基于雨型的南方城市道路雨水徑流污染物分析

馮萃敏，米楠，王曉彤，蔡志文，邸文正

北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044

基于雨型的南方城市道路雨水徑流污染物分析

馮萃敏，米楠，王曉彤，蔡志文，邸文正

北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044

以嘉興市區(qū)主干道為研究區(qū)域，開展了該市兩種典型降雨條件下，道路雨水徑流中典型污染物初期沖刷效果、質(zhì)量濃度變化規(guī)律、道路雨水徑流水質(zhì)污染指標(biāo)相關(guān)性，污染物平均質(zhì)量濃度（EMC）的研究。針對(duì)城市典型降雨，分析城市降雨徑流污染過程的變化規(guī)律，對(duì)城市道路徑流污染的控制和雨水資源有效利用具有重要意義。利用模式雨型對(duì)嘉興市2010年至2013年間90場(chǎng)降雨進(jìn)行歸納，總結(jié)出Ⅲ型和Ⅶ型為嘉興市的常見雨型。從2013年降雨監(jiān)測(cè)期間篩選出與該市發(fā)生頻率最高的兩種雨型相似的典型降雨進(jìn)行分析，結(jié)果表明，（1）降雨雨型、降雨強(qiáng)度、降雨前期干燥時(shí)間均會(huì)對(duì)道路徑流雨水中污染物濃度產(chǎn)生較大的影響，這也是Ⅶ型降雨比Ⅲ型降雨中道路雨水徑流中污染物較高的原因。（2）以攜帶80%污染物所實(shí)際發(fā)生的徑流量的多少來判斷初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)弱，則Ⅶ型降雨中TN、NH4+-N、SS、TP、COD的初期沖刷效應(yīng)均強(qiáng)于Ⅲ型降雨。兩場(chǎng)降雨中TP的初期沖刷效應(yīng)均低于其他4種污染物。（3）道路雨水徑流中TN、NH4+-N、COD與SS之間均存在良好的相關(guān)性。Ⅶ型降雨中TP與SS的相關(guān)系數(shù)為0.917，而在Ⅲ型降雨中TP與SS的相關(guān)系數(shù)僅為0.772，所以TP與SS的相關(guān)性受降雨條件影響較為明顯。（4）Ⅲ型和Ⅶ型降雨中道路雨水徑流中SS、COD、TP質(zhì)量濃度分別為353.2、465.71、4.03 mg·L-1和548.41、335.96、1.18 mg·L-1均不同程度的高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。Ⅲ型和Ⅶ型降雨中TN濃度為3.47和6.62 mg·L-1高于國(guó)家污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，因此SS、COD、TP是道路雨水徑流中的主要污染物。

降雨雨型；道路雨水徑流；污染物相關(guān)性；污染物濃度；初期沖刷效應(yīng)

國(guó)外對(duì)城市地表徑流污染的研究始于 20世紀(jì)70年代初，最早開展這一研究的機(jī)構(gòu)是美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局。對(duì)包括路面、屋面等主要匯水下墊面的雨水徑流水質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明：與其他匯水下墊面相比，城市道路雨水徑流水質(zhì)污染情況最為嚴(yán)重，尤其是初期徑流，引起了廣泛關(guān)注（James，1994；Kang等，2006；Drapper等，2000；Mangna等，2005）。道路雨水徑流中的污染物有SS、COD、重金屬、N、P營(yíng)養(yǎng)物、氯化物、油和脂、農(nóng)藥和PAHs（多環(huán)芳烴）等（Stotz等，1987）。也有研究指出SS是公路徑流最主要的污染物，其主要來源為其主要來源是輪胎和筑路材料的磨損、大氣沉降和與車輛運(yùn)行有關(guān)的顆粒物（Drapper等，1999）。

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市硬化道路面積迅速增大，一方面導(dǎo)致道路雨水徑流流量增加，另一方面也使得上述含有大量油類物質(zhì)、氮、磷、有機(jī)物和重金屬成分的污染物更容易發(fā)生累積。降雨發(fā)生后，隨著徑流的形成，這些污染物溶解或懸浮于徑流中，使雨水徑流的流量、污染負(fù)荷都迅速增大。如果不經(jīng)處理直接排入受納水體，極易引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞(汪慧貞等，2002；車伍等，2007；趙劍強(qiáng)等，2001；劉洋，2006)。

雨水徑流面源污染是指降雨產(chǎn)生的雨水徑流沖刷城市下墊面，裹挾、溶解下墊面上的污染物，并將之輸送轉(zhuǎn)移至天然水體，使水體水質(zhì)惡化的污染形式(Alm等，1990)。道路雨水徑流來源相對(duì)復(fù)雜，主要包括大氣沉降、車輛遺撒、尾氣排放、輪胎磨損、生活垃圾、沉積物及析出物質(zhì)等（Sansalone等，1997；李立青等，2006）。不同降雨雨型、降雨量、干期、降雨強(qiáng)度以及車流量都會(huì)對(duì)道路雨水徑流中污染物濃度造成影響，而且諸多因素對(duì)徑流水質(zhì)的影響程度存在一定的爭(zhēng)議（張千千等，2014）。因此以典型降雨為基礎(chǔ)，研究道路雨水徑流中污染物的特性對(duì)控制城市雨水徑流污染與雨水資源化管理十分必要。

以嘉興市城區(qū)主干道為研究區(qū)域，選取具有代表性的路段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究了該市兩種典型降雨條件下道路雨水徑流中化學(xué)需氧量（COD）、懸浮顆粒物（SS）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）的初期沖刷效應(yīng)、道路雨水徑流水質(zhì)隨降雨歷時(shí)變化特征、各水質(zhì)污染指標(biāo)相關(guān)性和場(chǎng)次降雨徑流中污染物平均質(zhì)量濃度（EMC）。研究成果可為道路降雨徑流污染物定量分析及制訂有效的控制措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉興市位于浙江省東北部，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，市區(qū)河道綜合交錯(cuò)，湖泊眾多，城市依水而建，是典型的南方城市。分析其雨水徑流面源污染情況，對(duì)整治南方城市的道路雨水徑流面源污染情況具有重要的指導(dǎo)意義。

選擇嘉興市區(qū)中環(huán)南路與新氣象路交叉處排水口作為采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1）。嘉興市雨水豐沛，多年平均降雨量為1186.8 mm。全年降雨多集中于4─10月，汛期降雨主要受梅雨和臺(tái)風(fēng)的影響，降雨量為708.5 mm，占全年降雨量的59.7%。其中，梅雨多發(fā)生在6、7月，多年平均梅雨天數(shù)為25 d，梅雨季節(jié)降水量為227 mm，占汛期降雨量的32%；臺(tái)風(fēng)則多發(fā)生在 8、9月平均每年過境臺(tái)風(fēng)數(shù)量為2～3個(gè)。冬雨季降雨量偏少，只有在個(gè)別年份有所增加。中環(huán)南路為單向3車道的瀝青道路，新氣象路為單向2車道的瀝青道路，對(duì)應(yīng)匯水面積約470 m2，每天機(jī)動(dòng)車單向通行量約為18500輛。周圍土地利用類型主要為居住小區(qū)、商業(yè)中心等。

圖1 道路雨水徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)Fig. 1 The monitoring site of road runoff

1.2 取樣與測(cè)定方法

在降雨-徑流發(fā)生期間，用聚乙烯瓶采集雨水樣品。在降雨初期道路雨水徑流中污染物濃度變化較快，采樣間隔設(shè)置為5 min，之后采樣時(shí)間間隔視降雨歷時(shí)和路面徑流流量而定，最大采樣時(shí)間間隔為30 min。將采集好的水樣送入實(shí)驗(yàn)室，保存在4 ℃的恒溫箱中，并且保證24 h內(nèi)測(cè)完。同時(shí)利用哈希翻斗式雨量計(jì)記錄降雨特征（表1）。

表1 測(cè)定項(xiàng)目及方法Table 1 Determination of items and methods

1.3 降雨分析方法

目前，共有5種設(shè)計(jì)雨型被廣泛使用，分別是芝加哥雨型、三角形雨型、Huff雨型、Pilgim和Cordery雨型和模式雨型（范澤華，2011；牟金磊，2011）。模式雨型的劃分具有細(xì)致、定量的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能對(duì)大量降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類分析，具有較為準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)性。本研究采用模式雨型對(duì)該市降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類和劃分（圖2）。

圖2 7種雨型模式示意圖Fig. 2 Seven models of time distribution of rainfall

2 結(jié)果與討論

2.1 典型降雨選取

（1）各雨型的出現(xiàn)頻率

推算雨型的數(shù)據(jù)選自該市氣象站2010─2012三年的降雨資料，對(duì)降雨資料的篩選原則如下：

第一，單場(chǎng)降雨前后均有兩小時(shí)以上沒有其他降雨發(fā)生，則該場(chǎng)降雨被視為一場(chǎng)獨(dú)立降雨。

第二，瀝青混凝土路面在降雨4.2～5.3 mm后才產(chǎn)生徑流（潘安軍等，2010），考慮到南方光照強(qiáng)、溫度高等因素，對(duì)降雨量小于6 mm的降雨不進(jìn)行研究。

根據(jù)模式雨型選擇原則，篩選 2010─2012年的 90場(chǎng)降雨，進(jìn)行各雨型發(fā)生場(chǎng)次和產(chǎn)生降雨量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2、3所示。

表2 2010─2012年嘉興市降雨雨型統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical data of rainfall’s types from 2011 to 2012 in the city

表3 2010─2012年嘉興市各雨型降雨產(chǎn)生的降雨量Table 3 Amount of rainfall produced by each rainfall pattern

根據(jù)各雨型降雨在嘉興市出現(xiàn)頻率的多少、產(chǎn)生降雨量的多少以及對(duì)城市管網(wǎng)造成的影響可以推斷出，Ⅰ型降雨、Ⅴ型降雨在嘉興地區(qū)出現(xiàn)的頻率很小，且產(chǎn)生的降雨量很少，因此不是嘉興地區(qū)的常見雨型。Ⅱ型降雨、Ⅳ型降雨和Ⅵ型降雨雖然出現(xiàn)的頻率大于Ⅰ型降雨和Ⅴ型降雨，然而其產(chǎn)生的降雨量和對(duì)管網(wǎng)造成的影響均不大。因此將Ⅲ型和Ⅶ型降雨確定為嘉興市的主要雨型。Ⅲ型降雨為雨峰在前中部的單峰型降雨，這種降雨雨型的特點(diǎn)是出現(xiàn)頻率高，占降雨事件中的30%，降雨歷時(shí)多在2 h以內(nèi)，為短歷時(shí)降雨，產(chǎn)生的降雨量較大，容易對(duì)排水管網(wǎng)造成短時(shí)壓力；Ⅶ型降雨為雨峰在中部和后部的雙峰型降雨，這種降雨雨型的特點(diǎn)是出現(xiàn)頻率較高，占降雨事件中的20%，降雨歷時(shí)多在12 h以上，為長(zhǎng)歷時(shí)降雨，產(chǎn)生的降雨量很大，容易對(duì)排水管網(wǎng)造成持續(xù)性的排水壓力。

在 2013年降雨監(jiān)測(cè)期間篩選出與該市發(fā)生頻率最高的兩種雨型相似的典型降雨進(jìn)行分析研究，兩場(chǎng)典型降雨的特征參數(shù)見表4，雨型對(duì)比見圖3。

表4 典型降雨特征參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of typical rainfall evens

圖3 降雨雨型Fig. 3 The type of rainfall

如圖3所示，5月15日的降雨屬于短歷時(shí)降雨，降雨雨型為Ⅲ型，即雨峰在中前部的單峰型降雨。降雨的雨峰出現(xiàn)在降雨開始后40 min左右。雨峰雨量為4.6 mm，占總雨量的45%，降雨強(qiáng)度為0.307 mm·min-1。10月6日的降雨屬于較長(zhǎng)歷時(shí)降雨，降雨雨型為Ⅶ型，即雙峰型降雨，降雨的雨峰分別出現(xiàn)在降雨開始后的第60分鐘和第120分鐘左右，雨峰雨量分別為18和10.5 mm，分別占總雨量的46%和27%。降雨強(qiáng)度分別為1和0.7 mm·min-1。

以上兩場(chǎng)降雨屬于較高概率事件，在該市汛期時(shí)較常出現(xiàn)，有較大的代表性。

2.2 道路雨水徑流初期沖刷效應(yīng)分析

由于初期沖刷效應(yīng)會(huì)受到匯水面類型、匯水面周邊環(huán)境及不同降雨徑流場(chǎng)次等因素影響，因此，一直以來，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)初期沖刷效應(yīng)的判斷仍然存在較大分歧。Gupta等將初期沖刷效應(yīng)定義為一場(chǎng)降雨事件中，降雨初期形成的徑流中污染物的濃度明顯高于中后期徑流的現(xiàn)象（Gupta等，1996）。Geiger則認(rèn)為在一場(chǎng)次降雨-徑流過程中，以某時(shí)刻累積徑流量與徑流總量的比值為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)時(shí)刻排出的污染物累積負(fù)荷與負(fù)荷總量的比值為縱坐標(biāo)作圖構(gòu)成無量綱累積負(fù)荷分布曲線 M(V)，若該曲線位于坐標(biāo)平面 45°對(duì)角線之上，即表明發(fā)生初期沖刷效應(yīng)（Geiger等，1987）；若該曲線位于坐標(biāo)平面 45°對(duì)角線之下，則表明不發(fā)生初期沖刷效應(yīng)。但是Deletic提出若降雨初期20%的徑流量攜帶的總污染負(fù)荷高于40%，則認(rèn)為出現(xiàn)初期沖刷效應(yīng)（Deletic，1998）。Bertrand-krajewski提出的初期沖刷效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)更為苛刻，認(rèn)為降雨初期30%的徑流量至少攜帶 80%總污染負(fù)荷，且最大離散度>20%，才能認(rèn)定為出現(xiàn)初期沖刷效應(yīng)（Bertrand-krajewski等，1998）。通常用攜帶80%污染物所實(shí)際發(fā)生的徑流量來判斷，所需徑流量越少，則表明發(fā)生的初期沖刷效應(yīng)越強(qiáng)烈（Geiger等，1987）。

2.2.1 污染物初期沖刷現(xiàn)象

兩場(chǎng)典型降雨中道路雨水徑流攜帶 80%的污染負(fù)荷所需累積徑流量占徑流總量的百分比如表5。

表5 攜帶80%污染負(fù)荷所需徑流量占徑流總量比值Table 5 The ratio between required cumulative runoff volume that carries 80% pollutants loading and total runoff

道路雨水徑流污染積累負(fù)荷隨著降雨過程累積流量的變化如圖4、5所示，利用Gupta和Geiger的地表徑流污染物初始沖刷現(xiàn)象判別方法進(jìn)行判別，兩場(chǎng)降雨中5種污染物均出現(xiàn)初期沖刷現(xiàn)象。以Deletic、Bertrand-krajewski的地表徑流污染物初始沖刷現(xiàn)象判別方法進(jìn)行判別，兩場(chǎng)降雨中5種污染物均沒有出現(xiàn)初期沖刷現(xiàn)象。以上兩種初期沖刷效應(yīng)的判別方法較為絕對(duì)，宜采用攜帶80%污染物所實(shí)際發(fā)生的徑流量的多少來判斷初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)弱。分析發(fā)現(xiàn)所監(jiān)測(cè)的兩場(chǎng)典型降雨中，Ⅶ型降雨中5種道路雨水徑流中污染物初期沖刷效應(yīng)均強(qiáng)于Ⅲ型降雨中對(duì)應(yīng)污染物。Ⅲ型降雨中不同污染物之間初期沖刷效應(yīng)強(qiáng)弱程度差異不大。Ⅶ型降雨中，攜帶 80%TP污染負(fù)荷所需徑流量占徑流總量比例為64%，遠(yuǎn)高于其他4種污染物的值。說明附著在道路表面的磷，在兩種典型降雨中較其他4種污染物更難被沖刷進(jìn)入道路雨水徑流中，導(dǎo)致磷的初期沖刷效應(yīng)弱于COD、SS、TN、NH4+-N 4種污染物。

2.2.2 污染物初期沖刷現(xiàn)象的原因

降雨對(duì)城市道路上的污染物具有沖刷、溶解和稀釋的作用，污染物濃度的大小受到多種因素的影響，包括降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨前干燥天數(shù)等，污染物濃度是各個(gè)影響因素的復(fù)雜函數(shù)（任玉芬等，2005；任玉芬等，2006）。研究發(fā)現(xiàn)，匯流區(qū)面積越小，干期長(zhǎng)度越長(zhǎng)，沖刷效應(yīng)越強(qiáng)烈；而且相同降雨強(qiáng)度對(duì)不同污染物的影響各不相同(李春林等，2013；Lee等，2002)。

Ⅶ型降雨平均降雨強(qiáng)度為0.25 mm·min-1，降雨天干旱天數(shù)為7 d，Ⅲ型降雨平均降雨強(qiáng)度為0.10 mm·min-1，降雨天干旱天數(shù)為3 d。調(diào)查結(jié)果顯示，更強(qiáng)的沖刷效應(yīng)和道路表面更多的污染物累積，導(dǎo)致更加明顯的初期沖刷現(xiàn)象。同一污染物指標(biāo)在不同場(chǎng)次的降雨中表現(xiàn)出的初期沖刷效應(yīng)各不相同，而在一場(chǎng)降雨之中不同污染指標(biāo)發(fā)生的初期沖刷效應(yīng)強(qiáng)度也不同。主要原因?yàn)棰俚椎任廴疚镞M(jìn)入路面的方式及在道路表面的存在形態(tài)、附著方式差異性較大。②不同場(chǎng)次的降雨中降雨強(qiáng)度、歷時(shí)、降雨量和降雨前干旱天數(shù)各不相同。③道路為開放式的區(qū)域。在不同場(chǎng)次的降雨中，同一匯水面積的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，道路雨水徑流受過往車輛影響也不盡相同。

表6 50%累積徑流量攜帶污染負(fù)荷占污染物總量比值Table 6 The ratio between required cumulative runoff volume that carries 50% pollutants loading and total runoff

2.2.3 初期徑流控制參數(shù)選取建議

由表6可知Ⅲ型降雨中5種污染物初期沖刷現(xiàn)象并不明顯。而Ⅶ型降雨中前50%道路雨水徑流中攜帶污染負(fù)荷累積量隨著累積道路雨水徑流量增加而增大現(xiàn)象較為明顯。前50%道路雨水徑流累積中，Ⅶ型降雨過程中COD、SS、TN、TP、NH4+-N徑流攜帶污染物累積量占污染物總量的比例隨降雨徑流累積量比例增加而增大的增長(zhǎng)速率為1.69、1.64、1.57、1.34、1.64。后50%相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為0.31、0.36、0.43、0.66、0.36。因此在采用初期棄流或者重點(diǎn)收集處理初期雨水徑流時(shí)，其棄流或者收集徑流時(shí)間應(yīng)綜合考慮降雨雨型等因素。對(duì)于嘉興地區(qū)，為了對(duì)徑流污染進(jìn)行有效的控制，分離截取初期50%的徑流雨水更為經(jīng)濟(jì)、高效。

圖4 Ⅲ、Ⅶ型降雨無量綱累積污染負(fù)荷分?jǐn)?shù)-徑流體積分?jǐn)?shù)曲線對(duì)比Fig. 4 The comparison between Ⅲ and Ⅶ rainfall’s relationships between dimensionless normalized cumulative pollutants and runoff volume

2.3 道路徑流水質(zhì)隨降雨歷時(shí)變化特征

圖5 Ⅲ、Ⅶ型降雨無量綱累積污染負(fù)荷分?jǐn)?shù)-徑流體積分?jǐn)?shù)曲線Fig. 5 Relationships between dimensionless normalized cumulative pollutants and runoff volume

圖6 路面雨水徑流污染物濃度隨降雨強(qiáng)度的變化Fig. 6 The variation of pollutants concentration in road runoff with the condition of rainfall intensity

由圖6可知，Ⅲ型降雨中COD、SS、TN、TP和NH4+-N的濃度的最大值均出現(xiàn)在道路雨水徑流的初始階段，分別達(dá)1142、670、6、5.5、1.7 mg·L-1，其中COD、TN、TP均超出V類地表水標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N超出IV類地表水標(biāo)準(zhǔn)。SS、COD、TP甚至超出國(guó)家污水三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。隨后污染物濃度急劇下降，但是在降雨開始后 40～60 min時(shí)污染濃度開始回升，COD、SS、TN、TP和NH4+-N濃度的增長(zhǎng)幅度分別為5.2%、9.5%、13.8%、70.6%、71.4%，其中以TP和NH4+-N的濃度波動(dòng)尤為明顯。通過對(duì)比Ⅲ型降雨的降雨強(qiáng)度，在降雨開始后第40～60 min時(shí)，最大降雨強(qiáng)度達(dá)到0.308 mm·min-1。雨峰對(duì)地表強(qiáng)烈的沖刷，使污染物被雨水沖刷帶走，使降雨初期隨降雨歷時(shí)逐漸降低的污染物濃度出現(xiàn)明顯回升。雨峰過后隨著降雨歷時(shí)的增加，污染物濃度逐漸下降但是下降趨勢(shì)較為緩和。

Ⅶ型降雨中COD、SS、TN、TP和NH4+-N的濃度的最大值同樣出現(xiàn)在雨水路面徑流的初始階段，分別達(dá)801、1240、18.8、3.53、3.2 mg·L-1，SS、COD、TP、NH4+-N均超出國(guó)家污水三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，TN超出V類地表水標(biāo)準(zhǔn)。降雨初期前45 min降雨量?jī)H1.8 mm，不能形成徑流。之后場(chǎng)次降雨雨峰出現(xiàn)，降雨強(qiáng)度達(dá)1.2 mm·min-1，徑流形成同時(shí)污染物濃度達(dá)到最大值，在之后的35 min內(nèi)急劇下降，后趨于平穩(wěn)。在降雨開始后第120 min時(shí)出現(xiàn)了場(chǎng)次降雨的第二個(gè)雨峰，降雨強(qiáng)度達(dá) 0.7 mm·min-1，高于Ⅲ型雨峰降雨強(qiáng)度0.308 mm·min-1，但是路面雨水徑流中污染物的濃度并未出現(xiàn)波動(dòng)，說明降雨初期高強(qiáng)度降雨的沖刷已經(jīng)使大部分污染物已經(jīng)隨路面雨水徑流析出。通過對(duì)Ⅲ、Ⅶ型降雨道路徑流典型污染物隨降雨歷時(shí)變化的分析可知，道路表面附著污染物量的本底值對(duì)降雨徑流中污染物濃度影響十分明顯。

2.4 道路徑流污染物相關(guān)性分析

利用 SPSS21.0軟件對(duì)路面雨水徑流中污染物指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到其相關(guān)性結(jié)果見表7。

表7 路面雨水徑流污染物相關(guān)性Table 7 The correlation among the road runoff water quality pollution indexes

如表7所示，Ⅲ、Ⅶ型降雨過程中，SS與COD、TN、NH4+-N 3個(gè)污染物指標(biāo)均在0.01水平上存在顯著相關(guān)性，由此可知，SS作為道路雨水徑流中的主要污染物之一，明顯影響著其他污染物的含量，故SS可作為道路雨水徑流水質(zhì)的主要控制指標(biāo)。但是Ⅲ型降雨中TP與SS的相關(guān)性較差，而Ⅶ型降雨中TP與SS在0.01水平顯著相關(guān)，說明雨水徑流中TP的濃度受降雨雨型影響，而且相對(duì)于其他污染物指標(biāo)更難沖刷進(jìn)入路面雨水徑流，此結(jié)論與初期沖刷效應(yīng)分析部分結(jié)論相吻合。根據(jù)這一性質(zhì)，在場(chǎng)地降雨強(qiáng)度較大的降雨中通過對(duì)道路進(jìn)行有效的清掃，和對(duì)初期徑流的截取、凈化、排放可以有效的控制COD、TN、NH4+-N等污染物的總量。

2.5 道路徑流雨水污染物質(zhì)量濃度（EMC）

降雨特征、區(qū)域特征等影響因素的不確定性導(dǎo)致了在不同區(qū)域同一降雨事件或同一區(qū)域不同降雨事件中，污染物質(zhì)量濃度差別很大；且由于降雨過程的不同導(dǎo)致了在同一場(chǎng)降雨中污染物質(zhì)量濃度變化很大。因此，美國(guó)城市徑流計(jì)劃（NURP）建議對(duì)污染物質(zhì)量濃度及其污染程度采用EMC進(jìn)行評(píng)估。EMCs是以降雨事件總污染物負(fù)荷與總徑流體積的比值來表征徑流污染狀況的（US EPA，1983）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：M為整個(gè)徑流期間沖刷的污染物總量，mg；V為徑流總量，L；c（t）為隨時(shí)間變化的污染物質(zhì)量濃度，mg·L-1；q（t）為徑流流速，L·s-1；t為時(shí)間，s。

受試驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件限制，本研究未能實(shí)際監(jiān)測(cè)路面降雨徑流流量，但在徑流雨水樣品采集和降雨數(shù)據(jù)記錄過程中，記錄了降雨開始和徑流產(chǎn)生的時(shí)間，從而消除了路面徑流和降雨之間的滯后性，此外研究目標(biāo)為瀝青公路，降雨期間其內(nèi)滲量和蒸發(fā)量很少，可以忽略不計(jì)因此結(jié)果分析中扣除產(chǎn)流時(shí)間后，以降雨量權(quán)重代替路面徑流量來計(jì)算橋面徑流水質(zhì)的EMC值。

由表8可知，Ⅶ型降雨量的前期干燥時(shí)間明和平均雨強(qiáng)顯高于Ⅲ型降雨，因而污染物前期的累積和降雨對(duì)路面的沖刷強(qiáng)度相對(duì)較高，所以，Ⅶ型降雨路面雨水徑流中污染物的濃度明顯高于Ⅲ型降雨。兩種嘉興常見雨型的降雨道路雨水徑流中COD的EMC值均高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，分別是地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的11.6倍、8.4倍。同時(shí)，Ⅲ、Ⅶ型降雨中的道路雨水徑流物TN、TP的污染物含量均超過了地表水V類標(biāo)準(zhǔn)，其SS指標(biāo)也都超過了污水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表8 道路徑流雨水典型污染物EMC值及排放標(biāo)準(zhǔn)Table 8 The typical pollutants’ EMC value of stormwater runoff andnational sewage discharge standard

3 結(jié)論分析

（1）降雨對(duì)路面累積污染物的初期沖刷效應(yīng)與場(chǎng)次降雨的前期干燥時(shí)間、降雨量平均降雨強(qiáng)度成正比。在Ⅶ型降雨中，道路雨水徑流中各污染物的初期沖刷效應(yīng)均強(qiáng)于Ⅲ型降雨。在兩種典型降雨中TP的初期沖刷效應(yīng)均弱于其他4種污染物，說明相對(duì)于COD、TN、NH4+-N、SS，TP在路面的附著能力更強(qiáng)，不易被徹底沖刷。對(duì)于嘉興地區(qū)，為了對(duì)徑流污染進(jìn)行有效的控制，分離截取初期50%的徑流雨水更為經(jīng)濟(jì)、高效。

（2）Ⅲ型降雨由于降雨量和平均降雨強(qiáng)度較小，前期降雨對(duì)路面的沖刷作用有限，因此當(dāng)雨峰到來時(shí)，道路雨水徑流中污染物濃度升高。Ⅶ型降雨前期高強(qiáng)度降雨能夠?qū)⒙访嫖廴疚镙^為徹底的沖刷，因此雖然Ⅶ型降雨第二雨峰降雨強(qiáng)度高于Ⅲ型降雨雨峰，但道路雨水徑流中污染物濃度并沒有出現(xiàn)波動(dòng)。所以應(yīng)該充分考慮降雨雨型對(duì)道路雨水徑流的污染物濃度的影響后，選擇適當(dāng)?shù)牧恐到厝』驐壛鞯缆酚晁跗趶搅鳌?/p>

（3）SS與COD、TN、NH4+-N 3個(gè)污染物指標(biāo)存在明顯的相關(guān)性。根據(jù)這一性質(zhì)，在場(chǎng)地降雨強(qiáng)度較大的降雨中通過對(duì)道路進(jìn)行有效的清掃，和對(duì)初期徑流的截取、凈化、排放可以有效的控制COD、TN、NH4+-N等污染物的總量。而降雨強(qiáng)度較小沖刷效果不明顯的降雨過程中，應(yīng)綜合考慮TP對(duì)受納水體環(huán)境的影響后采取截取或棄流初期徑流。

（4）EMC分析結(jié)果表明，除NH4+-N和SS外，道路雨水徑流中的COD、TN、TP均不同程度的高于地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。兩種常見雨型降雨的路面雨水徑流中SS的濃度分別達(dá)到5.0、7.8倍。道路雨水徑流都是未經(jīng)處理而集中排放，將會(huì)對(duì)周邊水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

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Analysis of Road Runoff Pollutants in Northern City Based on the Typical Rainfall

FENG Cuimin, MI Nan, WANG Xiaotong, CAI Zhiwen, DI Wenzheng
Beijing University of Civil Engineering and Architecture Key Laboratory of Urban Stormwater System and Water Environment, Ministry of Education, Beijing 100044, China

This research selected the jiaxing main lines as object areas to investigate the first flush effect of pollutants, the pollutant concentrations variation regulation, the index correlations among pollutants in stormwater runoff, and the pollutants average concentrations under the two kinds of typical rainfalls conditions. 90 rainfall events of jiaxing, from 2010 to 2013, were classified by model rainfall pattern, the results of which indicated that pattern Ⅲ and Ⅶ were the common rainfall pattern, and two rainfall events that were similar with the typical rainfall were chosen to further investigate during 2013. The research results demonstrated that the rainfall pattern, rainfall intensity, and the dry period before rainfall could have a strong effect on runoff pollutant concentrations, which was the reason that pattern Ⅶ had higher pollutant concentrations than pattern Ⅲ in stormwater runoff. The first flush effect of TN, NH4+-N, SS, TP, and COD were stronger in pattern Ⅶ than Ⅲ by judging the runoff volume that carried 80% pollutant. In addition, the first flush effect of TP was lower than other four pollutants in two rainfall events. TN, NH4+-N, COD, and SS had evident correlation in stormwater runoff. The correlation coefficient of TP and SS was 0.917 in pattern Ⅶ, but only 0.772 in pattern Ⅲ, which showed that the correlation between TP and SS was strongly affected by rainfall pattern. The concentrations of SS, COD, and TP in pattern Ⅲ were 353.2, 465.71, 4.03 mg·L-1respectively, and in pattern Ⅶ were 548.41, 335.96, 1.18 mg·L-1respectively. All of these concentrations were exceed the national surface water standard of V in different degrees. The concentrations of TN in pattern Ⅲ and Ⅶ were 3.47 and 6.62 mg·L-1respectively, which were exceed the primary national sewage discharge standard. Hence, SS, COD, and TP were the main pollutants in stormwater runoff.

the type of rainfall; road runoff; the correlation among pollution indexes; the mass concentrations of pollution; the first flush effect

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.008

X522

A

1674-5906（2015）03-0418-09

馮萃敏，米楠，王曉彤，蔡志文，邸文正. 基于雨型的南方城市道路雨水徑流污染物分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 418-426.

FENG Cuimin, MI Nan, WANG Xiaotong, CAI Zhiwen, DI Wenzheng. Analysis of Road Runoff Pollutants in Northern City Based on the Typical Rainfall [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 418-426.

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2011ZX07301-004）

馮萃敏（1968年生），女（蒙古族），教授，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)及雨洪控制。E-mail: fengcuimin@bucea.edu.cn

2014-12-26