城市區(qū)域降雨徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)研究

王寶山，趙峰德，溫成成，黃廷林

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.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)

1 研究背景

城市雨水徑流污染主要在雨季形成，在降雨沖刷作用下，以徑流排放的方式對城市水環(huán)境構(gòu)成一定威脅[1]。城市降雨徑流是世界許多城市化地區(qū)水質(zhì)污染的主要原因之一[2]，因此雨水徑流引起的面源污染問題日益受到人們的重視[3]。城市徑流是城市地表累積污染物輸出、傳送和擴(kuò)散的主要驅(qū)動力[4]，在雨季前期的徑流階段，徑流中攜帶了較雨季中后期更多污染物的現(xiàn)象，稱之為季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)[5]。基于季節(jié)性初期沖刷規(guī)律，對雨季初期徑流進(jìn)行終端處理，則可有效地控制雨水徑流造成的面源污染[6-9]。季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象的存在導(dǎo)致雨水徑流污染的控制存在重點時期，因此可對徑流污染物在最佳有效控制期采取相應(yīng)地控制方式，以減小對城市生態(tài)環(huán)境的污染程度[10]。

國內(nèi)外對降雨徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)的研究，主要集中在污染物類型、形態(tài)和不同土地利用類型等對季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)的影響方面。Lee等[5]研究表明，匯水面性質(zhì)對徑流水質(zhì)有重要的影響，季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度與集水區(qū)的土地利用類型及特征有關(guān)。Soller等[11]研究表明，季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象具有普遍性和不確定性，匯水區(qū)域下墊面的性質(zhì)和降雨特性的耦合作用導(dǎo)致了污染物不同的季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度；溶解性重金屬的季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象比顆粒態(tài)更為明顯。國內(nèi)外學(xué)者對徑流污染季節(jié)性初期沖刷的定量評價研究較少，從而導(dǎo)致了區(qū)域徑流污染的高負(fù)荷季節(jié)及特征難以獲得，進(jìn)而難以采取科學(xué)合理的徑流污染管理措施，以減少徑流面源污染對水環(huán)境的影響。鑒于此，本文以西安市為研究區(qū)域，建立雨水徑流季節(jié)性初期沖刷定量評價模型，對雨水徑流污染物的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)定量特征進(jìn)行研究，以期為我國海綿城市建設(shè)中雨水徑流污染控制提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于陜西省西安市，西安市具有雨季、旱季分明，雨量適中等氣候特點，是典型的具有西北寒旱地區(qū)降雨特征的代表城市，具體降雨量分配見圖1。

圖1 西安市多年平均降雨量月平均分配量圖

據(jù)圖1中西安市多年平均降雨量的分布狀況知，西安市每年的4-10月為主要降雨期，11-3月為旱期，故試驗研究選擇時間段為雨期4-10月份，具體實驗研究以西安市區(qū)某校園區(qū)域和建筑屋頂為研究對象。校園區(qū)域位于南郊，該區(qū)域毗鄰西安市城市交通主干道，徑流水質(zhì)受到城市車輛運輸?shù)挠绊?，區(qū)域內(nèi)土地利用類型以建筑屋頂和道路為主，綠化率約20%，匯水面積為1.64 hm2，雨水管道長度270 m，區(qū)內(nèi)排水為雨污完全分流制，雨水通過雨水管道收集后排放；建筑屋頂位于某居民住宅小區(qū)，遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)，屋面徑流水質(zhì)主要受區(qū)域自然氣候因素的影響，人為因素影響甚微(在具體研究過程中可以忽略不計)，屋頂為平頂屋面，匯水區(qū)域面積約為300 m2，雨期屋面雨水經(jīng)集雨水管收集后進(jìn)行排放。

2.2 測試指標(biāo)和方法

在建筑屋頂雨水落水管處和校園區(qū)域雨水匯流終點雨水管處分別進(jìn)行連續(xù)取樣，屋頂雨水利用雨水管收集后進(jìn)行流量測定，校內(nèi)區(qū)域徑流量通過匯流終點管道內(nèi)的流量直接獲得。水樣測定指標(biāo)具體方法參鑒《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)，主要測定污染指標(biāo)有：SS(重量法)、COD(重鉻酸鉀法)、TN(堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法)、TP(鉬酸銨分光光度法)。

2.3 季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)定量評價模型

根據(jù)雨水徑流污染輸送過程與有效降雨量的相關(guān)性[12]，對季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)進(jìn)行量化分析，可實現(xiàn)季節(jié)變化對徑流污染沖刷規(guī)律的定量評估。以下為雨期季節(jié)性初期沖刷規(guī)律量化評價模型的具體建立過程。

對一年內(nèi)雨季雨水徑流污染物輸送量進(jìn)行無量綱化處理可得：

式中：L為無量綱化后的雨水徑流污染物輸送量；mi(t)為第i場降雨t時刻的雨水徑流污染物輸送量，mg；Mi為第i場降雨沖刷的污染物總量，mg；Ci(t)為第i場降雨t時刻的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Qi(t)為第i場降雨t時刻的雨水徑流量，L/min；T為第i場降雨徑流計算時間，min；k為年降雨場次。

根據(jù)有效降雨量的表征含義，令vi(t)/A=hi(t),Vi/A=Hi，則一年內(nèi)無量綱化后的有效降雨量可表達(dá)為：

式中：F為無量綱化后的有效降雨量；vi(t)為第i場降雨t時刻的雨水徑流輸送量，L；Vi為第i場降雨的雨水徑流總輸送量，L；hi(t)為第i場降雨t時刻的有效降雨量，mm；Hi為第i場降雨的有效降雨量，mm；A為匯流區(qū)域面積，m2。

由公式(1)和(2)可確定函數(shù)關(guān)系，具體如下：

L=f(F)

(3)

為了量化評估季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)度，引入間隙函數(shù)Y用以表示L與F之間距：

Y=L-F=f(F)-F， 0≤F≤1

(4)

利用間隙函數(shù)與X軸的面積表示雨水徑流污染物的季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度(SFF)：

(5)

公式(5)為季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)定量評價函數(shù)，定量值為SFF。污染物全部在雨季初期輸送時，SFF→0.5；當(dāng)污染物全部趨向雨季后期輸送時，SFF→-0.5，因此-0.5≤SFF≤0.5。季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象發(fā)生的臨界值SFF=0，若SFF<0則不發(fā)生季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)。SFF越大，則季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度越強(qiáng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流污染物濃度季節(jié)性變化

對2008年的雨季雨水徑流主要污染物進(jìn)行監(jiān)測，統(tǒng)計分析建筑屋頂和校園區(qū)域雨水徑流水質(zhì)，具體結(jié)果見圖2、3。

通過圖2、3可知，建筑屋頂和校園區(qū)域的年內(nèi)雨水徑流水質(zhì)隨有效降雨量的變化規(guī)律具有相似性。降雨初期，徑流污染物濃度普遍較高，隨著有效降雨量的逐漸增加，徑流污染物濃度雖然因場次降雨特征的不同導(dǎo)致在較小范圍內(nèi)出現(xiàn)一定的波動，但由于雨水的強(qiáng)沖刷作用導(dǎo)致了徑流污染物呈現(xiàn)出明顯的稀釋效應(yīng)，從而徑流污染物濃度總體上呈現(xiàn)下降趨勢。分析對比圖2、3可見，建筑屋頂雨季初期徑流污染物SS、COD、TN和TP濃度分別為中期的2.2、1.3、3.5和1.2倍；校園區(qū)域雨季初期SS、COD、TN和TP濃度分別為中期的2.6、1.8、8.5和2.1倍。校園區(qū)域較建筑屋頂污染物質(zhì)量濃度下降趨勢更顯著，主要在于校園區(qū)域較高的清掃頻率導(dǎo)致了污染物不能持續(xù)性累積，在雨季高頻率的降雨沖刷下，徑流污染負(fù)荷整體上呈現(xiàn)出更大的下降幅度。隨著雨季結(jié)束，徑流污染物濃度又逐漸升高，COD和TP濃度均回升至雨季初期的徑流污染水平，建筑屋頂雨季末期徑流污染物COD和TP濃度分別升高至中期的1.5、2.2倍，而校園區(qū)域COD和TP濃度分別升高至中期的2.5、2.2倍。建筑屋頂雨季末期徑流污染物COD和TP濃度相較于校園區(qū)域增幅更小，主要由于COD和TP的徑流污染水平受降雨特征的影響較小，而受下墊面污染物積累量的影響較大，建筑屋頂衛(wèi)生清理頻率很小，COD和TP持續(xù)性累積，在雨水沖刷下不斷釋放而轉(zhuǎn)移到徑流中，造成整個雨季徑流污染水平變化幅度較小，因此在雨季后期建筑屋頂COD和TP徑流污染水平增幅較??；此外，由于校園區(qū)域有一定的綠化面積，在雨水的不斷沖刷下，綠化區(qū)土壤侵蝕、化肥和農(nóng)藥的沖刷以及枯萎植物的腐化致使COD和TP輸出，導(dǎo)致雨季后期COD和TP增幅較大。SS和TN濃度在雨季后期也有一定程度的升高，但由于研究區(qū)域雨季初期降雨對TN的強(qiáng)沖刷作用，導(dǎo)致可沖刷TN污染物的急劇衰減，同時由于以顆粒態(tài)形式遷移于地表水的TN沉積過程主要發(fā)生在雨前的旱期，因此在雨季中后期TN累積時間的短暫導(dǎo)致積累量較少，從而引起雨季后期TN濃度升高幅度較小。校園區(qū)域因人員活動和鄰近城市主干道車輛的行駛增加了SS的積累量，導(dǎo)致SS濃度升高趨勢較建筑屋頂更為明顯。

雨季初期雨水徑流水質(zhì)深受雨前干旱期長度的影響，旱期污染物長期的積累導(dǎo)致了雨季初期徑流污染物平均濃度普遍較高[13-15]。隨著雨季的到來，降雨頻率增加，地表沉積物的積累量下降明顯，于是雨水徑流污染物濃度降低顯著。通常當(dāng)雨水徑流下墊面的不透水性良好、匯水面積較小、降雨強(qiáng)度較大時，雨季中期徑流污染負(fù)荷的降低程度更為顯著[5]。隨著雨季的結(jié)束，降雨時間間隔變長，降雨量減少，導(dǎo)致地表沉積物含量開始升高，從而增加了雨水徑流污染水平。同時降雨后期正值植物落葉時節(jié)，植物殘體的腐化，雨水徑流將部分腐殖質(zhì)沖刷至徑流水體中，引起徑流污染物TP和有機(jī)物濃度的顯著增加。

3.2 雨水徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)

按公式(4)計算建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)，結(jié)果見圖4、5。

由圖4、5可見，建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷間隙函數(shù)(Y)的變化規(guī)律具有相似性，SS和TN總體呈現(xiàn)單峰曲線變化，峰值為正值，而COD和TP呈現(xiàn)為類正弦曲線的雙峰曲線變化，分別為正峰值和負(fù)峰值。

由于在Y峰值區(qū)域，雨水徑流污染物輸送量與有效降雨量間相差最大，此時有效降雨量對應(yīng)的降雨時期為徑流污染物污染負(fù)荷高峰期，因此在Y峰值區(qū)域可對雨水徑流污染物進(jìn)行高效控制[16]。建筑屋頂和校園區(qū)域的徑流污染物SS和TN分別在無量綱化后的有效降雨量F為0.3和0.2時，函數(shù)Y達(dá)到峰值(最大值)，此時全年前30%的有效降雨量形成的徑流攜帶了全年近一半的SS和TN，故研究區(qū)域在F為0.3前(即每年6月前)可對SS和TN進(jìn)行重點控制。COD和TP呈現(xiàn)為雙峰過程，F(xiàn)在0.2和0.7時，即為每年的5月底和9月中旬，Y分別達(dá)到正負(fù)峰值，此時全年前50%的有效降雨量形成的徑流攜帶了全年近70%的COD和TP，故研究區(qū)域COD和TP控制的重點時期可以化分為每年5月前和9月中旬以后的兩段時期。

圖2 建筑屋頂雨水徑流污染物平均濃度與有效降雨量的關(guān)系

圖3 校園區(qū)域雨水徑流污染物平均濃度與有效降雨量的關(guān)系

圖4建筑屋頂?shù)募竟?jié)性初期沖刷效應(yīng) 圖5校園區(qū)域的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)

通過對圖4、5結(jié)果的分析，不同徑流污染物具有不同的降雨沖刷效應(yīng)，但徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)具有普遍性，亦即徑流污染物總有趨向雨季前期輸送的現(xiàn)象，利用間隙函數(shù)Y可以確定雨水徑流污染物輸送量與有效降雨量(降雨時間)之間的變化關(guān)系，從而可對徑流污染物在最佳控制時期進(jìn)行控制。對雨水徑流污染物SS和TN，建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷間隙函數(shù)(Y)值基本上均為正值，且單峰值區(qū)域出現(xiàn)較早，表明整個降雨期內(nèi)沖刷效應(yīng)較稀釋效應(yīng)大，雨季初期雨水沖刷現(xiàn)象明顯，說明了研究區(qū)域雨季初期徑流攜帶了較多的SS和TN，因此SS和TN應(yīng)重視雨季初期徑流污染的控制，而對COD和TP，建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷間隙函數(shù)(Y)基本上均呈現(xiàn)出類正弦曲線的雙峰變化趨勢，說明了研究區(qū)域在雨季始末兩期徑流中COD和TP的含量較高，因此COD和TP的控制應(yīng)重視雨季初期和后期徑流污染的控制。

3.3 雨水徑流季節(jié)性沖刷強(qiáng)度SFF

對建筑屋頂、校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度按照公式(5)進(jìn)行計算，具體結(jié)果見圖6。

圖6 季節(jié)性初期不同污染物沖刷強(qiáng)度

由圖6可見，不同類型污染物的SFF具有一定的差異，SS和TN的SFF為正值，顯示了較強(qiáng)的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)，而TP的SFF為負(fù)值，即SFF≤0，沒有發(fā)生季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)；COD在不同研究地點表現(xiàn)出不同的沖刷性質(zhì)，主要由于在不同的匯水區(qū)域，COD的積累情況出現(xiàn)差異性。此外，不同下墊面的徑流系數(shù)不同，導(dǎo)致對雨水徑流污染物COD的輸送能力不同，最終表現(xiàn)出對有機(jī)污染物沖刷強(qiáng)度的不同。建筑屋頂不透水性良好，匯水面積較小，下墊面單一等是導(dǎo)致COD發(fā)生季節(jié)性初期沖刷的重要原因[17-19]。同時，污染物形態(tài)也會影響到季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度，由于溶解性有機(jī)物較非溶解性有機(jī)物更易溶解、遷移至徑流中，因此溶解性有機(jī)物的SFF通常大于非溶解有機(jī)污染物，呈現(xiàn)出更強(qiáng)的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)[14]。綜上所述，研究區(qū)域(西安市)的地域特性決定了污染物的季節(jié)性初期沖刷性質(zhì)，且不同污染物表現(xiàn)出不同沖刷強(qiáng)度。

西安市冬季供暖以燃煤型為主，冬季供暖期與干旱期重合，供暖期燃煤排放源增加了旱期的大氣降塵，導(dǎo)致地表污染物積累量增加，引起地表污染負(fù)荷增大，由于地面污染物累積量與徑流初始濃度呈正相關(guān)關(guān)系，因此雨季初期徑流污染負(fù)荷很高，亦即冬季燃煤供暖增加了地表污染物含量，可能由于冬季燃煤供暖對SS和TN的積累影響較大，因此導(dǎo)致季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度SFF顯示了差異。此外，雨季末期，植物殘枝敗葉的腐化導(dǎo)致了徑流污染物濃度的升高，從一定的程度上弱化了季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度，由于植物殘體的腐化對COD和TP的積累影響大于SS和TN，從而在一定的程度上引起季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度SFF的差異性。SFF的不同，導(dǎo)致了對污染物的控制措施產(chǎn)生了差異，即SS和TN以春季控制為主，而COD和TP以春季和深秋雙季控制為主。

4 結(jié) 論

通過對建筑屋頂和校園區(qū)域降雨徑流季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象的研究，主要結(jié)論如下：

(1)建筑屋頂和校園區(qū)域年雨水徑流污染物含量隨無量綱化后有效降雨量的變化趨勢具有相似性。研究區(qū)域徑流污染物濃度總體上呈現(xiàn)出雨季始末兩期高于中期的現(xiàn)象。

(2)SS和TN顯示出較強(qiáng)的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)，COD和TP的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)較弱。SS和TN以春季控制為主，COD和TP以春季和深秋雙季控制為主。研究區(qū)域季節(jié)性沖刷強(qiáng)度值SFF的差異性，主要是研究區(qū)域(西安市)的季節(jié)及降雨特性決定的。