黃國如 陳子宇

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

城市降雨徑流污染特征研究是城市面源污染研究的基礎(chǔ)，而初期沖刷效應(yīng)是其特征研究的重要部分.按Thornton 等［1］的定義，初期沖刷效應(yīng)是指在一場降雨徑流過程中，初期降雨徑流的污染物濃度大于中、后期降雨徑流的污染物濃度.Geiger［2］則認(rèn)為，在一次降雨徑流過程中，以某時刻累積徑流量與徑流總量的比值為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)時刻排出的污染物累積負(fù)荷與負(fù)荷總量的比值為縱坐標(biāo)，作圖構(gòu)成無量綱累積負(fù)荷分布曲線M(V)，若該曲線在坐標(biāo)平面45°對角線之上，即發(fā)生初期沖刷效應(yīng);若該曲線在坐標(biāo)平面45°對角線之下，則表明不發(fā)生初期沖刷效應(yīng).Lee［3］等根據(jù)全年多場降雨的監(jiān)測數(shù)據(jù)指出，初期沖刷現(xiàn)象客觀存在且其沖刷程度隨著地區(qū)季節(jié)和所沖刷的污染物種類而變化.此外，由于初期沖刷效應(yīng)還會隨匯水面類型、不同降雨徑流場次等而有所差異，因此，一直以來，國內(nèi)外研究者對初期沖刷效應(yīng)強度標(biāo)準(zhǔn)的確定仍存在較大的分歧.例如，Deletic［4］提出，初期20%降雨徑流攜帶至少40%的污染負(fù)荷才出現(xiàn)明顯的初期沖刷;Bertrand-krajewski等［5］認(rèn)為，初期30%的降雨徑流攜帶至少80%的污染物負(fù)荷，初期沖刷效應(yīng)才明顯出現(xiàn).由于集水區(qū)特征和水文特征的不同，徑流污染的初期沖刷過程不同，表征初期沖刷程度的標(biāo)準(zhǔn)也會隨著集水區(qū)的特征與研究區(qū)域降雨特征的不同而不同［6］.另外，關(guān)于影響初期沖刷效應(yīng)的因素，Gupta 等［7］發(fā)現(xiàn)，總懸浮物(TSS)的初期沖刷與最大降雨強度、降雨歷時和雨前干燥天氣期呈顯著正相關(guān);Li 等［8］測得，TSS的初期30%徑流沖刷強度與最大降雨強度呈顯著負(fù)相關(guān)，與雨前干燥天氣期存在一定程度的正相關(guān).相反，Lee 等［9］卻沒有發(fā)現(xiàn)初期沖刷與雨前干燥天氣期有相關(guān)性，但是，集水區(qū)面積越小，其初期沖刷現(xiàn)象則越明顯;Athanasiadis 等［10］對多場次屋面徑流中重金屬Cu 的研究也發(fā)現(xiàn)，初期沖刷強度與降雨量、降雨強度和雨前干燥天氣期均不相關(guān).文獻(xiàn)［11］中的研究表明，在合流制排水系統(tǒng)下，通過制定初期沖刷強度標(biāo)準(zhǔn)，判斷初期沖刷效應(yīng)的存在，對初期雨水進(jìn)行截留處理，是控制降雨徑流污染的最佳措施.從上述研究可以看出，初期沖刷效應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)至今還未統(tǒng)一，關(guān)于各水質(zhì)指標(biāo)之間是否存在相關(guān)性也莫衷一是.有鑒于此，文中以廣州市校園區(qū)為例，并結(jié)合文獻(xiàn)［12］中對廣州城區(qū)降雨徑流污染特征的有關(guān)研究，進(jìn)一步探討初期沖刷效應(yīng)的規(guī)律，更深入地分析城市降雨徑流面源污染特征.

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域為廣州市華南理工大學(xué)五山校區(qū)，其采樣點分別選在屋面(日期為2012-06-22 和2012-08-17 的兩組樣品)、校園內(nèi)路面(日期為2012-06-22、2012-07-23 和2012-08-17 的3 組樣品)、校園外路面(日期為2012-07-16 的1 組樣品)共3 種類型的降雨徑流集水區(qū)，下墊面類型均為水泥混凝土.屋面采樣點位于校園內(nèi)南秀村某住宅樓外的雨落管排水口(北緯23°09'10.04″，東經(jīng)113°20'17.16″)，校園內(nèi)路面采樣點位于校園內(nèi)南秀村東側(cè)江西路和黃河路的三叉交匯處的雨水口(北緯23°09'4.25″，東經(jīng)113°20'17.33″)，校園外路面采樣點位于學(xué)校南側(cè)門對面的五山路高架路段的某上坡處雨水口在橋底的雨落管排水口(北緯23°08'57.59″，東經(jīng)113°20'27.65″).

1.2 數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計

1.2.1 水文學(xué)數(shù)據(jù)

降雨數(shù)據(jù)來自華南理工大學(xué)2012年6－8月間共4 場實測降雨事件(降雨數(shù)據(jù)來自本校園內(nèi)交通大樓屋頂?shù)腏DZ-1 型數(shù)字雨量計，以5min 間隔為整點計量，雨量測點與各采樣點的最遠(yuǎn)距離在343 m左右)，監(jiān)測降雨事件的水文學(xué)參數(shù)如表1 所示.

表1 監(jiān)測降雨事件的水文學(xué)參數(shù)Table 1 Hydrologic parameters for monitored rainfall events

1.2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

研究樣品的采集、預(yù)處理和實驗室保存嚴(yán)格按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［13］的規(guī)定.使用聚乙烯瓶采集水樣，待其靜止沉降30min 左右之后，取水樣中上層均勻部分，在各種水質(zhì)指標(biāo)的保存規(guī)定時間內(nèi)盡快化驗，并把化驗后所有有效的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，分別以樣品數(shù)N、最大值Vmax、中位值Vmed、最小值Vmin、平均值ˉV、標(biāo)準(zhǔn)差σ 和變異系數(shù)Cv共7 個統(tǒng)計量的方式進(jìn)行匯總，表2 為4 場降雨事件的水質(zhì)指標(biāo)匯總結(jié)果.

表2 樣品水質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總Table 2 Statistical summary of data of water indexes for samples

1.3 初期沖刷強度分析方法

質(zhì)量初期沖刷強度指數(shù)簡稱MFF 指數(shù)(Mass First Flush Ratio)，是由Ma 等［14］提出的一種可以在各場次降雨徑流過程中任一時刻累積徑流量對地表污染物的沖刷強度進(jìn)行定量分析的方法，MFF 指數(shù)定義如下:

式中:n 表示從降雨產(chǎn)生徑流開始至某時刻t 時的累積徑流量與總徑流量之比，即MFF 的指數(shù)點(0至1.0);c(t)為降雨徑流過程某時刻t 的污染物濃度，mg/L;q(t)為降雨徑流過程某時刻t 的徑流量，L/min;M 為降雨徑流過程排放的污染總負(fù)荷量，mg;V 為降雨徑流過程的總徑流量，L.

根據(jù)MFF 值，可以判斷某降雨徑流事件對各水質(zhì)參數(shù)是否發(fā)生初期沖刷效應(yīng)以及初期沖刷的強弱程度.MFF 值大于1 表示發(fā)生初期沖刷效應(yīng)，小于1則不發(fā)生，表明此時發(fā)生稀釋效應(yīng).例如，MFF10=3.0和MFF30=2.0，分別表示初期10%和初期30%的累積降雨徑流量攜帶30%和60%的累積污染負(fù)荷.MFF 指數(shù)的概念如圖1 所示，圖1 中的橫坐標(biāo)L 表示累積徑流量與總徑流量之比，縱坐標(biāo)G 表示累積負(fù)荷量與總負(fù)荷量之比.

圖1 MFF 指數(shù)的概念Fig.1 Concept of mass first flush ratio

1.4 徑流量計算方法

利用式(1)計算MFF 指數(shù)時，各采樣點徑流量變化過程q(t)利用GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》［15］中的雨水量推理公式法得到:

式中:i(t)為降雨強度，mm/min;Ψ 為徑流系數(shù);F為匯水面積，hm2.由于各采樣點的匯水面積范圍相對不大，且下墊面類型為水泥混凝土屋面和路面，各匯水面積的徑流系數(shù)均取0.9，徑流變化過程起始于雨水口開始排放徑流的時刻［16］.

2.1 定性分析結(jié)果

按照Geiger［2］對M(V)曲線的定義，曲線在圖中對角線上方表示存在沖刷，即曲線正偏;在對角線下方表示不存在沖刷，即曲線負(fù)偏.累積徑流過程某時刻累積負(fù)荷百分比高于同時刻對角線相應(yīng)值的豎直偏離越大，表示沖刷越明顯;相反，低于對角線的豎直偏離越大，表示沖刷越不明顯.

圖2 為4 場次降雨徑流過程各水質(zhì)指標(biāo)的M(V)曲線，結(jié)果表明:在各場次降雨過程中，有機(jī)污染物指標(biāo)BOD5和COD 的整體M(V)曲線在對角線上方，發(fā)生不同程度的初期沖刷;營養(yǎng)鹽指標(biāo)TN、TP 的M(V)曲線，除2012-06-22 的降雨屋面徑流M(V)曲線整體在對角線下方之外，其余均在對角線上方，但平均偏離程度次于BOD5和COD;雖然重金屬指標(biāo)Zn 比TCu 的初期沖刷程度稍強，但兩者的M(V)曲線與對角線正或負(fù)偏的總體程度相差不大，而TCu 的初期沖刷呈現(xiàn)為中度正偏或負(fù)偏，與Athanasiadis 等［10］的研究結(jié)果相似;亞硝酸鹽氮-N 與氨氮NH3-N 的M(V)曲線偏離程度中等，以正偏為主;對于各種溶解性離子指標(biāo)，包括總?cè)芙庑噪x子TDS、硫酸根離子和總硬度(Ca2+硬度和Mg2+硬度)，除TDS 的日期為2012-06-22 場次的曲線外，的正偏離程度較大，TDS 和總硬度的相對次之;懸浮物指標(biāo)TSS 的初期沖刷程度較為明顯.

2.2 定量分析結(jié)果

初期沖刷效應(yīng)反映了城市降雨徑流污染負(fù)荷的排放特征，通過初期沖刷效應(yīng)定量化，從而確定其初期沖刷程度，可為城市初期雨水截流處理的控制工作提供可靠的數(shù)據(jù).

為了對初期沖刷效應(yīng)進(jìn)行定量化，分別計算2012-06-22、2012-07-23 和2012-08-17 的3 場有效降雨徑流事件各水質(zhì)指標(biāo)的MFF10、MFF20、MFF30和MFF40.由于部分水質(zhì)指標(biāo)的樣品數(shù)量比較少，故只分別在屋面和校園內(nèi)道路兩種下墊面類型中，選取樣本數(shù)量相對比較充足的TSS、COD、BOD5、TP、TN、-N 和NH3-N 共7 種水質(zhì)指標(biāo)的不同MFFn值進(jìn)行匯總，結(jié)果見表3.

圖2 不同降雨徑流過程中排放各種污染物的累積分布圖Fig.2 Normalized cumulative curves for different pollutants in each rainfall-runoff event

由表3 可知，以初期20%和30%徑流攜帶各種污染物負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)，初期20%的結(jié)果依次如下:屋面TSS 為7%～39.4%，校內(nèi)路TSS 為13.2%～38%;屋面COD 為20.4%～56%，校內(nèi)路COD 為32.4%～43.2%;屋面BOD5為25.6%～51.4%，校內(nèi)路BOD5為25.6%～35.6%;屋面TP 為16%～35.2%，校內(nèi)路TP 為25.5%～34.8%;屋面TN 為13.8%～27.4%，校內(nèi)路TN 為26.2%～35.2%;屋面-N 為20.6%～22.4%，校內(nèi)路-N 為25.4%～39.8%;屋面NH3-N 為23.4%，校內(nèi)路NH3-N 為24.4%～29.4%.初期30%的結(jié)果依次如下，屋面TSS 為18.6%～56.1%，校內(nèi)路TSS 為27.9%～52.8%;屋面COD 為39%～72.6%，校內(nèi)路COD 為37.8%～54%;屋面BOD5為37.5%～77.4%，校內(nèi)路BOD5為37.5%～48.3%;屋面TP為24.3%～53.1%，校內(nèi)路TP 為38%～47.1%;屋面TN 為22.8%～41.7%，校內(nèi)路TN 為38.4%～43.2%;屋面-N 為27.8%～30.9%，校內(nèi)路-N 為37.8%～45.6%;屋面NH3-N 為24.3%，校內(nèi)路NH3-N 為34.8%～40.5%.

表3 MFFn數(shù)據(jù)匯總Table 3 Data summary of MFF

2.3 相關(guān)性分析結(jié)果

利用SPSS17.0 軟件進(jìn)行非參數(shù)單樣本K-S 檢驗，2012-06-22、2012-07-23 和2012-08-17 的3 場次降雨徑流污染物TSS、COD、TN、TP 的MFF20和MFF30與降雨歷時Tr、降雨量W、平均雨強I、最大雨強Imax、最大雨強出現(xiàn)時間Ti和雨前干燥天氣期ADWP 近似服從正態(tài)分布，故采用Pearson 簡單線性相關(guān)分析法得到其相關(guān)性結(jié)果，見表4 和5.

表4 MFF20的Pearson 相關(guān)分析結(jié)果Table 4 Analysis results of Pearson correlation for MFF20

表5 MFF30的Pearson 相關(guān)分析表Table 5 Analysis results of Pearson correlation for MFF30

由表4 可知，TSS、COD、TP、TN 的MFF20與Tr、W、I、Imax、Ti和ADWP 均不存在顯著性相關(guān)(P＞0.05).盡管TSS 的MFF20與ADWP 的相關(guān)性稍未達(dá)到顯著性水平(P=0.09＞0.05)，但也表現(xiàn)出一定程度的正相關(guān)(r=0.961)，表明雨前干燥天氣期越長，期間累積的污染物在初期20%徑流排放TSS 負(fù)荷可能越多.不同水質(zhì)指標(biāo)之間，TSS 的MFF20與TN 的MFF20呈較高的顯著負(fù)相關(guān)性(r=－ 0.993，P=0.039 ＜0.05)，相反，COD 的MFF20與TP 的MFF20呈較高的顯著正相關(guān)性(r= 0.998，P= 0.02 ＜0.05).

由表5 可知:COD 的MFF30分別與I(r=0.999，P=0.014 ＜0.05)和Ti(r=0.989，P=0.014 ＜0.05)呈顯著性極高的正相關(guān)，而TN 的MFF30卻分別與I(r=－0.993，P=0.039 ＜0.05)和Ti(r=－0.997，P=0.023 ＜0.05)呈顯著性極高的負(fù)相關(guān);另外，I、Ti均與TSS 的MFF30、TP 的MFF30沒有顯著的聯(lián)系.不同水質(zhì)指標(biāo)之間，TSS 的MFF30與TP 的MFF30(r=0.999，P=0.011 ＜0.05)呈顯著性極高的正相關(guān)，另一方面，COD 的MFF30與TN 的MFF30(r=－0.997，P=0.024 ＜0.05)呈顯著性極高的負(fù)相關(guān).此外，TSS、COD、TP、TN 的MFF30與Tr、W、Imax、ADWP 均不存在顯著性相關(guān)(P＞0.05).

3 結(jié)論

初期沖刷效應(yīng)反映了城市降雨徑流污染負(fù)荷的排放特征，其定量化研究有助于確定適合本研究區(qū)域的初期雨水截流時間標(biāo)準(zhǔn)，從而減少地表雨水徑流污染負(fù)荷對排水系統(tǒng)末端污水處理廠和受納水體的貢獻(xiàn).研究得知:屋面和校內(nèi)路總體的初期20%徑流攜帶TSS 為7%～39.4%，COD 為20.4%～56%，TP 為16%～35.2%，TN 為13.8%～35.2%;而初期30%徑流攜帶TSS 為18.6%～56.1%，COD為37.8%～72.6%，TP 為24.3%～53.1%，TN 為22.8%～43.2%.降雨徑流主要污染物TSS、COD、TN、TP 的初期20%和30%的初期沖刷強度分別與降雨時間、降雨量、平均雨強、最大雨強、最大雨強出現(xiàn)時間和雨前干燥天氣期等個別因素之間存在相當(dāng)顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，但多數(shù)表現(xiàn)為不顯著的相關(guān)或沒有相關(guān).

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