吳洋

（南京城市建設管理集團有限公司，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、碳氫化合物、硫氧化物及顆粒物等，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市政雨水管網(wǎng)直接排入河道，使河道水體受到嚴重污染[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、合肥等城市已經開展相關研究。本文通過分析南京江北新區(qū)降雨與污染特征，結合國內外研究的相關技術經驗，總結片區(qū)的初雨沖刷效應，提出截流理論，并改良初雨調蓄設施設備，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。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

參考國內外相關研究的經驗，結合南京江北新區(qū)的實際情況，通過多次調研，確定該片區(qū)雨水徑流污染特征研究的典型采樣點，如表2 所示。監(jiān)測指標主要包括化學需氧量（COD）、懸浮物（SS）、總氮（TN）和氨氮（NH3-N）。

表2 采樣點基本信息

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)情況復雜。研究區(qū)內排水系統(tǒng)多數(shù)為分流制，雨水經雨水管流入五一河。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，每隔5 min 取樣；在30～60 min內，每隔10 min 取樣；在60 min后，每隔30 min 取樣，直至徑流結束。經檢測，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尺讀數(shù)計取。流速主要通過投放標記物目測獲得。為了校正流量數(shù)據(jù)測算結果的準確性，在每個采樣點的雨水排放口均釆用便攜式流量計進行校正。

降雨屬于隨機事件，地表降雨徑流的污染物濃度受到降雨強度、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（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、不同采樣點的雨水COD、TN和NH3-N濃度都超過《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅴ類水標準。綜上所述，降雨徑流污染嚴重，若直接排入受納水體會造成嚴重的污染，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及截流理論研究

采集不同降雨場次、不同采樣點的降雨徑流污染物濃度數(shù)據(jù)，經測算，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，簡稱初雨沖刷效應[5]。這里用M(v)曲線來分析初雨污染負荷速率隨徑流體積累積速率變化的關系。

針對江北新區(qū)三次降雨事件、三個采樣點的四種主要污染物，以累積污染物負荷量占總污染物的負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時刻某污染物的質量，mg；Vt為t時刻徑流體積，L。

M(v)曲線橫坐標為某一次降雨徑流過程中累積徑流量與徑流總量的比值，縱坐標為累計污染負荷量與污染負荷總量的比值。由式（3）和式（4）推導，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M(v)曲線的斜率大于1時，污染負荷的排放速率高于徑流體積的排放速率；當M(v)曲線的斜率小于1時，污染負荷的排放速率則低于徑流體積的排放速率。根據(jù)推導公式，若M(v)曲線在45°坐標平衡線（方程y=x）以上，則代表存在初雨沖刷效應，與45°坐標平衡線偏離程度越大，代表初雨沖刷效應越嚴重；若M(v)曲線在45°坐標平衡線以下，則不存在初雨沖刷效應。M(v)曲線可以定性分析初雨沖刷效應的特征。以L02 采樣點為例，選取具有典型降雨特征的場次，對該采樣點的污染物進行M(v)曲線分析，如圖1 所示。

圖1 L02 采樣點3 次降雨事件的污染物M(v)曲線

研究3 個采樣點所有污染物的M(v)曲線特性，結果發(fā)現(xiàn)，各污染物的初雨沖刷效應強弱與降雨強度有關，其強弱排序為大雨＞中雨＞小雨。其中，L01 采樣點雨水徑流中NH3-N 的沖刷最強，各污染物的初雨沖刷效應強弱排序為NH3-N ＞TN ＞SS ＞COD；L02 采樣點雨水徑流中SS 的沖刷最強，各污染物的初雨沖刷效應強弱排序為SS ＞COD ＞TN ＞NH3-N；L03 采樣點雨水徑流中COD 的沖刷最強，各污染物的初雨沖刷效應強弱排序為COD ＞SS ＞NH3-N ＞TN。

以L02 采樣點為例，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%的徑流增加量對應的污染物污染負荷增加量均大于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，初雨沖刷效應不明顯。所以，通過L02 采樣點數(shù)據(jù)分析初雨沖刷效應，對該排放口的降雨前40%初雨徑流進行攔截是合適的，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L01、L03 的初期雨水徑流量與污染負荷數(shù)據(jù)，結果發(fā)現(xiàn)，二者存在同樣的規(guī)律。

表4 L02 采樣點初期雨水徑流量占比與污染物負荷比的關系

3 結論

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，污染物負荷比整體呈先上升后衰減的趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，污染物負荷比衰減發(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 濃度受降雨強度的影響明顯，降雨強度越大，污染物濃度越高；TN 和NH3-N 濃度則與雨前干期時間有關，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，結果表明，大部分污染物的初雨沖刷效應為中等，少數(shù)污染物的初雨沖刷效應為微弱。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，同時使截流設施、設備的設計和應用更加經濟合理。