徑流污染負荷估算[15]結果顯示，CODCr、SS年污染負荷分別為1 548、2 601 kg/(ha·a)。由蘇州市科技局組織的老城區2006年—2008年城區雨水面源污染負荷研究可知，蘇州老城區住宅區路面徑流CODCr、SS年污染負荷分別為859、864 kg/(ha·a)，商業區路面徑流CODCr、SS年污染負荷分別為1 353、1 669 kg/(ha·a)。與國內外以及蘇州老城區同一用地類型的污染負荷進行對比，蘇州新建城區居住區的污染程度相對較輕，商業區的污染程度尤其是有機污染則相對較重。

表3 研究區不同用地類型下墊面徑流沖刷污染負荷Tab.3 Underlying Surface Runoff Pollution Load of Different Land Type in Study Area

2.3 雨水管網混接污染負荷與系統出流污染負荷

雨水管網混接污染負荷與系統出流污染負荷均依據系統出流監測點在旱天及雨天獲得的數據進行計算，結果如表4和表5所示。法國根據長期對分流制出流口的污染物濃度、雨天合流制溢流污染物濃度以及雨污混接系統水質的調查數據，建立了QASTOR數據庫[16]。其中，分流制系統CODCr、SS出流污染負荷分別為670～4 500、1 300～6 700 kg/(ha·a)，雨污混接系統CODCr、SS出流污染負荷分別為1 250～5 200、1 800～4 800 kg/(ha·a)。上海市[17]住宅區系統出流CODCr、SS年污染負荷分別為1 129、637 kg/(ha·a)，商業區系統出流CODCr、SS年污染負荷分別為1 151、1 218 kg/(ha·a)。蘇州市老城區2006年—2008年的調查結果表明(徑流系數取值為0.8)，住宅區系統出流CODCr、SS年污染負荷分別為1 381、870 kg/(ha·a)，商業區系統出流CODCr、SS年污染負荷分別為1 356、1 003 kg/(ha·a)。與國外結果對比，蘇州新建城區不同用地類型的系統出流污染負荷與混接污染負荷均處于較低水平，而與老城區10年前的污染負荷基本相當。需要說明的是，蘇州雨水排水系統大多為淹沒式自排出流，河道水位較高且排口上游管道管長相對較短，導致系統出流水樣的采集易受到河水混合的影響，這在一定程度上可能使居住區、商業區系統出流污染負荷偏低。

表4 研究區不同用地類型雨水管網混接污染負荷Tab.4 Illicit Connection to Rainwater System Pollution Load of Different Land Type in Study Area

表5 研究區不同用地類型出流污染負荷Tab.5 System Outflow Pollution Load of Different Land Type in Study Area

2.4 污染負荷來源分析

由以上得到的系統出流污染負荷、下墊面徑流沖刷污染負荷、雨水管網混接污染負荷，通過質量平衡關系可計算管道沉積物污染負荷，進而得到各項污染負荷來源在總污染負荷中所占的比例，如圖4所示。

對于居住區，下墊面徑流沖刷污染負荷的比例最高，COD、SS的占比分別為39%、65%;雨水管網混接污染負荷的COD、SS占比分別為24%、22%;管道沉積物污染負荷的COD、SS占比分別為37%、13%。因此，居住區的污染負荷削減應當以控制下墊面徑流沖刷污染負荷為主。蘇州新建城區的開發建設年限不長，區域內雨污混接的情況并不嚴重，故可加強監督抽查以防雨污混接現象的發生。

對于商業區，總污染負荷基本由下墊面徑流沖刷污染負荷和管道沉積物污染負荷構成，且下墊面徑流沖刷污染負荷為主要污染負荷來源，其COD、SS占比分別為82%、75%。因此，商業區的污染負荷削減應著力于控制商業區內道路的徑流沖刷污染負荷。

如前文所述，居住區和商業區總污染負荷的計算來自淹沒出流系統排口的監測數據，不可避免地會受到河水摻混的影響，使總污染負荷較真實值偏低，進而使管道沉積物污染負荷偏低，因此，仍應重視管道的清淤養護，以控制管道沉積物污染負荷。

對于公建區，下墊面徑流沖刷污染負荷與管道沉積物污染負荷在總污染負荷中的貢獻基本相當，管道沉積物污染負荷略高，其COD、SS占比分別為47%、46%。這主要是由于所選監測點其內部管道采用合流制,且相較市政管道而言,學校對排水管道的維護管理相對薄弱，又監測期間學校內部正在進行海綿改造，施工對監測數據也存在一定的影響。若公建區通過改造實現海綿城市建設的理念，同時增加內部管道清通養護的頻率，這一用地類型的總污染負荷可得到有效控制。

圖4 不同污染負荷來源占比圖Fig.4 Proportion of Different Pollution Load Sources

3 結論與建議

(1)通過不同下墊面的徑流水質監測，計算得到蘇州新建城區路面/屋面的以降雨量為權的污染物事件平均濃度，并以此為基礎估算了不同用地類型下墊面徑流沖刷污染負荷。與國外同類型的污染負荷對比，蘇州新建城區居住區的下墊面徑流沖刷污染程度相對較輕，商業區的污染程度尤其是有機污染相對較重，科學合理的道路保潔等非工程性措施可有效減輕新建城區徑流污染程度。

(2)通過相應排水系統雨天和旱天的系統出流水質監測，計算得到蘇州新建城區不同用地類型的系統出流污染負荷和雨水管網混接污染負荷。與國外同類型的污染負荷相比，蘇州新建城區不同用地類型的系統出流污染負荷與混接污染負荷均處于較低水平。由于淹沒出流自排系統的排口上游管道易受河水影響，建議對該類監測的采樣方法做進一步改進。

(3)通過污染物質量平衡關系，計算平江新城不同用地類型的管道沉積物污染負荷，對各項污染負荷來源在總污染負荷中所占的比例進行對比分析。結果顯示，下墊面徑流沖刷污染負荷對各類用地類型的總污染負荷均有較大的貢獻，并根據各類用地類型污染負荷組成特點分別提出了污染負荷削減建議。