城市雨污合流制排水管道降雨徑流污染特征研究

李云青 李海燕 譚朝洪 張曉然

摘 要：城市合流制排水管道旱季輸送生活污水，雨季同時輸送降雨徑流，降雨量較大時易產生合流制溢流污染并對水環境造成危害。選取北京市２ 個典型合流制排水管道進行降雨徑流監測，對典型降雨事件下徑流ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ、Ｐｂ、Ｚｎ 七項水質指標進行分析，研究其水質污染特征。結果表明：ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ 在降雨徑流過程中平均濃度（ＥＭＣ） 均超過參考標準限值，而重金屬Ｐｂ、Ｚｎ 污染程度較輕，２ 個監測點Ｐｂ、Ｚｎ 的ＥＭＣ 均低于《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）Ｖ 類水標準限值；管道水質變化過程受降雨強度、污染物地表累積情況、管道沉積物沖刷情況等多種因素的影響，多數污染物濃度與降雨強度成負相關，與雨前干期長度成正相關；降雨強度、雨前干期長度及降雨量分布均會影響污染物的初期沖刷效應。

關鍵詞：合流制排水管道；降雨徑流；水質污染；沖刷；北京市

中圖分類號： Ｘ５２；ＴＵ９９２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．０２０

引用格式：李云青，李海燕，譚朝洪，等．城市雨污合流制排水管道降雨徑流污染特征研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：１０９－１１５．

０ 引言近年來，隨著城市快速發展，分流制排水系統應用較多，但一些城市老城區受空間條件限制和歷史文化保護要求，仍有大量合流制排水管道［１］ 。我國自２０ 世紀８０ 年代末開始對城市非點源污染進行研究，對合流制排水管道徑流污染方面的研究多集中在北京［２－３］ 、武漢［４－５］ 、上海［６］ 等城市。研究表明，降雨發生時城市合流制排水管道產生的徑流污染比分流制排水管道嚴重［５］ 。原因是合流制排水系統在干期輸送城市污水，雨期還同時輸送地表徑流，更容易發生輸送水量超標現象，污水溢流排放到自然水體產生污染，稱之為合流制管網溢流［７］ 。雨污合流制排水管網污染源較分流制排水管網更加多樣，國內外研究將合流制排水管網降雨徑流污染源大致分為三方面：一是管網溢流出的城市污水、地表徑流、管道沉積物［８－９］ ，其中城市污水主要包括生活污水、生產污水、徑流污水；二是雨水沖刷地表在干期形成的污染物；三是在降雨徑流沖刷作用下釋放的排水管道沉積物。目前對于北京城區合流制排水管網徑流研究多集中于溢流污染特征、溢流影響因素以及溢流污染控制方面［１０－１２］ ，缺乏考慮降雨因素的干期、雨期合流制排水管網水質變化特征研究以及管道污染物濃度變化、初期沖刷過程的影響因素研究。

本文選取北京城區兩段典型合流制排水管道，依據干期、雨期懸浮物（ＳＳ）、化學需氧量（ＣＯＤ）、總氮（ＴＮ）、氨氮（ＮＨ３ －Ｎ）、總磷（ＴＰ）、重金屬Ｐｂ 與Ｚｎ 徑流污染指標監測結果，探究其水質變化特征，分析降雨特征對污染物濃度的影響規律以及水質變化的影響因素等，以期為合流制排水管網徑流污染風險評估及治理提供科學依據。

１ 監測點設置及降雨特征值

分別在北京西城區和海淀區各選擇一段合流制排水管道，管道均為ＤＮ３００ 鋼管。在管道下游干管各選擇一個檢查井設置監測點，分別位于西城區宣師一附小（監測點ＨＬ１）及海淀區萬壽莊賓館（監測點ＨＬ２）附近，監測點ＨＬ１ 設置在道路上，ＨＬ２ 設置在綠地上，所在區域地形都比較平緩。２ 個監測點分別位于北京核心區和拓展區，所選的合流制排水管道所控區域涵蓋屋面、道路、綠地３ 種典型下墊面，其附近地區的人口密度、交通流量、空氣污染狀況和居民生活習慣等與所在地區相近或一致，并且遠離污染點源（垃圾堆、污水排放口等）。

２ 個監測點氣候均為典型的大陸性暖溫帶季風氣候，四季分明， 降雨集中在夏季， 年平均降雨量６００ ｍｍ。２０１９ 年３—７ 月共監測７ 場降雨，監測點的降雨特征值及管道流量見表１。

使用２ Ｌ 燒杯收集城市排水管網出口降雨樣品，轉移到５００ ｍＬ 聚乙烯采樣瓶中不留頂空。記錄每個樣品的采樣開始時間和結束時間，隨即貼上樣品標簽，現場測定水溫及ｐＨ 值，然后將樣品轉移至低溫箱保存并帶回實驗室進行測驗。水質監測指標包括ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ、Ｐｂ、Ｚｎ。

對２０１９ 年３—７ 月共７ 場典型降雨進行污染物監測，根據式（１）對ＨＬ１ 和ＨＬ２ 監測點進行雨期水質計算分析，干期水質則采用瞬時濃度平均值進行分析。通過將ＳＳ 濃度與《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（ＧＢ １８９１８—２００２）二級標準限值進行比較，其他污染指標與《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）Ｖ 類水標準限值進行比較，來判斷合流制排水管道水質污染程度。

２．２ 水質歷時變化特征與初期沖刷特征分析

選取２ 個監測點降雨歷時相同、降雨強度相近的降雨事件（２０１９ 年７ 月２２ 日）為例，研究同一場次降雨事件２ 個監測點各水質指標隨降雨歷時的變化過程。在降雨過程中監測斷面徑流出流前采集第１ 個樣品，在初始產流３０ ｍｉｎ 內每隔５ ｍｉｎ 采集１ 個樣品，在產流３０～６０ ｍｉｎ 內每隔１０ ｍｉｎ 采集１ 個樣品，在產流６０～１２０ ｍｉｎ 內每隔３０ ｍｉｎ 采集１ 個樣品，共采集１２個樣品（包含１ 個平行樣）。采用流量監測設備同時監測出流流量，在２０１９ 年７ 月２ 日和２０１９ 年７ 月３日連續監測２ 個合流制排水管道出口斷面的干期水質，每２ ｈ 采集１ 次樣品，歷時２４ ｈ，共采集１４ 個樣品（含１ 個平行樣）。

以污染物的累積污染負荷與累積徑流量的相關性為基礎，以兩者所形成無量綱累積曲線的發散程度來確定是否發生初期沖刷，并繪制其Ｍ （Ｖ） 曲線。當Ｍ（Ｖ）曲線起始坡度大于４５°時存在初期沖刷效應，并用偏離４５°的最大值來量化初期效應。選取３ 場降雨量各不相同的降雨事件（２０１９ 年４ 月２４ 日、２０１９ 年６月１６ 日、２０１９ 年７ 月２２ 日），探究２ 個合流制排水管道監測點的水質指標變化規律。

２．３ 水質指標與降雨特征相關關系分析

為探究降雨強度和雨前干期長度對合流制排水管道降雨徑流水質的影響，對７ 場降雨的降雨強度、雨前干期長度與２ 個監測點水質指標ＥＭＣ 的相關系數進行統計分析。通過ＳＰＳＳ 統計軟件計算降雨特征值與徑流污染物濃度之間的Ｐｅａｒｓｏｎ 相關系數，結合干期、雨期的水質指標，分析２ 個監測點的徑流污染物來源，為有效控制合流制排水管道徑流污染提供可靠依據。

３ 結果與討論

３．１ 合流制排水管道水質污染特征

各水質指標干期瞬時濃度平均值見表２。當降雨類型為大雨及以上時管道易產生溢流，平均降雨強度影響溢流事件發生所需時間，平均降雨強度越大，發生溢流事件所需時間越短［８］ 。分析合流制排水管道雨期徑流水質濃度，能夠為溢流污染控制提供理論依據。２ 個監測點的干期ＳＳ 瞬時濃度平均值相差較大；２ 個監測點的干期ＣＯＤ 以及氮磷的瞬時濃度平均值都較高，對比ＴＮ 與ＮＨ３ －Ｎ 濃度發現，氮類污染物的存在形式主要是ＮＨ３ －Ｎ；２ 個監測點的干期Ｐｂ 和Ｚｎ 濃度均較低。

７ 場降雨事件中各水質指標ＥＭＣ 見表３。ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點雨期ＳＳ 的ＥＭＣ 平均值分別為６７２．０４、８４８．２７ ｍｇ／ Ｌ，分別為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（ＧＢ １８９１８—２００２） 二級標準限值（３０ ｍｇ／ Ｌ） 的２２．４ 倍、２８．３ 倍。另外，數次降雨事件中污染物ＳＳ 的ＥＭＣ 變化范圍較大，ＨＬ１ 監測點ＳＳ 的ＥＭＣ 變化范圍為１５６．４３～２ ０４４．７０ ｍｇ／ Ｌ，ＨＬ２ 監測點ＳＳ 的ＥＭＣ 變化范圍為３７７．２２～１ ８６８．６１ ｍｇ／ Ｌ。雨污合流制排水管道雨水徑流中含有大量的懸浮物，且其污染過程復雜，對自然水體具有極大威脅，降雨量、監測點位置、采樣時間等均會影響合流制排水管道ＳＳ 濃度。ＨＬ１、ＨＬ２監測點雨期ＣＯＤ 的ＥＭＣ 平均值分別為３６９． ５１、３２８．５２ ｍｇ／ Ｌ，分別為《地表水環境質量標準》（ ＧＢ３８３８—２００２）Ｖ 類水標準（４０ ｍｇ／ Ｌ）的９．２ 倍、８．２ 倍，污染程度較為嚴重。氮磷類污染物的ＥＭＣ 變化范圍較大，ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點雨期ＴＮ 的ＥＭＣ 平均值分別為５９．９２、７０．７５ ｍｇ／ Ｌ，分別為《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２） Ｖ 類水標準（２ ｍｇ／ Ｌ） 的３０．０ 倍、３５．４ 倍；ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點雨期ＴＰ 的ＥＭＣ 平均值分別為４．１５、５．８２ ｍｇ／ Ｌ，分別為《地表水環境質量標準》（ＧＢ ３８３８—２００２）Ｖ 類水標準（０．４ ｍｇ／ Ｌ） 的１０．４ 倍、１４．６ 倍。不同的降雨條件和季節環境會影響合流制排水管道中氮磷類污染物的濃度，降雨量較大時可能會產生稀釋效應，降雨量較小時可能會產生富集現象，且合流制排水管道雨污合流，生活污水中也含有較多氮磷元素，因此其水質變化具有很強的不確定性。

ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點雨期重金屬Ｐｂ 的ＥＭＣ 平均值分別為Ｖ 類水標準限值（０．１ ｍｇ／ Ｌ）的０．０８ 倍、０．０７ 倍，ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點雨期重金屬Ｚｎ 的ＥＭＣ 平均值分別為Ｖ 類水標準限值（２．０ ｍｇ／ Ｌ）的０．２１ 倍、０．４２ 倍，但雨前干期較長的降雨場次污染物Ｐｂ 和Ｚｎ 的ＥＭＣ 較大。

對比干期、雨期的水質可以發現，降雨會顯著影響合流制排水管道污染物濃度。監測干期后的第一場降雨事件（２０１９ 年７ 月５ 日）２ 個監測點的徑流ＳＳ 的ＥＭＣ分別高達２ ０４４．７０、１ ２２３．１１ ｍｇ／ Ｌ，均為２０１９ 年所有監測降雨場次中的較大值，明顯高于干期ＳＳ 的瞬時濃度平均值，而干期ＳＳ 瞬時濃度平均值與部分降雨事件ＳＳ 的ＥＭＣ 相比較高，說明干期污水中ＳＳ 是降雨時合流制排水管道中ＳＳ 的重要來源；雨期ＣＯＤ 的ＥＭＣ 與干期瞬時濃度平均值相比有一定程度的降低，說明降雨會對合流制排水管道中ＣＯＤ 污染物產生稀釋作用；對比２ 個監測點的干期ＮＨ３ －Ｎ 瞬時濃度平均值與雨期ＥＭＣ 可以發現，降雨時合流制排水管道的ＥＭＣ 變化范圍很大，監測點ＨＬ１ 的ＮＨ３ －Ｎ 干期瞬時濃度平均值為７２．８５ ｍｇ／ Ｌ，６ 月１６ 日（小雨）ＮＨ３－Ｎ 的ＥＭＣ 為７６．５０ ｍｇ／ Ｌ，７ 月５ 日、７ 月２２ 日（中雨）ＮＨ３ －Ｎ 的ＥＭＣ分別為３１．１４、７．３５ ｍｇ／ Ｌ；同樣，監測點ＨＬ１ 的ＴＰ 干期瞬時濃度平均值為５．３６ ｍｇ／ Ｌ，６ 月１６ 日（小雨）ＴＰ 的ＥＭＣ 為９．８２ ｍｇ／ Ｌ，７ 月５ 日、７ 月２２ 日（中雨）ＴＰ 的ＥＭＣ 分別為０．８４、０．７９ ｍｇ／ Ｌ，在監測點ＨＬ２ 有相同規律，可知降雨量較大時會有顯著的ＴＰ 稀釋現象，而降雨量較小、雨前干期較長又會加重合流制排水管道污染負荷，從時間分布上來看，合流制排水管道中干期的氮磷污染程度接近２０１９ 年６ 月１６ 日降雨事件中氮磷污染程度，并且表現出明顯的季節變化性。北京地處季風氣候區，夏季炎熱多雨，是氮磷污染物釋放的階段，極易誘發水體富營養化，對水生生物影響較大，因此需要引起高度重視。

對所測２０１９ 年北京合流制排水管道徑流水質ＥＭＣ 與２００９ 年北京、２００７ 年上海、２０１０ 年昆明合流制排水管道徑流水質ＥＭＣ 進行比較，見表４。相比北京２００９ 年監測的合流制排水管道徑流水質，除ＳＳ 外，其他污染物濃度均有不同程度的降低，其中ＣＯＤ 的最大ＥＭＣ 降低了約６８％，可見近幾年北京老城區合流制排水管網的污染得到了有效控制，而徑流ＳＳ 的ＥＭＣ在１０ ａ 后有較大的上升，對城市水體仍然構成巨大威脅。相比上海、昆明的合流制排水管道徑流水質，污染物ＳＳ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ 污染水平均較高，說明北京的合流制排水管網ＳＳ 與氮磷類污染偏嚴重，可能是因為上海、昆明這２ 個城市氣候與北京不同，降雨更加頻繁，兩場降雨時間間隔較短，污染物累積少，并且降雨量大，對污染物稀釋作用更加顯著。因此，要根據地區降雨特征，針對性地進行合流制排水管道徑流污染的控制管理。

３．２ 合流制排水管道水質指標與降雨特征值相關性分析

降雨特征值與各污染物濃度間Ｐｅａｒｓｏｎ 相關系數見表５。２ 個監測點污染物濃度與降雨強度大多成負相關，與雨前干期多成正相關。在學校附近的監測點ＨＬ１，污染物ＮＨ３ －Ｎ、ＴＰ 與降雨強度在０．０１ 級別顯著負相關，Ｚｎ 與雨前干期長度在０．０１ 級別顯著正相關。在賓館附近的監測點ＨＬ２，污染物ＳＳ、ＴＮ、ＴＰ 與降雨強度在０．０５ 級別顯著負相關，Ｐｂ、Ｚｎ 與雨前干期長度在０．０１ 級別顯著正相關。因此，大部分污染物表現為降雨強度越大被稀釋濃度越小；雨前干期越長，污染物累積越多，濃度越大。但合流制排水管道水質組成復雜，與降雨強度正相關原因可能是降雨強度的提高沖刷了管道沉積物，使得其濃度增大，而與雨前干期長度負相關或不存在相關性原因可能是排水管道污染物源自地表累積污染物的比例較小。張智等［１９］ 通過分析不同降雨等級與污染物濃度的相關性，發現小雨、中雨等級的降雨形成較明顯稀釋效應；中雨、大雨等級的降雨對管道形成較明顯的沖刷作用，導致各污染物濃度升高，這與本研究得出的結果一致。Ｂｅｒｓｉｎｇｅｒ 等［２０］ 采用在線監測與條件回歸樹測試相結合的方法，得出雨前干期長度、平均降雨強度為合流制排水管網溢流污水中ＣＯＤ 濃度的主要影響因子的結論，與本研究結果一致。

３．３ 合流制排水管道水質變化特征

２０１９ 年７ 月２２ 日降雨場次中合流制排水管道監測點污染物濃度隨降雨變化過程見圖１。在此次降雨事件中， ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點的降雨量分別為１３． ５、１９．８ ｍｍ，降雨歷時均為６ ｈ，降雨強度分別為２．２５、３．３０ ｍｍ／ ｈ。由圖１ 可知，２ 個監測點的各污染物濃度整體呈下降趨勢，有一定程度的波動，不同時刻有新的波峰出現。車伍等［２１］ 通過建立數學模型研究雨水干管污染物輸送規律，發現雨水干管污染物濃度總體呈下降趨勢，其受污染物初始濃度與降雨強度的影響。

由圖１ 可知，污染物濃度變化幅度與降雨量分布有關，且污染物濃度變化過程中峰值的出現與降雨強度有一定的關系，污染物濃度峰值多在降雨強度峰值后出現，污染物地表累積情況、管道沉積物沖刷情況也會影響不同污染物濃度變化過程。對比２ 個監測點水質變化過程可以發現，ＨＬ１ 監測點前期多數污染物濃度迅速下降，后期濃度變化趨勢較緩；而ＨＬ２ 監測點多數污染物濃度整體均勻下降，只在降雨后期某一時刻大幅下降。Ｐｂ 和Ｚｎ 濃度變化小，原因是Ｐｂ 和Ｚｎ污染物地表累積量小，在降雨初期便被沖刷進入合流制排水管網中；ＳＳ 濃度受降雨量影響較大，尤其在ＨＬ２ 監測點的２２ 時之后，其濃度大幅下降，原因是此時降雨量大幅增加，較多雨水徑流能夠大幅稀釋管道中ＳＳ 污染物；ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ、ＮＨ３ －Ｎ 濃度隨降雨量變化波動較小，可能是合流制排水管道中沉積物被雨水沖刷進水體［２２］ ，對其濃度變化產生一定影響。Ｓｉｌｖａ等［１６］ 對城市合流制排水管網降雨徑流污染特征進行研究，發現合流制排水管網下游干管的合流污水濃度受降雨過程、管道匯流過程、地表累積狀況和管道沉積污染物再懸浮等綜合影響，各污染物在不同區域不同降雨條件下呈現不同的污染特征。結合３．２ 節分析可知，合流制排水管道各污染物濃度變化與降雨強度、污染物地表累積情況、管道沉積物沖刷情況等都有關。

３．４ 合流制排水管道初期沖刷特征

在城市降雨徑流過程中，多數情況下存在徑流初期污染物的累積輸送速率大于徑流量累積輸送速率的現象，即降雨初期徑流攜帶著大量污染物，稱為初期沖刷效應［２３］ 。徑流過程中如果污染物初期沖刷現象比較明顯，那么可以對初期雨水進行截留控制，進行處理后再排放，可以實現較高的污染控制率，因此研究污染物的初期沖刷規律對污染物的排放治理具有重要意義。降雨初期徑流水質較差，初期徑流中污染物的濃度明顯高于中后期，但是各污染物濃度變化曲線并不能直觀反映污染物初期沖刷效應是否存在，因此通過繪制合流制排水管道徑流污染物Ｍ（Ｖ）曲線分析管道初期沖刷特征，見圖２。

４ 月２４ 日降雨場次ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點降雨類型分別為大雨、中雨，２ 個監測點除ＳＳ 存在較為輕微的初期沖刷現象外，其余污染物的初期沖刷現象均不明顯，原因是降雨場次的降雨強度雖大，但是降雨分布較均勻且分散，本場降雨的污染物沖刷現象不明顯。６ 月１６ 日降雨場次ＨＬ１、ＨＬ２ 監測點降雨類型均為小雨，在ＨＬ１ 監測點ＳＳ、Ｚｎ 存在較為明顯的初始沖刷效應，當累積徑流量與徑流總量之比為０．３ 時，ＳＳ、Ｚｎ 的累積污染負荷與污染負荷總量之比分別達到０．３０ 和０．４５，其余污染物的沖刷效應均不明顯；ＨＬ２ 監測點只表現出輕微的沖刷效應。７ 月２２ 日降雨場次兩個監測點降雨類型均為中雨，在ＨＬ１ 監測點ＮＨ３ －Ｎ、ＣＯＤ、ＴＰ 存在輕微的初始沖刷效應，在ＨＬ２ 監測點ＣＯＤ、ＴＰ初始沖刷效應較為突出，其余污染物均未表現出明顯的沖刷效應。綜合本研究所選的３ 場降雨事件，７ 月２２ 日初期沖刷現象最明顯，６ 月１６ 日次之，４ 月２４ 日降雨場次初期沖刷現象最輕微，３ 場降雨事件降雨強度大小順序為７ 月２２ 日＞４ 月２４ 日＞６ 月１６ 日，３ 場降雨事件雨前干期長短順序為６ 月１６ 日＞７ 月２２ 日＝４ 月２４ 日。

結合３．３ 節水質變化過程分析可知，降雨強度、雨前干期長度以及降雨量分布綜合影響污染物的初期沖刷效應。降雨強度越大且集中分布在前中期，雨前干期越長，污染物的初期沖刷現象越明顯。

４ 結論

以北京城區２ 個典型合流制排水管道為研究對象，通過監測干期、雨期水質指標，研究其水質污染特征，得出如下結論。

１）２ 個合流制排水管道監測點主要污染物為ＳＳ、ＣＯＤ、ＴＮ、ＮＨ３ －Ｎ 和ＴＰ，監測濃度均超過參考標準限值，重金屬Ｐｂ、Ｚｎ 污染程度較輕。降雨會顯著影響合流制排水管道污染物濃度，降雨量較大時會有顯著的稀釋現象，而降雨量較小、雨前干期較長時會加重合流制排水管道污染負荷。

２）合流制排水管道水質變化與多種因素有關，包括降雨強度、污染物地表累積情況、管道沉積物沖刷情況等。各污染物濃度與降雨強度大多成負相關，與雨前干期長度多成正相關。

３）污染物初期沖刷情況復雜，不同監測點的沖刷規律不同，降雨強度、雨前干期污染物累積特征以及降雨量分布綜合影響污染物的初期沖刷效應。所選３ 場降雨的初期沖刷現象顯著程度排序為７ 月２２ 日＞６ 月１６ 日＞４ 月２４ 日，７ 月２２ 日降雨強度最大，６ 月１６ 日雨前干期最長，故降雨強度越大且集中分布在前中期，雨前干期越長，污染物的初期沖刷現象越明顯。

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【責任編輯 栗 銘】