天津中心城区典型下垫面降雨径流污染冲刷特征分析<sup>*</sup>

随着城市不透水下垫面面积逐年增加，地表累积的污染物在雨水径流的冲刷下大量进入城市水体，对城市水环境造成了巨大威胁[1]。下垫面累积污染物转移到地表水体主要经过干期累积、降雨冲刷及径流输送3个阶段[2]。因此研究城市不同下垫面降雨径流污染冲刷过程，对于控制降雨径流污染具有重要意义。

国内外已有学者对城市径流污染的水质变化过程、影响因素以及排放规律等进行了研究。城市降雨径流冲刷污染物与径流污染进程机制复杂，任玉芬等[3]计算了北京市典型屋面和路面2种径流的次降雨平均浓度(EMC)水平，发现2类径流的COD和TN污染较为严重。Kim等[4]和Lee等[5]对城市居民区、工业区等集水区的研究表明，降雨径流中TSS、TN、TP及COD均具有明显的初始冲刷效应。王宝山[6]应用冲刷模型研究西安城市建筑屋顶径流、校园小区域径流污染物雨水径流污染的输移规律时，拟合效果较好。城市降雨径流污染物冲刷特征主要取决于降雨和下垫面，不同城市的地理气候和下垫面特征不同，对城市典型下垫面降雨冲刷过程中径流污染物浓度变化、初始冲刷效应等有待进一步研究。

本文通过重点监测天津中心城区3类典型下垫面降雨径流，对不同场次降雨径流EMC浓度变化特征和污染物间相关性进行分析，研究不同下垫面径流污染物浓度随降雨冲刷的变化特征，并应用冲刷模型模拟污染物冲刷规律，为城市径流污染控制提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

天津市总土地面积为11917 km2，建成用地面积为4093 km2。天津市属于暖温带半湿润大陆季风型气候，全年平均气温为13.6 ℃，降雨多集中在每年的6—9月，占全年降雨量的80%左右，市区及近郊的多年平均降雨量为563.8 mm，并且北部多于南部、山区多于平原[7]。中心城区总土地面积为173 km2，人口数量为504万，人口密度为29173 人/km2。中心城区是城市降雨径流污染的重点区域，研究其降雨径流污染物变化特性可为城市水体的污染控制提供有力支撑。

1.2 样品采集与分析方法

选取天津市中心城区3类典型下垫面开展研究，包括斜屋面、平屋面和小区路面。屋面采样位置为雨水管，小区路面采样位置为路面雨水口。降雨径流形成后每隔5 min采集1次水样，径流峰值过后，根据实际降雨情况每隔10～60 min采集1次水样。本研究在2018年6—8月期间共采集5场降雨径流，采集斜屋面径流样品162个，平屋面径流样品163个，小区路面径流样品126个。表1为典型降雨事件的基本降雨特征。

水样保存在聚乙烯瓶内，密封后冷藏。COD采用重铬酸盐法(GB 11914—89《水质化学需氧量的测定重铬酸盐法》)测定，TP采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》) 测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》) 测定，SS 采用重量法(GB 11901—89《水质悬浮物的测定重量法》) 测定[8]，降雨量和降雨历时在现场采用雨量计(SRH1-1)测定。

1.3 数据分析方法

常用的城市地表径流数学模型是 Sartor-Boyd 冲刷模型，该模型主要适用于具有初期冲刷效应的降雨过程[9-10]。Sartor-Boyd 冲刷模型假定径流过程中，不透水地面表层沉积物的冲刷速率与地表沉积的污染物量P及降雨强度r成正比，具体如式(1)所示：

式中：K2为冲刷系数(经验值)，mm-1；P为降雨开始时地表沉积的污染物量，kg；r 为单位时间单位面积雨水径流量，即降雨强度或径流深度，mm/min；t为时间，min。对式(1)积分，可得到 t 时刻因降雨径流冲刷而排放的污染物量P(t)：P(t)=P0(1-e-k2Rt)

(2)式中：P0是降雨开始时地表沉积的污染物量，

表示降雨开始 t 时间后累计的降雨深度，mm。

式(1)和式(2)表明，在降雨径流过程中，降雨冲刷排污速率和径流中的污染物浓度随累积径流量呈指数降低。假设集雨面积为 A，则地表径流形成后 t时刻，地表径流中的污染物浓度ρ(t)可由 P(t)对 Rt求导获得：

式中：ρ0为径流0时刻地表径流中的污染物浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 不同下垫面雨水径流水质特征

2.1.1 各下垫面EMC均值

基于5场降雨事件监测数据，进行不同下垫面场次降雨污染物平均浓度(EMC)分析，结果如表2所示。

对比5场降雨事件数据可知：SS和COD是降雨径流中主要的污染物，其平均值均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅴ类水质标准，同时路面径流污染大于平屋面和斜屋面。其中，6月9日降雨事件不同下垫面各污染物浓度严重超过Ⅴ类水质标准，7月23日降雨事件中斜屋面EMC值皆达到并优于Ⅴ类水质标准。结合表1—2，表明径流污染物EMC主要受前期干旱天数影响，其次受降雨强度、降雨量等影响，本结果与孙中浩等[11]在研究宜兴典型垃圾转运站道路径流结果一致；宋迁凤研究重庆市地表降雨径流时，在此基础上进一步说明建筑工地等外来污染源对地表径流中氨氮、TN、TP 的影响大于前面三者[12]。而8月19日降雨事件中，屋面各污染物EMC值与7月23日降雨事件相比呈现下降趋势，主要原因是雨季冲刷导致稀释作用逐渐占主导地位[13]，但小区路面中的SS、COD略有升高，可能是人类活动影响的结果。

6月降雨场次，路面与屋面SS含量对比，屋面SS浓度相对较少，但其他污染物浓度两者接近，表明屋面污染物浓度主要受大气干湿沉降、屋面材料的析出等影响[14-15]。而对比7，8月，屋面和路面各污染物EMC值，路面SS、COD一直保持较高水平，这主要和居民区人类日常活动、生活垃圾等产生的污染物比例有关。依次比较6—8月场次降雨径流污染，平屋面氨氮浓度呈递减趋势，说明大气湿沉降是平屋面降雨径流中NH3-N主要来源[16-17]。

2.1.2 各下垫面降雨径流污染物Pearson相关性

选取5场降雨事件的降雨径流污染物平均浓度进行Pearson相关性分析[18]，结果如表3所示。降雨径流污染物中SS和COD、浊度高度相关，SS和TP中等程度相关。表明SS是降雨径流中主要污染物，可推测其为COD、TP等污染物的重要载体，降雨径流中颗粒物与多种污染物存在一定的相关性，Kim在研究城市雨水径流排放率和污染物浓度特征时也发现地表径流多种污染物的分布特征与颗粒物的分布存在联系[19]。COD和浊度、TP分别呈高度、中度相关，NH3-N与其他污染物的相关性较差，后者明显为相对独立的个体，可能主要是车辆尾部的NOx经大气干湿沉降到下垫面表层[20]。

2.2 不同下垫面污染物初期冲刷效应

选取7月23日降雨数据绘制 M(V)曲线，如图1所示，斜屋面、平屋面和小区路面各污染物曲线都在45°斜度线以上，即降雨径流初期污染物的累积输送速率大于径流量累积输送速率，认为存在初期冲刷[21]。但是小区路面的各污染物曲线在降雨过程中仅部分明显超过斜度线，其余皆与斜度线几乎吻合，表明其初期冲刷效应十分微弱。主要原因为路面是一个更为开放的区域，随着降雨时间的推移，汇水面附近的污染物会逐渐汇入检测点，导致初期冲刷效应不明显。

斜屋面前30%的径流量输送SS、COD污染物总量的比例分别为73.33%、57.78%；平屋面前30%的径流量输送SS、COD污染物总量的比例分别为56.67%、43.33%；小区路面的前30%的径流量输送各污染物总量比例在31.23%、31.18%。其中，斜屋面SS的初期冲刷效应最大，COD次之；而在平屋面中TP最大，SS次之；两屋面的SS和TP曲线交替可能为屋面的坡度、材质等相关因素导致[22]。《天津市海绵城市建设试点实施方案》要求雨水径流污染物SS削减 65%以上，可知：若要截留屋面径流污染物70%，斜屋面和平屋面SS的初期径流量截留分别在24.72%和46.58%以上。

2.3 Sartor-Boyd冲刷模型模拟

选取6月9日(序号1)和7月23日(序号2)降雨事件，应用Sartor-Boyd 冲刷模型对下垫面污染物浓度和累积降雨量进行模拟验证，选取SS、COD浓度冲刷拟合曲线结果，具体见表4、图2。斜屋面和平屋面各污染物冲刷与模型拟合相关性优于小区路面，表明在中心城区屋面降雨径流污染物冲刷中可以使用该模型较准确地对初期雨水弃流量进行预估，但小区路面的预估结果较差，推测其在降雨期间受到多种污染源的同步汇流导致悬浮物负荷或污染物浓度出现波动，故不适用该模型模拟。Aryal[23]也发现对于悬浮物负荷或污染物浓度有波动的情况不适用Sartor-Boyd 冲刷模型；同时，胡博等[24]发现使用最大污染物浓度Km和径流冲刷能力半饱和常数Ks优化冲刷系数改进的Sartor-Boyd 冲刷模型，可以更准确地描述实际地表径流携污情况。

斜屋面、平屋面各污染物冲刷系数分别为0.18～0.35，0.15～0.20 mm-1，该结果与李贺等[25]研究冲刷模型在上海市屋面径流的应用时得到的夏季径流冲刷系数0.14 mm-1接近。7月23日降雨事件中斜屋面和小区路面各污染物冲刷系数总体上高于6月9日，有研究表明冲刷系数随着降雨强度的增加而增大[26]。平屋面容易形成较大的径流深度，同样降雨强度下SS、COD、TP等污染物冲刷系数较低[27]；两场降雨NH3-N冲刷系数均较高，推测原因，溶解性NH3-N受到降雨强度和降雨历时的影响，降雨后期促进了溶解性污染源的释放[28]，从而比其他污染物在平屋面更易被冲刷。

3 结论

1) SS和COD是降雨径流中的主要污染物，降雨径流污染程度依次为小区路面>平屋面>斜屋面。SS是降雨径流中污染物的主要载体，与COD、浊度和TP相关度较高。径流污染物EMC受前期干旱天数影响最大，其次受降雨强度、降雨量等影响。

2)降雨径流污染物初期冲刷效应强度依次为斜屋面>平屋面>小区路面。斜屋面与平屋面径流污染物冲刷与Sartor-Boyd模型拟合相关性较好，小区沥青路面因降雨期间受到汇水面附近污染物的汇流影响，故初期冲刷效应不明显。控制典型降雨屋面前期30%的径流量，可以达到控制43%～73%的降雨径流污染物总量。

[1] 王显海,来庆云,杜靖宇,等.宁波市城区不同下垫面降雨径流水质特征分析[J].环境工程,2016,34(增刊1):312-316.

[2] 王宝山，黄廷林，聂小保，等．不透水表面雨水径流污染物冲刷规律研究[J]．环境工程学报，2010,4(9):1950-1954.

[3] 任玉芬,王效科,欧阳志云,等.北京城市典型下垫面降雨径流污染初始冲刷效应分析[J].环境科学,2013,34(1):373-378.

[4] Kim G,Yur J,Kim J.Diffuse pollution loading from urban stormwater runoff in Daejeon City,Korea [J].Journal of Environmental Management,2007,85(1): 9-16.

[5] Lee J H,Bang K W,Ketchum L H,et al.First flush analysis of urban storm runoff [J].Science of the Total Environment,2002,293(1/2/3): 163-175.

[6] 王宝山. 城市雨水径流污染物输移规律研究[D].西安：西安建筑科技大学,2011.

[7] 天津市统计局. 天津统计年鉴[M]. 北京：中国统计出版社, 2014.

[8] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法[M]. 4版.中国环境科学出版社, 2002.

[9] Sartor J D, Boyd G B,Agardy F J. Water pollution aspects of street surface contaminants[J]. Journal of Water Pollution Control Federation, 1974, 46 (3): 458-467.

[10] Whipple W Jr,Hunter J V,Yu S L.Effects of storm frequency on pollution from urban runoff [J].Journal of Water Pollution Control Federation,1977,49(11): 2243-2248.

[11] 孙中浩,张建锋,王倩,等.城市垃圾转运站道路径流污染特征研究[J].环境工程,2018,36(4):88-92.

[12] 宋迁凤. 重庆市某城区地表降雨径流污染特征研究[D].重庆：重庆大学,2012.

[13] 李立青,朱仁肖,郭树刚,等.基于源区监测的城市地表径流污染空间分异性研究[J].环境科学,2010,31(12):2896-2904.

[14] Lee J Y,Bak G,Han M.Quality of roof-harvested rainwater-comparison of different roofing materials [J].Environmental Pollution,2012，162: 422-429.

[15] Robert Sainte P,Gromaire M C,De Gouvello B,et al.Annual metallic flows in roof runoff from different materials: test-bed scale in paris conurbatio[J].Environmental Science & Andtechnology,2009,43(15):5612-5618.

[16] 周双军,倪婉敏. 中国大气氮湿沉降环境效应研究进展[C]∥2015年中国环境科学学会学术年会论文集(第2卷)，2015.

[17] 荆红卫,华蕾,郭婧,等.北京市水环境非点源污染监测与负荷估算研究[J].中国环境监测,2012,28(6):106-111.

[18] 李实,于江华,陈亮.不同降雨强度下铅在屋面径流中迁移规律的模拟研究[J].环境科学学报,2017,37(3):910-917.

[19] Kim G,Yur J,Kim J.Diffuse pollution loading from urban stormwater runoff in Daejeon City,Korea[J].Journal of Environment Managemental,2007,85(1): 9-16.

[20] 陈中颖，李开明，林文实，等．珠江口大气氮磷干湿沉降通量及其污染特征[J]．环境污染与防治,2010,32(11):53-57.

[21] 车伍,张伟,李俊奇.城市初期雨水和初期冲刷问题剖析[J].中国给水排水，2011,27(14):9-14.

[22] 张香丽,赵志杰,秦华鹏,等.常州市不同下垫面污染物冲刷特征[J].北京大学学报(自然科学版),2018,54(3):644-654.

[23] Aryal R,Kandasamy J,Vigneswaran S,et al.Review of stormwater quality,quantity and treatment methods part 1 stormwater: quatity modeling[J].Environmental Engineering Research,2009,14(3): 143-149.

[24] 胡博,赵剑强,陈莹,等.城市地表径流污染物浓度数学模型的建立及验证[J].环境科学学报,2015,35(7):2261-2268.

[25] 李贺,李田,陈阳,等.冲刷模型在屋面径流计算中的应用[J].中国给水排水,200,22(2):73-74.

[26] Egodawatta P, Thomas E, Goonetilleke A. Mathematical inter pretation of pollutant wash-off from urban road surfaces using simulated rainfall [J]. Water Research, 2007, 41(13): 3025-3031.

[27] Osuch-Pajdzińska E. The method of forecasting the pollution in storm water [C]∥.Proceeding of 4th conference on urban storm drainage, Laussanne, 1987, 27-33.

[28] 张千千,王效科,郝丽岭,等.重庆市路面降雨径流特征及污染源解析[J].环境科学,2012,33(1):76-82.

天津中心城区典型下垫面降雨径流污染冲刷特征分析*

0 引言

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

1.2 样品采集与分析方法

1.3 数据分析方法

2 结果与讨论

2.1 不同下垫面雨水径流水质特征

2.2 不同下垫面污染物初期冲刷效应

2.3 Sartor-Boyd冲刷模型模拟

3 结论

ANALYSIS ON CHARACTERISTICS OF RAINFALL RUNOFF POLLUTANTS FLUSH OF TYPICAL UNDERLYING SURFACES IN TIANJIN CENTRAL CITY

天津中心城区典型下垫面降雨径流污染冲刷特征分析*

0 引 言

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

1.2 样品采集与分析方法

1.3 数据分析方法

2 结果与讨论

2.1 不同下垫面雨水径流水质特征

2.2 不同下垫面污染物初期冲刷效应

2.3 Sartor-Boyd冲刷模型模拟

3 结 论

ANALYSIS ON CHARACTERISTICS OF RAINFALL RUNOFF POLLUTANTS FLUSH OF TYPICAL UNDERLYING SURFACES IN TIANJIN CENTRAL CITY

0 引言

3 结论