城鎮(zhèn)化屋面雨水徑流污染物變化特征研究

郭 宇，陳偉偉

(1.河南省焦作水文水資源勘測局， 河南 焦作 454000；2.黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450003)

城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快使得不透水面表層累積的污染物在徑流沖刷效應(yīng)情況下所形成的非點(diǎn)源污染成為城市水體惡化的主要來源之一。自20世紀(jì)70年代以來，國外開展了不同下墊面類型初期徑流沖刷效應(yīng)、降雨徑流污染模型開發(fā)與應(yīng)用、及其對受納水體的影響等方面的研究[1-6]，集中體現(xiàn)在構(gòu)建模型、初期雨水控制、面源管理措施等方面。我國自20世紀(jì)80年代開始對降雨徑流污染進(jìn)行采樣監(jiān)測，集中體現(xiàn)在徑流水質(zhì)與變化規(guī)律、徑流水質(zhì)統(tǒng)計(jì)與分析、定量分析計(jì)算污染負(fù)荷、模型適宜性應(yīng)用等方面[7-11]；同時，對城鎮(zhèn)雨水徑流污染效應(yīng)與截流式合流制溢流水污染進(jìn)行對比分析，在雨水徑流污染物種類、變化規(guī)律及其影響因素等方面取得相應(yīng)成果，為城鎮(zhèn)雨水徑流污染控制奠定基礎(chǔ)[12-16]。

研究表明[2]，徑流上漲階段為徑流污染負(fù)荷的主要輸出時間段，污染濃度峰值較徑流峰值往往提前，但有關(guān)對受納水體影響程度、污染負(fù)荷定量分析等相關(guān)成果較少。本文根據(jù)新鄉(xiāng)市區(qū)2015年屋面降雨徑流水文水質(zhì)變化特征的實(shí)時監(jiān)測情況，對雨污合流致城區(qū)屋面徑流污染負(fù)荷進(jìn)行定量研究，旨在為海綿城市建設(shè)、面源污染調(diào)控等提供支撐。

1 試驗(yàn)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在新鄉(xiāng)市某事業(yè)單位的辦公樓頂，下墊面鋪設(shè)瀝青防水材料，采樣區(qū)面積187.5 m2，呈矩形。結(jié)合建筑物布局，布設(shè)雨落管1根，利用75 L聚乙烯桶收集天然降雨條件下的雨水徑流。試驗(yàn)點(diǎn)附近建有自動氣象站，根據(jù)監(jiān)測的場次降雨過程，將單次采樣耗時與容器體積分析的瞬時徑流量作為采樣起止時刻中值徑流量，采用徑流強(qiáng)度、降雨強(qiáng)度描述場次降雨過程。利用500 mL聚乙烯瓶收集徑流水質(zhì)，指標(biāo)包括SS(固體懸浮物)、COD(化學(xué)需氧量)、TN(總氮)，水樣按照環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析。采樣頻率為降雨前30 min內(nèi)間隔5 min采集水樣1個，30 min～60 min內(nèi)間隔15 min采集水樣1個，其后間隔30 min采集水樣1個。

污染物濃度分析方法為徑流過程中污染物流量與其加權(quán)平均濃度，如式(1)所示：

(1)

式中：Cemc為場次徑流污染物平均濃度，mg/L；M為場次徑流污染物總量，g；V為徑流總量，m3；t為時間，min；Ct為t時刻污染物濃度，mg/L；Qt為t時刻雨水徑流流量，m3/min；Δt為采樣間隔時間，min。

2 污染物特征分析

根據(jù)7場次降雨徑流水質(zhì)變化過程的監(jiān)測情況，水質(zhì)指標(biāo)的變化范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差率、Cemc見表1。分析可知，降雨徑流COD濃度范圍約4.90 mg/L～594.20 mg/L，SS約14.0～644.0 mg/L，TN約1.16 mg/L～41.6 mg/L；場次平均濃度范圍COD約30.96 mg/L～255.43 mg/L，SS約53.27 mg/L～428.18 mg/L，TN約8.27 mg/L～25.48 mg/L。分析可知，污染物的標(biāo)準(zhǔn)差率變化均呈SS>COD>TN的規(guī)律，這與試驗(yàn)過程中水質(zhì)指標(biāo)濃度的變化情況相類似。

在降雨徑流沖刷效應(yīng)下，初期徑流中COD濃度較高，干期累積的污染物被沖刷并攜帶進(jìn)入徑流中，隨著降雨持續(xù)，雨水徑流中COD濃度逐漸變小，最后穩(wěn)定在相對較小的濃度范圍內(nèi)，處于一個較低水平。

屋面徑流中SS含量的高低與材料之間沒有特別明顯的關(guān)系，主要來自于大氣沉降，固體顆粒積累量決定了初雨徑流中SS的含量。受降雨干期長度的影響，導(dǎo)致屋面固體顆粒物積累量有所不同，使得初期徑流中SS存在較大差異。

屋面徑流中TN濃度處于較高水平，最高達(dá)到41.6 mg/L，主要原因與其表層鋪設(shè)材料的組成成分密切，瀝青在老化分解過程中會釋放含氮有機(jī)物。雖然降雨徑流過程中TN濃度變化有些波動，但隨著降雨歷時延長，其濃度變化總體也呈逐漸降低的趨勢。

可見，屋面雨水徑流水質(zhì)狀況與其下墊面表層的污染物累積量較為密切，與場次降雨時間間隔、降雨量、降雨歷時、下墊面新舊程度以及自身老化析出物等因素有關(guān)。但COD、SS、TN等指標(biāo)的濃度變化規(guī)律大體一致，即隨著降雨歷時的延長其濃度逐漸降低，并趨向于一個穩(wěn)定值，處于一個較低的水平。

3 污染負(fù)荷定量計(jì)算

采用降雨徑流污染物平均濃度法分析污染負(fù)荷量，如式(2)所示：

(2)

式中：CM為污染物徑流年均濃度，mg/L；Ws為徑流總量，m3；WT為污染負(fù)荷量，mg。由于污染物濃度、徑流量等與場次降雨過程密切相關(guān)，因此，采用SS、COD、TN作為屋面徑流污染物負(fù)荷的主要指標(biāo)。

根據(jù)新鄉(xiāng)市雨量站監(jiān)測數(shù)據(jù)，2015年城區(qū)降水量為520.71 mm，與多年平均較為接近，具有一定代表性。研究表明[17]，一般情況下，1 mm降水量可濕潤下墊面，1 mm～10 mm降水量可形成徑流。資料分析表明，2015年新鄉(xiāng)市區(qū)有效降雨次數(shù)36場，有效降雨量485.9 mm。根據(jù)筆者以前研究成果[12-15]，新鄉(xiāng)市區(qū)屋面徑流系數(shù)為0.93，則2015年有效徑流量為451.9 mm，市區(qū)屋面徑流量為684.63 m3。結(jié)合試驗(yàn)采樣頻率、地點(diǎn)代表性等影響因素，將屋面雨落管口的污染物場次平均濃度作為污染物負(fù)荷計(jì)算基礎(chǔ)，以降雨量為權(quán)重，分析屋面雨水徑流污染負(fù)荷。可知，屋面SS、COD、TN的平均濃度分別為149.32 mg/L、85.75 mg/L、11.59 mg/L，污染負(fù)荷量分別為102.23 kg、58.71 kg、7.94 kg。根據(jù)新鄉(xiāng)市城區(qū)屋面面積、污染物負(fù)荷量等，2015年屋面SS、COD、TN的輸出系數(shù)分別為674.8 kg/(hm2·a)、387.5 kg/(hm2·a)、52.4 kg/(hm2·a)。

目前，由降雨徑流污染形成城市面源控制已取得成效，但降雨初期高濃度污染物排入受納水體對其影響依然較大，具有隨機(jī)性強(qiáng)、變化過程復(fù)雜等特性。由城鎮(zhèn)化雨水徑流污染所帶來的受納水體水質(zhì)惡化情況應(yīng)引起重視，亟待開展相關(guān)基礎(chǔ)性研究。

表1 屋面徑流污染物特征值

4 初期沖刷效應(yīng)

初期沖刷效應(yīng)受影響因素較多，其中降雨強(qiáng)度、地表徑流量、流域面積、下墊面類型、污染物性質(zhì)等是影響初期沖刷的主要因素，這些因素具有較為明顯的區(qū)域特征，對于不同地區(qū)的研究結(jié)果可能會存在很大差別。一般情況下，地表徑流初期沖刷現(xiàn)象在匯水面積較小的區(qū)域容易發(fā)生。因此，初期沖刷的判斷與度量對于城市小流域地表徑流污染的治理具有重要意義。

本節(jié)參考已有研究成果[14-15,18-20]，建立M(V)曲線用來表征污染物負(fù)荷量隨徑流量的變化過程進(jìn)行分析，橫坐標(biāo)采用累積徑流量與總徑流量的比值，縱坐標(biāo)采用累積污染物負(fù)荷量與總污染物負(fù)荷量的比值，建立曲線表征污染物負(fù)荷與徑流量之間的關(guān)系，如式(3)所示：

L=f(F)

(3)

式中：L為無量綱化處理后污染物負(fù)荷量；F為無量綱化處理后雨水徑流量。

(4)

式中：w(t)為t時刻徑流污染負(fù)荷量，mg；W為雨水沖刷污染物總負(fù)荷量，mg；C(t)為t時刻污染物濃度，mg/L；Q(t)為t時刻雨水徑流量，L/min；t′為徑流計(jì)算時間，min。

(5)

式中：v(t)為t時刻雨水徑流量，L；V為雨水總徑流量，L；其它符號意義同上。

通過曲線偏移平衡線(45°線)的最大值分析評價降雨徑流的初期沖刷效應(yīng)程度，其中45°線表征降雨徑流事件中污染物濃度保持穩(wěn)定。若降雨徑流水質(zhì)參數(shù)均位于平衡線上方，表明在初始徑流中大部分污染負(fù)荷已經(jīng)被輸送，存在初期沖刷效應(yīng)。當(dāng)數(shù)值位于45°線下方時，則污染負(fù)荷的輸出要小于徑流輸出發(fā)生的稀釋效應(yīng)。分別計(jì)算屋面SS、COD、TN在不同場次降雨中累積徑流量、累積污染負(fù)荷，采用M(V)曲線分析不同降雨特征下的初期沖刷效應(yīng)，如圖1、圖2、圖3所示。分析可知，降雨徑流中SS、COD、TN在所有降雨場次中污染物累積曲線斜率均大于1，符合初始沖刷定義，發(fā)生了初始沖刷。

圖1 屋面SS初始沖刷效應(yīng)

圖2 屋面COD初始沖刷效應(yīng)

圖3屋面TN初始沖刷效應(yīng)

可以看出，11月8日降雨徑流污染物累積曲線與對角線的距離最大，最大離散點(diǎn)出現(xiàn)在26.9%，表明26.9%的徑流量沖去了62.3%的污染物(以SS計(jì)，下同)，初期沖刷效應(yīng)最顯著。7月23日降雨徑流初期沖刷效應(yīng)最不明顯，最大離散點(diǎn)在52.5%處，表明52.5%的徑流量沖刷去了67%的污染物，初期沖刷效應(yīng)最不明顯。其余場次降雨最大離散點(diǎn)在12.5%～35.1%之間，徑流量沖刷去了31.4%～60.7%的污染物。對比11月8日、7月23日的降雨強(qiáng)度、徑流量等，分析可知，時間段內(nèi)降雨強(qiáng)度越大，降雨前期干期歷時越長，M(V)值(初期沖刷率越高，標(biāo)準(zhǔn)化后的污染物量與徑流量的比值)越大，初期沖刷效應(yīng)越明顯。

由圖1、圖2、圖3所示可知，11月8日降雨的M(V)值最大，場次降雨中初期沖刷效應(yīng)最明顯；7月23日降雨的M(V)值最小，場次降雨中初期沖刷效應(yīng)最不明顯。

5 結(jié) 論

(1) 污染物指標(biāo)SS、COD、TN的濃度變化趨勢大體一致，即隨著降雨過程的延續(xù)其濃度逐漸降低，并趨于一個穩(wěn)定的濃度范圍，處于較低水平。污染物標(biāo)準(zhǔn)差率呈SS>COD>TN的規(guī)律，與各自濃度變化過程曲線的指向性基本一致，與筆者以往相關(guān)結(jié)論較為相似。

(2) 采用降雨徑流污染平均濃度法對屋面污染負(fù)荷進(jìn)行了分析與計(jì)算，2015年試驗(yàn)區(qū)屋面徑流量684.63 m3，SS、COD、TN污染負(fù)荷量分別為102.23 kg、58.71 kg、7.94 kg，輸出系數(shù)分別為674.8 kg/(hm2·a)、387.5 kg/(hm2·a)、52.4 kg/(hm2·a)。受區(qū)域水文氣象、下墊面特征、降雨情況等因素影響，參照同行有關(guān)輸出系數(shù)的研究結(jié)果，本文的污染物輸出系數(shù)的計(jì)算結(jié)果在已有研究成果范圍內(nèi)。

(3) 利用M(V)曲線對污染物負(fù)荷量隨雨水徑流量增加的變化過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，SS、COD、TN在所有場次降雨中污染物累積曲線斜率均大于1.0，發(fā)生了初始沖刷，且以11月8日降雨的初始沖刷效應(yīng)最為明顯。結(jié)合發(fā)生初期沖刷效應(yīng)的前期條件，與同行的研究結(jié)果相比具有一定的創(chuàng)新。

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