0 引 言
随着我国城市化快速发展，一方面，城市不透水区域面积急剧增加，雨水径流峰值时间提前，峰值流量增大，从而导致城市雨水排水管网负荷、内涝灾害风险提高[1]；另一方面，城市道路、广场、屋顶、绿地等不同下垫面以及空气中含有的有机物、重金属、氮、磷等污染物，在雨水径流和降雨的冲刷作用下，最终排入城市受纳水体，导致城市水体水质恶化[2-5]。我国城市道路用地一般占城市建设用地的比例为15%～20%[6]，但其雨水径流产生污染物占城市雨水径流污染物总量的60%～70%。大量研究表明：城市道路雨水径流污染是城市面源污染主要来源之一[7-9]。有研究指出：在城市中、高强度开发区域，道路雨水径流中COD 污染物负荷约占城市不透水表面COD总量的65.91%[10]。因此，如何实现城市道路雨水径流水量和水质的有效控制，对于海绵城市建设具有重要意义。通过对某低影响开发道路和传统道路雨水径流的连续监测，系统分析了城市道路低影响开发雨水系统的水量、水质控制效果，以期为低影响开发道路推广应用和监测评估提供支撑。
1 项目概况
该项目位于我国南方某城市，当地多年平均降雨量为1188 mm，年平均蒸发量为910.2 mm。汛期为4—10月，这期间降雨量分布主要受梅雨和台风影响，降雨量为708.5 mm，占全年降水量的59.7%。该城市低影响开发道路全长800 m，道路红线宽60 m，总汇水面积36.7 ha。
道路横断面布置形式见图1，其中3 m(人行道)+6 m(辅道、非机动车道)+5 m(机非分隔带)+12 m(车行道)+8 m(中央分隔带)+12 m(车行道)+5 m(机非分隔带)+6 m(辅道、非机动车道)+3 m(人行道)，道路红线外规划绿化带宽度为15 m。应用的低影响开发技术有植草沟、雨水花园、雨水塘、卵石渠、截污雨水口和透水铺装。
在中央分隔带内设置卵石渠及渗排管，在机非分隔带内设置雨水花园和植草沟处理行车道雨水，人行道部分采用透水铺装路面，道路外绿化带内设置雨水花园与植草沟处理非机动车道和人行道雨水，在排水管网末端设置雨水塘。
图1 某城市低影响开发道路横断面示意
Fig.1 Cross section layout of a road constructed under low impact development concept
城市道路低影响开发雨水系统的主要目标是控制污染，通过对该市近30年24 h降雨量统计分析，绘制出该市年径流总量控制率和设计降雨量关系曲线，如图2所示。该地区位于我国大陆地区年径流总量控制分区的Ⅲ区，年径流总量控制率α宜在[75%，85%]，年径流总量控制率取75%时，对应的设计降雨量为20 mm，采取上述低影响开发措施后，理论污染物负荷削减(以SS计)去除率约为65%。
图2 年径流总量控制率与设计降雨量
Fig.2 Relationship between volume control rate of annual rainfall runoff and design rainfall depth
2 监测方案
2.1 监测布点
根据该路段雨水管线和周围地形条件，选择主路段北侧雨水排放出口上游相邻检查井A，和该路段另一个监测点B作为低影响开发路段监测点，再根据道路等级、断面布局、交通负荷、纵横坡度等相似的原则，选择传统道路监测点C作为对比监测点，A、B、C监测点的汇水面积分别为3.99，2.33，2.04 ha。
2.2 各监测点汇水区域下垫面概况
A、B、C监测点汇水面构成如表1所示。A监测点低影响开发措施包括透水铺装、雨水塘、植草沟、雨水花园，以上措施占整个下垫面面积的5.76%，该汇水面综合雨量径流系数为0.47；B监测点低影响开发措施主要包括透水铺装和植草沟，占整个下垫面面积的6.63%，该汇水区综合雨量径流系数为0.59；C监测点道路面积为1.36 ha，绿地面积为0.68 ha，综合雨量径流系数为0.66。
2.3 取样和监测方法
取样方法：一般情况下，降雨初期污染物质量浓度较大[11-14]，随着降雨时间的延长，污染物质量浓度逐渐降低，最后趋于平稳。人工采集雨水径流水样进行水质分析，从产生径流出流初始开始计时采样，然后分别于3，5，10，20，30，60，90，120 min采集水样。样品采集后存于4 ℃冰箱待测[15]。
表1 各监测点区域下垫面现状
Table 1 The underlying surface situation of each monitoring site
监测点下垫面类型透水路面雨水塘植草沟雨水花园绿 化不透水路面总面积A面积/m267.2359157230020937.81666439900占比/%0.170.93.940.7552.4841.76100综合径流系数0.47B面积/m24801495085041325323300占比/%0.2106.42036.556.88100综合径流系数0.59C面积/m2000067621363820400占比/%0000 33.1466.85100综合径流系数0.66
监测方法：主要对总排水口出流量及SS浓度进行监测，其中SS浓度测定参照GB 11901—89《水质 悬浮物的测定 重量法》，流量采用ISCO 2150型号超声波流量计测定。
2.4 降雨监测
2017年5—12月,共监测到7场有效降雨，各监测场次的降雨量和雨强见表2。
表2 2017年5—12月某城市降雨参数
Table 2 Rainfall parameters in the target city in May to Dec, 2017
监测日期降雨量/mm降雨历时/h 最大雨强/(mm·min-1)平均雨强/(mm·min-1)05-2120.8240.210.01505-2821.0240.240.01506-1261.6170.600.06006-2534.0191.090.03009-114.0130.040.00509-1446.6241.090.03210-2247.8240.550.033
2.5 效果评估方法
每场降雨同步监测A、B、C监测点的流量和水质，通过对比分析低影响开发路段的水量和水质控制效果。考虑到各监测点汇水面积的差异，在低影响开发道路和传统道路比较时以单位汇水面积(ha)产生的径流出流量和污染负荷为基础。
1)降雨总量控制率计算式如式(1)所示：
式中：θ为降雨总量控制率，%；V1/A1为低影响开发路段单位面积雨水径流出流总量，mm；V2/A2为传统对照路段单位面积雨水径流出流总量，mm。
为了进一步比较传统道路和低影响开发道路的产流特征，分析了不同降雨条件下A、B、C监测点的雨量径流系数，其计算见式(2)[16-17]：
(2)
式中：φc为场雨量径流系数；T为场降雨历时，s；Q(t)为t时刻汇水区的流量，m3/s；q(t)为t时刻的降雨强度，mm/s；A为汇水面积，ha。
2)雨水径流污染物总量(M)的计算如式
式中：M为污染物总量，g；Ci+Δt为i+Δt时刻污染物浓度，mg/L； Qi为Δt时间内的径流量，m3/s；Δt为时间间隔，s。
3)雨水出流污染物负荷(以SS计)削减率计算如式(4)所示：
式中：ε为雨水出流污染物负荷(以SS计)削减率，%；M1/A1为低影响开发路段单位面积雨水径流污染物总量，g/ha；M2/A2为传统路段单位面积雨水径流污染物总量，g/ha。
3 结果分析
3.1 水量控制效果
3.1.1 降雨总量控制效果
根据式(1)计算得出7场降雨对应的降雨总量控制率，如图3所示。可知：随着降雨量的增加，降雨总量控制率逐渐降低，当场降雨量<21 mm时，降雨总量控制率接近100%，达到设计降雨量≥20 mm的设计目标。但随着降雨量的进一步增大，降雨总量控制率开始快速下降，当降雨量为61.6 mm时，降雨总量控制率降至20%左右。因此，低影响开雨水系统在中小降雨时，对降雨总量的控制效果较好，对大雨和暴雨控制效果明显下降。此外，随着降雨量逐渐增大，同场次降雨A点的降雨总量控制率明显高于B点，差值约为11%，分析原因可能是由于A、B两点下垫面构成不同，低影响开发设施规模和类型也不同，A点综合径流系数为0.47，B点为0.59，且 A点具有较大的绿地面积，因此，A点相比B点对降雨总量控制效果更好。
—A监测点；
—B监测点。
图3 不同降雨量与降雨总量控制率变化关系
Fig.3 The relationship between different rainfall and total rainfall control rate
选择7场降雨中具有代表意义的4场降雨，分析了A、B、C监测点24 h内雨水出流变化过程线，如图4所示。从图中曲线变化趋势可以看出：A、B两点雨水径流出流量明显低于C点，中小雨时A、B两点出流量基本为0，降雨总量控制率接近100%，随着降雨量的逐渐增大，A、B两点雨水径流出流量逐渐增加，降雨总量控制效果逐渐降低。因此，降雨总量的控制效果与降雨量、汇水面用地性质、低影响开发设施类型等密切相关。
3.1.2 径流系数分析
根据式(2)计算得出A、B、C监测点不同降雨条件下雨量径流系数关系曲线，如图5所示。可知：A、B两点在降雨量<21 mm时，径流系数接近于0，随着降雨量的逐渐升高，径流系数逐渐增大；而在降雨量为4 mm时，C点径流系数为0.4。随着降雨量逐渐增加，A、B、C监测点径流系数均逐渐增加，当降雨量为61.6 mm时，C点径流系数趋近于1，而A点仅为0.47，B点约为0.59。通过上述分析可知，与传统城市道路排水系统相比，城市道路低影响开发雨水系统在中小降雨时具有较高的雨水出流量控制效果，随着降雨量的增加，雨水径流系数逐渐增大。
3.1.3 峰值流量控制效果
典型降雨条件下，城市道路低影响开发雨水系统与传统道路雨水出流过程线见图6。可知：当降雨量小于设计降雨量(20 mm)时，A、B两点无出流量，因此峰值削减率接近100%。随着降雨量的逐渐增加，A、B两点逐渐产生出流量，当降雨量为34 mm时，A、B点对应的峰值削减率分别为73.12%、57.49%。当降雨量为46.6 mm时，A、B两点对应的峰值削减率分别为62.71%、48.21%。当降雨量>61.6 mm时，峰值削减率均<23.91%。因此，随着降雨量增加，城市道路低影响开发雨水系统峰值流量削减效果逐渐减弱。
—A监测点；—B监测点；
—C监测点；——雨强。
图4 24 h雨水径流出流量变化曲线
Fig.4 The curves of runoff outflow volume in 24 hours
—A监测点；—B监测点；—C监测点。
图5 降雨量与场径流系数关系
Fig.5 The relationship between rainfall and volume runoff coefficients
—A监测点；—B监测点；—C监测点；——雨强。
图6 典型场降雨出流过程线
Fig.6 The typical rainfall runoff process lines
3.2 水质控制效果
在监测雨水径流流量的同时连续取样，监测雨水径流水质变化过程。采样时间为2 h，水质监测指标采用SS，根据式(3)计算出雨水径流污染物总量M，并进一步计算得出单位面积每毫米降雨产生的污染物质量，即输出污染负荷。根据式(4)计算雨水出流污染物负荷削减率，7场降雨水质监测结果如表3所示。
3.2.1 污染负荷(SS)削减
由表3可知：随着降雨量的增加，污染物负荷削减率逐渐降低，在降雨量为21 mm时，由于低影响开发雨水系统几乎能够控制所有雨水径流，因此，污染物去除效果取决于低影响开发设施的类型。A监测点相比于B点，汇水区域净化能力较强的低影响开发设施占比较大，所以针对不同场次降雨，污染物负荷削减率均>81%，而B点污染物负荷削减率约为50%。7场典型降雨下A、B监测点平均污染物负荷削减率分别为90.23%、70.94%。以上数据说明，城市道路低影响开发雨水系统在针对中小降雨污染物负荷削减方面效果显著，同时该效果也与低影响开发设施类型密切相关。
表3 7场降雨水质监测结果
Table 3 The monitoring results of water quality in seven rainfall events
日期降雨量/mm监测点输出污染负荷/(g·mm-1·ha-1)污染物负荷削减率/%05-2120.8A1.6099.7B3.8299.4C3083.47—05-2821.0A0.7199.9B11.9397.1C6628.57—06-1261.6A144.6189.3B436.9367.5C20723.33—06-2534.0A67.3390.2B227.0667.1C5864.14—09-114.0A0100B0100C680.47—09-1446.6A88.8388.6B267.7465.5C9049.60—10-2247.8A105.6281.3B279.5250.5C6742.17—
3.2.2 输出污染物负荷
由表3可知，A、B、C监测不同降雨条件下输出污染负荷的变化情况，传统道路雨水系统降雨量为21，46.6，61.6 mm时，输出负荷值分别为6.63，9.05，20.72 kg/(mm·ha)。可以看出，随着降雨量的增加，路面径流会携带更多的污染物，使输出的污染负荷不断增大。而通过加入低影响开发措施后，当降雨量<21 mm时，A、B两点几乎无污染负荷输出；降雨量为46.6 mm时，A、B两点负荷值分别为0.09，0.27 kg/(mm·ha)；降雨量为61.6 mm时，A、B两点负荷值分别为0.14，0.44 kg/(mm·ha)，远小于同条件下C点的负荷值。因此，低影响开发雨水系统可有效地降低污染负荷输出。
4 结 论
1)低影响开发雨水系统对中小降雨具有较好的雨水径流出流量控制效果，本项目实现了设计降雨量20 mm的控制目标。随着降雨量的增加，降雨总量控制率逐渐降低。通过对7场典型降雨分析发现：A、B两监测点平均雨水径流出流削减率分别为64.37%、54.79%。
2)低影响开发雨水系统在中小降雨时，能够有效地削减峰值，随着降雨量的逐渐增加峰值削减率逐渐降低。本项目中当降雨量小于设计降雨量时，A、B两点无出流量，当降雨量超过61.6 mm时，低影响开发峰值流量与传统道路峰值流量几乎相等。
3)随着降雨量的增加，出流污染物负荷(以SS计)削减率逐渐降低，输出污染负荷逐渐增加。当降雨量<21 mm时，低影响开发雨水系统基本能够完全控制污染。通过对7场典型降雨分析表明：A、B监测点平均径流出流污染物负荷削减率分别为90.23%、70.94%，实现了污染物负荷削减为65%的目标(以SS计)。A、B两监测点的平均输出污染负荷分别为0.06，0.18 kg/(mm·ha)。
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