不同下墊面雨水徑流的產(chǎn)匯流規(guī)律研究

張惠鋒

（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所，北京市100835）

不同下墊面雨水徑流的產(chǎn)匯流規(guī)律研究

張惠鋒

（住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所，北京市100835）

選取屋面、主干道和高架道路等不同下墊面，通過現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究其各自的雨水徑流產(chǎn)匯流規(guī)律。結(jié)果表明：屋面雨水徑流的初始沖刷效應(yīng)不明顯，且污染物濃度較小，建議對(duì)于此類屋面不采用初期雨水棄流措施；而城市主干道路和高架道路雨水徑流存在較為顯著的初始沖刷效應(yīng)，建議因地制宜地采取措施對(duì)初期雨水進(jìn)行收集處理。

下墊面；產(chǎn)匯流；屋面；主干道；高架道路

0　引　言

在國外，發(fā)達(dá)國家較早注重于雨水的源頭控制和收集利用，基于此新近發(fā)展出諸多創(chuàng)新雨水管理理念，如美國的最佳管理措施（BMP）和低影響開發(fā)（LID），英國的可持續(xù)城市排水系統(tǒng)（SUDS），澳大利亞的水敏感城市設(shè)計(jì)（WSUD），新西蘭的低影響城市設(shè)計(jì)和發(fā)展體系（LIUDD）等[1～4]。

在國內(nèi)，雨水徑流污染已經(jīng)成為影響我國城市水環(huán)境質(zhì)量，制約城市生態(tài)環(huán)境的主要因素之一。目前，我國正積極推進(jìn)生態(tài)文明和海綿城市建設(shè)，采用源頭削減、中途控制、末端處理等全過程雨水控制利用措施，實(shí)現(xiàn)城市良性水文循環(huán)，維持或恢復(fù)城市海綿功能。典型的單項(xiàng)技術(shù)包括透水鋪裝、綠色屋頂、下沉式綠地、植草溝、雨水濕地和生物滯留設(shè)施等[5,6]。

在雨水徑流過程研究中，下墊面的特征解析是雨水控制利用技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。然而，我國尚缺少精確可靠的下墊面解析技術(shù)和大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)積累。為此，選取屋面、主干道和高架道路等不同下墊面，通過現(xiàn)場(chǎng)采樣測(cè)試和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的方法，研究其各自的雨水徑流產(chǎn)匯流規(guī)律，為工程方案比選和設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1樣品采集與測(cè)試方法

選取某小區(qū)的一個(gè)屋面進(jìn)行雨水徑流樣品采集，屋面為水泥材質(zhì)，采樣口位于雨水管出口，相應(yīng)的屋面匯水面積約200 m2。選取某主干道路進(jìn)行樣品采集，路面材質(zhì)為瀝青，采樣口為道路雨水口，相應(yīng)的路面匯水面積約120 m2。選取某高架匝道為典型路段進(jìn)行樣品采集，路面材質(zhì)為瀝青，采樣口為道路雨水口，相應(yīng)的路面匯水面積約180 m2。

從產(chǎn)生地表徑流開始，30 min內(nèi)，每間隔5 min采集一次樣品；30 min后，每間隔20～30 min采集一次樣品，直至降雨和徑流結(jié)束（或顯著減小且地表徑流的濁度顯著降低）。所有水樣采集后均立刻放入便攜式采樣箱冷藏保存（0～4℃），樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室保存和分析測(cè)試。

該項(xiàng)研究測(cè)定的主要水質(zhì)指標(biāo)包括SS、CODCr、NH+4-N和TP等。SS測(cè)試采用重量法（GB 11901-89），CODCr測(cè)試采用快速消解分光光度法（HJ/T 399-2007），NH+4-N測(cè)試采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009），TP測(cè)試采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）[7]。

1.2降雨事件的過程參數(shù)

為了配合雨水徑流的產(chǎn)匯流特征分析，在采樣點(diǎn)周邊設(shè)置自動(dòng)雨量計(jì)（RG3-M型）同步監(jiān)測(cè)雨量，7場(chǎng)降雨事件的過程參數(shù)見表1所列。

2　結(jié)果與討論

2.1屋面雨水的產(chǎn)匯流特征

屋面雨水徑流SS、CODCr、NH+4-N和TP等污染物特征統(tǒng)計(jì)情況見表2～表5所列。

從表2～表5可見，屋面雨水的產(chǎn)匯流呈現(xiàn)如下特征：

（1）屋面雨水徑流污染物濃度隨時(shí)間變化較小。

表1　降雨事件的過程參數(shù)表

表2　屋面雨水徑流SS特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表3　屋面雨水徑流CODCr特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表4　屋面雨水徑流NH+4-N特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表5　屋面雨水徑流TP特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

在2010年4次降雨事件中，屋面雨水徑流污染物濃度隨時(shí)間變化較小，并未出現(xiàn)污染物濃度隨時(shí)間的明顯波動(dòng)現(xiàn)象。其中，SS均在100.0 mg/L以內(nèi)變化，CODCr均在80.0 mg/L以內(nèi)變化，NH+4-N均在2.5 mg/L以內(nèi)變化，TP均在0.4 mg/L以內(nèi)變化。

（2）屋面雨水徑流污染物的相關(guān)性較弱。

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)屋面雨水徑流污染物進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果表明，在2010年4次降雨事件中，屋面雨水徑流的各污染物指標(biāo)之間均不構(gòu)成顯著相關(guān)性（置信度為95%～99%）。

（3）屋面雨水徑流污染物初始沖刷效應(yīng)不顯著。

標(biāo)準(zhǔn)方差、變異系數(shù)（相對(duì)方差）和極差系數(shù)等指標(biāo)可以反映樣本的離散程度，用于分析雨水徑流污染物的濃度變化，可以表征雨水徑流污染特性。統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值越大，雨水徑流污染的初始沖刷效應(yīng)越顯著。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見，在2010年4次降雨事件中，屋面雨水徑流的污染物初始沖刷效應(yīng)不顯著，各項(xiàng)污染物指標(biāo)的變異系數(shù)基本小于20.0，級(jí)差系數(shù)均小于1.0。因此，對(duì)屋面雨水徑流采用初期雨水棄流措施可能難以產(chǎn)生明顯的效果。

2.2主干道路雨水的產(chǎn)匯流特征

城市主干道路雨水徑流SS、CODCr、NH+4-N和TP等污染物特征統(tǒng)計(jì)情況見表6～表9所列。

表6　主干道路雨水徑流SS特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表7　主干道路雨水徑流CODCr特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表8　主干道路雨水徑流NH+4-N特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表9　主干道路雨水徑流TP特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

從表6～表9可見，主干道路雨水的產(chǎn)匯流呈現(xiàn)如下特征：

（1）主干道路雨水徑流污染物濃度隨時(shí)間變化較大。

在2010年4次降雨事件中，城市主干道路雨水徑流污染物濃度隨時(shí)間變化較大，出現(xiàn)污染物濃度隨時(shí)間的增加而顯著變小的趨勢(shì)。其中，SS最小值為57.5 mg/L，最大值為1133.0 mg/L；在降雨的前30 min內(nèi)，SS濃度均超過30 mg/L。CODCr最小值為22.2 mg/L，最大值為383.0 mg/L；在降雨的前30 min內(nèi)，CODCr濃度均遠(yuǎn)超100.0 mg/L。NH+4-N最小值為0.2 mg/L，最大值為2.6 mg/L；在降雨的前30 min內(nèi)，NH+4-N濃度均超過0.3 mg/L。TP最小值為0.1 mg/L，最大值為1.6 mg/L；在降雨的前30 min之內(nèi)（除2010年4月21日降雨事件之外的部分樣品），TP濃度基本小于3.0 mg/L。

（2）主干道路雨水徑流污染物的相關(guān)性較弱。

SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析結(jié)果表明，在2010年4次降雨事件中，主干道路雨水徑流的各污染物指標(biāo)之間均不構(gòu)成顯著相關(guān)性（置信度為95%～99%）。

（3）主干道路雨水徑流污染物初始沖刷效應(yīng)顯著。

在2009年4次降雨事件中，主干道路雨水徑流污染物初始沖刷效應(yīng)較為顯著。在降雨的前5 min內(nèi)，主干道路雨水徑流的最大SS和CODCr濃度分別達(dá)到860.0 mg/L和360.0 mg/L。同時(shí)，主干道路雨水徑流的SS和CODCr標(biāo)準(zhǔn)方差最大值分別達(dá)到297.5和111.5，變異系數(shù)最大值分別達(dá)到76.9和58.0，較屋面雨水徑流均顯著增大。因此，對(duì)主干道路雨水徑流采用初期雨水收集處理措施可能具有較好的控制效果。

2.3高架道路雨水的產(chǎn)匯流特征

高架道路雨水徑流SS和CODCr特征統(tǒng)計(jì)情況見表10和表11所列。

從表10和表11可見，高架道路雨水的產(chǎn)匯流呈現(xiàn)如下特征：

表10　高架道路雨水徑流CODCr特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

表11　高架道路雨水徑流SS特性統(tǒng)計(jì)表　mg/L

（1）高架道路雨水徑流污染物濃度隨時(shí)間變化較大。

在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水徑流污染物濃度呈現(xiàn)隨時(shí)間的增加而顯著變小的趨勢(shì)。在相同的降雨歷時(shí)內(nèi)（40 min），3場(chǎng)降雨的CODCr標(biāo)準(zhǔn)方差分別為171.0、100.0和124.0，變異系數(shù)分別為2.0、1.5和1.1，級(jí)差系數(shù)分別為1.2、0.9和0.6。從大到小依次排序發(fā)現(xiàn)，3月21日降雨事件的CODCr標(biāo)準(zhǔn)方差、變異系數(shù)和級(jí)差系數(shù)均為最大，表明該降雨事件的CODCr離散程度最大。結(jié)合8月7日降雨事件的過程參數(shù)發(fā)現(xiàn)，3月21日降雨事件的最大降雨強(qiáng)度明顯大于其他2場(chǎng)降雨事件，推測(cè)高架道路雨水徑流的CODCr沖擊負(fù)荷受（最大）降雨強(qiáng)度的影響較大。3場(chǎng)降雨的SS標(biāo)準(zhǔn)方差分別為264.0、226.0和206.0，變異系數(shù)分別為1.5、3.0和1.5，級(jí)差系數(shù)分別為0.9、1.6和0.9。從大到小依次排序發(fā)現(xiàn)，6月4日降雨事件的SS變異系數(shù)和級(jí)差系數(shù)均為最大，表明該降雨事件的SS離散程度最大。結(jié)合3場(chǎng)降雨事件的過程參數(shù)發(fā)現(xiàn)，6月4日降雨事件的前期晴天數(shù)和最大降雨強(qiáng)度明顯大于其他2場(chǎng)降雨事件，推測(cè)高架道路雨水徑流的SS沖擊負(fù)荷受前期晴天數(shù)的影響較大。

（2）高架道路雨水徑流污染物指標(biāo)的相關(guān)性較強(qiáng)。

SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析結(jié)果表明，在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水徑流的主要污染物CODCr與SS均呈顯著正相關(guān)（置信度為95%～99%）。據(jù)此推測(cè)，高架道路雨水徑流的大部分污染物是由顆粒物質(zhì)所攜帶的。因此，通過加強(qiáng)對(duì)高架道路的清掃，減小顆粒物質(zhì)的累積，并對(duì)雨水徑流進(jìn)行截流、調(diào)蓄、沉淀或旋流分離處理可以有效地控制污染物總量。

（3）高架道路雨水徑流污染物初始沖刷效應(yīng)顯著。

在2011年3次降雨事件中，高架道路雨水徑流呈現(xiàn)產(chǎn)匯流時(shí)間短和初始污染物濃度高的特點(diǎn)。在降雨的前5 min內(nèi)，高架道路雨水徑流的SS濃度分別達(dá)到1 246.0 mg/L、635.0 mg/L和 892.0 mg/L，CODCr濃度分別達(dá)到 626.0 mg/L、426.0 mg/L和635.0 mg/L。因此，高架道路雨水徑流存在顯著的污染物初始沖刷效應(yīng)，且SS的初始沖刷程度大于CODCr。

3　結(jié)　論

（1）在該項(xiàng)研究中，屋面雨水徑流的初始沖刷效應(yīng)不明顯，且污染物濃度較小，初期棄流對(duì)降低污染物平均濃度的效果有限，故而建議對(duì)于此類屋面不采用初期雨水棄流措施。

（2）在該項(xiàng)研究中，城市主干道路和高架道路雨水徑流存在較為顯著的初始沖刷效應(yīng)，對(duì)于城市水環(huán)境有一定的潛在影響，建議因地制宜采取措施對(duì)初期雨水進(jìn)行收集處理。

[1]西方國家可持續(xù)雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)展及啟示 [J].中國園林,2010,（8）:44～48.

[2]劉燕,車伍,李俊奇.城市降雨徑流污染控制與管理模式[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2006,32(6),10-12.

[3]李晶.城市雨水徑流污染控制理論與技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué),2011.

[4]趙劍強(qiáng).城市地表徑流污染與控制[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[5]王曉曉,徐世法,索智,等.基于低影響開發(fā)的道路雨水控制與利用技術(shù)研究[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2014,30(4):33-37.

[6]涂振順.城市綠地降雨徑流污染特征及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不確定性研究[D].廈門：廈門大學(xué),2009.

[7]國家環(huán)?？偩?水和廢水檢測(cè)分析方法(第四版)[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

X703.1

A

1009-7716（2016）04-0169-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.052

2016-01-08

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2013ZX07304-002）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（15DZ1203600）

張惠鋒（1981-），女，黑龍江鐵力人，碩士，工程師，從事城鎮(zhèn)標(biāo)準(zhǔn)研究與管理工作。