王寶山，趙峰德，溫成成，黃廷林

(1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 研究背景

城市雨水徑流污染主要在雨季形成，在降雨沖刷作用下，以徑流排放的方式對(duì)城市水環(huán)境構(gòu)成一定威脅[1]。城市降雨徑流是世界許多城市化地區(qū)水質(zhì)污染的主要原因之一[2]，因此雨水徑流引起的面源污染問題日益受到人們的重視[3]。城市徑流是城市地表累積污染物輸出、傳送和擴(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力[4]，在雨季前期的徑流階段，徑流中攜帶了較雨季中后期更多污染物的現(xiàn)象，稱之為季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)[5]?；诩竟?jié)性初期沖刷規(guī)律，對(duì)雨季初期徑流進(jìn)行終端處理，則可有效地控制雨水徑流造成的面源污染[6-9]。季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象的存在導(dǎo)致雨水徑流污染的控制存在重點(diǎn)時(shí)期，因此可對(duì)徑流污染物在最佳有效控制期采取相應(yīng)地控制方式，以減小對(duì)城市生態(tài)環(huán)境的污染程度[10]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)降雨徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)的研究，主要集中在污染物類型、形態(tài)和不同土地利用類型等對(duì)季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)的影響方面。Lee等[5]研究表明，匯水面性質(zhì)對(duì)徑流水質(zhì)有重要的影響，季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度與集水區(qū)的土地利用類型及特征有關(guān)。Soller等[11]研究表明，季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象具有普遍性和不確定性，匯水區(qū)域下墊面的性質(zhì)和降雨特性的耦合作用導(dǎo)致了污染物不同的季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度；溶解性重金屬的季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象比顆粒態(tài)更為明顯。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)徑流污染季節(jié)性初期沖刷的定量評(píng)價(jià)研究較少，從而導(dǎo)致了區(qū)域徑流污染的高負(fù)荷季節(jié)及特征難以獲得，進(jìn)而難以采取科學(xué)合理的徑流污染管理措施，以減少?gòu)搅髅嬖次廴緦?duì)水環(huán)境的影響。鑒于此，本文以西安市為研究區(qū)域，建立雨水徑流季節(jié)性初期沖刷定量評(píng)價(jià)模型，對(duì)雨水徑流污染物的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)定量特征進(jìn)行研究，以期為我國(guó)海綿城市建設(shè)中雨水徑流污染控制提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于陜西省西安市，西安市具有雨季、旱季分明，雨量適中等氣候特點(diǎn)，是典型的具有西北寒旱地區(qū)降雨特征的代表城市，具體降雨量分配見圖1。

圖1 西安市多年平均降雨量月平均分配量圖

據(jù)圖1中西安市多年平均降雨量的分布狀況知，西安市每年的4-10月為主要降雨期，11-3月為旱期，故試驗(yàn)研究選擇時(shí)間段為雨期4-10月份，具體實(shí)驗(yàn)研究以西安市區(qū)某校園區(qū)域和建筑屋頂為研究對(duì)象。校園區(qū)域位于南郊，該區(qū)域毗鄰西安市城市交通主干道，徑流水質(zhì)受到城市車輛運(yùn)輸?shù)挠绊懀瑓^(qū)域內(nèi)土地利用類型以建筑屋頂和道路為主，綠化率約20%，匯水面積為1.64 hm2，雨水管道長(zhǎng)度270 m，區(qū)內(nèi)排水為雨污完全分流制，雨水通過雨水管道收集后排放；建筑屋頂位于某居民住宅小區(qū)，遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)，屋面徑流水質(zhì)主要受區(qū)域自然氣候因素的影響，人為因素影響甚微(在具體研究過程中可以忽略不計(jì))，屋頂為平頂屋面，匯水區(qū)域面積約為300 m2，雨期屋面雨水經(jīng)集雨水管收集后進(jìn)行排放。

2.2 測(cè)試指標(biāo)和方法

在建筑屋頂雨水落水管處和校園區(qū)域雨水匯流終點(diǎn)雨水管處分別進(jìn)行連續(xù)取樣，屋頂雨水利用雨水管收集后進(jìn)行流量測(cè)定，校內(nèi)區(qū)域徑流量通過匯流終點(diǎn)管道內(nèi)的流量直接獲得。水樣測(cè)定指標(biāo)具體方法參鑒《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)，主要測(cè)定污染指標(biāo)有：SS(重量法)、COD(重鉻酸鉀法)、TN(堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法)、TP(鉬酸銨分光光度法)。

2.3 季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)定量評(píng)價(jià)模型

根據(jù)雨水徑流污染輸送過程與有效降雨量的相關(guān)性[12]，對(duì)季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)進(jìn)行量化分析，可實(shí)現(xiàn)季節(jié)變化對(duì)徑流污染沖刷規(guī)律的定量評(píng)估。以下為雨期季節(jié)性初期沖刷規(guī)律量化評(píng)價(jià)模型的具體建立過程。

對(duì)一年內(nèi)雨季雨水徑流污染物輸送量進(jìn)行無量綱化處理可得：

式中：L為無量綱化后的雨水徑流污染物輸送量；mi(t)為第i場(chǎng)降雨t時(shí)刻的雨水徑流污染物輸送量，mg；Mi為第i場(chǎng)降雨沖刷的污染物總量，mg；Ci(t)為第i場(chǎng)降雨t時(shí)刻的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Qi(t)為第i場(chǎng)降雨t時(shí)刻的雨水徑流量，L/min；T為第i場(chǎng)降雨徑流計(jì)算時(shí)間，min；k為年降雨場(chǎng)次。

根據(jù)有效降雨量的表征含義，令vi(t)/A=hi(t),Vi/A=Hi，則一年內(nèi)無量綱化后的有效降雨量可表達(dá)為：

式中：F為無量綱化后的有效降雨量；vi(t)為第i場(chǎng)降雨t時(shí)刻的雨水徑流輸送量，L；Vi為第i場(chǎng)降雨的雨水徑流總輸送量，L；hi(t)為第i場(chǎng)降雨t時(shí)刻的有效降雨量，mm；Hi為第i場(chǎng)降雨的有效降雨量，mm；A為匯流區(qū)域面積，m2。

由公式(1)和(2)可確定函數(shù)關(guān)系，具體如下：

L=f(F)

(3)

為了量化評(píng)估季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)的強(qiáng)度，引入間隙函數(shù)Y用以表示L與F之間距：

Y=L-F=f(F)-F， 0≤F≤1

(4)

利用間隙函數(shù)與X軸的面積表示雨水徑流污染物的季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度(SFF)：

(5)

公式(5)為季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)定量評(píng)價(jià)函數(shù)，定量值為SFF。污染物全部在雨季初期輸送時(shí)，SFF→0.5；當(dāng)污染物全部趨向雨季后期輸送時(shí)，SFF→-0.5，因此-0.5≤SFF≤0.5。季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象發(fā)生的臨界值SFF=0，若SFF<0則不發(fā)生季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)。SFF越大，則季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度越強(qiáng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 徑流污染物濃度季節(jié)性變化

對(duì)2008年的雨季雨水徑流主要污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析建筑屋頂和校園區(qū)域雨水徑流水質(zhì)，具體結(jié)果見圖2、3。

通過圖2、3可知，建筑屋頂和校園區(qū)域的年內(nèi)雨水徑流水質(zhì)隨有效降雨量的變化規(guī)律具有相似性。降雨初期，徑流污染物濃度普遍較高，隨著有效降雨量的逐漸增加，徑流污染物濃度雖然因場(chǎng)次降雨特征的不同導(dǎo)致在較小范圍內(nèi)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，但由于雨水的強(qiáng)沖刷作用導(dǎo)致了徑流污染物呈現(xiàn)出明顯的稀釋效應(yīng)，從而徑流污染物濃度總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。分析對(duì)比圖2、3可見，建筑屋頂雨季初期徑流污染物SS、COD、TN和TP濃度分別為中期的2.2、1.3、3.5和1.2倍；校園區(qū)域雨季初期SS、COD、TN和TP濃度分別為中期的2.6、1.8、8.5和2.1倍。校園區(qū)域較建筑屋頂污染物質(zhì)量濃度下降趨勢(shì)更顯著，主要在于校園區(qū)域較高的清掃頻率導(dǎo)致了污染物不能持續(xù)性累積，在雨季高頻率的降雨沖刷下，徑流污染負(fù)荷整體上呈現(xiàn)出更大的下降幅度。隨著雨季結(jié)束，徑流污染物濃度又逐漸升高，COD和TP濃度均回升至雨季初期的徑流污染水平，建筑屋頂雨季末期徑流污染物COD和TP濃度分別升高至中期的1.5、2.2倍，而校園區(qū)域COD和TP濃度分別升高至中期的2.5、2.2倍。建筑屋頂雨季末期徑流污染物COD和TP濃度相較于校園區(qū)域增幅更小，主要由于COD和TP的徑流污染水平受降雨特征的影響較小，而受下墊面污染物積累量的影響較大，建筑屋頂衛(wèi)生清理頻率很小，COD和TP持續(xù)性累積，在雨水沖刷下不斷釋放而轉(zhuǎn)移到徑流中，造成整個(gè)雨季徑流污染水平變化幅度較小，因此在雨季后期建筑屋頂COD和TP徑流污染水平增幅較??；此外，由于校園區(qū)域有一定的綠化面積，在雨水的不斷沖刷下，綠化區(qū)土壤侵蝕、化肥和農(nóng)藥的沖刷以及枯萎植物的腐化致使COD和TP輸出，導(dǎo)致雨季后期COD和TP增幅較大。SS和TN濃度在雨季后期也有一定程度的升高，但由于研究區(qū)域雨季初期降雨對(duì)TN的強(qiáng)沖刷作用，導(dǎo)致可沖刷TN污染物的急劇衰減，同時(shí)由于以顆粒態(tài)形式遷移于地表水的TN沉積過程主要發(fā)生在雨前的旱期，因此在雨季中后期TN累積時(shí)間的短暫導(dǎo)致積累量較少，從而引起雨季后期TN濃度升高幅度較小。校園區(qū)域因人員活動(dòng)和鄰近城市主干道車輛的行駛增加了SS的積累量，導(dǎo)致SS濃度升高趨勢(shì)較建筑屋頂更為明顯。

雨季初期雨水徑流水質(zhì)深受雨前干旱期長(zhǎng)度的影響，旱期污染物長(zhǎng)期的積累導(dǎo)致了雨季初期徑流污染物平均濃度普遍較高[13-15]。隨著雨季的到來，降雨頻率增加，地表沉積物的積累量下降明顯，于是雨水徑流污染物濃度降低顯著。通常當(dāng)雨水徑流下墊面的不透水性良好、匯水面積較小、降雨強(qiáng)度較大時(shí)，雨季中期徑流污染負(fù)荷的降低程度更為顯著[5]。隨著雨季的結(jié)束，降雨時(shí)間間隔變長(zhǎng)，降雨量減少，導(dǎo)致地表沉積物含量開始升高，從而增加了雨水徑流污染水平。同時(shí)降雨后期正值植物落葉時(shí)節(jié)，植物殘?bào)w的腐化，雨水徑流將部分腐殖質(zhì)沖刷至徑流水體中，引起徑流污染物TP和有機(jī)物濃度的顯著增加。

3.2 雨水徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)

按公式(4)計(jì)算建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)，結(jié)果見圖4、5。

由圖4、5可見，建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷間隙函數(shù)(Y)的變化規(guī)律具有相似性，SS和TN總體呈現(xiàn)單峰曲線變化，峰值為正值，而COD和TP呈現(xiàn)為類正弦曲線的雙峰曲線變化，分別為正峰值和負(fù)峰值。

由于在Y峰值區(qū)域，雨水徑流污染物輸送量與有效降雨量間相差最大，此時(shí)有效降雨量對(duì)應(yīng)的降雨時(shí)期為徑流污染物污染負(fù)荷高峰期，因此在Y峰值區(qū)域可對(duì)雨水徑流污染物進(jìn)行高效控制[16]。建筑屋頂和校園區(qū)域的徑流污染物SS和TN分別在無量綱化后的有效降雨量F為0.3和0.2時(shí)，函數(shù)Y達(dá)到峰值(最大值)，此時(shí)全年前30%的有效降雨量形成的徑流攜帶了全年近一半的SS和TN，故研究區(qū)域在F為0.3前(即每年6月前)可對(duì)SS和TN進(jìn)行重點(diǎn)控制。COD和TP呈現(xiàn)為雙峰過程，F(xiàn)在0.2和0.7時(shí)，即為每年的5月底和9月中旬，Y分別達(dá)到正負(fù)峰值，此時(shí)全年前50%的有效降雨量形成的徑流攜帶了全年近70%的COD和TP，故研究區(qū)域COD和TP控制的重點(diǎn)時(shí)期可以化分為每年5月前和9月中旬以后的兩段時(shí)期。

圖2 建筑屋頂雨水徑流污染物平均濃度與有效降雨量的關(guān)系

圖3 校園區(qū)域雨水徑流污染物平均濃度與有效降雨量的關(guān)系

圖4建筑屋頂?shù)募竟?jié)性初期沖刷效應(yīng) 圖5校園區(qū)域的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)

通過對(duì)圖4、5結(jié)果的分析，不同徑流污染物具有不同的降雨沖刷效應(yīng)，但徑流季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)具有普遍性，亦即徑流污染物總有趨向雨季前期輸送的現(xiàn)象，利用間隙函數(shù)Y可以確定雨水徑流污染物輸送量與有效降雨量(降雨時(shí)間)之間的變化關(guān)系，從而可對(duì)徑流污染物在最佳控制時(shí)期進(jìn)行控制。對(duì)雨水徑流污染物SS和TN，建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷間隙函數(shù)(Y)值基本上均為正值，且單峰值區(qū)域出現(xiàn)較早，表明整個(gè)降雨期內(nèi)沖刷效應(yīng)較稀釋效應(yīng)大，雨季初期雨水沖刷現(xiàn)象明顯，說明了研究區(qū)域雨季初期徑流攜帶了較多的SS和TN，因此SS和TN應(yīng)重視雨季初期徑流污染的控制，而對(duì)COD和TP，建筑屋頂和校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷間隙函數(shù)(Y)基本上均呈現(xiàn)出類正弦曲線的雙峰變化趨勢(shì)，說明了研究區(qū)域在雨季始末兩期徑流中COD和TP的含量較高，因此COD和TP的控制應(yīng)重視雨季初期和后期徑流污染的控制。

3.3 雨水徑流季節(jié)性沖刷強(qiáng)度SFF

對(duì)建筑屋頂、校園區(qū)域季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度按照公式(5)進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)果見圖6。

圖6 季節(jié)性初期不同污染物沖刷強(qiáng)度

由圖6可見，不同類型污染物的SFF具有一定的差異，SS和TN的SFF為正值，顯示了較強(qiáng)的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)，而TP的SFF為負(fù)值，即SFF≤0，沒有發(fā)生季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)；COD在不同研究地點(diǎn)表現(xiàn)出不同的沖刷性質(zhì)，主要由于在不同的匯水區(qū)域，COD的積累情況出現(xiàn)差異性。此外，不同下墊面的徑流系數(shù)不同，導(dǎo)致對(duì)雨水徑流污染物COD的輸送能力不同，最終表現(xiàn)出對(duì)有機(jī)污染物沖刷強(qiáng)度的不同。建筑屋頂不透水性良好，匯水面積較小，下墊面單一等是導(dǎo)致COD發(fā)生季節(jié)性初期沖刷的重要原因[17-19]。同時(shí)，污染物形態(tài)也會(huì)影響到季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度，由于溶解性有機(jī)物較非溶解性有機(jī)物更易溶解、遷移至徑流中，因此溶解性有機(jī)物的SFF通常大于非溶解有機(jī)污染物，呈現(xiàn)出更強(qiáng)的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)[14]。綜上所述，研究區(qū)域(西安市)的地域特性決定了污染物的季節(jié)性初期沖刷性質(zhì)，且不同污染物表現(xiàn)出不同沖刷強(qiáng)度。

西安市冬季供暖以燃煤型為主，冬季供暖期與干旱期重合，供暖期燃煤排放源增加了旱期的大氣降塵，導(dǎo)致地表污染物積累量增加，引起地表污染負(fù)荷增大，由于地面污染物累積量與徑流初始濃度呈正相關(guān)關(guān)系，因此雨季初期徑流污染負(fù)荷很高，亦即冬季燃煤供暖增加了地表污染物含量，可能由于冬季燃煤供暖對(duì)SS和TN的積累影響較大，因此導(dǎo)致季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度SFF顯示了差異。此外，雨季末期，植物殘枝敗葉的腐化導(dǎo)致了徑流污染物濃度的升高，從一定的程度上弱化了季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度，由于植物殘?bào)w的腐化對(duì)COD和TP的積累影響大于SS和TN，從而在一定的程度上引起季節(jié)性初期沖刷強(qiáng)度SFF的差異性。SFF的不同，導(dǎo)致了對(duì)污染物的控制措施產(chǎn)生了差異，即SS和TN以春季控制為主，而COD和TP以春季和深秋雙季控制為主。

4 結(jié) 論

通過對(duì)建筑屋頂和校園區(qū)域降雨徑流季節(jié)性初期沖刷現(xiàn)象的研究，主要結(jié)論如下：

(1)建筑屋頂和校園區(qū)域年雨水徑流污染物含量隨無量綱化后有效降雨量的變化趨勢(shì)具有相似性。研究區(qū)域徑流污染物濃度總體上呈現(xiàn)出雨季始末兩期高于中期的現(xiàn)象。

(2)SS和TN顯示出較強(qiáng)的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)，COD和TP的季節(jié)性初期沖刷效應(yīng)較弱。SS和TN以春季控制為主，COD和TP以春季和深秋雙季控制為主。研究區(qū)域季節(jié)性沖刷強(qiáng)度值SFF的差異性，主要是研究區(qū)域(西安市)的季節(jié)及降雨特性決定的。