0 引 言
近年来，城市水体污染问题日益严峻，在各类污染源中，由降雨引发的径流污染已成为仅次于农业面源污染的第2大面源污染[1]。城市下垫面晴天积累的污染物，在径流雨水的冲刷作用下，进入雨水管道系统，并最终排放至受纳水体，对城市水环境造成严重危害。在实际测量过程中，发现道路两侧雨水口的环境比预期复杂，雨水口中的物质种类多样，不仅有落叶、余水和土壤，还可能会有一些生活垃圾[2]。降雨径流污染具有时空范围广、来源复杂、不确定性大的特点[3]，给水环境治理工作带来极大挑战。赵晓佳等[4]对天津中心城区径流污染物特征的分析表明，SS和COD是降雨径流中的主要污染物，同时SS是其他污染物的主要载体，与COD、浊度、TN、TP有较高的相关性。柳健[5]对武汉某大学道路雨水径流污染进行了监测，并分析了径流污染物的变化规律，结果显示：当降雨量较大时，降雨初期径流污染严重，效应明显。
在排水系统中，雨水口是用于收集地面雨水的专用构筑物，地表径流雨水通过雨水口进入雨水管道系统。因此，通过雨水口的改造，如增设截污装置、增加隔污挡板等，可以实现对径流雨水的源头净化。雨水口的截污装置通常只是进行物理截污，在保证雨水能快速通过雨水口的同时，将杂质过滤截留在管道外。在雨水口设置截污装置不仅截污效果好，装置的维护工作也相对简便。在定期进行维护时，维护人员把截污挂篮取出，将过滤袋内的杂质清除并清洗干净，即可放回雨水口中重复使用，节能环保[2]。目前雨水口截污技术一般不改变传统雨水口结构，生产成本较低，适用于旧城区的改造、新建项目和施工现场雨水口临时防护等[6]。
在 20 世纪 90 年代初，德国各地的雨水口内开始设有截污挂篮，使用范围也不断扩大。美国暴雨污染预防计划和最佳管理措施(BMPs)条例中明确要求应在雨水口和雨水井内适当设计截污过滤设施。英国可持续城市排水系统(SUDS) 管理中要求各汇水面积的终端雨水口也应具备截污处理能力[7-9]。
我国在雨水口截污方面的研究起步较晚，国内学者对雨水口截污设计和应用做了一些研究。例如，钱耀辉[10]对城市降雨径流泥沙运送规律进行研究，并针对雨水井井深和结构对截沙的影响，提出了采用截污挂篮去除泥沙的设想，并初步给出了设计方案。吴坚慧[11]对上海地区市政雨水口进行统计研究，针对区域特点采取相应的雨水口截污措施，取得了较好的拦污效果。张显忠[12]对新型立体涡轮雨水篦子的截污和排水能力进行了研究，发现其可对树枝树叶等固体垃圾有效截留，并能保障排水安全。曹林涛[13]对双扇交叉型雨水篦子的性能进行了分析，发现传统井田型篦子明显比交叉型篦子在闭合状态下截住的树叶多，在闭合状态下排水时间有一定程度的延长同时流量缩小，传统井田型篦子流量缩小更明显。李友皝等[14]将一种雨水旋流分离装置安放在雨水口内形成一种新型离心式防堵塞雨水口，该装置可将部分泥沙等较重的污染物分离收集从而去除，且不会影响雨水口排水能力。
针对雨水口各种截污措施的截污效果，陈莹等[15]结合西安市道路径流水质、水量特征及雨水口设置，对安装在雨水口的截污土工网袋在实验室进行了截污效果研究。孟莹莹等[16]对采用透水砖墙作为截污设施的环保型道路雨水口的截污效果进行了试验研究，结果表明：普通透水砖依靠缝隙透水，其主要用于改善颗粒态污染物的出水水质，透水砖孔隙易被堵塞， 透水持久性不高。刘名文等[8]以底部不透水的截污挂篮分别与弃流至污水系统的污水管、下渗的绿地土壤和下渗的人工填料组合，分别以弃流型雨水口、截留入渗型雨水口和人工填料型雨水口为研究对象，进行了数值模拟效果评价研究。刘军等[17]设计水质性截污雨水口并进行了应用，由轻型井田式雨水篦子、截污吊篮、滤料层和外围粗砂层以及中间的溢流孔组成，并对其去除效果进行了研究。陈望等[18]研究了以500，400，350，250，200 g/m2 的土工布制成的截污装置对西安市屋面初期雨水的截污效果，发现在不发生溢流的情况下，由土工布制成的截污装置均有一定的截污效果，截污装置可有效减轻屋面初期径流污染负荷，改善径流水质。袁宗汉[19]针对重庆市降雨初期径流水质特点，研究了不同填料组合工况下新型雨水篦子对降雨径流污染物去除效果。柳健[5]采用尼龙网和土工布截污挂篮2种挂篮分别对其自配的固体颗粒物拦截率进行了分析，发现截污挂篮取得了较好的截污效果。
本试验采用雨水口增设截污网篮的措施，利用其物理截留功能，实现径流雨水污染物的去除，并分析各类污染物的净化效果。截污装置的截留对象以SS为主，同时实现其他相关污染物的去除。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验项目所在的天津市属于温带半湿润大陆季风型气候，市域内多年平均降雨量为550～600 mm，降雨多集中在6—9月，占比在80%左右。试验项目位于天津市滨海新区中新天津生态城南部片区，位置示意见图1，试验对象为市政道路雨水口。区域面积约为5.0 km2，包含市政道路11条，总长度约20.3 km，区域范围内已建成市政雨水口约2000个(以单箅统计)。
图1 试验项目位置示意
Figure 1 Grate inlet demonstration area
中新天津生态城是2008年开始在一片盐碱荒滩上建设的新城，以绿色生态、创新发展、宜居新城为建设理念。同时，生态城作为天津市海绵城市建设试点区域，其市政雨水口具有自身的特点，均为平箅式雨水口，采取隐蔽暗装形式，雨水口设于机非分隔带内或人行道内，上部铺设石质盖板进行遮蔽，提升景观和谐性，如图2所示。径流雨水沿道路横向坡度汇集到雨水口外侧石处，再通过侧石上的开孔，流入雨水口，最终进入市政雨水管道。开孔处设立篦，雨水口上设平篦，立平双篦拦截大的固体垃圾、树枝树叶等污染物。城市干道为双向6车道，机动车道半幅宽11 m，支路为双向4车道，机动车道半幅宽7.5 m，雨水口的设置间距为25 m[20]。
图2 市政雨水口示意
Figure 2 Schematic diagram of municipal rainwater outlet
1.2 雨水口污染物截留装置
根据试验区内市政雨水口构造，结合本地区相关设施的建设、养管经验，设计雨水口污染物截留装置(以下简称“截污装置”)构造如图3所示。其主体为不锈钢材质，包括上、下部分，通过均匀开孔的栅网截留雨水径流中污染物[21]。
图3 截污装置构造示意
Figure 3 Construction diagram of the decontamination device
上部网篮：挂篮上口尺寸为300 mm×600 mm，一侧高250 mm，一侧高350 mm，水平截面呈矩形，由上至下逐渐收缩，上沿保持水平，底面为斜面，整体结构由不锈钢框架构成，理论截污容积约为0.06 m3。中下部区域为截留区，侧壁及底面采用开孔不锈钢板，孔径为8 mm，截留较大尺寸的垃圾、杂物等，顶部区域为溢流区，侧壁开有溢流口，短边尺寸为30 mm，便于过量雨水的溢流；并具备一定过流能力，其过流能力不低于原雨水篦子过流能力。
下部网篮：整体呈长方体，水平悬挂，挂篮尺寸为320 mm×620 mm，理论存污容积约为0.006 m3。外圈结构由不锈钢框架构成，底面采用过不锈钢滤网，孔径为1.5 mm，用以截留小尺寸的杂物、颗粒物，雨水通过上部网篮后，落入下部网篮，进行二次截留净化。上部、下部网篮通过铰链连接为整体。该截污装置已经获得实用新型专利。
截污装置的主要功能为物理截留功能，利用其侧面、底面的孔和网，截留径流雨水中的固体污染物，其工作原理见图4。
图4 雨水口截污装置工作原理
Figure 4 Interception process of the decontamination grate inlet
1.3 试验对象
2019年雨季前，在示范区内各市政道路雨水口内装设了上述截污装置，总数约为2000个，安装效果如图5所示。
图5 截污装置安装效果
Figure 5 Installation of a decontamination device
试验选取3处装设有截污装置的雨水口作为主要研究对象，在降雨过程中，分别对雨水口进、出水进行采样和水质检测分析。3处采样点分别标记为C1、C2、C3，场地特征见表1。
表1 采样点场地特征
Table 1 Characteristics of the sampling sites
项目1号采样点C12号采样点C23号采样点C3场地特征主干路与支路交口,居民小区外支路中间,居民活动广场入口处支路与主干路交口,在建小区外汇水面积/m2275187.5187.5径流系数0.90.90.9
1.4 降雨特征
选择示范区域3场有效降雨监测数据进行分析，降雨特征参数见表2。
表2 降雨特征
Table 2 Rainfall events’ characteristics
项目1号降雨R12号降雨R23号降雨R3日期05-2608-1208-13降雨量/mm35.346.64 mm降雨等级大雨大雨小雨距离前次降雨/d711前次降雨量/mm4.425.946.6
注：降雨等级按照气象学降雨等级划分。
1.5 水质检测方法
试验对各场降雨开始后5，10，30，60 min的雨水进行采样检测，范围覆盖前述3处采样点截污前、后径流雨水。检测分析指标包括SS、COD、NH3-N、TN、可滤残渣、石油类等。具体检测方法及依据见表3。
2 结果与讨论
2.1 原径流雨水水质检测结果分析
示范区域内，雨水排放主要以泵站提升排河为主，局部位置建有简易预处理设备、人工湿地等净化设施。
表3 检测方法及依据
Table 3 Test methods and their basis
检测指标检测方法名称及编号SSGB/T 11901—1989《水质 悬浮物的测定 重量法》 CODHJ 828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》NH3-NHJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》 TNHJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》可滤残渣《水和废水监测分析方法》103～105 ℃烘干的可滤残渣 (第四版)第三篇、 第一章、七、(二)石油类HJ 637—2018《水质 石油类和动植物油类的测定 红外分光光度法》
示范区域内各河道水质控制目标为GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水质标准(以下简称Ⅳ类标准)，因此本研究以该Ⅳ类标准作为径流雨水水质初步分析评价的基线。本分析评价仅为了定性反映径流雨水水质情况，因此，暂不考虑雨水在管道系统中发生的迁移转化，亦不考虑受纳水体的水环境容量。原径流雨水中各污染物含量如图6所示。
1)COD。Ⅳ类标准对COD的限值为30 mg/L。由图6a可知：3场降雨、3处地点的截污前径流雨水ρ(COD)为12～143 mg/L，R1-C2明显高于Ⅳ类标准的限值要求，其他均低于限值。
2)石油类。Ⅳ类标准对石油类含量的限值为0.5 mg/L。由图6b可知：3场降雨、3处地点的截污前径流雨水石油类含量为0.06(检出限)～0.69 mg/L，R2-C3(5，10 min)略高于Ⅳ类标准的限值要求，其他均低于限值。
3)NH3-N、TN。Ⅳ类标准对NH3-N、TN含量的限值均为1.5 mg/L。由图6c可知：3场降雨、3处地点的截污前径流雨水中，ρ(NH3-N)为0.14～3.16 mg/L，ρ(TN)为0.43～5.94 mg/L，R1的NH3-N、TN均高于Ⅳ类标准的限值要求，其中R1-C2、R1-C3的NH3-N、TN含量均明显高于R1-C1；R2、R3的NH3-N低于限值，而TN略高于限值，且与采样地点无明显关系。
4)SS。GB 3838—2002中的水质标准，暂无SS限值要求，故此采用GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准(以下简称一级A标准)排放限值，作为径流雨水SS的基线，其限值为10 mg/L。由图6d可知：3场降雨、3处地点的截污前径流雨水ρ(SS)为5～288 mg/L，R1-C1、R1-C2明显高于一级A标准的限值要求，其他数值略高于限值要求。
注：石油类检出限为0.06 mg/L，低于该限值时以0.06 mg/L作为参考值，下同。
图6 原径流雨水COD、石油类、NH3-N、TN及SS含量
Figure 6 COD, oil, NH3-N, TN and SS content of original rainwater runoff
综上，3场降雨、3处地点的原径流雨水中，石油类含量相对较低，个别数值略高；COD、SS的含量总体呈一般水平，R1-C1、R1-C2的含量明显较高；NH3-N、TN的含量总体呈较高水平，其中R1降雨各地点均明显偏高。
在R1降雨中，原径流雨水COD、NH3-N、TN和SS的含量均较高。初步推测是由于R1降雨属当年雨季开始时期的降雨，地表积累的污染物较多，因此径流雨水污染负荷较高；且R1降雨量较大，径流冲刷作用强烈，裹挟更多难以迁移的污染物。R2、R3降雨在雨季中期出现，距离前次降雨的时间间隔较短，地表积累的污染物相对较少，因此污染负荷相对R1较低。
在同等降雨条件下，地点C1径流雨水的SS含量较高，C2径流雨水的COD、NH3-N、TN含量均较高，C3径流雨水的石油类、NH3-N、TN的含量较高。初步推测，以上水质分布情况与采样点的道路等级、交通流量、行人流量、周边用地性质及车辆行人通过等偶然事件等因素有关。
2.2 截污装置净化效果分析
根据截污前、后径流雨水水质检测结果，各污染物去除效果见图7。
1)SS去除效果。由图7a可知：3场降雨、3处地点的径流雨水SS去除率为10.0%～91.2%，平均去除率为54.5%，总体去除效果较为明显。可以看出，当截污前径流雨水中SS含量较高时，截污装置能够取得相对较好的去除效果。
2)COD去除效果。由图7b可知：3场降雨、3处地点的径流雨水COD去除率为5.3%～44.2%，平均去除率为26.7%，总体去除效果不明显，且各测样去除率与原雨水COD含量无明显关系。
3)石油类去除效果。由图7c可知：R1、R2降雨中，截污后径流雨水中的石油类含量全部降至检出限(0.06 mg/L)以下，去除效果良好；R3降雨中，原雨水石油类含量较高，截污后石油类含量全部降至0.2 mg/L以下，去除率为45.0%～91.3%，平均去除率为62.9%，去除效果较好。
4)可滤残渣去除效果。由图7d可知：3场降雨、3处地点的径流雨水中可滤残渣的去除率为1.4%～29.7%，平均去除率为13.3%，总体去除效果较差，且各测样去除率与原雨水可滤残渣含量无明显关系。
注：R1-A、R2-A、R3-A为截污前径流雨水对应的污染物的量。
图7 SS、COD、可滤残渣去除率及截污前后石油类含量
Figure 7 Removal rates of filter residues
已有研究中，陈莹等[15]研究发现，在不发生溢流的情况下, 300，150，130 g/m2的土工布制成的截污网袋对径流颗粒物的平均去除率分别为76.5%、69.4% 和56.0%。陈望等[18]研究中各种规格土工布制成的截污装置SS 的去除率为59.2%～94.5%，COD的去除率为42.3%～91.5%，其平均值分别为SS 75.2%，COD 66.9%。本实验截污挂篮去除效果与土工布截污网袋相比，其值均低于土工网袋，其中SS平均去除率低20.7%，COD平均去除率低40.2%。
分析原因主要是本实验采用的挂篮是不锈钢材质，最小开孔直径为1.5 mm，土工布挂篮主要原材料是涤纶短纤或丙纶短纤，通过针刺法制成，其空隙为0.07～0.20 mm，可见两者可过滤污染物尺寸差别较大，本实验截污挂篮孔隙更大，截污效果较土工布截污挂篮低，但是更有利于排水。
孟莹莹等[16]的研究结果表明，采用透水砖墙作为截污设施的环保型道路雨水口，对进水中SS、COD的平均去除率分别为80.6%、23.6%。因该雨水口综合雨水井沉淀和透水砖过滤双重功能，而且透水砖透水间隙可以达到微米级，显著高于本实验截污挂篮最小开孔尺寸，具有更高的污染物去除率。由此可见本实验结论可信，与其他学者的结论基本一致。
3 结 论
1)试验区域内，未经截污装置截留的原雨水中，COD、NH3-N、TN、SS的污染负荷相对较高，石油类污染物含量相对较低。在雨季初期的较大规模降雨中，或距离上次降雨时间间隔较长的降雨中，径流污染更为严重。
2)截污装置对于SS的去除效果较好，平均去除率为54.5%。在原雨水SS含量较高时，能得到更好的去除效果；其对于COD的去除效果不明显，平均去除率为26.7%；对于石油类平均去除率为62.9%，去除效果较好；对于可滤残渣的去除效果较差，平均去除率仅为13.3%。
3)截污装置能够实现径流雨水中SS的截留，对于COD、NH3-N、TN等污染物的去除也有一定效果。截污装置在非点源污染的控制和削减中起到作用，避免污染物进入雨水管道系统和雨水受纳水体，有利于缓解城市水体黑臭，降低雨水管道清淤频次。
中新生态城示范区所有雨水口在2019年雨季前完成改造，在2019年雨季雨水口运行情况良好，污染物可大量截留，对去除道路径流污染，保持生态城水体水质起到了积极作用。
[1] 张志彬,孟庆宇,马征,等.城市面源污染的污染特征研究[J].给水排水,2016,42(增刊1):163-167.
[2] 郭涵.北京市中心城区雨水口截留物的调查研究[D].北京：中国地质大学，2019.
[3] 顾韫辉,郑涛,程炜,等.城市居住社区雨水径流面源污染控制潜力评价[J].给水排水,2019,45(7):102-106.
[4] 赵晓佳,王少坡,于贺,等.天津中心城区典型下垫面降雨径流污染冲刷特征分析[J].环境工程,2019,37(7):34-38.
[5] 柳健.城市道路雨水径流污染特征及源头控制技术研究[D].武汉：华中科技大学，2017.
[6] 李海燕，刘亮，梁叶锦,等.雨水口截污技术研究进展[J].安全与环境学报,2014,14(4):242-246.
[7] 刘超,李俊奇,王淇,等.国内外截污雨水口专利技术发展及其展望[J].中国给水排水,2014,30(4):1-6.
[8] 刘名文,杨默远,潘兴瑶,等.环保型雨水口的分类模拟与效果评价[J].北京师范大学学报(自然科学版),2019,55(5):635-640.
[9] KANG J H，DEBATS S R，STENSTROM M K． Storm-water management using street sweeping[J]． Journal of Environmental Engineering,2009,135(7): 479-489．
[10] 钱耀辉.新型雨水排水系统关键技术问题的研究[D].西安：西南交通大学，2011.
[11] 吴坚慧.雨水口固体废弃物拦截和防臭气外逸技术的应用[J].中国给水排水,2012,28(18):14-18.
[12] 张显忠. 新型立体涡轮雨水口试验研究与工程示范[J].中国给水排水，2016，32(13):129-131.
[13] 曹林涛.双扇交叉型雨水篦的性能分析[J].给水排水，2019，45(10):81-83.
[14] 李友皝，陈战利，季宏亮，等，新型离心式防堵塞雨水口设计与优化研究[J].四川建材，2019，45(12):185-186,188.
[15] 陈莹,赵剑强,张小玲，等.西安市道路雨水口截污挂篮试验研究[J].安全与环境学报,2012,12(5):69-72.
[16] 孟莹莹，张书函，陈建刚，等. 环保型道路雨水口应用效果初探[C]//中国水利水电出版社.北京水问题研究与实践会议论文集, 北京.中国水利水电出版社，2012:137-146.
[17] 刘军，董文艺，李梓龙，等. 水质型雨水截污口设计与应用研究[J].建筑经济，2014，376(2):73-76.
[18] 陈望，陈莹，赵剑强，等.雨水斗截污装置对屋面初期雨水净化规律及关键参数设计[J].环境工程学报，2019，32(13):129-131.
[19] 袁宗汉.新型雨水篦子对城市径流初期雨水水量控制与水质控制效能研究[D].重庆：重庆大学，2016.
[20] 李忠锋,张勇,周国华,等.中新天津生态城市政基础设施设计新理念[M].北京：人民交通出版社,2018.
[21] 周国华,张运山，苏晓，等.截污挂篮和具有截污挂篮的排污装置:ZL201820647030.5[P].2019-03-26.