老城區降雨徑流污染特征分析

史秀芳 王麗晶 潘興瑤 盧亞靜 王巖

摘要 選取北京市東城區北護城河某雨水排水口進行水質水量聯合監測，分別識別了老城區在小雨、中雨、大雨3種不同雨型下的降雨徑流污染特征，分析了初期沖刷效應和影響徑流污染的敏感性指標及其閾值，制定了老城區源頭和末端污染物管控方案。研究結果表明，降雨初期（小雨前20 min、中雨前30 min、大雨前10 min）污染物濃度較高，存在初期沖刷效應。小雨對SS、TP和TN指標的敏感性高于中雨和大雨，中雨對COD和NH3-N指標的敏感性高于小雨和大雨，中雨和小雨的EMC濃度值比大雨高。對于SS、NH3-N、TP指標，污染物濃度變化范圍最大的分別為大雨、中雨、小雨。徑流污染削減率為30％時，小雨、中雨和大雨需控制的降雨初期徑流體積分別為25 m3、35 m3、150 m3，或控制降雨初期的降雨量為4 mm、9 mm、24 mm。

關鍵詞 北京市;老城區;降雨徑流;污染特征;初期沖刷

中圖分類號：X52? DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-03-002

The characteristics of rainfall runoff pollution in the old urban area： A case study of a drainage district inDongcheng District， Beijing

SHI Xiufang1，2， WANG Lijing1， PAN Xingyao3， LU Yajing1， WANG Yan4

（1.Beijing Water Science and Technology Institute， Beijing 100048， China;2.Qinhuangdao Haigang District River System Service Center， Qinhuangdao 066000， China;3.Beijing Water Authority， Beijing 100048， China; 4.Daxing Water Authority， Beijing 102600， China）

Abstract A rainwater outlet in the north moat of Dongcheng District of Beijing was selected for joint monitoring of water quality and quantity， and the characteristics of rainfall runoff pollution in the old city under light rain， moderate rain and heavy rain were identified respectively. The initial scour effect and sensitivity indexes affecting runoff pollution and their thresholds were analyzed， and the control scheme of source and end pollutants in the old city was formulated. The results showed that the pollutant concentration was higher in the early period of rainfall （20 min before light rain， 30 min before moderate rain， 10 min before heavy rain）， and there was an early scour effect. The sensitivity of light rain to SS， TP and TN is higher than that of moderate rain and heavy rain， the sensitivity of moderate rain to COD and NH3-N is higher than that of light rain and heavy rain， and the EMC concentration value of moderate rain and light rain is higher than that of heavy rain. For SS， NH3-N and TP indexes， heavy rain， moderate rain and light rain had the largest variation range of pollutant concentration. When the runoff pollution reduction rate is 30％， the runoff volume of light rain， moderate rain and heavy rain should be controlled to be 25 m3， 35 m3 and 150 m3， or the rainfall in the early rainfall should be controlled to be 4 mm， 9 mm and 24 mm respectively.

Keywords Beijing; the old city; rainfall runoff; pollution characteristics; first flush

隨著城市化進程加快，下墊面不透水面積比例逐漸增大，城市下墊面不透水區域通常占總面積的60%～100％［1］，包括屋頂、瀝青道路和混凝土等，不透水區域只允許少量的雨水滲透，導致雨水徑流量加大，并通過管網排入河道［2］。加之氣候變化影響，雨水徑流污染日漸加重，目前已成為城市區域重要的環境問題，而造成雨水徑流污染的原因包括大氣沉降和交通浮塵等因素［3-5］。城市面源污染長期以來被廣泛關注，20世紀70年代初，美國率先開展相關研究，其發展歷程主要包括“工程措施-工程措施和非工程措施結合-建章立制-綠色措施”幾個階段，歐洲、日本等也根據當地雨水徑流污染特征采取了針對性措施［6］，20世紀80年代末，城市雨水污染被列為德國90年代水污染控制的三大目標之一［7］。日本開展了對城市雨水利用與管理的研究，以防滲和推行下水道普及為主要目標，積極建設能夠同時收集雨水和污水的合流制排水系統，同時制定了相應政策［8］。我國面源污染研究始于北京市［7，9］，隨后在深圳［10］、重慶［11］、上海［12］等城市相繼開展。大量研究表明，降雨徑流沖刷下墊面，夾雜氮、磷等無機物排入河道，造成河道水質惡化，導致水體富營養化［13］，且降雨徑流污染物濃度與降雨量、平均降雨強度、降雨歷時和雨前干燥期存在一定的相關關系［14］。

北京市東城區用地功能相對單一且高度城市化，下墊面不透水面積比例約為65.42％。由于東城區是老城區，排水體制為合流制，其中雨水排口未設截流設施，汛期雨水經排水管道直接排入河道，嚴重影響河湖水環境、水生態。本研究在2019—2021年每年6—9月對北護城河某雨水排口進行水質水量聯合監測，分析了降雨事件基本特征、降雨徑流污染物濃度變化規律，識別了徑流污染敏感性指標和閾值，提出了老城區降雨徑流污染管控方案，研究結果可為老城區城市面源污染治理與水質水量聯合調度提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

選取位于北京市東城區北護城河河段（見圖1）的某雨水排口為實驗監測點，其上游排水分區管道排水體制為雨污分流制，面積8.38 hm2，下墊面類型主要為綠地、建筑和道路，比例分別為34.58％、27.74％和37.68％。綠地包括小區綠地、道路綠化帶，建筑包括居住建筑、公共建筑，道路包括小區道路、市政道路等。降雨期間，雨水沖刷下墊面，匯集后經管道入北護城河，排入北護城河水體水質標準需高于《地表水環境質量標準》Ⅳ類水標準。

1.2 監測數據

2019—2021年在某雨水排水口進行水質水量聯合監測，并在排水口附近安裝雨量計，同步監測研究區降雨量。為了與水質監測時段對應，根據國家氣象部門對降水等級的劃分標準，本研究將場次降雨量數據進行統計和降雨事件劃分，分別選取了降雨時間連續且水質監測樣本與降雨時間對應的9場降雨。流量監測采用堰槽法在線監測，將薄壁計量堰、水位傳感器和遠傳式明渠流量計箱等監測設備安裝于某排水口上游檢查井內。水質采樣采用前密后疏的方法，第1 h每10 min采集1次樣品，第2 h每15 min采集1次樣品，第3 h每20 min采集1次樣品，第4 h每30 min采集1次樣品，第4 h后每1 h采集1次樣品，一次降雨徑流過程最多可連續采集24瓶樣品。水質分析指標共5項：懸浮顆粒物（SS）、化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、總氮（TN）。本研究獲取的數據情況如表1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 次降雨平均濃度和污染負荷計算

在降雨產流過程中，降雨強度存在隨機性和極大的不確定性，降雨徑流污染物濃度受降雨時間和降雨強度影響波動較大，因此采用平均濃度（event mean concentration，EMC，mg·L-1，式中簡記CEMC）表征場次降雨徑流事件的地表徑流污染物濃度［15］。

CEMC==MV=∫T0C（t）Q（t）dt∫T0Q（t）dt（1）

式中：M為某場降雨徑流所排放的某污染物總量，g;V為某場降雨地表徑流總量，m3;C（t）為某污染物在t時的瞬時濃度，mg／L;Q（t）為t時刻的地表徑流量，m;T為某場降雨的總歷時，s;則污染負荷是由一場降雨所引起的地表徑流排放的某污染物總量，可用該污染物的EMC與總降雨徑流量的乘積表示［16］。

1.3.2 初期效應判別方法

采用無量綱累積曲線M（V）方法分析，該曲線橫坐標為場次降雨累積徑流量與徑流總量之比，縱坐標為污染物累積負荷與污染物負荷總量之比［17］，當曲線M（V）的斜率大于1時，即曲線在45°對角線上方時，表示污染物的累積速率大于徑流量的累積速率，這時表明存在初期沖刷，反之則不存在初期沖刷效應。

M（V）=M（t）V（t）=∫t0Q（t）ρ（t）dt／∫T0Q（t）ρ（t）dt∫t0Q（t）dt／∫T0Q（t）dt≈∑ki=0（ti）ρ（ti）Δt／∑ni=0（ti）ρ（ti）Δt∑ki=0（ti）Δt／∑ni=0（ti）Δt（2）

式中：M（t）為某場降雨徑流t時刻排放的污染物負荷量，mg;V（t）為某場降雨地表徑流t時刻排放的徑流量，L·min-1;Q （t） 為t時刻的地表徑流量， L·min-1;ρ（t）為t時刻的瞬時污染物濃度，mg·L-1;T為從降雨產生徑流到結束持續時間，min;（ti）為ti時刻Δt計算時間段內徑流量平均值，L·min-1。

污染物初期沖刷率（MFF30）是在Geiger的M（V）曲線上提出來的，可以定量描述初期沖刷現象［18］，并將MFF30（式中簡記F30）分為5級［19］，衡量初期沖刷效應的強弱。分類標準如表2所示，其中，FF30表示前30%的地表徑流攜帶的累積污染負荷比例。

F30=∫t0CtQtdt／M∫t0Qtdt／V

式中：M為某場降雨徑流所排放的某污染物總量，g;V為某場降雨地表徑流總量，m3;t為徑流量達到n％的時刻;Ct為t時刻污染物濃度;Qt為t時刻地表徑流量，L·min-1。

2 結果與討論

2.1 小雨條件下徑流污染特征分析

按照氣象部門降雨等級劃分標準，將2019至2021年監測的9場有效降雨（降雨量大于2 mm）劃分為小雨（24 h降雨量<10 mm）、中雨（24 h降雨量為10～24.9 mm）、大雨（24h降雨量為25～49.9 mm），分別選取小雨、中雨、大雨各3場降雨，分析降雨期間雨水排口徑流污染特征。統計降雨事件降雨歷時、最大雨強、總降雨量和雨前干燥期等降雨特征（見表3），其中，降雨量為3.40～48.8 mm，10 min最大降雨強度為1.0～14.80 mm，降雨歷時為1～10.33 h，雨前干燥期為1～6 d。

當累積降雨量達到3.6 mm左右時，排水口開始溢流，溢流時間為1 h左右，開始溢流時間晚于降雨時間約1 h，溢流量在40～110 m3之間。3場小雨的徑流污染物瞬時濃度變化如圖2所示，總體而言，降雨初期污染物濃度較高，隨著降雨的進行，污染物濃度逐漸降低，并趨于穩定。從污染指標濃度最大值來看，前3個水質樣品污染物濃度值較高，所有污染指標在0～30 min內達到最大值。從時間角度來看， 6月份之前污染物累積時間長、降雨頻率小，下墊面污染物負荷高，所以6月份降雨徑流污染物濃度高于7月份，溢流期間污染物濃度值均低于Ⅳ類水標準。7月份降雨，SS、NH3-N、TP指標在降雨中后期達到Ⅳ類水標準，而TN指標遠低于Ⅳ類水標準，污染程度較高。當兩場降雨的降雨量和最大雨強量級相近時（2019-07-19、2021-07-22），雨前干燥期越長，降雨徑流污染物濃度越高。

繪制無量綱累積曲線M（V）（見圖3），計算污染物初期沖刷率MMF30（見表4），參照5級標準，分析小雨初期沖刷效應。場次小雨初期沖刷效應普遍較弱，其中，2019-07-19由于雨前干燥期短，下墊面污染物累積少，除COD指標外的其他指標不存在初期沖刷效應。但小雨事件的MMF30值均超0.8，表明5種指標容易發生強初期沖刷效應。對比場次小雨5種污染指標MMF30平均值，初期沖刷效應強度依次為SS>COD>TP>TN>NH3-N。

2.2 中雨條件下徑流污染特征分析

當累積降雨量達到4 mm左右時，排水口開始溢流，溢流時間在1.5～6 h之間，開始溢流時間晚于降雨時間約40 min，溢流量在5～200 m3之間。3場中雨的徑流污染物瞬時濃度變化如圖4所示，降雨初期污染物濃度變化趨勢與小雨相似，均呈逐漸降低趨勢，但中雨污染物濃度出現上下波動，這與降雨過程相關，降雨期間降雨強度增強，對下墊面或管道內沉積物的沖刷作用增強導致了污染物濃度上下波動。從污染指標濃度最大值來看，前4個水質樣品污染物濃度值較高，所有污染指標在0～40 min內達到最大值。從時間角度來看，除TP指標外，6月份降雨徑流污染物濃度高于7、8月份，溢流期間污染物濃度值均低于Ⅳ類水標準。7、8月份降雨，SS、COD、NH3-N指標在溢流40 min左右達到或接近Ⅳ類水標準，TP指標在溢流1 min左右達到Ⅳ類水標準，TN指標遠低于Ⅳ類水標準，污染程度較高。

中雨的無量綱累積曲線M（V）如圖5所示，污染物初期沖刷率MMF30如表5所示，場次中雨初期沖刷效應普遍較弱，其中，2021-07-29由于雨前干燥期短，下墊面污染物累積少，且雨強較小，對下墊面的沖刷作用較弱，除SS和COD指標外的其他指標不存在初期沖刷效應。對比場次中雨5種污染指標MMF30平均值，初期沖刷效應強度依次為TN>SS>COD>TP>NH3-N。

2.3 大雨條件下徑流污染特征分析

當累積降雨量達到4 mm左右時，排水口開始溢流，溢流時間在3.5～7 h之間，開始溢流時間晚于降雨時間約30 min，溢流量在40～750 m3之間。3場大雨的徑流污染物瞬時濃度變化如圖6所示，降雨初期污染物濃度SS與COD指標呈逐漸降低趨勢，NH3-N、TP、TN濃度在中后期出現陡升與陡降趨勢，主要受降雨過程影響，中后期出現降雨強度突然增強，徑流量增加，對管道沖刷作用增強，導致污染物濃度增加，由此可見，大雨事件前期對管道沖刷不完全。從污染指標濃度最大值來看，污染指標普遍前3個水質樣品污染物濃度值較高，所有污染指標在0～30 min內達到最大值，而對于雨前干燥期較長的大雨事件，TP、TN指標在降雨中后期出現濃度最大值，受最大雨強影響較大。從時間角度來看，7月份降雨，SS、COD、NH3-N指標在溢流20 min左右達到或接近Ⅳ類水標準，TP指標污染程度較低，對于雨前干燥期較長的大雨事件，在降雨中后期出現濃度超標情況，TN指標遠低于Ⅳ類水標準，污染程度較高。從降雨特征來看，降雨量量級相差不大時，雨前干燥期越長，污染指標濃度越高。

大雨的無量綱累積曲線M（V）如圖7所示，污染物初期沖刷率MMF30如表6所示，場次大雨初期沖刷效應處于中等和偏弱水平。比較場次大雨的MMF30值可知，同一月份連續3場雨前干燥期相差不大的降雨，其初期沖刷效應逐漸減弱（2021-07-01>2021-07-03>2021-07-05）， 由于降雨頻繁、雨前干燥期短，下墊面污染物累積少，因此時間序列偏后的降雨場次初期沖刷效應相對較弱。對比場次大雨5種污染指標MMF30平均值，初期沖刷效應強度依次為COD>SS>TN> NH3-N>TP。

2.4 影響徑流污染的敏感性指標及其閾值

統計場次小雨污染物指標監測濃度范圍，計算EMC濃度及超標倍數（見表7）。降雨徑流監測污染物濃度范圍（最小值～最大值）SS為5.00～204.00 mg·L-1、COD為19.00～196.0 mg·L-1、NH3-N為0.86～1.96 mg·L-1、TP為0.18～0.60 mg·L-1、TN為4.45～10.60 mg·L-1。Ⅳ類水標準COD為30 mg·L-1、NH3-N為1.5 mg·L-1、TP為0.3 mg·L-1、TN為1.5 mg·L-1。3場降雨SS指標EMC濃度值均超出《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）城鎮污水處理廠二級排放標準（30 mg·L-1），說明就SS指標而言，小雨雨水徑流污染程度超出一般的點源污染事件。COD、NH3-N、TP、TN指標均超出Ⅳ類水質標準，其中，TN超標倍數相對較高。由此可見，在小雨徑流污染中，SS和TN為主要污染物。

統計場次中雨污染物指標監測濃度范圍，計算EMC濃度及超標倍數（見表8）。降雨徑流監測污染物濃度范圍SS為6.00～141.0 mg·L-1、COD為23.0～101.00 mg·L-1、NH3-N為0.24～4.69 mg·L-1、TP為0.08～0.37 mg·L-1、TN為2.38～9.92 mg·L-1。2021-07-29由于雨前干燥期較短，且2021年7月份降雨頻率高，且多發持續性降雨，下墊面污染物累積較少，因此除TN外其他污染物指標均為超過Ⅳ類水質標準。2021-06-25和2021-08-16降雨，SS指標EMC濃度值均超出城鎮污水處理廠二級排放標準，COD、NH3-N、TP、TN指標均超出Ⅳ類水質標準，其中，TN超標倍數相對較高。由此可見，在中雨徑流污染中，SS和TN為主要污染物。

統計場次大雨污染物指標監測濃度范圍，計算EMC濃度及超標倍數（見表9）。降雨徑流監測污染物濃度范圍SS為5.0～448.0 mg·L-1，COD為9.00～182.00 mg·L-1，NH3-N為0.50～4.42 mg·L-1，TP為0.09～0.38 mg·L-1，TN為1.62～8.87 mg·L-1。場次大雨隨著雨前干燥期的減少，污染物指標的EMC濃度逐漸降低，3場降雨中只有TN指標超過Ⅳ類水質標準，其他污染指標只有雨前干燥期較長的2021-07-01場降雨超過Ⅳ類水質標準。2021-07-01和2021-07-03降雨，SS指標EMC濃度值均超出城鎮污水處理廠二級排放標準，2021-07-03由于在前2場降雨對下墊面沖刷比較完全，污染物累積較少，SS指標EMC濃度較低。由此可見，在大雨徑流污染中，SS和TN為主要污染物。

比較小雨、中雨、大雨場次降雨徑流平均濃度（EMC），明確不同雨型降雨徑流污染特征，監測周期內所有場次EMC分析結果如圖8，對于SS指標，敏感性為小雨>大雨>中雨，對于COD和NH3-N指標，敏感性為中雨>小雨>大雨，對于TP和TN指標，敏感性為小雨>中雨>大雨。整體來看，小雨和中雨的EMC濃度值比大雨高，主要是由于大雨降雨量大，降雨量超過一定值后對下墊面污染物的稀釋、沖刷和溶解等作用增強，造成源頭耗竭及污染物稀釋效應，導致污染物濃度偏低［20］。

2.5 老城區徑流污染管控方案

參考《北京市東城區海綿城市專項規劃》，以北京市東城區海綿城市專項規劃中年徑流污染削減率3％為標準，計算降雨場次的徑流累積量、累積降雨量，以及污染削減率達標時，需控制的徑流體積（見表10）。當徑流污染物負荷累積值達到3％時，小雨和中雨的徑流量累積量為總徑流量的3％左右，大雨為25％左右，小雨和中雨需截留的徑流量比例高于大雨。

3 結論

1）降雨初期（小雨前20 min、中雨前30 min、大雨前10 min）污染物濃度較高，存在初期沖刷效應，大雨的初期沖刷效應最強。場次小雨中應重點關注SS、TP和TN指標，場次中雨重點關注COD和NH3-N指標，中雨和小雨的EMC濃度值比大雨高。

2）對于SS指標，大雨的污染物濃度變化范圍最大，中雨最小;對于COD指標，小雨和大雨的污染物濃度變化范圍相近，中雨最小；對于NH3-N指標，中雨的污染物濃度變化范圍最大，小雨最小；對于TP指標，小雨的污染物濃度變化范圍最大，中雨和大雨的污染物濃度變化范圍相近；對于TN指標，小雨、中雨和大雨的污染物濃度變化范圍相近。

3）對于高度城市化服務面積約為10 hm2，下墊面中綠地、建筑、道路所占比例約為35％、30％、35％，不透水面積比例約為6％的老城區，可根據不同的降雨類型制定源頭和末端管控方案。源頭控制根據東城區胡同、學校、公園等不同地區特點建造檐溝、集雨樽、下凹式綠地、透水鋪裝等海綿設施。對于小雨、中雨和大雨，源頭控制設施分別需要控制5 mm、8 mm、23 mm的降雨量。末端控制可考慮在雨水排口上游設置截流設施，修建調蓄池，針對小雨、中雨和大雨，分別截取降雨初期25 m3、35 m3、150 m3的徑流量，將截取的初期雨水送至污水處理廠，經處理后再排放入受納水體。另外，老城區可根據自身地理位置、氣候條件、徑流污染程度、不同雨型的降雨頻次和經濟情況等因素，綜合選擇源頭和末端控制方案。

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（編 輯 李 靜）

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項（2017ZX07103-002，2017ZX07103-007）

第一作者：史秀芳，女，從事海綿城市與合流溢流污染研究，shixiufang0811@163.com。

通信作者：王麗晶，女，高級工程師，從事城市內澇與合流溢流污染研究，wanglijing8903@163.com。