城区屋面、路面降雨径流水文水质特征研究

陈伟伟

（黄河水利科学研究院，郑州　450003）

摘　要：本文对新乡市2015年城区屋面、路面4场降雨-径流的水文、水质过程进行采样分析，水质指标包括pH值、SS（颗粒物）、COD（有机物）和DO（无机物）。研究结果表明：①不同场次径流曲线形态与降雨过程线类似，两者波动幅度相对较小，径流曲线滞后于降雨过程线5～20min；②屋面径流系数为0.92～0.98，路面径流系数为0.78～0.82；③径流初期污染严重，径流后期屋面COD、SS浓度分别在25mg/L和30mg/L以下，路面COD、SS浓度分别在203mg/L和458mg/L以下，各指标浓度在径流前期较后期变化较为明显；④屋面、路面径流中各指标标准差率均呈SS＞COD＞DO＞pH值的趋势，这与各自浓度变化过程的指向性一致；⑤径流中COD与SS之间的相关性较好，DO与其之间的相关性较差，表明在控制径流污染时可采取措施同时去除颗粒物和有机物，而对无机物的协同去除能力会有所降低；⑥径流中各指标浓度变化是由污染物累积排放规律所决定，径流水质受降雨量、降雨强度、下垫面材料、季节和气温等因素影响较大。

关键词：城区径流；水文水质特征；降雨-径流过程；场次平均浓度

随着城市化进程的加快，由城区降雨径流形成的污染已成为城市水环境污染的主要来源之一［1］。20世纪60年代中期以来，发达国家开展了大量的城市雨水径流污染研究，包括单场暴雨和长期平均污染负荷输出、径流污染特征和影响因子分析、3S技术在径流污染负荷研究中的应用、初期冲刷效应等［2-6］。我国学者对此研究远远滞后于美国、欧盟等国家和地区，2000年以后才引起广泛关注［5］。目前，这些研究成果较为零散，基础性研究较少，对降雨-径流的水文水质过程难以做出有效识别，径流污染研究的理论和方法较为落后，不利于研究径流污染物迁移过程、构建径流污染物模型、分析初期径流污染情况等。

因此，本文在对新乡市2015年城区屋面、路面天然降雨情况下降雨-径流水文水质过程进行同步监测分析的基础上，以径流中水质指标的浓度变化为主要对象，研究其运移变化特征。研究成果对于完善城区径流污染基础数据库、分析污染物迁移机理、构建城区雨水径流污染负荷模型、开发利用雨水资源、削减城市暴雨径流、建设生态型城市等提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　试验区域概况

新乡市地处河南省北部，位于东经113°23′～114°59′、北纬34°53′～35°53′，多年平均气温14.5℃，多年平均降雨量541mm，多年平均蒸发量1928mm，无霜期220d，年均日照时间2400h，平均风速2.0m/s，平均相对湿度68％。降雨量年内分配极不均匀，受东南季风影响，夏、秋两季降雨最为密集，其中6—9月降雨量占全年的70％以上。

1.2　取样与分析

屋面试验点设置在某单位办公楼顶，下垫面为沥青SBS防水材料，整个屋面均分为8个等面积区域，通过8根雨落管排走雨水径流。采样区域呈矩形，纵向坡度2％，长18.05m，宽7.50m，布置雨落管1根，天然降雨情况下利用75L聚乙烯桶收集屋面雨水径流。路面试验点为某科研基地的混凝土路面，采样区域呈矩形，横向坡度0.3％，纵向坡度1％，长3.85m，宽3.5m，天然降雨情况下利用50L聚乙烯桶收集路面雨水径流。

试验过程中，利用安装在距离试验点300m处的自动气象站（Vantage Pro 2）同步获得场次降雨过程线，根据记录的雨量累积数据，计算不同时刻降雨强度。对于各场次径流过程，根据单次采样耗时与容器体积计算的瞬时径流量作为采样起止时刻中值瞬时径流量，最后利用降雨强度、径流强度定量描述各场次降雨-径流水文水力过程。利用500mL聚乙烯瓶收集各场次降雨时屋面、路面雨水径流水样，水样采集后立即冷藏保存，按照国家环境监测标准方法在最短时间内进行分析。水样指标包括pH值、DO、SS和COD，其中pH值、DO利用便携式水质测量仪（MPS-Checker）分析，SS利用固体悬浮物测定仪（ET9270）分析，COD利用化学需氧量速测仪（QCOD-2E）分析。

1.3　污染物分析方法

1.3.1　场次平均浓度

受降雨-径流特性和污染物本身性质等影响，场次雨水径流中污染物浓度变化幅度大、随机性强。为表征场次径流污染事件的污染程度以及对受纳水体的影响，美国EPA提出了场次降雨-径流污染平均浓度（EMC）作为评价径流水质情况的标准［5］。EMC是指场次径流过程中污染物的流量加权平均浓度，即污染物总量与径流总量之比。假设场次径流时间为tr，EMC可采用式（1）计算：

式中：EMC为场次径流污染平均浓度，mg/L；M为场次径流中污染物总量，g；V为径流总量，m3；t为时间，min；Ct为t时刻污染物浓度，mg/L；Qt为t时刻径流流量，m3/min；Δt为采样间隔时间，min。

1.3.2　标准差率

应用函数标准差分析污染物浓度变化情况，采用式（2）计算：

式中：S为标准差；Xi为污染物浓度；为浓度均值；n为样本数。

由于浓度均值相差较大，为消除其影响，采用标准差率来分析污染物浓度变化幅度，采用式（3）计算：

式中：V为标准差率，其他符号意义同前。

1.3.3　污染物相关性

分析污染物之间的相关系数可以表征其相关性［3］，采用式（4）计算：

式中：RX，Y为污染物的相关系数；Cov（X，Y）为污染物浓度的协方差；SX、SY为污染物各自的标准差。

2　分析与讨论

2.1　降雨径流特性

2015年试验中4场（8月4日、8月10日、8月13日和9月6日）降雨历时分别为195min、225min、325min和640min，降雨量分别为4.01mm、51.79mm、68.28mm和25.41mm，平均雨强为0.021mm/min、0.23mm/min、0.21mm/min和0.04mm/min。其中，8月4日、8月13日这2场降雨峰值出现在初期，分别为0.195mm/min、4.877mm/min；8月13日这场降雨峰值出现在末期，为2.413mm/min；9月6日这场降雨为双峰型，次峰值在前，主峰值在后，分别为0.253mm/min、0.297mm/min。各场次降雨-径流过程见图1～图4。

由图1至图4分析可知，径流曲线变化形态与降雨过程线较为相似，但场次径流过程变化幅度要低于降雨过程，消除了降雨过程中的某些峰值。径流过程线均滞后于降雨过程线，滞后时间为5～20min。这是由蒸发、滞留、渗透等因素共同作用的结果。一般情况下，北方地区夏季为汛期，降雨集中，受下垫面温度较高的影响，降雨初期雨水降落后就立即蒸发；下垫面粗糙程度越高，雨水滞留量就越多，加之在任何类型的下垫面条件下，均有少量雨水径流的渗透。受上述因素的共同作用，径流必然会滞后于降雨一定时间发生，使得场次降雨的径流量与降雨量不相等。

径流系数为径流量与降雨量的比值，是表示特定下垫面条件对降雨形成径流的响应［4］。分析可知，屋面径流系数为0.92～0.98，均值为0.95；路面径流系数为0.78～0.82，均值为0.80。

2.2　径流中水质情况

根据试验结果，屋面初期径流（前15～20min）指标浓度：COD为20.3～2591.4mg/L，SS为18～591mg/L，DO为0.7～2.6mg/L，pH值为6.0～7.3；径流后期指标浓度：COD为7.6～1011.5mg/L，SS为9～127mg/L，DO为0.7～2.8mg/L，pH值为6.5～7.4。路面初期径流（前25～30min）指标浓度：COD为122～353mg/L，SS为285～919mg/L，DO为1.5～2.1mg/L，pH值为7.75～8.44；径流后期指标浓度：COD为50～203mg/L，SS为43～458mg/L，DO为1.4～2.0mg/L，pH值为7.21～8.45。2015年屋面、路面雨水径流中各指标的变化范围、浓度均值、场次平均浓度和标准差率情况分别见表1。

由表1分析可知，同类指标在不同场次径流中浓度变化趋势基本一致。其中，以SS、COD的变化幅度最大，二者在径流初期浓度急剧下降，后期逐渐变缓；随着径流过程的持续，SS、COD浓度逐渐降低并趋于一个稳定值。屋面径流中pH值随着降雨量的累积呈向中性接近的趋势，而路面径流则呈中性稍偏弱碱状态。DO浓度的变化幅度较大，随着降雨量的累积逐渐变小，但在降雨结束前有反弹并增大的趋势。

由各指标标准差率来看，均呈SS＞COD＞DO＞pH值的趋势，这与各自浓度变化过程的指向性一致。其中，以SS、COD的标准差率较大，这与二者在试验过程中浓度变化幅度较大的事实相符，应为雨水径流污染物去除的关键所在。

雨水径流中各指标浓度变化特征与污染物累积排放规律有关。一般情况下，新乡市（区）从秋季到次年春季，污染物主要处于累积阶段；夏季降雨频繁，污染物主要处于排放阶段，受雨水径流冲刷的影响，水质指标变化情况如上所述。屋面径流的水质改善程度较路面明显。造成这种现象的原因可能与路面容易受到外界干扰，污染物沉积速度快、量值大，场次降雨间隔时间内有较多的外源污染物再次堆积有关。分析结果表明，雨水径流水质情况受污染物沉积的影响较大，与降雨时间间隔、降雨强度、累积降雨量、降雨历时、下垫面材料新旧程度等因素关系密切。

2.3　污染物相关性

本文以SS、COD、DO分别代表颗粒物、有机物和无机物，分析径流中污染物之间的相关性，屋面、路面径流中污染物之间的相关系数见表2。由表2分析可知，SS、COD之间显著相关（显著水平在0.1以上），屋面径流中相关系数为0.59（＞0.5），而路面径流中二者的相关性则较屋面径流好，相关系数达0.75（＞0.5）。DO与COD、SS的相关性较差，相关系数均小于0.5。这与该地区大气以降尘为主要特征，场次降雨之间颗粒物可以获得较大的补充，并将其中的污染物溶解到雨水径流中，致使COD浓度增加的情况相符合。同时，也表明SS、COD之间的协同性较高，在制定径流污染控制措施时可采用统一手段协同去除。例如，采用初期径流弃除或生物滞留池等方法可有效去除径流污染中的颗粒物与有机物，而对无机物的协同去除能力会有所降低，需要考虑使用其他手段单独去除。

3　结语

（1）场次雨水径流形态与降雨过程线类似，但变化幅度要低于降雨过程线；径流曲线滞后于降雨过程线约5～20min；屋面径流系数在0.92～0.98之间，路面径流系数在0.78～0.82之间。

（2）径流初期污染严重，后期屋面径流中COD、SS浓度分别在25mg/L和30mg/L以下，路面径流中COD、SS浓度分别在203mg/L和458mg/L以下，各指标浓度在径流前期较后期变化较为明显。

（3）屋面、路面径流中各指标的标准差率均呈SS＞COD＞DO＞pH值的趋势，这与各自浓度变化过程的指向性一致。

（4）径流中COD、SS之间的相关性较好，而DO与其之间的相关性较差，表明在控制径流污染时可采取措施同时去除颗粒物和有机物，而对无机物的协同去除能力会有所降低。

（5）径流中各指标浓度变化是由污染物累积排放规律所决定，径流水质受降雨量、降雨强度、下垫面材料、季节和气温等因素的影响较大。

参考文献

［1］潘安君，张书函，陈建刚，等.城市雨水综合利用技术研究与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［2］祁赛君，王涌涛.苏州城市典型汇水面雨水径流初期冲刷规律分析［J］.环境科技，2011，24（s1）：41-43.

［3］董欣，杜鹏飞，李志一，等.城市降雨屋面、路面径流水文水质特征研究［J］.环境科学，2008，29（3）：607-612.

［4］陈伟伟，张会敏，黄福贵，等.城区屋面雨水径流水文水质特征研究［J］.水资源与水工程学报，2011，22（3）：86-88.

［5］尹澄清，等.城市面源污染的控制原理和技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［6］李立青，尹澄清，何庆慈，等.城市降水径流的污染来源与排放特征研究进展［J］.水科学进展，2006，17（2）：288-293.