2017, Vol. 29 
(2: 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 南京 210008)
(3: 江苏高校水处理技术与材料协同创新中心, 苏州 215009)
(4: 安徽省环境科学研究院, 合肥 230001)
(2: Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, P. R. China)
(3: Jiangsu College of Water Treatment Technology and Material Collaborative Innovation Center, Chinese Academy of Sciences, Suzhou 215009, P. R. China)
(4: Anhui Institute of Environmental Science, Hefei 230001, P. R. China)
在湖泊污染治理过程中，随着点源污染控制程度的提高，面源污染越来越成为湖泊水质净化的重点[1-2].随着城市化的发展，不透水下垫面面积的增加，降雨时因雨水冲刷而形成的径流污染日益严重，大中型城市在暴雨事件中的径流污染和排洪防涝是建设海绵城市过程中遇到的问题与挑战[3].城市雨水径流中含有烷烃物[4]、大肠杆菌[5]、重金属[6-7]、氮磷营养盐[8-9]和悬浮物[10]等多类污染物，如果不经处理直接排放，会对湖泊等受纳水体的水质产生严重影响[11]，目前国内外针对雨水径流中污染物和重金属的研究比较多.在城市降雨径流形成的初期阶段，径流中携带大量污染物的情况称为初期冲刷效应[12-13]，这一部分雨水径流被定义为初期雨水[14].如果在降雨过程中表现出了较为强烈的初期冲刷现象，可以将携带大部分污染物的初期雨水进行截流处理，净化后再排放.所以初期冲刷效应的研究对控制治理城市降雨径流污染有重要指导意义.
初期冲刷形成过程复杂，影响因素繁多，雨前干期、降雨类型、下垫面土地利用类型和汇水面积等均会对初期冲刷效应产生显著影响[15].目前研究中，常用的初期冲刷效应判定方法有M(V)曲线法[16]和b参数法[17]，其中M(V)曲线法应用最为广泛. M(V)曲线法是基于污染物质量累计比例和径流量累计比例所作的曲线，对角线表示污染物随径流均匀排放，FFn表示前n%雨水径流中所携带污染物的百分比. Saget等使用FF30＞80作为标准来判定初期冲刷现象的发生[18]，但此标准过于严格，Sun等对法国一城市2004—2011年间162场降雨进行M(V)曲线分析[10]，发现所有降雨事件中均未出现FF30＞80的现象. Gupta等认为当曲线位于判别线上方，即FF50＞50时便可说明出现初期冲刷现象[19]，曲线距判别线距离越大，冲刷越明显.
根据研究区特征的不同，对初期冲刷的研究可分为小汇水面源头冲刷和管渠冲刷[14].小汇水面源头冲刷是指居民区[20]、高速公路[21]、停车场[22]等土地利用类型单一、汇水面积较小的冲刷过程；管渠冲刷是径流对多个小汇水面和排水管渠的综合冲刷过程，汇水面积较大，土地利用类型复杂.管渠冲刷包括合流制溢流冲刷[23]和雨水管网冲刷[24-25]，合流制溢流冲刷因管内沉积物和截流设施等因素的影响，冲刷作用更为复杂[26]，目前对管渠冲刷的研究对象多是合流制管道，但随着城市化的发展，越来越多的新区在规划建设时实行雨污分流，老城区的合流制系统也在逐渐进行分流制改造或替换，所以针对雨水管网冲刷的研究对于控制城市面源污染更具有指导意义.
巢湖是长江水系下游浅水型湖泊，位于安徽省中部，是我国五大淡水湖之一，由于水质较差，属于我国水污染防治重点对象之一.本研究选取巢湖流域塘西河上游汇水区为研究对象，该区域汇水面积相对较大，土地利用类型多样且排水系统为分流制排水系统，降雨时产生的初期冲刷为典型的雨水管网冲刷，所以研究该区域的初期冲刷现象具有一定代表性.塘西河整治工程已基本完成，所以由降雨冲刷形成的初期雨水是塘西河的主要污染源，初期雨水经雨水管网汇入塘西河，然后流入巢湖.为了防止塘西河在降雨天气下携带大量污染物流入巢湖，需要对初期雨水的水质水量、污染特征及冲刷特性进行研究，以期为城市面源污染的防治提供参考.
1 材料与方法 1.1 研究区概况合肥位于安徽省中部，长江、淮河之间，巢湖之滨，年平均降雨量为996.41 mm，降雨集中在每年的6、7、8月份，3个月总降雨量平均占全年的43.55%(图 1)(数据来源于中央气象网).
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图 1 合肥市月平均降雨量 Fig.1 Monthly average rainfall in Hefei City |
塘西河是流入巢湖的重要水系之一，是一条季节性、雨源性河流，全长12.7 km，流域面积50 km2[27]，上游位于经济开发区，经济开发区排水管道系统为雨污分流制，但为了缓解当地污水处理厂的压力，每天会有少量生活污水排入到雨水管道中，所以雨污分流得不彻底，经监测估算每天会有100 m3左右的污水排入雨水管道中，因污水水量太小，在降雨产生径流的过程中其影响可以忽略.塘西河上游汇水面积约24.83 km2，雨水经两路箱涵流入塘西河，一路通过4.0 m×2.5 m的箱涵和南艳湖相连，另一路通过两根4.0 m×2.5 m的箱涵与经济开发区雨水管网连接.由于南艳湖的自净与调节作用，降雨时产生的径流水质较好，流量变化慢，可直接排入塘西河.经经济开发区雨水管网从另一路箱涵排出的雨水径流是本次研究的重点.
研究区(图 2)土地利用类型相对较复杂，以生活区、工业区和透水区为主.工业区占总面积的26.41%，雨水径流系数为0.9；透水区占26.46%，透水区包括草地、林地、裸地等雨水可以快速渗入土壤的地区，雨水径流系数为0.15；生活区占31.20%，包括居民小区、广场、商场等地区，雨水径流系数为0.9；道路面积占15.92%，雨水径流系数为0.9.研究区综合径流系数为0.7，不透水地区占汇水面积的73.54%，平均坡度为0.47%，排水管道主渠道长13.69 km.
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图 2 研究区概况 Fig.2 Map of study areas |
采样点位于与雨水管网连接的箱涵出口处，采集的径流存储于1 L洁净聚乙烯瓶内.样品采集使用“前密后疏”方式：从有径流从采样点流出时开始计时.第1 h每5 min采水样1瓶；第2 h每10 min采1次；第3 h每20 min采1次；第4 h每30 min采1次；4 h后每小时采1次.采样同时测定水位以计算流量，使用自动式雨量计记录降雨数据.采样期间的降雨特征见表 1.采样结束后立即将水样送到实验室进行预处理.对雨水径流的测试指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、悬浮物(SS)、化学需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)，指标的测定参照文献[28].
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表 1 降雨特征 Tab.1 Rainfall characteristics |
每场降雨产生的径流中各指标的平均浓度以次降雨径流平均浓度(EMC)[29]表示，其实质是雨水径流中瞬时污染物浓度的流量加权平均数, 其计算公式为：
| $EMC = \frac{M}{V} = \frac{{\int_0^t {{C_t} \cdot {Q_t} \cdot {\rm{d}}t} }}{{\int_0^t {{Q_t} \cdot {\rm{d}}t} }}$ | (1) |
在每场降雨过程中，研究区单位面积上产生污染物的量以单位面积次降雨径流污染负荷(EPL)[30]表示，其计算公式为：
| $EPL = \frac{M}{A} = \frac{{\int_0^t {{C_t} \cdot {Q_t} \cdot {\rm{d}}t} }}{A}$ | (2) |
式中, M为污染物总量(g), V为总径流量(m3), Ct为t时刻污染物浓度(mg/L), Qt为t时刻径流量(m3/s), A为研究区面积(km2).
通过作M(V)曲线图来研究降雨过程中的初期冲刷现象，以FF50＞50为判定初期冲刷现象出现的标准.
2 结果与讨论 2.1 雨水径流水质特征6次降雨形成的径流中污染物浓度变化趋势基本一致，均表现为在径流形成初期达到峰值，然后降低，其中6月16日此趋势表现得最为明显. 6月16日各污染物浓度峰值出现在径流形成初期，且波动较大，然后迅速下降，变化趋于平稳(图 3).与小汇水面源头冲刷相比较，除前期浓度变化波动较大外，趋势基本相同.
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图 3 6月16日径流中各污染物浓度变化 Fig.3 Change of pollutants concentration in runoff on June 16th |
由于研究对象属于大汇水面积的管渠冲刷，雨水管道入口多，降雨形成的径流经雨水管网汇集后在采样点排出.汇水区可分为多个大小不一的小汇水面，各个小汇水面距采样点的远近不同，因此各个小汇水面所汇集的雨水径流经管渠到达采样点的时间长短及污染物浓度存在一定差异，不同浓度径流混合过程的复杂性和随机性导致各污染物浓度波动变化较大.
6场降雨径流中污染物EMC值可以看出, 同一种污染物EMC值在不同降雨过程中波动较大，其中SS的EMC值波动最为显著(表 2).目前合肥地表水体水质控制目标为准Ⅳ类标准，将6场降雨产生的地表径流中污染物EMC值与准Ⅳ类标准和地表水Ⅴ类水标准进行对比，污染物EMC的平均值均超出地表水Ⅴ类水标准，说明污染较为严重，其中TN和CODCr的EMC值分别超过地表水Ⅴ类标准的2.44倍和2.15倍；与准Ⅳ类标准比较，TN和NH3-N的EMC平均值均未超标，但准Ⅳ类标准对TP和CODCr要求更为严格，TP和CODCr的EMC平均值分别超出准Ⅳ类标准1.97倍和2.86倍.谢继锋等[31]在合肥对不同下垫面的雨水径流和自然雨水的水质特征进行研究，表明自然雨水中TN浓度平均值为4.631±3.614 mg/L，与本次研究中TN的EMC值相近，说明研究区雨水径流中TN主要来自于降雨过程中的淋溶作用.谢继锋等[31]研究的下垫面包括草地、屋面、校园内路面和校园外路面4种类型，与其数据相比，本次研究中TN、TP、CODCr和SS的EMC值均高于草地、屋面和校内道路径流中的平均浓度，均低于校外道路径流中的平均浓度，说明研究区径流中各污染物的EMC值是雨水对不同下垫面冲刷的综合作用结果.
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表 2 污染物EMC值 Tab.2 EMC of pollutants |
以目前合肥市施行的准Ⅳ类标准为参照，如果建设调蓄净化池对研究区初期雨水进行处理，CODCr和TP是主要处理对象，考虑到磷是水体富营养化的主要影响因素之一，初期雨水中的磷要采取措施进行深度处理. 6场降雨过程中SS的EMC值变化范围是46.82~377.86 mg/L，平均值为161.05 mg/L，浓度变化波动大且污染显著，因此对初期雨水的SS处理也要重点考虑. TN和NH3-N的EMC平均值虽未超标，但两者在径流形成初期时存在较高的瞬时浓度，TN浓度最高可达14.05 mg/L，NH3-N最高浓度达7.80 mg/L，因此初期雨水中氮的影响不可忽视.
6场降雨过程中EPL值可知, 不同降雨过程中EPL值差异很大(表 3). Qin等[30]对深圳某地区的降雨径流污染特征进行了研究，汇水面积与本次研究相近，排水系统为合流制，选取本次研究中降雨量相近的降雨事件与其进行对比，发现TN、CODCr、SS和NH3-N的EPL值远远小于Qin等在深圳的研究数据，原因可能是合流制排水管道中沉积物的影响.本研究中TP的EPL略大于Qin[30]在深圳的研究结果，这可能是巢湖流域土壤磷含量高所导致.
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表 3 污染物EPL值 Tab.3 EPL of pollutants |
径流中污染物主要来源于地表污染物积累[33]，汇水面积越大，累计污染物越多.研究区地处合肥市经济开发区，工业园区面积占总汇水面积的26.41%，分布着汽车制造、机械加工和包装材料加工等企业，根据生产特点，降雨时可能有油类、脂类、还原性有机物等污染物随径流流入雨水管网；研究区道路面积占汇水面积的15.92%，机动车轮胎磨损、汽油润滑油泄漏还有燃料的不完全燃烧会引起SS、有机物、重金属污染[34]，道路两旁的绿化会定期施肥和喷洒农药，会引起有机物和氮磷营养盐污染；研究区面积中生活区占31.20%，主要是大学城、居民小区和购物广场，此区域有较高的人口、车流密度，餐饮业相对发达，管理不善时会出现垃圾无序堆放、餐饮残渣随意倾倒的现象，所以此区域径流污染物浓度相对较高[35-36]；占总面积26.46%的透水区引起的污染最小，但其中裸地区域会使径流中SS增大，动植物残体会使径流中有机质增多，公园绿地施肥会使径流中氮磷营养盐增多.此外，大气沉降会在地表积累氮磷[33-34]，工地会引起径流中SS增加，研究区雨水管道内每天会排入少量生活污水，虽然量很少，但流速慢易造成污染物沉积，影响也不可忽略[37].综合分析表明，径流中污染物主要来源于工业区和生活区地表污染物的积累，当工业生产和人类活动有所变化时，径流污染程度可能会有所不同.
2.2 相关性分析雨水径流中各污染指标间的相关性对初期雨水的治理有重要意义. SS和TN、TP三者分别与CODCr之间均呈正相关，其中SS与TP、CODCr的正相关性更显著(表 4)，表明TP和CODCr大部分以颗粒态存在，这与王龙涛[9]在重庆的研究结论相一致.在对初期雨水进行处理时，以去除SS为目的的物理方法也会对氮磷和有机物有一定的处理效果.
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表 4 污染物相关性 Tab.4 Correlation among pollutants |
为研究降雨特征对EMC和EPL值的影响，分别将6场降雨的EMC、EPL值与雨强、雨前干期、平均雨强、最大雨强进行相关性分析，结果表明雨水径流污染指标中只有TN的EMC值与降雨量、平均雨强和最大雨强之间呈显著负相关，其余污染指标与降雨特征间不存在显著相关性(表 5).随着降雨量的增大，对污染源持续的冲刷作用和径流量变大的稀释作用使TN浓度变小.
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表 5 EMC、EPL值与降雨特征相关性 Tab.5 Correlation between EMC, EPL and rainfall characteristics |
各污染物EPL值与4种降雨特征间均呈正相关，与降雨量和最大降雨量均呈显著正相关.将各污染物EPL值与降雨量进行线性拟合得出的公式(表 6)，可以对任意一场降雨事件中由径流携带流入巢湖的污染物质量进行估算.6、7、8月降雨量平均占全年降雨量的43.55%，2015年研究区6—8月期间共有10.38 t TN、2.29 t TP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH3-N随降雨径流排入巢湖.
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表 6 各污染物EPL值与降雨量的拟合公式 Tab.6 Fitting formula between EPL of each pollutant and rainfall |
因污染物主要源于地表污染物积累，所以雨前干期和降雨量会对污染物浓度产生较大影响，污染物EPL值与降雨特征间均呈正相关，符合规律，但各污染物EMC值却与降雨特征间基本无相关性.当降雨量小于2.5 mm且降雨时间较长时，雨水仅使地面湿润，没有或有少量径流产生，污染物仍留在地表或在管道内沉积，6月26日之前的降雨事件中，降雨量为2.8 mm，仅产生少量径流，所以虽然6月26日降雨事件雨前干期仅为1 d，但地表污染物实际经过了8 d的积累，所以各污染物浓度相对较高. 8月19日降雨量最小但部分污染物浓度较大，6月16日降雨量最大但部分污染物浓度较小，这是因为雨量小时径流对污染物的冲刷不完全，雨量过大时又会产生稀释作用. 7月23日与7月16日这2场降雨事件中，7月23日的降雨量与雨前干期大，径流中各污染物浓度均比7月16日高，符合规律.所以，虽然从数据上看EMC值与各降雨特征间基本无相关性，但综合分析后可知降雨量和雨前干期是径流污染的主要影响因素.
2.3 初期冲刷效应分析从M(V)曲线图可以看出, 6场降雨过程中均有污染物表现出初期冲刷效应，整体来看，6月26日降雨的初期冲刷强度相对较强，TN、TP、CODCr和SS的FF50均超过60，CODCr初期冲刷效应最强烈，达92.06，TN和NH3-N在6月16日的降雨过程中未出现初期冲刷，两者表现出了“后期冲刷”(图 4)；单次降雨过程中，不同污染物表现出不同的冲刷强度，各污染物FF50平均值表现为SS＞CODCr＞TP＞TN＞NH3-N，可以看出SS和CODCr的初期冲刷效应相对显著(图 5)，这与Li等[38]在武汉的研究结果相类似；5种污染物中只有TP在6场降雨过程中均出现初期冲刷现象，其FF50平均值达61.90；NH3-N的初期冲刷强度最弱，只出现3次初期冲刷现象，其FF50平均值小于50.
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图 4 6次降雨的M(V)曲线 Fig.4 The M(V) curve of six rainfall events |
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图 5 污染物FF50平均值 Fig.5 Average FF50 of pollutants |
雨型会对初期冲刷现象产生一定影响，根据降雨过程中雨强的分布变化，6次降雨事件的雨型可分为：6月26日和7月23日为前期单峰型，雨强峰出现在降雨过程前期；7月16日和8月19日为中期单峰型，雨强峰出现在降雨过程中期；6月6日和8月9日为多峰型，降雨过程中出现多个雨强峰.比较不同雨型各污染物的FF50平均值，发现同一污染物在不同降雨雨型中FF50平均值差别较大，说明雨型对初期冲刷现象有较大影响.前期单峰型降雨各污染物FF50平均值均最大且均超过50，多峰型降雨除TP外，其他污染物FF50平均值均最小，可见前期单峰型降雨最容易出现初期冲刷现象(表 7).
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表 7 不同雨型的FF50平均值 Tab.7 Average FF50 of different rainfall patterns |
与小汇水面源头冲刷[39]相比，本次研究中的初期冲刷强度相对较弱.与其他地区的管渠冲刷相比，也得出了几点不一致的结论，例如：Taebi等[40]对伊朗某城市进行径流污染研究后，认为降雨强度及降雨量越大，初期冲刷效应越明显；Li等[38]在武汉的研究显示雨前干期越长，初期冲刷越明显.通过分析本次研究数据发现，初期冲刷强度与各降雨特征间无相关性.造成研究结果有差异的原因是多方面的，研究区汇水面积越大，径流的产生和输送过程越为复杂.本研究区汇水面积与以往研究相比较大，降雨类型、土地利用类型、管道特征和管道内沉积物等因素对径流的流量水质、初期冲刷效应强度的影响均会因汇水面积的增大而变大. Sztruhár等[41]指出径流在管道内的汇流时间会对是否发生初期冲刷有显著影响.王俊松等[42]对昆明3个集水区的降雨径流分别进行监测研究，得到降雨历时和雨前干期对初期冲刷无明显影响的结论.谭琼等[43]对上海合流制排水系统的研究也表明，各水质指标初期冲刷效应随汇水面积的增大而减小.
2.4 初期雨水工程调蓄净化建议由于研究区在降雨过程中产生的径流量大且污染显著，需要采取工程措施对初期雨水进行调蓄净化.通过以上研究可知，研究区降雨虽然存在初期冲刷效应，但冲刷强度较弱，需对大量径流进行截流处理，结合8月19日降雨数据可知，当降雨强度为1.36 mm/h时地面会产生径流进行汇集.潘国庆等[44]通过对合肥30年的降雨量日值资料进行统计分析，得到合肥的设计降雨量为31.4 mm，即24 h内，控制前31.4 mm的降雨量可以处理85.9%的年径流污染.但设计降雨量只是从降雨事件控制率出发，没有考虑具体的水质状况，通常后期径流污染物浓度会降低.结合本研究中6月16日降雨数据进行计算，得出研究区降雨31.4 mm时产生的径流量为224319.14 m3.
本研究6场降雨事件中有5场降雨量未超过21 mm，通过研究合肥市2011—2015年近5年降雨数据可知：5—9月日降雨量小于21 mm的天数占总降雨天数的78.51%.所以可将日降雨量小于21 mm的降雨径流全部截流，超过21 mm的降雨截取最大径流量取224319.14 m3.考虑到截流的可操作性，可从时间上进行截流. 8月9日径流从产生汇集到完全流出用时440 min，所以从有径流流出开始计时，截取前440 min内流出的径流，调蓄池体积可参考224319.14 m3进行设计，当截取的径流量在前440 min便达到224319.14 m3时，可在达到时刻停止截流.
调蓄方案可设计为：当降雨强度达1.36 mm/h即有径流汇集流出时开始截流，截流时间取440 min，截取的最大径流量取224319.14 m3.用此方案单次降雨最多可削减0.49 t TN、0.13 t TP、67.99 t SS、5.07 t CODCr和0.22 t NH3-N排入巢湖.若以此方案对6月16日降雨进行截流，截流后流入巢湖的径流中TN浓度为1.83 mg/L、TP浓度为0.37 mg/L、CODCr浓度为30.39 mg/L、NH3-N浓度为0.95 mg/L，TP和CODCr与合肥地表水体水质控制目标已非常接近.
对初期雨水的处理不能仅靠雨水径流的截流调蓄净化，针对汇水面的源头处理和对管道沉积物的清理，同样可以对初期雨水的治理起到重要作用.调蓄方案中截流时间仅靠一场降雨确定，存在较大误差，需要多次数据进行验证改进.
3 结论1) 研究区雨水径流中各污染物浓度前期波动较大且浓度较高，随着降雨的进行浓度迅速降低，变化趋于平稳；降雨径流中SS、CODCr和TP的EMC值相对较高；SS的EMC值波动最为显著.
2) 雨水径流中TN、TP、CODCr、SS间均呈正相关，对初期雨水中携带的悬浮颗粒物进行强制沉降有助于削减各种污染负荷；TN的EMC值受降雨量的影响较大，两者呈负相关；各污染物EPL值与各降雨特征间均呈正相关性，经估算2015年研究区在6—8月期间共有10.38 t TN、2.29 t TP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH3-N随降雨径流排入巢湖；降雨量和雨前干期是径流污染的主要影响因素.
3) 以FF50＞50为初期冲刷效应判别依据，5种污染物均有初期冲刷效应出现，冲刷强度表现为SS＞CODCr＞TP＞TN＞NH3-N；各水质指标的初期冲刷强度与降雨特征之间无相关性；雨型对初期冲刷现象影响较大.
4) 当降雨强度达1.36 mm/h即有径流汇集流出时开始截流，截取时间取440 min，截取的最大径流量取224319.14 m3，单次降雨最多可削减0.49 t TN、0.13 t TP、67.99 t SS、5.07 t CODCr和0.22 t NH3-N排入巢湖.
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