袁茂新 陳俊 陳波

（1.常州市城鄉(xiāng)建設(shè)局，江蘇常州 213022；2.常州市排水管理處，江蘇常州 213017）

隨著城市建設(shè)的擴(kuò)大，城市人口的增多，城市水文環(huán)境相比自然環(huán)境發(fā)生了根本改變。

城市水文環(huán)境的變化首先是徑流量的增加，以及隨之的徑流時間的縮短。城市水文環(huán)境除了水量的變化，水質(zhì)的下降也不容忽視。

城市雨水徑流中主要存在的污染物質(zhì)如表1所示。

表1 城市雨水徑流主要污染物

1 雨水徑流取樣實(shí)驗(yàn)

1.1 取樣點(diǎn)及取樣對象

雨水徑流取樣地點(diǎn)位于南方某鎮(zhèn)市政道路。此處為商業(yè)區(qū)，取樣對象為屋頂雨水和路面雨水，同時為比較雨水水質(zhì)與徑流水質(zhì)的差別，直接收集雨水作為對照。

對每場降雨，第一個徑流取樣在降雨開始后半個小時內(nèi)，隨后每隔30min接取下一個徑流水樣。屋頂雨水和路面雨水在同一時間段內(nèi)先后取樣，相隔時間不超過5min。

1.2 分析儀器及實(shí)驗(yàn)方法

取得的雨水本底及徑流在取樣現(xiàn)場測量其DO等常規(guī)參數(shù)，經(jīng)處理保存的水樣在3d內(nèi)相繼進(jìn)行SS、COD、TOC、TN、TP等參數(shù)測量。各參數(shù)測量儀器或方法歸納于表2。

表2 雨水本底及徑流參數(shù)測量儀器或方法

1.3 雨水徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雨水徑流取樣分析期間取得的20余次雨水徑流污染物數(shù)據(jù)，選取降雨歷時較長且結(jié)果具有代表性的一場降雨的雨水徑流實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及結(jié)果討論。

圖1～6示出了代表性降雨的屋頂徑流和路面徑流各污染物參數(shù)隨時間變化的柱狀圖，圖中橫線為雨水的本底測量結(jié)果，橫坐標(biāo)原點(diǎn)為降雨初始時刻。

分析圖1～6的雨水徑流數(shù)據(jù)結(jié)果，并與雨水本底進(jìn)行比較，可以看出：

1)對DO數(shù)據(jù)，屋頂和路面雨水徑流均較雨水本底低。屋頂雨水徑流DO值隨時間變化不大；路面雨水徑流在初雨時水質(zhì)處于缺氧狀態(tài)，DO值隨降雨歷時逐漸上升到接近屋頂徑流。這說明初雨時路面雨水徑流所沖刷的大量耗氧化合物顯著降低了水質(zhì)的DO值。

2)對SS數(shù)據(jù)，屋頂徑流與雨水本底數(shù)值相差不大；路面徑流SS含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過屋頂徑流和雨水本底，初雨時超過1.0g/L。在降雨后期由于降雨量減小，或雨水浸泡沖刷，路面徑流SS有所波動。

圖1 降雨徑流DO值隨時間變化

圖2 降雨徑流SS值隨時間變化

圖3 降雨徑流COD值隨時間變化

圖4 降雨徑流TOC值隨時間變化

圖5 降雨徑流TN值隨時間變化

圖6 降雨徑流TP值隨時間變化

3)對COD數(shù)據(jù)，屋頂徑流雖然相對本底也有一定程度的增大，但污染程度遠(yuǎn)不能與路面徑流相比。路面徑流在初雨時的COD數(shù)值在800mg/L以上，使初雨時路面雨水是缺氧狀態(tài)。

4)對TOC數(shù)據(jù)，屋頂徑流和路面徑流均較雨水本底的值高。路面徑流TOC值在降雨初期與屋頂徑流相差不大，在降雨后期兩者均增高，且路面徑流TOC顯著增大。

5)對TN數(shù)據(jù)，屋頂徑流>雨水本底>路面徑流，并且屋頂徑流的TN濃度在降雨后期升高明顯。這一現(xiàn)象說明取樣點(diǎn)處屋頂所放置的雜物或采用的涂料使屋頂成為TN的來源，降雨后期屋頂徑流TN的升高是因?yàn)閺搅髁康臏p少導(dǎo)致雨水對TN的稀釋作用減弱，同時沖刷溶解引起污染物的增多。路面徑流TN相對雨水本底偏低或接近，可知氮類化合物在路面富集程度微弱，路面徑流中的TN主要來自雨水本底。

6)對TP數(shù)據(jù)，屋頂徑流與雨水本底基本一致，可見屋頂徑流對雨水徑流中TP的濃度貢獻(xiàn)不大。路面徑流的TP濃度較屋頂徑流和雨水本底更高，這說明了路面沉積顆粒物對含磷化合物的吸附和結(jié)合導(dǎo)致了路面徑流成為雨水徑流中TP的主要來源。

由結(jié)果可見，COD與TOC的變化規(guī)律存在偏差，其原因是：

1)由于COD測量的污染物除有機(jī)物外，還包括其他還原類物質(zhì)，因此在降雨初期，亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等物質(zhì)附著在SS上被徑流沖刷攜帶或溶解在徑流中，造成初雨時COD的顯著偏高；初雨后屋頂及路面還原類物質(zhì)所剩不多，濃度迅速下降。

2)取樣點(diǎn)周圍密集分布飯館、餐廳等有機(jī)物污染源，在其周邊的油類物質(zhì)沉積會在降雨歷時內(nèi)持續(xù)地釋放有機(jī)物。由于亞硝酸鹽、硫化物、亞鐵鹽等還原類物質(zhì)的流失，COD迅速下降，但油類物質(zhì)的持續(xù)釋放使TOC數(shù)據(jù)在降雨后期反而升高。

3)比較屋頂徑流和路面徑流可以發(fā)現(xiàn)，前者的COD和TOC數(shù)值變化基本一致，屋頂污染物可能基本以有機(jī)物質(zhì)為主；后者的COD在初雨后迅速下降，TOC在降雨后期升高，因此路面的初雨徑流攜帶了還原類無機(jī)物和有機(jī)物等更多樣的水體污染物，降雨后期路面徑流的污染物則以有機(jī)物為主。

2 雨水徑流污染物沖刷規(guī)律

2.1 雨水徑流污染物濃度方程

研究降雨徑流對污染物的沖刷、輸送和聚集，應(yīng)用最廣泛的模型是SWMM模型和STORM模型所采用的“一階負(fù)荷模型”。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)對城區(qū)的天然雨水和屋頂、路面徑流的降雨徑流污染物濃度隨時間變化的實(shí)測曲線統(tǒng)計(jì)分析，可歸納出城市徑流污染物濃度變化的一般表達(dá)式：

式中：

Ct－降雨過程開始t時間后徑流中的污染物濃度，mg/L

C0－降雨過程開始時徑流的污染物濃度，mg/L

K－綜合沖刷系數(shù)，表征降雨強(qiáng)度、匯水面性質(zhì)和污染物性狀等綜合影響因素，h-1

雨水徑流中污染物實(shí)測參數(shù)均以濃度為單位，故后續(xù)分析計(jì)算采用如上所示濃度關(guān)系式。

根據(jù)城市徑流污染物濃度變化式，對圖1～6中雨水徑流污染物數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)擬合，得到部分污染物濃度隨時間變化的指數(shù)曲線和R2值，如表3所示。

表3 雨水徑流污染物濃度隨時間變化指數(shù)方程

2.2 雨水徑流污染物負(fù)荷方程

由表3中使用城市徑流污染物濃度變化式所擬合的方程可見，各污染物濃度隨降雨歷時變化趨勢不一，部分參數(shù)的濃度反而隨時間增大。

雨水徑流的污染程度同時受水質(zhì)和水量的影響，以污染物濃度衡量污染程度是不確切的。采用污染負(fù)荷對雨水徑流面源污染進(jìn)行評價是度量污染物質(zhì)在水體中污染程度的合理方法。

對雨水徑流污染負(fù)荷，常用的方法是建立徑流負(fù)荷概率模型來進(jìn)行估算。但此方法需要某地長期降雨數(shù)據(jù)且計(jì)算過程復(fù)雜。為簡單迅速估算一場降雨的污染負(fù)荷，可以降雨量與污染物濃度相乘，得到在降雨過程中以單位面積上污染物量表示的污染負(fù)荷。

該場降雨量隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7 降雨量隨時間變化曲線

將降雨量隨時間變化曲線進(jìn)行指數(shù)擬合，得到降雨量隨時變化指數(shù)方程：

式中：

P－降雨量，mm

t－降雨開始后的時間，h

將降雨量指數(shù)方程與表2中的污染物濃度方程相乘，便得到降雨過程中屋頂和路面徑流的污染負(fù)荷計(jì)算公式：

式中：

Q－屋頂或路面沉積物污染負(fù)荷，g/m2

P－降雨量，mm

Ct－污染物濃度，mg/L

由此得到污染物負(fù)荷在雨水徑流沖刷下隨時間變化的指數(shù)方程，如表4所示。

表4 雨水徑流污染負(fù)荷隨時間變化指數(shù)方程

由表4結(jié)果可見，雨水徑流中的污染物負(fù)荷都隨降雨歷時明顯遞減。相比屋頂雨水徑流，路面雨水徑流的污染程度更為嚴(yán)重。比較初始徑流污染負(fù)荷的數(shù)值（即公式中指數(shù)項(xiàng)前面的系數(shù)）可知路面徑流的TN值低于屋頂徑流，其他污染物數(shù)值均高于屋頂徑流，污染負(fù)荷占全部徑流負(fù)荷的80%以上（TOC除外）。

由雨水徑流污染負(fù)荷方程，可以粗略估算雨水徑流中污染物的初始負(fù)荷及其隨降雨歷時的遞減變化過程。此外，還可利用估算得到的污染負(fù)荷計(jì)算雨水徑流對自然水體面源污染的影響。

例如，為估算本次代表性降雨對水體的面源污染影響，可按降雨時間2小時對污染負(fù)荷曲線進(jìn)行積分，得降雨期間的污染物負(fù)荷總量：

式中：

S－一場降雨期間單位面積（屋頂或路面）徑流所產(chǎn)生的污染物量，g/m2

Q－屋頂或路面沉積物污染負(fù)荷，g/m2

t1－降雨初始時間

t2－降雨結(jié)束時間

α－表征雨水徑流初始負(fù)荷的系數(shù)

β－表征雨水徑流污染負(fù)荷隨時間變化的系數(shù)

以路面徑流污染為例，對表4中的路面污染負(fù)荷方程積分，按降雨歷時2小時，可得此場降雨所產(chǎn)生的路面徑流污染負(fù)荷總量。將此值與取樣點(diǎn)所在的取樣點(diǎn)硬化路面面積15840m2相乘，得到取樣區(qū)域在此場降雨中所產(chǎn)生的路面雨水污染物總量（表5）。

表5 路面雨水徑流污染負(fù)荷隨時間變化指數(shù)方程

3 雨水徑流污染問題的可行性對策

南方某鎮(zhèn)遍布工業(yè)企業(yè)，機(jī)動車密度大，工商業(yè)活動頻繁，造成雨水徑流水質(zhì)惡劣。雨水徑流成為面源污染重要來源。以位于取樣點(diǎn)附近的水庫為例，降雨時水庫各項(xiàng)污染指標(biāo)全面上升，總體水質(zhì)從II～I(xiàn)II類惡化至IV類和V類。

針對其降雨和雨水徑流污染現(xiàn)狀并參考國內(nèi)外雨水收集處理工程對策：

1)城區(qū)路面凈化美化

通過合理的綠化美化和科學(xué)的垃圾收運(yùn)，不但增大了綠化范圍和透水面積，也減少了路面顆粒物的沉積量，從源頭控制了雨水徑流的水量和水質(zhì)。

2)地表徑流的減量

通過改變城區(qū)硬化地面的性質(zhì)，來增大雨水下滲量，同時充分利用土壤、植被的儲存和凈化功能來減少徑流量，維護(hù)區(qū)域水循環(huán)平衡。

3)初雨徑流的棄除和雨水徑流的收集

雨水徑流的收集應(yīng)主要包括棄除了初雨徑流的屋頂雨水和路面雨水。

利用天溝、雨水斗、雨落管等設(shè)施收集屋頂雨水徑流；利用雨水管、雨水明/暗渠等設(shè)施收集路面雨水[13]。將污染程度最為嚴(yán)重的初雨徑流通過棄流池/井棄除后，收集的雨水徑流可儲存在雨水集蓄池中以進(jìn)行后續(xù)處理或利用。

4)更廣泛地采用生態(tài)處理設(shè)施

我國南方氣候濕熱，因此植物生長周期較長，可以較多地考慮生態(tài)型的處理設(shè)施。

4 結(jié)論

1)雨水徑流的取樣結(jié)果表明，雨水徑流實(shí)際情況為路面徑流遠(yuǎn)比屋頂徑流污染程度嚴(yán)重。特別是路面的初雨徑流，對水體的污染負(fù)荷多占全部徑流負(fù)荷的80%以上，對自然水體健康和污水處理負(fù)荷造成明顯的沖擊作用。初雨徑流中污染物以SS和COD最為明顯，初雨濃度均超過污水綜合排放三級標(biāo)準(zhǔn)[15]。兩者是造成水體感官指標(biāo)下降和缺氧變質(zhì)的主要因素，在面源污染防治中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

2)污染物濃度受雨水和污染源等多方面影響而隨降雨歷時增加或減小，不能反映雨水徑流污染實(shí)際危害情況，而以污染負(fù)荷評價徑流污染程度和面源污染危害可以得到更契合實(shí)際的結(jié)果，且方法簡單易操作，對單場降雨可以給出滿意結(jié)果。

3)根據(jù)我國南方的實(shí)際情況，選擇雨洪蓄集-生態(tài)處理的雨水徑流收集工藝和處理設(shè)施，并結(jié)合其他源頭控制、輸移控制、末端處理的管理措施和工程設(shè)備，是緩解和治理雨水徑流造成的面源污染問題的切實(shí)可行方案。

[1][英]喬納森·帕金森,奧爾·馬克著.周玉文,趙樹旗等譯.發(fā)展中國家城市雨洪管理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[2]國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會編.水和廢水監(jiān)測分析方法(第三版)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1989

[3]郭鳳臺，朱磊，劉貴德.邯鄲市城區(qū)道路路面徑流水質(zhì)特征及污染物沖刷排放規(guī)律研究[J].河北水利，2005(6):34～35,37

[4]車伍,李俊奇.城市雨水利用技術(shù)與管理 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[5]宗棟良,方俊峰,王依林.降雨及徑流對西麗水庫水質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)村水利水電,2006(2):38～40

[6]尹煒,李培軍,可欣等.我國城市地表徑流污染治理技術(shù)探討[J].生態(tài)學(xué)雜志,2005,24(5):533～536

[7]深圳市水污染治理指揮部辦公室.深圳河灣水系水質(zhì)改善策略研究 [M].北京:科學(xué)出版社,2007

[8]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 8978－1996）