李 琪，張 娜,2?，羅英杰，王 昕，景永才

(1 中國科學院大學資源與環(huán)境學院， 北京 101408； 2 中國科學院懷柔生態(tài)環(huán)境綜合觀測研究站， 北京 101408)

在城市化進程中，大量生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆聣|面，使得雨水下滲減少、地表徑流量增加、徑流污染物濃度明顯升高[1-4]，造成城市內(nèi)澇頻繁發(fā)生、面源污染加劇的現(xiàn)象。在徑流污染的控制過程中，對整場降雨的徑流污染物全部進行控制的做法既不經(jīng)濟也不現(xiàn)實。有研究表明，在降雨初期徑流中常攜帶大量污染物，即初期沖刷效應，其對徑流污染起著重要作用，因此，控制初期沖刷效應可對控制徑流污染起到事半功倍的效果[5]。而合理判別降雨徑流的初期沖刷效應，并科學評估沖刷強度，是控制初期沖刷的重要基礎(chǔ)，對于指導經(jīng)濟有效地控制徑流污染意義重大。

20世紀80年代以來，國內(nèi)外學者對徑流初期沖刷效應的判別進行了大量研究。其中，應用最廣泛的是基于累積污染負荷比例-累積徑流比例的M(V)曲線判別法。該法是對某次降雨事件的某種污染物計算該污染物隨時間的累積負荷占總污染負荷的比例，以及徑流隨時間的累積量占總徑流量的比例，建立M(V)曲線。最簡單、最粗略的方法是，在徑流產(chǎn)生的任意時段內(nèi)，只要M(V)曲線位于對角線上方，即認為發(fā)生了初期沖刷[6-8]。這種方法對判別初期沖刷是否存在的要求最低，且僅能定性判別沖刷的有無。更通常地是從累積徑流比例與累積污染負荷比例的關(guān)系間接判別，主要有FFn/m法和MFFn法。FFn/m法表示若前n%的地表徑流攜帶的累積污染負荷比例大于m%，則認為發(fā)生了初期沖刷[9-11]。所需的累積徑流量越小(即n/m越小)，初期沖刷效應越強。該法計算簡便，含義明確易懂，應用最廣。然而，F(xiàn)Fn/m法的一個重大缺陷是，對于n/m需小到什么程度才被認為是強沖刷，并沒有一個固定的依據(jù)。MFFn表示當產(chǎn)生前n%的地表徑流時，累積污染負荷比例與累積徑流比例的比值[12]。相比FFn/m法，該法最大的優(yōu)勢是能給出一個明確的依據(jù)，判別m/n需達到多大時才被認為是強沖刷。然而，目前更多根據(jù)MFF30的大小將初期沖刷效應分為無沖刷、弱沖刷和強沖刷3級，這種分類標準對初期沖刷效應強弱的判別仍較粗，有時雖從M(V)曲線可明顯識別出沖刷強度之差別，但用此標準卻無法判別出這種差異。因此，細化對初期沖刷效應強度的評價十分必要。

初期沖刷效應因下墊面的不同而不同。目前大量研究關(guān)注的是下墊面的類型及不透水面積比例。有研究表明，初期沖刷效應在不透水面積比例較高的路面更易發(fā)生[13]，瀝青油氈屋面的初期沖刷效應強于水泥混凝土路面[14]，而水泥混凝土屋面強于瀝青路面[12]。也有研究表明，平頂屋面發(fā)生初期沖刷效應的強度高于坡頂屋面[5]。同時，一些研究關(guān)注下墊面的使用屬性對初期沖刷效應的影響。例如，交通流量大的高速路面的雨水徑流是暴雨污染的最重要來源[15]；且交通流量越大，初期沖刷效應越強[16]。然而，對下墊面材料性質(zhì)(如曼寧系數(shù)和洼蓄量)和地表特征(如坡度和漫流寬度)如何影響初期沖刷效應的研究仍較為缺乏，相關(guān)規(guī)律和結(jié)論有待提煉。

本研究提出基于MFF30的初期沖刷效應強度評價5級分類標準，選取北京市區(qū)和郊區(qū)7種典型子匯水小區(qū)，綜合分析M(V)曲線和污染物濃度變化曲線，運用細化的分類標準探討在不同降雨事件中，具有不同類型及地表特征或材料性質(zhì)的下墊面上發(fā)生的初期沖刷效應，以期為城市雨洪管理和海綿城市建設(shè)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 典型子匯水小區(qū)的選取

根據(jù)城市常見下墊面的類型、地表特征(坡度和漫流寬度)和材料性質(zhì)(曼寧系數(shù)和洼蓄量)，選取7個典型子匯水小區(qū)，其中4個位于北京郊區(qū)(中國科學院大學懷柔校區(qū))(JL1，JL2，JQ1和JQ2)，3個位于北京市區(qū)(四環(huán)內(nèi))(SH1，SL1和SHLV1)(表1)。

1.2 實地監(jiān)測、采樣和水質(zhì)測定

選取具有不同量級、前期干燥天數(shù)、雨強動態(tài)變化的7個降雨事件(表2和圖1)。用置于樓頂?shù)挠炅坑?HOBO RG3-M)自動記錄降雨強度和持續(xù)時間，計算每分鐘的降雨量及累積降雨量(圖1)。

在選取的7個典型子匯水小區(qū)中，實測地表徑流過程及其水質(zhì)。自制一個地表徑流測定系統(tǒng)(圖2)。降雨時，將集雨漏斗放在選定的雨水井邊沿，使徑流經(jīng)集雨漏斗匯集到雨水井內(nèi)的塑料桶中；用抽水泵將桶內(nèi)水隨時抽出，每幾分鐘記錄一次水表讀數(shù)，可計算該時段內(nèi)的地表產(chǎn)流量。由于抽水泵在幾秒內(nèi)即可將整桶水及時抽干，故可忽略地表產(chǎn)流速率與抽水泵抽水速率之間的差異。在記錄水表讀數(shù)的同時，采集水樣。一般地，徑流初期30 min內(nèi)每2 min記錄和采樣一次，之后的記錄和采樣頻率視雨強和流量在5～30 min變化，直至降雨結(jié)束。

表1 選取的7個子匯水小區(qū)的基本特征Table 1 Characteristics of the seven selected subcatchments

注：子匯水小區(qū)的命名原則為：第1個字母表示市區(qū)或郊區(qū)；中間1～3個字母表示下墊面類型的首字母；最后的數(shù)字表示對應下墊面類型的排序。

表2 選取的7個降雨事件的基本特征Table 2 Characteristics of the seven selected rainfall events

圖1 選取的7個降雨事件中累積降雨量的動態(tài)變化Fig.1 Variations in the cumulative rainfall during the seven selected rainfall events

(a)集雨漏斗，(b)抽水泵，(c)水表，(d)軟管，(e)塑料桶。圖2 自制地表徑流測定系統(tǒng)Fig.2 The self-made surface runoff measurement system

在實驗室，用標準方法測定水樣中的總懸浮顆粒物(TSS)、化學需氧量(COD)和總氮(TN)(表3)。

表3 水質(zhì)測定方法Table 3 Methods for water quality measurement

1.3 初期沖刷效應的判別方法

污染物初期沖刷率MFFn[17]的計算如下

式中：M為污染物總量；V為地表徑流總量；t為徑流量達到n%的時刻；Ct為t時刻污染物濃度；Qt為t時刻地表徑流量。

本研究生成MFF30(即當產(chǎn)生前30%的地表徑流時，累積污染負荷比例與累積徑流比例的比

值)的5級分類標準(表4)，以評價7個典型子匯水小區(qū)每場降雨的徑流初期沖刷效應。通過與FFn/80法(即攜帶80%的累積污染負荷所需的累積徑流比例)比較，說明MFFn法的優(yōu)勢；通過與MFF20和MFF40法比較，說明MFF30法的優(yōu)勢；通過與MFF303級分類標準[5]比較，說明本研究提出的MFF305級分類標準的優(yōu)勢。

表4 MFF30的5級分類標準Table 4 Five-level classification criteria of MFF30

注：FF30表示前30%的地表徑流攜帶的累積污染負荷比例。

2 結(jié)果分析

2.1 MFF30法與其他基于M(V)曲線的判別方法的比較

本研究表明，在發(fā)生中等及以上級別初期沖刷效應的17種情形(對應不同的下墊面和降雨量級)中，有13種情形的M(V)曲線轉(zhuǎn)折點(M(V)曲線從迅速增加到開始變緩的點)出現(xiàn)的時刻與前30%的地表徑流發(fā)生的時刻基本吻合。說明在整個產(chǎn)流過程中，前30%的地表徑流所累積的污染負荷最為重要，沖刷效應最強。相對地，前20%或40%等的徑流發(fā)生的時刻與M(V)曲線轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)的時刻多有出入。因此，MFFn法中，MFF30法判別初期沖刷效應的效果優(yōu)于MFF20或MFF40等類似方法(以2016年8月18日中雨時TSS和COD的M(V)曲線為例說明(圖3))。同時，在這17種情形中，有12種情形的M(V)曲線轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)的時刻與累積達到80%的污染負荷的時刻不吻合。因此，F(xiàn)Fn/80法判別初期沖刷效應的效果遠不及MFF30法(以2016年8月18日中雨時TSS和COD的M(V)曲線為例說明(圖3))。

▲表示MFF20或MFF40法的識別點；●表示M(V)曲線轉(zhuǎn)折點；■表示MFF30法的轉(zhuǎn)折點；◆表示FFn/80法的轉(zhuǎn)折點。圖3 MFF30法、MFF20法、MFF40法、FFn/80法判別初期沖刷效應的比較Fig.3 Comparison of the effectiveness of identifying first flush effect among MFF30, MFF20, MFF40, and FFn/80 methods

更進一步，MFF30值在1.50～2.00之間的M(V)曲線與1.00～1.50之間的M(V)曲線相比時，前者距對角線的距離明顯大于后者(如圖4(g)的JL1和JL2、圖5(c)的JL1和JL2)，5級分類標準將其加以區(qū)分：分別認為是中等沖刷和弱沖刷，而3級分類標準認為均是同等程度的弱沖刷。同樣，5級分類標準又將3級分類標準的強沖刷細化為強沖刷和很強沖刷(表4、表5和表6)。因此，本研究的5級分類標準比3級分類標準更能明顯識別初期沖刷效應的強度。

圖4 TSS的M(V)曲線Fig.4 M(V) curves of TSS

圖5 COD的M(V)曲線Fig.5 M(V) curves of COD

表5 市區(qū)子匯水小區(qū)降雨徑流中TSS、COD和TN的初期沖刷效應Table 5 First flush effect of rainfall runoff on TSS, COD, and TN in urban subcatchments

表6 郊區(qū)子匯水小區(qū)降雨徑流中TSS、COD和TN的初期沖刷效應Table 6 First flush effect of rainfall runoff on TSS, COD, and TN in suburban subcatchments

本研究的5級分類標準比3級分類標準更能準確區(qū)分初期沖刷效應的強度。例如，圖4(g)和5(c)中，與MFF30值在1.00～1.50之間的JL2的M(V)曲線相比，MFF30值在1.50～2.00之間的JL1的M(V)曲線距對角線的距離明顯較大，用5級分類標準可區(qū)分這種差異，分別為中等沖刷和弱沖刷，但用3級分類標準卻無法區(qū)分這種差異(表6)。同時，5級分類標準將3級分類標準中的強沖刷細分為強沖刷和很強沖刷(表5和表6)。

2.2 不同污染物的初期沖刷效應

2.2.1 TSS的初期沖刷效應

在市區(qū)，與不透水下墊面相比，在SHLV1的混凝土屋頂-綠地上，小雨時雖然無地表徑流產(chǎn)生，但中雨時，不僅產(chǎn)生地表徑流且TSS的初期沖刷效應最強，MFF30達到2.47，累積徑流比例達30%需18 min，之后，M(V)曲線上升速率明顯降低，初期沖刷效應開始減弱(表5、圖4(b)和4(d))。

在郊區(qū)，中雨時，與校內(nèi)JL2相比，雖同為瀝青路面，但校外JL1的初期沖刷效應卻很強；產(chǎn)流15 min時，前10%的徑流即可攜帶61%的TSS負荷，TSS濃度也達到峰值；MFF30高達2.66(表6和圖4(c))。

總體來說，對于TSS，在小雨、中雨、大雨和大暴雨時，JL2、JQ1、JQ2和SH1的初期沖刷效應均弱或無；SL1和SHLV1的初期沖刷效應均很強；JL1的變化最大，可能弱(如僅隔1 d的小雨和2017年大雨時)，也可能很強(如前期干燥天數(shù)超過10 d的中雨時)(表5、表6和圖4)。

2.2.2 COD的初期沖刷效應

在市區(qū)，小雨時，雖同為不透水下墊面，坡度較大且干擾較多的SL1的初期沖刷效應卻達到很強級別，MFF30高達2.73，累積徑流比例達30%需11～20 min(表5、圖5(b)和5(d))。

在郊區(qū)，只有在大雨時，在坡度較大的JL2的COD初期沖刷效應可達強級別，MFF30為2.35(表6和圖5(f))。

總體來說，小雨、中雨、大雨和大暴雨時，JL1、JQ1、SH1、SHLV1和JQ2的COD初期沖刷效應均中等、弱或無；SL1的初期沖刷效應均強或很強；而JL2的初期沖刷效應變化最大，小雨和中雨時弱，大雨時強(表5、表6和圖5)。

2.2.3 TN的初期沖刷效應

小雨、中雨和大雨時，無論下墊面的坡度、透水性和污染源如何，TN的效應均弱或無，最強也僅剛達到中等級別。大暴雨時，初期沖刷效應明顯加強，接近或達到強級別(表5、表6和圖6)。

2.3 不同降雨的徑流污染物的初期沖刷效應

本研究計算了在小雨、中雨、大雨和大暴雨時，各子匯水小區(qū)前30%的地表徑流中攜帶的累積污染負荷比例(FF30)的平均值、中位數(shù)和標準差(圖7(a))。

總體來看，隨著降雨量的增大，F(xiàn)F30呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，大暴雨時達到最大(0.46±0.09)，小雨時最小(0.34±0.06)。然而，2016年7月12日中雨時的初期沖刷效應強于2017年6月22日大雨，F(xiàn)F30分別為(0.43±0.13)和(0.35±0.11)；2016年8月12日小雨時的初期沖刷效應強于2016年8月18日中雨，F(xiàn)F30分別為(0.45±0.12)和(0.40±0.11)(圖7(a))。

2.4 不同下墊面的徑流污染物的初期沖刷效應

本研究計算7個典型子匯水小區(qū)在7場不同降雨事件中的FF30的平均值、中位數(shù)和標準差?？傮w來說，透水砌磚路面和的混凝土路面的初期沖刷效應較弱，不透水瀝青路面的初期沖刷效應最強，混凝土屋頂-綠地的初期沖刷效應居中(圖7(b))。

3 討論

3.1 降雨對初期沖刷效應的影響

降雨量、前期干燥天數(shù)和雨強的動態(tài)變化對初期沖刷效應均有很大的影響[11,18]。

在其他條件近似的情況下，雨前干燥天數(shù)越長，地表累積的污染物越多，初期沖刷效應也會越強[19]。例如，JL1在中雨時TSS的初期沖刷效應強，但大雨時僅為弱或中等(圖4(c)、4(e)和4(f))。這是因為：中雨發(fā)生前的干燥天數(shù)達12 d，而大雨發(fā)生前的干燥天數(shù)僅為1～5 d，正是前期干燥天數(shù)的差異致使初期沖刷效應有很大差異。

雨強的時間動態(tài)對初期沖刷效應也有很大影響[18]。例如，在SL1的瀝青路面，即使在小雨和中雨且前2天有小雨的情況下，也發(fā)生了強的TSS初期沖刷效應；但在JL2的瀝青路面，即使在大雨且前期干燥天數(shù)較長(5 d)的情況下，也僅發(fā)生弱TSS初期沖刷效應(圖4(b)和圖4(f))。這與雨強的動態(tài)特征密切相關(guān)[19]。盡管2016年8月7日的降雨達到大雨量級，但在開始的40 min內(nèi)，總降雨量僅0.7 mm；在隨后的30 min內(nèi)，雨強才開始迅速增加，降雨量達到18.0 mm?？梢姡绻跏加陱娒黠@較低，且徑流累積到30%歷時較長，則徑流對污染物的初期沖刷將十分有限，即使總降雨量較大(如JL2)。相反，即使總降雨量較小，但若初始雨強并不明顯地低于中期雨強，但若初始雨強并不明顯地低于中期雨強(如2016年8月12日的小雨(圖1(b)))，則徑流對污染物的初期沖刷效應可能較強(如SL1)。

更重要地，初期沖刷效應是降雨量、雨強的動態(tài)變化、前期干燥天數(shù)綜合作用的結(jié)果，而不是某單個降雨因素的作用。例如，2016年7月12日中雨的初期沖刷效應強于2017年6月22日大雨(圖7(a))，這是因為盡管中雨的降雨量較小，但初始雨強更大、變化更穩(wěn)定，且前期干燥天數(shù)更長，這對初期沖刷效應有很大的促進作用。而2016年7月27日小雨時沖刷最弱，這是因為所選小雨事件，不僅總降雨量最小，且雨強分布較均勻、徑流對下墊面的沖刷力度較弱，加之前期干燥天數(shù)僅為1 d、上一場降雨已經(jīng)攜帶沖刷部分污染物，致使小雨時初期沖刷效應大多不是很明顯。

圖6 TN的M(V)曲線Fig.6 M(V) curves of TN

□表示平均值；×表示最大值或最小值；矩形內(nèi)長橫線表示中位數(shù)；短橫線表示標準差。圖7 對不同子匯水小區(qū)的FF30Fig.7 The FF30 values for different subcatchments

3.2 下墊面對初期沖刷效應的影響

下墊面特征對地表產(chǎn)流和匯流，以及污染物的累積和沖刷均有顯著影響，而這些影響最終可反映在初期沖刷效應的差異上[2]。

3.2.1 下墊面類型及其材料性質(zhì)對初期沖刷效應的影響

下墊面的類型(如瀝青路面、混凝土路面、砌磚路面、綠地)不同，其材料性質(zhì)可能有很大差異，主要表現(xiàn)在透水性、曼寧系數(shù)和洼蓄量上。其他條件近似時，透水性較強、曼寧系數(shù)和洼蓄量較大的砌磚路面的產(chǎn)流量也較低，這時，可通過徑流沖刷攜帶的污染負荷較少，初期沖刷效應通常不明顯。例如，盡管JQ1的透水砌磚路面的坡度和漫流寬度比JL1和JL2的不透水瀝青路面大得多，但其地表產(chǎn)流量始終最低，前30%的地表徑流攜帶的累積污染負荷均最少，這導致同場小雨時JQ1的TSS初期沖刷效應均比JL1和JL2弱(圖4(a))，以及同場中雨和大雨時JQ1的TSS、COD和TN的初期沖刷效應弱于JL1或JL2(圖4(c)、4(e)、5(c)、5(e)、6(c)和6(e))。

但另一方面，曼寧系數(shù)較大的粗糙地表在前期干燥時期可攔截更多的污染物，因此，盡管其產(chǎn)流量總是很低，但由于地表可累積的潛在污染物較多，在產(chǎn)流的情況下，累積徑流比例達到30%時，被徑流沖刷攜帶的累積污染物可能并不比產(chǎn)流量高的子匯水小區(qū)低。這也是為什么JQ1砌磚路面的初期沖刷效應有時甚至強于JL1和JL2瀝青路面的原因(圖5(a)、5(f)和6(f))。對這種現(xiàn)象的解釋在SLV1屋頂-綠地中獲得進一步驗證。小雨時SLV1地表不產(chǎn)流。同場中雨時，盡管SLV1的產(chǎn)流量總是最低，但其初期沖刷效應卻大多強于SH1或SL1(圖4(d)和5(d))。

3.2.2 下墊面坡度和漫流寬度對初期沖刷效應的影響

除類型及其材料性質(zhì)之外，下墊面的坡度和漫流寬度也對初期沖刷效應有很大影響。其他條件近似時，坡度越大，徑流流速越大，累積于地表的污染物可被沖刷攜帶的概率越高；漫流寬度越大，累積的污染物量越大，相應地，可被沖刷攜帶的概率也越高。例如，同場小雨和中雨時，同為不透水下墊面，坡度較大的SL1的TSS、COD和TN的初期沖刷效應均比坡度較小的SH1強(圖4(b)、4(d)、5(b)、5(d)、6(b)和6(d))。又如，同場小雨時，同為瀝青路面，坡度較大的JL2的TSS和COD初期沖刷效應均略強于坡度較小的JL1(圖4(a)和5(a))；同場大雨時，JL2的TN初期沖刷效應也略強于JL1(圖6(e)和6(f))。

更進一步地，盡管總的來說坡度較大的JL2的初期沖刷效應略強于JL1(圖7(b))，但并非總是如此。中雨時，JL1的TSS初期沖刷效應很強，而JL2卻很弱(圖4(c))；大雨時，JL1的TSS的初期沖刷效應也強于JL2(圖4(e)和4(f))。JL1位于校外交通主干道旁的輔路，來往較多的車輛和行人使其在雨前已累積大量的污染物；而JL2位于校內(nèi)馬路，幾無車輛經(jīng)過，行人稀少，在相同的前期干燥天數(shù)下，地表累積的污染物比JL1少得多。這是兩場降雨時JL1的TSS初期沖刷效應強于JL2的主要原因。

3.3 研究缺陷與展望

盡管我們已盡最大努力完成7場降雨的水量和水質(zhì)監(jiān)測，獲得一些結(jié)果和結(jié)論，但仍存在明顯的缺陷。

首先是子匯水小區(qū)的選取。本研究選取的7個子匯水小區(qū)的特征各異，它們對初期沖刷效應可產(chǎn)生或正或負的影響，這種交互作用使得無法判定究竟是哪一個因子在起主導作用。接下來擬在獲取高分辨率地形圖的基礎(chǔ)上，細致劃分子匯水小區(qū)，選取在下墊面特征和地理位置上具有較好可比性的小區(qū)，進行實測或模擬研究，探討各單因素對初期沖刷效應的影響。

其次，由于人員和儀器數(shù)量的限制，我們沒能做到對市區(qū)和郊區(qū)的同時測定，使得市區(qū)和郊區(qū)的結(jié)果無法直接進行比較。擬在今后的研究中盡可能加大對人員和儀器的經(jīng)費投入。

再次，由于純綠地產(chǎn)流比較困難，本研究對綠地的徑流缺乏長時間的連續(xù)監(jiān)測。在今后的研究中，我們將補充這方面的工作。

最后，擬通過模擬手段解決以上這些在實測過程中遇到的問題。同時，也將用模擬獲得的更多子匯水小區(qū)的數(shù)據(jù)進一步證明本研究獲得的結(jié)果。這也是我們正在做的工作。

4 結(jié)論

本研究提出的MFF30的5級分類標準具有明顯的優(yōu)勢，可以明確地定量判別很強、強、中等、弱或無初期沖刷效應的出現(xiàn)，而且用以判別初期沖刷效應強度的時刻大多與M(V)曲線拐點出現(xiàn)的時刻接近。

在不同降雨事件中，降雨量、前期干燥天數(shù)和雨強的動態(tài)變化差異很大，對初期沖刷效應的影響錯綜復雜，因此，不宜直接比較不同降雨事件發(fā)生的初期沖刷效應，即使總降雨量處于同一量級。前期干燥天數(shù)和雨強的動態(tài)變化對初期沖刷效應的影響最大；而總降雨量的影響很小，盡管與總降雨量密切相關(guān)的總地表徑流量與初期沖刷效應關(guān)系密切。

影響初期沖刷效應的下墊面因素包括下墊面的類型及其材料性質(zhì)(如透水性、曼寧系數(shù)和洼蓄量)、地表特征(如坡度和漫流寬度)，以及地理位置等。這些影響錯綜復雜，通常不是某單個因素就能完全解釋的，特別是在人類影響很大的匯水小區(qū)。對于坡度較大的子匯水小區(qū)，即使是中雨或分布均勻的小雨時，初期沖刷效應也可達到強或很強級別；在人為干擾較多、車流量和人流量大得多的子匯水小區(qū)，初期沖刷效應通常也較強。在城市雨洪管理和海綿城市建設(shè)中，對這些地方，尤其需要加強初期產(chǎn)流及其面源污染的防控。相反，鑒于砌磚路面的所有污染物的初期沖刷效應均很弱或無，在城市雨洪管理和海綿城市建設(shè)中，可大力增加砌磚路面的比例。