北方濱海城市道路的人工降雨徑流污染特征分析

殷豪帥，王 琳，樸 恒，楊曼孜，于 童，畢學軍,*

(1.青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東青島 266033；2.青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東青島 266100)

近年來，隨著城市排水系統(tǒng)逐漸完善及污水處理提質增效工作的推進，降雨徑流污染對城市水體的影響越來越受到人們的關注。傳統(tǒng)城市道路建設多采用瀝青等不透水材料，導致一定區(qū)域內(nèi)自然水文發(fā)生變化[1]。降雨徑流攜帶的大量地表污染物直接排入自然水體，特別是城市道路徑流中的大量懸浮顆粒物和有機污染物對城市水體環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染[2]。在海綿城市建設中，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等措施，就地消納污染、利用降雨，可顯著降低城市內(nèi)澇與水體污染[3-4]。

海綿城市建設設計需準確掌握不同下墊面污染物徑流規(guī)律。然而，不同地區(qū)下墊面徑流污染存在較大差別[5-7]。北方濱海城市特殊的環(huán)境、地質與地貌條件，導致了其降雨徑流污染的獨特性，其自然降雨隨機性強，降雨強度、降雨歷時難以人為控制，且無法按照設定進行試驗，故本文采用人工模擬降雨試驗的方式，選取青島作為典型北方濱海城市，進行不同降雨重現(xiàn)期城市道路下墊面主要污染物變化規(guī)律的研究，明確徑流污染的主要控制指標，開展城市道路下墊面降雨徑流污染特征與規(guī)律研究，確定設計降雨量和年徑流量的控制關系，為北方濱海城市的海綿城市建設提供基礎數(shù)據(jù)支持。

1 降雨徑流污染試驗方法

1.1 區(qū)域概況

青島市1984年—2018年年降雨量分布如圖1所示。其中，最高年降雨量為1 353.2 mm(2007年)，最低年降雨量為407 mm(1992年)。近30年，最大年降雨量是最小年降雨量的3倍多，降雨量年際變化明顯。青島市年內(nèi)降雨分布情況如圖2所示。年內(nèi)降雨多集中分布于汛期(6月—9月)，汛期降雨量占全年總降雨量的67.7%。其中，7月—8月降雨量最多，約占全年總降雨量的45.9%。

圖1 1984年—2018年年降雨量分布Fig.1 Distribution of Annual Rainfalls during the Period of 1984 to 2018

圖2 1984年—2018年月均降雨量分布Fig.2 Distribution of Average Monthly Rainfalls during the Period of 1984 to 2018

1.2 試驗場地條件

人工降雨試驗系統(tǒng)由供水單元、增壓及控制單元、噴霧單元3部分組成[圖3(a)]，供水水箱內(nèi)有50 m揚程增壓泵，控制操作由計算機完成。現(xiàn)場布設流量計(SmartWater SWQ505P在線超聲波流量計)1臺[圖3(b)]，用于實時監(jiān)測徑流流量；布設雨量計(SL3-1翻斗式雨量計)1臺，用于校準人工模擬降雨設備的降雨量。選取城市某主干道作為試驗場地，路面由瀝青鋪設，兩側具有一定的匯流坡度，易取得徑流水樣。在此干道選取4處試驗場地，各場地使用擋水帶圍出的產(chǎn)流面積為50 m2，保證試驗互不干擾。道路試驗共計進行4場人工降雨，每場降雨時間為2 h，每次降雨結束后更換試驗場地。試驗開展前一周內(nèi)未產(chǎn)生有效降水。

圖3 道路人工降雨試驗現(xiàn)場 (a)降雨設備；(b)流量計Fig.3 Road Artificial Rainfall Test Site (a) Artificial Rainfall Instrument; (b)Flowmeter

結合《青島市海綿城市試點區(qū)海綿城市詳細規(guī)劃》(2016—2020)、《青島市海綿城市試點區(qū)系統(tǒng)化實施方案》(2017)等規(guī)劃及方案要求，確定本次人工模擬降雨條件。

(1)降雨強度：降雨雨強條件分別為1年一遇(累積總降雨量為37.29 mm)、2年一遇(累積總降雨量為49.99 mm)、3年一遇(累積總降雨量為56.36 mm)、5年一遇(累積總降雨量為63.68 mm)。試驗過程中，采用變量雨強，即在一場降雨試驗中，降雨量隨時間變化而變化。

(2)降雨歷時：采用2 h降雨情景。

(3)暴雨強度：采用最新修編的青島市暴雨強度公式進行降雨情景設置，如式(1)。

(1)

其中：q——設計暴雨強度，L/(s·ha)，1 ha=104m2；

P——設計重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時，min。

1.3 水質流量協(xié)同監(jiān)測方案

在人工降雨條件下，監(jiān)測道路下墊面中出水流量隨降雨歷時的變化。結合現(xiàn)場條件，對流量的監(jiān)測采取自動化監(jiān)測方式，通過在出水口放置流量計進行測量。

自監(jiān)測點產(chǎn)流開始監(jiān)測，并于第1、3、6、10、15、20、30、40、60、90、120 min至徑流結束，進行人工采樣。按照國家或行業(yè)認同標準，對人工降雨條件下采集的樣品進行保存和檢測，檢測指標包括SS、NH3-N、COD、TN、TP這5項污染物。

1.4 污染物測試指標和分析方法

1.4.1 污染物測試指標

徑流污染物重點考察的指標為COD、NH3-N、TN、TP、SS。樣品通過500 mL廣口取樣瓶采集，并在4 ℃條件下保存，48 h內(nèi)對水樣完成檢測。其中，COD采用消解分光光度法，NH3-N采用納氏試劑分光光度法，TN和TP采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法測得溶解性濃度，懸浮物通過哈希DR2800水質分析儀測得，具體方法如表1所示。

表 1 樣品分析方法及依據(jù)Tab.1 Methods and Basis of Samples Analysis

1.4.2 徑流污染物平均濃度

采用美國國家環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency，EPA)提出的一次降雨徑流的平均濃度(event mean concentration，EMC)作為此次人工降雨試驗徑流水質的評價標準。EMC指一次徑流污染過程中污染物的流量加權平均濃度，即總污染量與總徑流量之比。通過EMC，對每一場降雨徑流污染物進行綜合評價，全面反映一次降雨徑流污染的程度[9]。

一次徑流的持續(xù)時間為tr，那么EMC的計算如式(2)。

(2)

其中：EMC——單次徑流污染的平均濃度，mg/L；

M——整個徑流過程中污染物的量，g；

V——徑流總量，m3；

t——采樣時間，min；

Ct——t時刻污染物的濃度，mg/L；

Qt——t時刻徑流流量，m3/min；

Δt——采樣間隔時間，min。

1.4.3 相關性分析

指標體系過于復雜會影響實際設計目標的實現(xiàn)，而對污染物之間的相關性分析可在污染物控制的設計中簡化控制體系，對目標污染物的處理更具針對性，從而優(yōu)化污染物控制設計與控制措施的結合效果。對于SS污染指標的相關性分析，將各樣本的SS與COD、NH3-N、TN、TP這4項指標進行線性回歸分析，得到濃度變化的線性關系。

SS控制率表示在不同徑流時間下的SS污染物累積產(chǎn)生量與總產(chǎn)生量的比值，此比值(即SS控制率)對應本試驗設定的降雨累積量，認定為設計降雨量，計算如式(3)。其中，SS累積產(chǎn)生量是通過試驗測得的SS濃度與相對應時間段的徑流量計算得出，SS總產(chǎn)生量為整個試驗過程中徑流產(chǎn)生的SS的量，也是以試驗測得的SS濃度與相對應時間段的徑流量計算并求和得出。

(3)

年徑流總量控制率是指通過自然或人工強化的滲透、集蓄等方式，場地內(nèi)累計全年得到控制的雨量占全年總降雨量的比例，如式(4)。年徑流總量控制率可通過日降雨量統(tǒng)計分析，折算到設計降雨量：選取至少近30年(反映長期的降雨規(guī)律和近年的氣候變化)的日降雨(不包括降雪)資料，扣除≤2 mm降雨事件的降雨量(一般不產(chǎn)生徑流)，將日降雨量由小到大進行排序，統(tǒng)計小于某一降雨量x的降雨總量(小于該降雨量的按實際雨量計算出降雨總量，大于該降雨量的按該降雨量計算出降雨總量，兩者累計總和)在總降雨量中的比率，此比率(即年徑流總量控制率)對應的降雨量(日值)即為設計降雨量。

年徑流總量控制率=

(4)

2 試驗結果與討論

2.1 降雨徑流規(guī)律

在試驗過程中，1年一遇、2年一遇、3年一遇、5年一遇的模擬降雨雨強和徑流流量如圖4所示。降雨量通過雨量計進行校核，徑流量通過流量計實時監(jiān)測。

圖4 降雨過程中設計降雨量與徑流量變化規(guī)律Fig.4 Variation of Design Capacity of Rainfall and Runoff during Rainfalls

分析可知，與降雨過程相比，徑流的產(chǎn)生及消失時間均有所推遲，單位徑流產(chǎn)生面積的總徑流量與總降雨量之比為道路徑流系數(shù)，試驗得道路徑流系數(shù)為0.90～0.94。在不同降雨強度條件下，典型道路下墊面中，徑流的產(chǎn)生時間與降雨的開始時間相比均有所延遲。試驗表明，在降雨過程發(fā)生19～22 min后，流量計處監(jiān)測到徑流量產(chǎn)生。但是，隨著降雨強度的逐漸增大，徑流產(chǎn)生時間有逐漸提前的趨勢。

在不同降雨強度條件下，隨著降雨過程的持續(xù)，排口處徑流量逐漸增多，且在2 h降雨試驗停止后的20 min內(nèi)，排口處依舊可監(jiān)測到明顯的徑流量。以上數(shù)據(jù)表明，徑流的停止時間與降雨的停止時間相比有所滯后，在降雨過程停止后，路面徑流依舊會在一定時間內(nèi)繼續(xù)存在并持續(xù)產(chǎn)生影響。

2.2 徑流污染物濃度變化規(guī)律

自人工降雨試驗徑流產(chǎn)生開始計時，分別在1、3、6、10、15、20、30、40、60、90、120 min取徑流水體樣本，并對其水質進行檢測。此次檢測選取5項典型徑流污染水質指標，分別為SS、NH3-N、COD、TN、TP。各污染物濃度隨徑流時間變化情況如圖4所示。

由圖5可知，5項典型污染物瞬時濃度均隨著徑流的產(chǎn)生呈現(xiàn)明顯的初期濃度高、隨后逐漸降低的趨勢。在4種不同降雨重現(xiàn)期條件下，COD、SS、NH3-N、TN和TP在徑流產(chǎn)生初始階段(1～6 min)均達到濃度峰值，這是因為在產(chǎn)流初期，大量的路面污染物被降雨沖刷釋放進入雨水徑流中，此時水體中的污染物濃度最高。而后隨著降雨過程的持續(xù)，徑流量逐漸增大，水體中的污染物濃度逐漸降低，并于徑流產(chǎn)生的20 min后，CODCr與SS濃度穩(wěn)定在20～30 mg/L和10～30 mg/L，徑流水體中的各項污染物濃度最終趨于平穩(wěn)狀態(tài)，且隨著降雨歷時的延長，徑流水體中污染物濃度不再出現(xiàn)明顯變化。吳亞剛等[10]研究西安市某道路下墊面，發(fā)現(xiàn)有機物以及氮、磷等污染物在產(chǎn)流前期濃度較高，并于一定時間后趨于平穩(wěn)，與本試驗中道路徑流污染物濃度變化趨勢相似，表明道路下墊面隨著徑流的產(chǎn)生，污染物濃度呈現(xiàn)初期高、隨后降低的變化規(guī)律。

圖5 道路下墊面各徑流污染物瞬時濃度變化 (a) CODCr；(b) NH3-N；(c) SS；(d) TN；(e) TPFig.5 Instantaneous Concentration Variation of Runoff Pollutants on Underlying Surface of the Road (a) CODCr; (b) NH3-N; (c) SS; (d) TN; (e) TP

2.3 徑流污染物平均濃度(EMC)

污染物含量受到降雨歷時、降雨強度、地表污染狀況等多方面影響，瞬時濃度無法代表徑流的污染狀況。因此，采用次降雨徑流平均濃度(EMC)來計算和評估地表降雨徑流中攜帶的污染物質含量。道路下墊面不同降雨條件下各污染物實測濃度及EMC如表2所示。

受不同降雨強度沖刷及降雨、徑流總量影響，不同降雨條件下徑流污染物實測濃度及EMC有所差異。2 h降雨試驗過程所產(chǎn)生的徑流中，SS平均濃度為43～91 mg/L；NH3-N平均濃度為0.15～1.01 mg/L；CODCr平均濃度為66～104 mg/L；TN平均濃度為4.2～4.9 mg/L；TP平均濃度為0.06～0.11 mg/L。NH3-N與TP濃度低于地表Ⅳ類水標準，COD和TN濃度均高于地表V類水標準。與北京和浙江臨安道路下墊面相比，青島市道路COD和SS含量高出50%以上[11-12]。徐宇婕等[13]發(fā)現(xiàn)，寧波市城市道路CODCr平均濃度(74.42 mg/L)略低于青島(66～104 mg/L)，TSS濃度在300 mg/L以上，TN平均濃度為8.04 mg/L。吳民山等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，天津臨港工業(yè)園區(qū)CODCr較高，EMC為120 mg/L，TSS為160 mg/L，工業(yè)園內(nèi)NH3-N和TN較高，TN最高接近20 mg/L。對比發(fā)現(xiàn)，道路下墊面中TN和COD濃度處于較高水平，可考慮作為道路下墊面重點關注指標。各個城市對比發(fā)現(xiàn)，各項污染物EMC波動范圍有較大差異，因地制宜進行試驗分析污染物變化規(guī)律具有現(xiàn)實意義。

表 2 不同降雨條件下徑流污染物EMCTab.2 EMC of Runoff Pollutants under Different Rainfall Conditions

2.4 典型徑流污染物相關性分析

2.4.1 SS污染指標相關性分析

人工降雨試驗選取了SS、NH3-N、COD、TN及TP這5項污染物對降雨徑流的水質變化情況進行分析和評估，從而更全面地了解青島市道路下墊面徑流污染變化規(guī)律。NH3-N、COD、TN及TP這4項指標在測試中存在耗時長、步驟復雜和成本高等缺點，而SS指標可通過便攜式設備實地快速測得，可作為其他指標的代表。實際設計過程中，目標會因指標體系過于復雜難以實現(xiàn)。本研究對5項典型徑流污染物的相關性進行分析(圖6)，實現(xiàn)多污染物指標體系的融合，便于海綿城市建設的實際實施。

圖6 典型徑流污染物相關性分析 (a) CODCr；(b) TN；(c) NH3-N；(d) TPFig.6 Correlation Analysis of Typical Runoff Pollutants (a) CODCr; (b) TN; (c) NH3-N; (d) TP

結果表明，道路下墊面徑流水樣中，SS與NH3-N、COD、TN、TP等指標的濃度呈現(xiàn)一定的正相關關系。因此，可選擇SS污染指標作為青島市道路下墊面典型徑流污染指標，其他指標可通過換算成SS污染指標進行估算，并進一步進行有效管控。

2.4.2 徑流污染控制與年徑流總量控制率相關性分析

青島市近30年總有效降雨天數(shù)為1 275 d(降雨量>2 mm)，總降雨量為19 753.9 mm，通過1.4.3節(jié)所述方法可得年徑流總量控制率與設計降雨量的關系。SS控制率與設計雨量的關系由試驗測得，年徑流總量控制率與設計降雨量的關系由實際降雨數(shù)據(jù)可得，同一設計降雨量下的SS控制率與年徑流總量控制率對應關系如圖7所示。

采用SS指標作為青島市道路下墊面徑流污染控制的典型污染物。2.4.1節(jié)中已分析SS與其他污染物的相關性，可通過SS控制率建立污染物與降雨量和徑流控制率的關系。對徑流SS污染控制率與設計降雨量以及年徑流總量控制率進行分析，可為北方濱海城市降雨量和徑流量與道路徑流污染特征關系提供理論支撐。

對不同降雨強度控制條件下道路下墊面徑流SS控制率與設計降雨量的關系進行擬合分析，發(fā)現(xiàn)道路下墊面徑流SS控制率與設計降雨量具有較好的線性關系，y=0.019 5x-0.170 4(R2=0.836 8)。此式和圖7可為海綿城市的建設提供理論基礎。年徑流總量控制率對應的降雨量即為設計降雨量，設計降雨量根據(jù)關系式與SS控制率對應。例如，當年徑流總量控制率在85%時，對應的設計降雨量為40 mm，進而通過關系式可得，SS控制率為60.96%。在道路徑流污染控制設計過程中，合理確定適宜的設計降雨量，從而確定對應的年徑流總量控制率。在北方海綿城市建設過程中，可為基于水環(huán)境污染控制目的的降雨控制提供參考。

圖7 道路下墊面徑流SS控制率擬合結果與年徑流總量控制率關系Fig.7 Relationship between SS Control Rate Fitting Result of Underlying Surface Runoff and Total Control Rate of Annual Runoff

3 結論

(1)通過人工降雨試驗，研究了道路下墊面降雨過程中徑流污染負荷的產(chǎn)生規(guī)律。經(jīng)分析可知，SS、NH3-N、COD、TN及TP這5項典型污染物瞬時濃度均隨著徑流的產(chǎn)生呈現(xiàn)明顯的初期濃度高(在1～6 min濃度達到峰值)、隨后降低的趨勢。

(2)對不同降雨條件下單場降雨各污染物的徑流污染物平均濃度(EMC)進行分析計算，SS、NH3-N、CODCr、TN和TP的EMC為43～91、0.15～1.01、66～104、4.2～4.9 mg/L和0.06～0.11 mg/L。其中，COD和TN濃度的最低值均超過了國家地表水環(huán)境質量V類標準，2項指標可考慮作為道路下墊面的重點關注指標。

(3)對道路下墊面徑流水質中SS、NH3-N、COD、TN及TP這5項典型污染物的相關性進行分析，發(fā)現(xiàn)道路下墊面徑流水樣中SS污染指標的濃度與NH3-N、COD、TN、TP等指標的濃度均呈現(xiàn)較好的線性關系，可選擇SS作為青島市道路下墊面的典型徑流污染指標。

(4)以SS作為典型污染指標，分析其徑流污染控制率與設計降雨量(對應年徑流總量控制率)的關系，y=0.019 5x-0.170 4(R2=0.8368)，可根據(jù)此式以控制污染物為目標，合理確定適宜設計降雨量和年徑流總量控制率，為基于水環(huán)境污染控制目的的降雨控制提供參考。