濟南城區(qū)降雨徑流污染特征及初期沖刷效應研究

高紹智　李玲玲　馬中雨　李祥　陳興廳

摘要：降雨期間初期降雨徑流對自然水體環(huán)境質(zhì)量存在潛在威脅。選取濟南市分流制雨水排水系統(tǒng)不同位置的匯水區(qū)進行監(jiān)測，研究濟南城區(qū)降雨徑流污染物特征及初期沖刷效應的影響，結(jié)果表明降雨徑流中各類污染物濃度在降雨初期波動較大且快速達到峰值，隨后濃度迅速下降并穩(wěn)定，COD、氨氮、總氮和總磷濃度均大幅高出地表水V類標準;用地類型、街道路面、交通流量、綠化等匯水區(qū)特性是影響下墊面污染物累積程度的關(guān)鍵因素;降雨特性和匯水區(qū)面積是影響初期沖刷效應的關(guān)鍵因素，初期沖刷效應和降雨強大呈正相關(guān)，與匯水區(qū)面積呈負相關(guān)。

關(guān)鍵字：降雨徑流;污染物特征;初期沖刷效應

0 引言

濟南市城區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，歷年平均降水量在 600～700mm之間。由于受季風影響，城區(qū)降水量的季節(jié)分配極不均勻，夏季雨水集中，降雨量較大。春季降水量一般在80mm左右;夏季降水量在400mm以上，占年降水總量的60%以上;秋季降水量平均在 110～130mm;冬季降水量很少，低于年降水總量的4%。全年降水強度平均為8.0～8.8mm/d，其中夏季的降雨強度最大，為11.6～13.2mm/d，歷年日最大降水強度多發(fā)生在7～8月份。

隨著近年來濟南市城區(qū)城市化快速發(fā)展，城市不透水下墊面面積比例增加，導致由雨水沖刷而形成的雨水徑流污染日益嚴重，削減強降雨事件引起的徑流污染對城市自然水體的環(huán)境質(zhì)量影響是海綿城市建設(shè)的主要目的之一。高度城市化地區(qū)在降雨期間產(chǎn)生的雨水徑流包含一定濃度的污染物，如烷烴有機物、總氮、總磷、大腸桿菌及重金屬等，未經(jīng)處理直接排放會引起受納水體水質(zhì)變差、生態(tài)系統(tǒng)破壞等嚴重影響。降雨徑流的污染物主要來源于居民和商業(yè)區(qū)域、工業(yè)活動、建設(shè)、街道和停車場，以及大氣沉降。在降雨徑流的初期階段，不透水下墊面的污染物被徑流沖刷并隨徑流進入雨水排水系統(tǒng)，這個過程稱之為初期沖刷效應，通過截留設(shè)施將初期雨水徑流經(jīng)過截留處理后再排放進入水體，可以大幅降低初期雨水對受納水體的環(huán)境質(zhì)量影響。因此，研究當?shù)亟涤陱搅鞯奈廴咎卣骱统跗跊_刷效應，對于城市降雨徑流污染控制有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究范圍

本研究范圍為濟南市西起緯六路及無影山路，東至二環(huán)東路，涉及濟月路、商埠、英雄山、北湖、古城、金雞嶺、全福、山大路、千佛山9個片區(qū)，服務面積81.1平方公里，服務人口約119.73萬人。該區(qū)域匯水面積相對較大，土地利用類型多樣且排水系統(tǒng)為分流制排水系統(tǒng)， 降雨時產(chǎn)生的初期沖刷為典型的雨水管網(wǎng)沖刷， 所以研究該區(qū)域的初期沖刷現(xiàn)象具有一定代表性。

研究區(qū)土地利用類型相對較復雜， 以居住商業(yè)用地、工業(yè)用地、公共事業(yè)用地、透水區(qū)為主。工業(yè)用地占總面積的23.41%，徑流系數(shù)為0.9;透水區(qū)占23.46%，透水區(qū)包括草地、裸地等雨水可快速入滲地區(qū)，徑流系數(shù)為 0.16;居住商業(yè)用地占28.20%，包括住宅小區(qū)、廣場、商場等地區(qū)，徑流系數(shù)為0.9;道路面積占15.92%，徑流系數(shù)為0.9，公共事業(yè)用地主要包括學校，政府機關(guān)等地區(qū)，占總面積的9%，徑流系數(shù)為0.8。區(qū)域綜合徑流系數(shù)為0.7，不透水地區(qū)占匯水面積的71.54%，平均坡度為0.53%。

1.2 監(jiān)測地點

水質(zhì)樣品采用人工取樣法在6個取樣點（表1）檢查井處取樣。徑流發(fā)生初期30min內(nèi)間隔5min采集一次樣品，在30～60min內(nèi)間隔15分鐘采集一次樣品，之后間隔30min采集一次樣品，具體采樣次數(shù)根據(jù)降雨強度與歷時情況確定。。樣品使用1L聚乙烯采樣瓶收集，采集后24h內(nèi)檢測，未能及時檢測的置于4℃冰箱內(nèi)貯存不超過48h。

水質(zhì)檢測指標包括COD、總磷、總氮和氨氮，具體方法如表2所示。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

本文通過過程樣的監(jiān)測計算獲得單次降雨的各取樣點平均濃度（Event Mean Concentration， EMC）。污染物EMC值為整個降雨徑流事件中該污染物質(zhì)量與徑流總體積之比，由于經(jīng)濟技術(shù)上均不可能實現(xiàn)連續(xù)水量、水質(zhì)監(jiān)測，實際徑流量與污染物濃度均為離散數(shù)據(jù)，通常污染物事件平均濃度值可由式（2.2）近似計算得到：

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨徑流污染物特征

在2017年和2018年的夏季分別對6場產(chǎn)生出流的降雨事件進行了水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測降雨事件的特征見表2。相關(guān)降雨事件包括了不同類型的降雨，水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果具有代表性。

監(jiān)測到的6次降雨徑流中各種污染物濃度變化趨勢一致，在雨水徑流初期達到峰值，然后逐漸下降至一個穩(wěn)定水平，其中2017年6月22日旅游路匯入羊頭峪西溝取樣點的雨水徑流污染物濃度變化趨勢最有代表性，如圖2所示。本研究區(qū)域的雨水管網(wǎng)屬于干管，匯水面積大，接入支管多，降雨時各小匯水區(qū)的徑流經(jīng)支管匯集后進入干管。由于各個支管的匯水區(qū)面積大小不一，因此相應的集水時間不一樣，導致各個匯水區(qū)匯入干管的雨水徑流中污染物濃度和到達取樣點的時間各有差異，引起取樣點的各類污染物濃度隨時間變化趨勢有一定的波動。

6場降雨徑流中各類污染物的EMC值如表3所示。對于相同的污染物，其其EMC在不同降雨場次中差異明顯，其中COD差異最為顯著。目前濟南市大部分城區(qū)的地表水水質(zhì)控制目標為V類標準，比較6場降雨過程中各個取樣點的污染物EMC與地表水IV類和V類標準值，發(fā)現(xiàn)本研究監(jiān)測的各類污染物EMC平均值都大于地表水V類水標準值，這說明污水徑流對受納水體環(huán)境質(zhì)量存在潛在威脅。從表可以發(fā)現(xiàn)，總氮和COD、總磷的EMC分別超過地表水V類標準的1.98倍和2.23倍、1.75倍，只有氨氮的EMC值接近V類地表水標準對氨氮的要求;而對于要求更高的地表水IV類標準，則所有的污染物都明顯超過了標準值。

雨水徑流的污染物主要來源于匯水區(qū)下墊面地表的污染物累積過程，這個過程可以用雨前落干期天數(shù)的非線性函數(shù)來表示。累積過程和累積區(qū)域內(nèi)的街道路面、交通流量、植被、用地性質(zhì)等有關(guān)。因此，對于每一類的污染物和用地類型的組合，其累積過程表達函數(shù)是不同的。于軍亭等在濟南對不同下墊面暴雨徑流污染特征進行研究，研究表明不同下墊面的綜合COD濃度為70mg/L，略低于本次研究的監(jiān)測值，這可能是由于本次取樣點位于城市干道附近，周圍路面機動車輛密集，汽車排放及輪胎磨損產(chǎn)生的固體顆粒較多，同時汽油潤滑油泄漏及燃料不完全燃燒會引起懸浮固體、有機物?？偟桶钡臐舛瘸瑯嗽蚩赡苁怯捎谖菝嬗蜌帜甏眠h老化，易于風化成微小固體含氮顆粒隨降雨形成徑流，且研究區(qū)域的綠化的定期施肥和噴灑農(nóng)藥也會引起氮營養(yǎng)鹽污染。同時，研究區(qū)域周邊存在鋼鐵公司和煉油廠，導致空氣中存在較高濃度的含氮顆粒。本研究七里山路匯入英雄山路口的取樣點的總氮、總磷、COD和氨氮的EMC值遠低于其他取樣點的各類污染物濃度值，這可能是由于其匯水區(qū)主要是科教區(qū)，內(nèi)部綠化面積較大，同時內(nèi)部道路清掃相對校外道路頻率高。位于生活區(qū)和商業(yè)區(qū)附近的取樣點的各類污染物EMC濃度最高，該類區(qū)域人口密度集中，會形成較多的廚余垃圾和餐廚垃圾，由于管理不善導致垃圾無序堆放和餐廚垃圾直排入雨水口的現(xiàn)象會引起管網(wǎng)內(nèi)部的污染物濃度升高。

黃俊等研究表明，磷是富營養(yǎng)化的控制因子，作為營養(yǎng)化限制因子的總磷濃度限值應為0.05mg/L。因此，參照目前濟南市大部分城區(qū)施行的V類標準，研究區(qū)域?qū)Τ跗谟晁M行處理的調(diào)蓄池的主要處理對象是COD和總磷?？偟桶钡趶搅餍纬傻某跗谒矔r濃度很高，因此在初期雨水徑流中氮素的影響不能忽視。

2.2 初期沖刷效應分析

沖刷是降雨時期雨水對子匯水下墊面固體物質(zhì)的侵蝕和溶解的過程，雨水徑流的污染物濃度在降雨初期是最高的，如果水深超過數(shù)毫米，這種侵蝕和溶解過程可通過沉積物遷移理論描述，即初期沖刷效應。初期沖刷效應可以用經(jīng)驗模型來進行量化，本文采用Geiger的研究結(jié)論，以污染物的累積負荷和累積徑流流量的相關(guān)性為基礎(chǔ)，通過判斷兩者形成的累積曲線的發(fā)散性來確定其初期沖刷強度。具體表現(xiàn)形式為：

式中L表示污染物累積負荷;無量綱，m（t）指污染物累積負荷，kg;M為場降雨污染負荷;F為累積徑流，無量綱;v（t）為累積徑流量，m;V為降雨徑流量，m。

污染物累積負荷L和累積徑流量F可以用函數(shù)進行擬合，擬合公式為：

b是初期沖刷系數(shù)，表示擬合曲線與平衡曲線的偏差，b值小于1表示存在初期沖刷效應，值越小表示初期沖刷強度越大。表3表示降雨強度最高、最低和中間三場降雨中各個取樣點所對應的匯水區(qū)表面各種污染物的沖刷系數(shù)。

常靜等研究發(fā)現(xiàn)匯水區(qū)面積、徑流系數(shù)和降雨強度是影響初期沖刷效應的關(guān)鍵因子。比較表4中的初期沖刷系數(shù)，發(fā)現(xiàn)所有的污染物在最強降雨和中間降雨強度下時均發(fā)生了初期沖刷效應，在降雨強度為1.36mm/h的降雨場次中，各個匯水區(qū)基本沒有發(fā)生初期沖刷效應，這與任玉芬等研究結(jié)果一致，即初期沖刷效應和降雨強度有明顯的正相關(guān)性。同時，在同場降雨中，經(jīng)十路匯入舜耕路口東側(cè)取樣點的匯水區(qū)的初期沖刷系數(shù)比其他匯水區(qū)低，這是由于該匯水區(qū)的匯水面積最小，導致其初期沖刷強大越大。

3 結(jié)論

（1）研究區(qū)域降雨徑流中各類污染物濃度在降雨初期波動較大且快速達到峰值，隨后濃度迅速下降，變化逐漸平緩;降雨徑流中COD、氨氮、總氮和總磷濃度均大幅高出地表水V類標準。

（2）下墊面污染物累積程度是下墊面用地類型、街道路面、交通流量、綠化等匯水區(qū)特性的綜合作用效果，當生活、生產(chǎn)活動發(fā)生變化時，雨水徑流的污染物濃度隨之產(chǎn)生變化。

（3）初期沖刷效應和降雨強大呈正相關(guān)，與匯水區(qū)面積呈負相關(guān)。

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（作者單位：1.濟南市市政工程設(shè)計研究院（集團）有限責任公司;2.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心）