基于片區(qū)降雨與污染特征的初雨沖刷截流理論研究

吳洋

（南京城市建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，南京 210000）

在城市降雨的初期階段，雨水溶解了空氣中大量氮氧化物、碳?xì)浠衔铩⒘蜓趸锛邦w粒物等，雨水污染程度提高，降落至地面后又沖刷道路瀝青、混凝土等，道路雨水的污染程度在降雨初期要高于正常城市污水的污染程度。污染后的城市初期雨水經(jīng)市政雨水管網(wǎng)直接排入河道，使河道水體受到嚴(yán)重污染[1-2]。我國城市降雨徑流污染的研究起步較晚，目前，北京、上海、廣州、合肥等城市已經(jīng)開展相關(guān)研究。本文通過分析南京江北新區(qū)降雨與污染特征，結(jié)合國內(nèi)外研究的相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)片區(qū)的初雨沖刷效應(yīng)，提出截流理論，并改良初雨調(diào)蓄設(shè)施設(shè)備，以提高初雨處理成效，解決初雨排放污染問題。

1 片區(qū)降雨與污染特征分析

南京江北新區(qū)是我國國家級新區(qū)，位于長江以北，總面積為2 451 km2。選取南京江北新區(qū)3 場典型的降雨（徑流水樣采集足夠），對其初期雨水徑流污染特征進(jìn)行分析，基本信息如表1 所示。3 場降雨能代表江北新區(qū)的降雨情況，原因有3 點(diǎn)。一是3 場降雨事件涵蓋了大雨、中雨和小雨；二是3 場降雨事件涵蓋春夏兩季（旱季和雨季）；三是3 場降雨事件的雨前干期時間為5～11 d，既涵蓋雨前干期時間間隔短，地面污染物累積較少的情況，又涵蓋了雨前干期時間間隔長，污染物積累充分的情況。

表1 江北新區(qū)3 場降雨特征

參考國內(nèi)外相關(guān)研究的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合南京江北新區(qū)的實(shí)際情況，通過多次調(diào)研，確定該片區(qū)雨水徑流污染特征研究的典型采樣點(diǎn)，如表2 所示。監(jiān)測指標(biāo)主要包括化學(xué)需氧量（COD）、懸浮物（SS）、總氮（TN）和氨氮（NH3-N）。

表2 采樣點(diǎn)基本信息

研究區(qū)位于南京江北新區(qū)五一河流域，面積約為1.3 km2，研究區(qū)包括老舊住宅區(qū)、老舊道路、綠地等，路面和老舊管網(wǎng)情況復(fù)雜。研究區(qū)內(nèi)排水系統(tǒng)多數(shù)為分流制，雨水經(jīng)雨水管流入五一河。棚戶區(qū)采用合流制截流式排水系統(tǒng)。

雨水排放口徑流采樣方法為：雨水排放口開始排水的時間記作T0，這時采集第一個樣品；在T0之后的30 min內(nèi)，每隔5 min 取樣；在30～60 min內(nèi)，每隔10 min 取樣；在60 min后，每隔30 min 取樣，直至徑流結(jié)束。經(jīng)檢測，獲取各樣品的COD、SS、TN 和NH3-N 濃度[3]。

雨水排放口橫截面面積與流速相乘后，可以獲得徑流流量數(shù)據(jù)。因本次選取的采樣點(diǎn)雨水排放口（管道或管涵）橫截面為規(guī)則圓形或方形，過流截面積可通過徑流水深測算，而徑流水深可以利用標(biāo)尺讀數(shù)計取。流速主要通過投放標(biāo)記物目測獲得。為了校正流量數(shù)據(jù)測算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在每個采樣點(diǎn)的雨水排放口均釆用便攜式流量計進(jìn)行校正。

降雨屬于隨機(jī)事件，地表降雨徑流的污染物濃度受到降雨強(qiáng)度、降雨歷時、地表污染狀況、下墊面等因素交叉影響，變化差異大[4]，研究徑流污染物狀況和特性可以通過降雨徑流事件平均濃度來評估，如式（1）所示。

式中：EMC為降雨徑流事件平均濃度，mg/L；M為降雨過程總污染物含量，mg；V為總徑流量，L；C(t)為隨時間變化的污染物濃度，mg/L；q(t)為隨時間變化的徑流流量，L/min；t為徑流時間，min；T為總徑流時間，min。

結(jié)合采集和測算獲取的各項數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）可計算出三場降雨事件三個采樣點(diǎn)（L01、L02、L03）的四種污染物EMC值，如表3 所示。

表3 三場降雨事件三個采樣點(diǎn)的四種污染物EMC值

分析發(fā)現(xiàn)，不同降雨場次、不同采樣點(diǎn)的雨水COD、TN和NH3-N濃度都超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，降雨徑流污染嚴(yán)重，若直接排入受納水體會造成嚴(yán)重的污染，對降雨徑流污染的治理顯得尤為迫切。

2 降雨徑流初期沖刷效應(yīng)及截流理論研究

采集不同降雨場次、不同采樣點(diǎn)的降雨徑流污染物濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)測算，降雨初期徑流的各污染物濃度是整個降雨徑流過程中最高的，這種現(xiàn)象被稱為降雨初期沖刷效應(yīng)，簡稱初雨沖刷效應(yīng)[5]。這里用M(v)曲線來分析初雨污染負(fù)荷速率隨徑流體積累積速率變化的關(guān)系。

針對江北新區(qū)三次降雨事件、三個采樣點(diǎn)的四種主要污染物，以累積污染物負(fù)荷量占總污染物的負(fù)荷量比例相比于累積徑流量占總徑流量比例的比值建立累積M(v)曲線，這條曲線能反映該比值的變化情況，如式（2）所示。

式中：Mt為t時刻某污染物的質(zhì)量，mg；Vt為t時刻徑流體積，L。

M(v)曲線橫坐標(biāo)為某一次降雨徑流過程中累積徑流量與徑流總量的比值，縱坐標(biāo)為累計污染負(fù)荷量與污染負(fù)荷總量的比值。由式（3）和式（4）推導(dǎo)，可得

式（5）表示污染物變化累計濃度與整場降雨過程污染物平均濃度的比值。當(dāng)M(v)曲線的斜率大于1時，污染負(fù)荷的排放速率高于徑流體積的排放速率；當(dāng)M(v)曲線的斜率小于1時，污染負(fù)荷的排放速率則低于徑流體積的排放速率。根據(jù)推導(dǎo)公式，若M(v)曲線在45°坐標(biāo)平衡線（方程y=x）以上，則代表存在初雨沖刷效應(yīng)，與45°坐標(biāo)平衡線偏離程度越大，代表初雨沖刷效應(yīng)越嚴(yán)重；若M(v)曲線在45°坐標(biāo)平衡線以下，則不存在初雨沖刷效應(yīng)。M(v)曲線可以定性分析初雨沖刷效應(yīng)的特征。以L02 采樣點(diǎn)為例，選取具有典型降雨特征的場次，對該采樣點(diǎn)的污染物進(jìn)行M(v)曲線分析，如圖1 所示。

圖1 L02 采樣點(diǎn)3 次降雨事件的污染物M(v)曲線

研究3 個采樣點(diǎn)所有污染物的M(v)曲線特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各污染物的初雨沖刷效應(yīng)強(qiáng)弱與降雨強(qiáng)度有關(guān)，其強(qiáng)弱排序?yàn)榇笥辏局杏辏拘∮辍Ｆ渲校琇01 采樣點(diǎn)雨水徑流中NH3-N 的沖刷最強(qiáng)，各污染物的初雨沖刷效應(yīng)強(qiáng)弱排序?yàn)镹H3-N ＞TN ＞SS ＞COD；L02 采樣點(diǎn)雨水徑流中SS 的沖刷最強(qiáng)，各污染物的初雨沖刷效應(yīng)強(qiáng)弱排序?yàn)镾S ＞COD ＞TN ＞NH3-N；L03 采樣點(diǎn)雨水徑流中COD 的沖刷最強(qiáng)，各污染物的初雨沖刷效應(yīng)強(qiáng)弱排序?yàn)镃OD ＞SS ＞NH3-N ＞TN。

以L02 采樣點(diǎn)為例，在采樣區(qū)域的初期雨水徑流中，雨水徑流量的10%、20%、30%、40%、50%、60%所攜帶的4 種污染物負(fù)荷比平均值約為13%、26%、39%、50%、59%、68%，如表4 所示。在整個降雨前40%的雨水徑流中，每10%的徑流增加量對應(yīng)的污染物污染負(fù)荷增加量均大于10%，表明4 種污染物的排放速率大于該時段徑流排放速率。但在整個降雨40%～50%的雨水徑流中，污染物污染負(fù)荷增加量小于10%，說明4 種污染物的排放速率小于徑流排放速率，初雨沖刷效應(yīng)不明顯。所以，通過L02 采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分析初雨沖刷效應(yīng)，對該排放口的降雨前40%初雨徑流進(jìn)行攔截是合適的，可以分別去除46%～55%、44%～52%、42%～51%和42%～52%的COD、SS、TN 和NH3-N。比對分析采樣點(diǎn)L01、L03 的初期雨水徑流量與污染負(fù)荷數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者存在同樣的規(guī)律。

表4 L02 采樣點(diǎn)初期雨水徑流量占比與污染物負(fù)荷比的關(guān)系

3 結(jié)論

不同功能分區(qū)的雨水排放口污染物濃度隨降雨徑流時間的變化呈現(xiàn)類似的規(guī)律，隨著降雨時間的變化，污染物負(fù)荷比整體呈先上升后衰減的趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，污染物負(fù)荷比衰減發(fā)生在降雨的5～20 min，而后在降雨的50～60 min，4 種污染物的濃度基本都趨于穩(wěn)定。在3 場降雨事件中，COD 和SS 濃度受降雨強(qiáng)度的影響明顯，降雨強(qiáng)度越大，污染物濃度越高；TN 和NH3-N 濃度則與雨前干期時間有關(guān)，雨前干期時間越長，污染物濃度越高。利用M(v)曲線分析初雨沖刷效應(yīng)，結(jié)果表明，大部分污染物的初雨沖刷效應(yīng)為中等，少數(shù)污染物的初雨沖刷效應(yīng)為微弱。對于五一河流域，南京江北新區(qū)可選擇整個降雨期前40%的雨水徑流作為初期雨水截流量，有效緩解雨水排放口對河流的污染，最大限度地截流污染物，同時使截流設(shè)施、設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用更加經(jīng)濟(jì)合理。