國(guó)內(nèi)典型城市降雨徑流初期累積特征分析

王 倩，張瓊?cè)A，王曉昌（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

國(guó)內(nèi)典型城市降雨徑流初期累積特征分析

王 倩，張瓊?cè)A*，王曉昌（西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

提出以攜帶50％污染物負(fù)荷的徑流定義初期雨水，選取累積50％污染物負(fù)荷的歷時(shí)（T50）及對(duì)應(yīng)累積徑流深度（D50）兩個(gè)參數(shù)，總結(jié)分析典型山地城市、平原城市、河網(wǎng)城市等6個(gè)城市17場(chǎng)降雨徑流污染物累積特征.進(jìn)一步以山地城市和平原城市為例，探討了不同降雨強(qiáng)度、區(qū)域環(huán)境徑流污染物累積特征及相互影響.結(jié)果表明，徑流污染物累積趨勢(shì)完全一致但特征不同，山地城市、河網(wǎng)城市、高原城市和河口城市表現(xiàn)為初期累積，平原城市則表現(xiàn)為中期累積.隨著雨強(qiáng)增大，污染物D50驟增，T50銳減.相比平原城市，山地城市不同類型污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分別截留初期7.4mm和5.2mm徑流可以控制50％污染物負(fù)荷.

降雨徑流；初期雨水；D50和T50；降雨強(qiáng)度

雨水作為非常規(guī)水資源逐漸被接受和廣泛收集利用，但隨著城市化進(jìn)程的加快、不透水面積增大，雨水徑流量及徑流攜帶的負(fù)荷即徑流污染也隨之增大［1］，城市面源污染的影響日益突出，局部地區(qū)甚至危害到受納水體生態(tài)安全［2］.研究發(fā)現(xiàn)降雨過程中初期一小部分徑流攜帶了大部分污染物負(fù)荷，初期雨水污染嚴(yán)重［3-4］，因此，城市徑流污染控制尤其是初期雨水控制顯得尤為重要.

目前，對(duì)于城市徑流的研究主要集中在徑流污染物的排放特征［5-8］及其初期沖刷特性［9-10］，并根據(jù)20/80［11］、25/50［12］、30/80［13］、20/40［14］等初期沖刷定義探討了不同城市典型下墊面［15-16］、降雨條件及不同污染物［6，17］等的排污特征和沖刷特性.但是比例形式的污染負(fù)荷和徑流量難以在實(shí)際工程上計(jì)量并應(yīng)用，所以常常簡(jiǎn)化采用時(shí)間或徑流深度作為初期雨水單一控制指標(biāo)指導(dǎo)雨水利用.如白建國(guó)等［18］提出高于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的徑流雨水為初期雨水，并實(shí)測(cè)徐州市截留初期30min路面徑流可滿足該水質(zhì)要求，Bach等［19］和何強(qiáng)等［20］根據(jù)污染物濃度達(dá)到背景濃度或穩(wěn)定階段形成的徑流深度控制初期雨水，Ming等［21］研究發(fā)現(xiàn)熱帶城市截留初期10mm徑流可控制50％左右污染物負(fù)荷.然而，基于濃度定義初期雨水確定的控制標(biāo)準(zhǔn)可能會(huì)導(dǎo)致處理不經(jīng)濟(jì)或不能滿足總量控制的要求，而基于負(fù)荷定義確定的初期雨水控制標(biāo)準(zhǔn)研究不夠廣泛，工程上缺乏可利用的數(shù)據(jù).

本文選取降雨歷時(shí)和累積徑流深度作為初期雨水控制指標(biāo)，明確攜帶50％污染物負(fù)荷的徑流定義初期雨水，總結(jié)分析山地城市、平原城市、河網(wǎng)城市、高原城市、河口城市等6個(gè)典型城市17場(chǎng)降雨徑流污染物累積特征；以山地城市和平原城市為例，探討了降雨強(qiáng)度、區(qū)域環(huán)境對(duì)徑流污染物累積特征的影響.

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究城市選擇

選擇典型山地城市（重慶）、平原城市（北京、沈陽）、河網(wǎng)城市（蘇州）、高原城市（昆明）、河口城市（東莞）等6個(gè)城市的道路徑流為研究對(duì)象，研究徑流污染物負(fù)荷遷變特征.

1.2 數(shù)據(jù)收集與分析

對(duì)以上6個(gè)城市17場(chǎng)降雨徑流進(jìn)行TSS、COD、營(yíng)養(yǎng)鹽（TN、TP等）和溶解態(tài)重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd）指標(biāo)的全過程分析，城市降雨基本特征見表1.數(shù)據(jù)采用Origin8.5軟件分析.

1.3 研究方法

單場(chǎng)降雨徑流中污染物負(fù)荷累積計(jì)算公式如下：

式中：P為污染物負(fù)荷累積比例，％；Li和L分別為第i個(gè)及全部徑流樣品攜帶的污染物負(fù)荷，mg/m2；Ci為第i個(gè)樣品的污染物濃度，mg/L；Qi為Δti內(nèi)徑流量，L/s；Δti為第i個(gè)樣品間隔時(shí)間，min；n為樣品個(gè)數(shù).

定義累積50％污染物負(fù)荷的歷時(shí)為T50，對(duì)應(yīng)累積徑流深度為D50，以T50和D50作為初期徑流控制的指標(biāo).累積徑流深度定義公式如下：

式中：D為累積徑流深度，mm；A為匯水面積，m2；60為時(shí)間換算單位.

表1 研究區(qū)域降雨基本特征Table 1 Characteristics of rainfall events in the study area

2 城市降雨徑流污染物累積特征

根據(jù)城市特點(diǎn)，系統(tǒng)分析6個(gè)典型城市17場(chǎng)降雨過程徑流污染物累積特征.

2.1 山地城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（a1）～圖1（a4）為山地城市重慶4場(chǎng)降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，污染物累積趨勢(shì)完全一致，但累積速度有所差異，曲線斜率越大，累積速度越快.如2010年6月19日降雨過程，不同污染物累積50％負(fù)荷速度大小依次為：Cu＞Zn＞COD＞TN＞Pb＞Cd＞TP＞TSS，TSS累積速度最慢，是典型特征污染物，T50為101min.4場(chǎng)降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：23～101min、3～20min、3～28min和42～77min，不同降雨過程污染物T50差異顯著，同一降雨過程不同污染物T50變化也較大，4場(chǎng)降雨徑流典型特征污染物分別為TSS、Pb、Pb、Zn，T50的平均值分別為57min.

圖1 6個(gè)城市17場(chǎng)降雨徑流污染物負(fù)荷累積曲線Fig.1 Cumulative curves for pollutant load of 17 rainfall events in 6 cities

2.2 平原城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（b1）～圖1（b3）、圖1（c1）～圖1（c2）分別為平原城市北京和沈陽共5場(chǎng)降雨徑流污染物累積曲線.可以看出，圖（b1）、（b2）和（c2）均表現(xiàn)出徑流污染物初期累積速度很慢、中期加快的特征.如北京2010年6月13日降雨過程，30min內(nèi)累積不到10％污染物負(fù)荷，中期累積速度很快，50min內(nèi)累積了全部污染物的50％以上負(fù)荷.圖（b3）、（c1）則表現(xiàn)出污染物以穩(wěn)定的速度累積，結(jié)合表1的數(shù)據(jù)可知，降雨強(qiáng)度和降雨量相似的降雨事件，徑流污染物累積特征一致.北京3場(chǎng)降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：44～50min、36～39min和56～74min，典型特征污染物分別為TSS、NH4+-N、TSS，T50的平均值為54min.沈陽2場(chǎng)降雨過程污染物的T50范圍分別為：190～218min、125～132min，典型特征污染物分別為TN和TSS，T50平均值為175min.

平原城市不同降雨過程污染物T50差異較大，同一降雨過程T50接近.但沈陽T50是北京的3倍多，可能與沈陽降雨歷時(shí)較長(zhǎng)有關(guān).

2.3 河網(wǎng)城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（d1）～圖1（d3）為河網(wǎng)城市蘇州3場(chǎng)降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，3場(chǎng)降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：20～26min、79～89min、48～52min，不同降雨過程T50差異顯著，但同一降雨過程不同污染物T50變化不大，典型特征污染物分別為COD、TP和COD，T50的平均值為57min.

2.4 高原城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（e1）～圖1（e2）為高原城市昆明2場(chǎng)降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，2011年6月27日降雨過程徑流污染物累積特征差異比2011年7月22日大，可能是因?yàn)楹笳哂陱?qiáng)（0.5mm/min）比前者（0.3mm/min）大.2場(chǎng)降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：27～40min、35～39min，總體差異不大，這可能是因?yàn)槔ッ魑廴境潭鹊颓矣陱?qiáng)大，徑流對(duì)污染物的溶解、沖刷快且較為徹底.高原城市在較大雨強(qiáng)下污染物累積特征差異不大，且雨強(qiáng)越大，差異越小.2場(chǎng)降雨徑流典型污染物均為TN，T50的平均值為40min.

2.5 河口城市降雨徑流污染物累積特征

圖1（f1）～圖1（f3）為河口城市東莞3場(chǎng)降雨徑流污染物累積曲線.由圖中可以看出，3場(chǎng)降雨過程徑流污染物T50范圍分別為：32～44min、46～50min、47～54min，不同降雨事件污染物T50略有差異，同一降雨過程污染物T50變化不大.3場(chǎng)降雨徑流典型特征污染物分別為TSS、COD和TSS，T50的平均值為49min.

綜上所述，徑流污染物累積趨勢(shì)完全一致但特征不同，具體表現(xiàn)為：山地城市、河網(wǎng)城市、高原城市、河口城市污染物初期累積速度較快，體現(xiàn)為初期累積；平原城市初期累積速度很慢，體現(xiàn)為中期累積，這可能與平原城市的降雨特征（如歷時(shí)、雨型）、污染狀況等有關(guān).徑流典型特征污染物隨研究區(qū)域、降雨事件差異較大，且沈陽典型特征污染物T50最大，其他城市T50為50min左右.

為了進(jìn)一步探明降雨條件和區(qū)域環(huán)境對(duì)污染物累積特征的影響，論文選取TSS、COD、營(yíng)養(yǎng)鹽（TN、TP）和溶解態(tài)重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd），以山地城市（重慶）和平原城市（北京）為例分析不同類型污染物的D50和T50及降雨強(qiáng)度和區(qū)域環(huán)境對(duì)其的影響，為初期雨水污染控制及利用提供依據(jù).

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同類型污染物D50和T50特征分析

3.1.1 山地城市不同類型污染物D50和T50特征分析 圖2（a1）～圖2（a4）為山地城市重慶4場(chǎng)降雨徑流不同類型污染物累積曲線.可以看出，前3場(chǎng)降雨過程不同類型污染物累積特征差異較大，第4場(chǎng)差異較小，這是因?yàn)榈?場(chǎng)降雨強(qiáng)度最小，徑流對(duì)污染物的溶解、沖刷及運(yùn)移能力較弱.4場(chǎng)降雨過程TSS、COD、營(yíng)養(yǎng)鹽和重金屬的D50和T50的范圍分別為：4～10mm/3～101min、3.6～10mm/3～69min、4～10mm/3～92min、3.1～16mm/ 7～65min，不同降雨過程，同種類型污染物D50和T50差異顯著，其中TSS的T50和重金屬的D50差異最大，說明TSS和重金屬的初期累積受降雨條件影響較大.

3.1.2 平原城市不同類型污染物D50和T50特征分析 圖2（b1）～圖2（b3）為平原城市北京3場(chǎng)降雨徑流不同類型污染物累積曲線.可以看出，同一降雨過程不同類型污染物D50和T50接近，3場(chǎng)降雨過程TSS、COD和營(yíng)養(yǎng)鹽的D50和T50的范圍分別為：3.5～6.5mm/36～75min、2.7～5.8mm/36～69min、2.7～5.9mm/37～69min，不同降雨過程，同種類型污染物D50和T50差異較大，其中TSS的T50差異最大，與重慶的研究結(jié)果一致.

3.1.3 不同類型污染物D50和T50特征分析 由以上分析可知，不同降雨過程相同類型污染物T50差異較大，山地城市表現(xiàn)得更加明顯；同一降雨過程中，平原城市不同類型污染物T50相近，山地城市差異較大.因此，平原城市可選取易于監(jiān)測(cè)的TSS作為典型特征污染物控制徑流污染.

3.2 降雨強(qiáng)度對(duì)不同類型污染物D50和T50的影響

3.2.1 典型降雨強(qiáng)度下不同類型污染物D50和

圖2 重慶和北京7場(chǎng)降雨徑流中不同類型污染物累積曲線Fig.2 Cumulative curves for different pollutants of 7rainfall events in Chongqing and Beijing

將降雨事件按雨強(qiáng)分為較小雨強(qiáng)（＜0.1mm/ min）、中等雨強(qiáng)（0.1～0.2mm/min）和較大雨強(qiáng)（＞0.2mm/min）三類，分析降雨強(qiáng)度對(duì)不同類型污染物D50和T50的影響.

由圖3（a1）可以看出，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于0.2mm/ min（即較大雨強(qiáng)）時(shí)，污染物D50驟增，約為較小和中等雨強(qiáng)下的1.9～3.9倍.由圖3（a2）可以看出，隨著雨強(qiáng)增大，污染物T50銳減，較小、中等雨強(qiáng)下污染物T50分別為較大雨強(qiáng)下的3.7～6.9倍、0.4～2.4倍.TSS和重金屬分別在較小和較大雨強(qiáng)D50和T50最大，是相應(yīng)條件下的典型特征污染物；中等雨強(qiáng)下，四種類型污染物D50接近，說明降雨強(qiáng)度的增大促進(jìn)了TSS、COD、營(yíng)養(yǎng)鹽的初期累積，尤其是TSS，在較小雨強(qiáng)下初期累積最弱，而在中等及較大雨強(qiáng)下與COD和營(yíng)養(yǎng)鹽相近，這是因?yàn)門SS的賦存狀態(tài)為顆粒態(tài)，雨強(qiáng)越大，其沖刷、運(yùn)移速度越快，而COD、營(yíng)養(yǎng)鹽的賦存狀態(tài)有溶解態(tài)和顆粒態(tài)，受徑流的溶解、沖刷和運(yùn)移綜合作用，重金屬的D50和T50變化比較復(fù)雜，可能與重金屬的排污特征有關(guān).

圖3 典型降雨強(qiáng)度下徑流中不同類型污染物的D50和T50Fig.3 D50and T50of different pollutants in the runoff with typical rainfall intensity

3.2.2 降雨強(qiáng)度對(duì)不同類型污染物D50和T50的影響 降雨強(qiáng)度對(duì)TSS初期累積影響最大，雨強(qiáng)越大，其初期累積速度越快，其次是COD、營(yíng)養(yǎng)鹽，對(duì)重金屬的影響較為復(fù)雜.隨著雨強(qiáng)增大，不同類型污染物D50驟增，T50銳減.

3.3 區(qū)域環(huán)境對(duì)不同類型污染物D50和T50的影響

3.3.1 山地城市和平原城市不同類型污染物D50和T50分析 圖4（a1）和圖4（a2）可以看出，重慶不同類型污染物D50比北京大，約為北京的1.25～1.36倍，而北京污染物T50比重慶大，約為重慶的1.12～1.38倍，一方面這是因?yàn)橹貞c路面坡度大，地面徑流系數(shù)比北京大，相同降雨條件下形成的徑流量高于北京，坡度大使污染物沖刷、運(yùn)移速度加快，T50減?。涣硪环矫嬷貞c降雨量比北京大，城區(qū)污染程度小，污染物很快在初期被沖刷干凈.重慶四種類型污染物D50大小依次為：重金屬＞TSS＞營(yíng)養(yǎng)鹽、COD，重金屬是典型特征污染物，D50和T50分別為7.4mm和35min.北京污染物D50大小依次為：TSS＞COD＞營(yíng)養(yǎng)鹽，TSS是典型特征污染物，D50和T50分別為5.2mm和53min.

3.3.2 區(qū)域環(huán)境對(duì)不同類型污染物D50和T50的影響 區(qū)域降雨頻率和降雨量等因素影響路面污染狀況，路面坡度影響徑流的形成和污染物的沖刷、運(yùn)移.相比平原城市，山地城市不同類型污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分別截留初期7.4mm、5.2mm徑流可以控制50％污染物負(fù)荷.

4 建議

由于區(qū)域環(huán)境、降雨條件的差異，工程上單一采用時(shí)間或徑流深度控制初期雨水容易造成雨水資源浪費(fèi)、處理不經(jīng)濟(jì)或不能有效控制污染等問題.因此，雨水利用工程在實(shí)施過程中，需要長(zhǎng)期積累各城市典型降雨徑流數(shù)據(jù)，經(jīng)分析確定最佳的T50和D50才能更為準(zhǔn)確的指導(dǎo)工程實(shí)踐.

5 結(jié)論

5.1 徑流污染物累積趨勢(shì)完全一致，但特征不同：山地城市、河網(wǎng)城市、高原城市、河口城市污染物體現(xiàn)為初期累積，平原城市體現(xiàn)為中期累積；徑流典型特征污染物隨研究區(qū)域、降雨事件差異較大，且沈陽典型特征污染物T50最大，其他城市T50為50min左右.

5.2 同一降雨過程山地城市不同類型污染物D50和T50差異較大，平原城市較為相近，平原城市可選取易于監(jiān)測(cè)的TSS作為典型特征污染物控制徑流污染.5.3 雨強(qiáng)越大，TSS初期累積速度越快；隨著雨強(qiáng)增大，污染物D50驟增，T50銳減.

5.4 相比平原城市，山地城市污染物D50更大、T50更小，山地城市和平原城市分別截留初期7.4mm、5.2mm徑流可以控制50％污染物負(fù)荷.

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Cumulative characteristics of runoff pollutants in typical domestic cities.

WANG Qian，ZHANG Qiong-hua*，WANG Xiao-chang（School of Environmental and Municipal Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China）.China Environmental Science，2015，35（6）：1719～1725

The rainfall runoff with 50％pollutant load was defined as initial rainwater，and the time（T50）accumulating 50％pollutant loading and corresponding runoff depth（D50）was selected to analyze the cumulative characteristics of pollutants during 17 rainfall events in typical domestic mountainous city，plain city，river city，etc.Taken mountainous and plain cities as examples，the cumulative characteristics of different types of pollutants in the runoff were discussed and the effects of rainfall intensity and its regional environment were studied.The results indicated that the accumulation of runoff pollutants had the same trend but exhibited different characteristics.It tended to accumulate at mid-stage in plain city while at initial stage in other cities.With rainfall intensity increased，the D50of pollutants increased greatly while T50declined sharply.Pollutants in mountainous city had a higher D50and a lower T50than that in plain city.It was suggested that mountainous cities and plain city intercepting 7.4mm and 5.2mm runoff respectively could control 50％pollutant load.

rainfall runoff；initial rainwater；D50and T50；rainfall intensity

X522

A

1000-6923（2015）06-1719-07

王 倩（1990-），女，湖北襄陽人，西安建筑科技大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)橛晡鬯偕?

2014-10-20

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項(xiàng)目（2011-K7-14）；水污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2014ZX07315002）

* 責(zé)任作者，講師，qionghuazhang@126.com