周 峰，曹明明，柯 凡，張 瀏，馮慕華，李文朝

(1：西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127)(2：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)(3：江蘇高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215009)(4：安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，合肥 230001)

巢湖流域塘西河上游分流制系統(tǒng)降雨徑流污染特征及初期沖刷效應(yīng)*

周 峰1，曹明明1，柯 凡2,3**，張 瀏4，馮慕華2，李文朝2,3

(1：西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安 710127)(2：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)(3：江蘇高校水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，蘇州 215009)(4：安徽省環(huán)境科學(xué)研究院，合肥 230001)

研究城市徑流水質(zhì)變化及初期沖刷效應(yīng)對(duì)控制與治理城市徑流污染具有重要指導(dǎo)意義. 對(duì)塘西河上游6次降雨徑流水質(zhì)水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，計(jì)算次降雨徑流平均濃度(EMC)和單位面積次降雨徑流污染負(fù)荷(EPL)，作M(V)曲線(xiàn)圖研究初期沖刷現(xiàn)象. 結(jié)果表明：降雨徑流中懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(CODCr)和總磷(TP)的EMC值相對(duì)較大；SS的EMC值波動(dòng)最為顯著；總氮(TN)、TP、CODCr、SS間的EMC值均呈正相關(guān)；TN的EMC值與降雨量呈負(fù)相關(guān)性. 各污染物EPL值與各降雨特征間均呈正相關(guān)性，經(jīng)估算2015年研究區(qū)在6-8月共有10.38 t TN、2.29 t TP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH3-N隨降雨徑流排入巢湖；降雨量和雨前干期是城市徑流污染的主要影響因素；以FF50>50為初期沖刷效應(yīng)判別依據(jù)，5種污染物均有初期沖刷效應(yīng)出現(xiàn)，沖刷程度表現(xiàn)為SS>CODCr>TP>TN>NH3-N；各水質(zhì)指標(biāo)的初期沖刷強(qiáng)度與降雨特征之間無(wú)相關(guān)性；雨型對(duì)初期沖刷現(xiàn)象影響較大；當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)1.36 mm/h即有徑流匯集流出時(shí)開(kāi)始截流，截流時(shí)間取440 min，截取的最大徑流量取224319.14 m3.

塘西河；分流制排水系統(tǒng)；城市雨水徑流；初期沖刷；M(V)曲線(xiàn);巢湖流域

在湖泊污染治理過(guò)程中，隨著點(diǎn)源污染控制程度的提高，面源污染越來(lái)越成為湖泊水質(zhì)凈化的重點(diǎn)[1-2]. 隨著城市化的發(fā)展，不透水下墊面面積的增加，降雨時(shí)因雨水沖刷而形成的徑流污染日益嚴(yán)重，大中型城市在暴雨事件中的徑流污染和排洪防澇是建設(shè)海綿城市過(guò)程中遇到的問(wèn)題與挑戰(zhàn)[3]. 城市雨水徑流中含有烷烴物[4]、大腸桿菌[5]、重金屬[6-7]、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽[8-9]和懸浮物[10]等多類(lèi)污染物，如果不經(jīng)處理直接排放，會(huì)對(duì)湖泊等受納水體的水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[11]，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)雨水徑流中污染物和重金屬的研究比較多. 在城市降雨徑流形成的初期階段，徑流中攜帶大量污染物的情況稱(chēng)為初期沖刷效應(yīng)[12-13]，這一部分雨水徑流被定義為初期雨水[14]. 如果在降雨過(guò)程中表現(xiàn)出了較為強(qiáng)烈的初期沖刷現(xiàn)象，可以將攜帶大部分污染物的初期雨水進(jìn)行截流處理，凈化后再排放. 所以初期沖刷效應(yīng)的研究對(duì)控制治理城市降雨徑流污染有重要指導(dǎo)意義.

初期沖刷形成過(guò)程復(fù)雜，影響因素繁多，雨前干期、降雨類(lèi)型、下墊面土地利用類(lèi)型和匯水面積等均會(huì)對(duì)初期沖刷效應(yīng)產(chǎn)生顯著影響[15]. 目前研究中，常用的初期沖刷效應(yīng)判定方法有M(V)曲線(xiàn)法[16]和b參數(shù)法[17]，其中M(V)曲線(xiàn)法應(yīng)用最為廣泛. M(V)曲線(xiàn)法是基于污染物質(zhì)量累計(jì)比例和徑流量累計(jì)比例所作的曲線(xiàn)，對(duì)角線(xiàn)表示污染物隨徑流均勻排放，F(xiàn)Fn表示前n%雨水徑流中所攜帶污染物的百分比. Saget等使用FF30>80作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定初期沖刷現(xiàn)象的發(fā)生[18]，但此標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于嚴(yán)格，Sun等對(duì)法國(guó)一城市2004-2011年間162場(chǎng)降雨進(jìn)行M(V)曲線(xiàn)分析[10]，發(fā)現(xiàn)所有降雨事件中均未出現(xiàn)FF30>80的現(xiàn)象. Gupta等認(rèn)為當(dāng)曲線(xiàn)位于判別線(xiàn)上方，即FF50>50時(shí)便可說(shuō)明出現(xiàn)初期沖刷現(xiàn)象[19]，曲線(xiàn)距判別線(xiàn)距離越大，沖刷越明顯.

根據(jù)研究區(qū)特征的不同，對(duì)初期沖刷的研究可分為小匯水面源頭沖刷和管渠沖刷[14]. 小匯水面源頭沖刷是指居民區(qū)[20]、高速公路[21]、停車(chē)場(chǎng)[22]等土地利用類(lèi)型單一、匯水面積較小的沖刷過(guò)程；管渠沖刷是徑流對(duì)多個(gè)小匯水面和排水管渠的綜合沖刷過(guò)程，匯水面積較大，土地利用類(lèi)型復(fù)雜. 管渠沖刷包括合流制溢流沖刷[23]和雨水管網(wǎng)沖刷[24-25]，合流制溢流沖刷因管內(nèi)沉積物和截流設(shè)施等因素的影響，沖刷作用更為復(fù)雜[26]，目前對(duì)管渠沖刷的研究對(duì)象多是合流制管道，但隨著城市化的發(fā)展，越來(lái)越多的新區(qū)在規(guī)劃建設(shè)時(shí)實(shí)行雨污分流，老城區(qū)的合流制系統(tǒng)也在逐漸進(jìn)行分流制改造或替換，所以針對(duì)雨水管網(wǎng)沖刷的研究對(duì)于控制城市面源污染更具有指導(dǎo)意義.

巢湖是長(zhǎng)江水系下游淺水型湖泊，位于安徽省中部，是我國(guó)五大淡水湖之一，由于水質(zhì)較差，屬于我國(guó)水污染防治重點(diǎn)對(duì)象之一. 本研究選取巢湖流域塘西河上游匯水區(qū)為研究對(duì)象，該區(qū)域匯水面積相對(duì)較大，土地利用類(lèi)型多樣且排水系統(tǒng)為分流制排水系統(tǒng)，降雨時(shí)產(chǎn)生的初期沖刷為典型的雨水管網(wǎng)沖刷，所以研究該區(qū)域的初期沖刷現(xiàn)象具有一定代表性. 塘西河整治工程已基本完成，所以由降雨沖刷形成的初期雨水是塘西河的主要污染源，初期雨水經(jīng)雨水管網(wǎng)匯入塘西河，然后流入巢湖. 為了防止塘西河在降雨天氣下攜帶大量污染物流入巢湖，需要對(duì)初期雨水的水質(zhì)水量、污染特征及沖刷特性進(jìn)行研究，以期為城市面源污染的防治提供參考.

圖1 合肥市月平均降雨量

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

合肥位于安徽省中部，長(zhǎng)江、淮河之間，巢湖之濱，年平均降雨量為996.41 mm，降雨集中在每年的6、7、8月份，3個(gè)月總降雨量平均占全年的43.55%(圖1)(數(shù)據(jù)來(lái)源于中央氣象網(wǎng)).

塘西河是流入巢湖的重要水系之一，是一條季節(jié)性、雨源性河流，全長(zhǎng)12.7 km，流域面積50 km2[27]，上游位于經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)排水管道系統(tǒng)為雨污分流制，但為了緩解當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的壓力，每天會(huì)有少量生活污水排入到雨水管道中，所以雨污分流得不徹底，經(jīng)監(jiān)測(cè)估算每天會(huì)有100 m3左右的污水排入雨水管道中，因污水水量太小，在降雨產(chǎn)生徑流的過(guò)程中其影響可以忽略. 塘西河上游匯水面積約24.83 km2，雨水經(jīng)兩路箱涵流入塘西河，一路通過(guò)4.0 m×2.5 m的箱涵和南艷湖相連，另一路通過(guò)兩根4.0 m×2.5 m的箱涵與經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)雨水管網(wǎng)連接. 由于南艷湖的自?xún)襞c調(diào)節(jié)作用，降雨時(shí)產(chǎn)生的徑流水質(zhì)較好，流量變化慢，可直接排入塘西河. 經(jīng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)雨水管網(wǎng)從另一路箱涵排出的雨水徑流是本次研究的重點(diǎn).

研究區(qū)(圖2)土地利用類(lèi)型相對(duì)較復(fù)雜，以生活區(qū)、工業(yè)區(qū)和透水區(qū)為主.工業(yè)區(qū)占總面積的26.41%，雨水徑流系數(shù)為0.9；透水區(qū)占26.46%，透水區(qū)包括草地、林地、裸地等雨水可以快速滲入土壤的地區(qū)，雨水徑流系數(shù)為0.15；生活區(qū)占31.20%，包括居民小區(qū)、廣場(chǎng)、商場(chǎng)等地區(qū)，雨水徑流系數(shù)為0.9；道路面積占15.92%，雨水徑流系數(shù)為0.9. 研究區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.7，不透水地區(qū)占匯水面積的73.54%，平均坡度為0.47%，排水管道主渠道長(zhǎng)13.69 km.

圖2 研究區(qū)概況

1.2 樣品采集與分析

采樣點(diǎn)位于與雨水管網(wǎng)連接的箱涵出口處，采集的徑流存儲(chǔ)于1 L潔凈聚乙烯瓶?jī)?nèi). 樣品采集使用“前密后疏”方式：從有徑流從采樣點(diǎn)流出時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí). 第1 h每5 min采水樣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后每小時(shí)采1次. 采樣同時(shí)測(cè)定水位以計(jì)算流量，使用自動(dòng)式雨量計(jì)記錄降雨數(shù)據(jù). 采樣期間的降雨特征見(jiàn)表1. 采樣結(jié)束后立即將水樣送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理. 對(duì)雨水徑流的測(cè)試指標(biāo)包括總氮(TN)、總磷(TP)、懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)，指標(biāo)的測(cè)定參照文獻(xiàn)[28].

表1 降雨特征

1.3 研究方法

每場(chǎng)降雨產(chǎn)生的徑流中各指標(biāo)的平均濃度以次降雨徑流平均濃度(EMC)[29]表示，其實(shí)質(zhì)是雨水徑流中瞬時(shí)污染物濃度的流量加權(quán)平均數(shù), 其計(jì)算公式為：

(1)

在每場(chǎng)降雨過(guò)程中，研究區(qū)單位面積上產(chǎn)生污染物的量以單位面積次降雨徑流污染負(fù)荷(EPL)[30]表示，其計(jì)算公式為：

(2)

式中,M為污染物總量(g),V為總徑流量(m3),Ct為t時(shí)刻污染物濃度(mg/L),Qt為t時(shí)刻徑流量(m3/s),A為研究區(qū)面積(km2).

通過(guò)作M(V)曲線(xiàn)圖來(lái)研究降雨過(guò)程中的初期沖刷現(xiàn)象，以FF50>50為判定初期沖刷現(xiàn)象出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn).

2 結(jié)果與討論

2.1 雨水徑流水質(zhì)特征

6次降雨形成的徑流中污染物濃度變化趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為在徑流形成初期達(dá)到峰值，然后降低，其中6月16日此趨勢(shì)表現(xiàn)得最為明顯. 6月16日各污染物濃度峰值出現(xiàn)在徑流形成初期，且波動(dòng)較大，然后迅速下降，變化趨于平穩(wěn)(圖3). 與小匯水面源頭沖刷相比較，除前期濃度變化波動(dòng)較大外，趨勢(shì)基本相同.

由于研究對(duì)象屬于大匯水面積的管渠沖刷，雨水管道入口多，降雨形成的徑流經(jīng)雨水管網(wǎng)匯集后在采樣點(diǎn)排出. 匯水區(qū)可分為多個(gè)大小不一的小匯水面，各個(gè)小匯水面距采樣點(diǎn)的遠(yuǎn)近不同，因此各個(gè)小匯水面所匯集的雨水徑流經(jīng)管渠到達(dá)采樣點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)短及污染物濃度存在一定差異，不同濃度徑流混合過(guò)程的復(fù)雜性和隨機(jī)性導(dǎo)致各污染物濃度波動(dòng)變化較大.

圖3 6月16日徑流中各污染物濃度變化

6場(chǎng)降雨徑流中污染物EMC值可以看出,同一種污染物EMC值在不同降雨過(guò)程中波動(dòng)較大，其中SS的EMC值波動(dòng)最為顯著(表2). 目前合肥地表水體水質(zhì)控制目標(biāo)為準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將6場(chǎng)降雨產(chǎn)生的地表徑流中污染物EMC值與準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和地表水Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，污染物EMC的平均值均超出地表水Ⅴ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明污染較為嚴(yán)重，其中TN和CODCr的EMC值分別超過(guò)地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的2.44倍和2.15倍；與準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)比較，TN和NH3-N的EMC平均值均未超標(biāo)，但準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TP和CODCr要求更為嚴(yán)格，TP和CODCr的EMC平均值分別超出準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)1.97倍和2.86倍. 謝繼鋒等[31]在合肥對(duì)不同下墊面的雨水徑流和自然雨水的水質(zhì)特征進(jìn)行研究，表明自然雨水中TN濃度平均值為4.631±3.614 mg/L，與本次研究中TN的EMC值相近，說(shuō)明研究區(qū)雨水徑流中TN主要來(lái)自于降雨過(guò)程中的淋溶作用. 謝繼鋒等[31]研究的下墊面包括草地、屋面、校園內(nèi)路面和校園外路面4種類(lèi)型，與其數(shù)據(jù)相比，本次研究中TN、TP、CODCr和SS的EMC值均高于草地、屋面和校內(nèi)道路徑流中的平均濃度，均低于校外道路徑流中的平均濃度，說(shuō)明研究區(qū)徑流中各污染物的EMC值是雨水對(duì)不同下墊面沖刷的綜合作用結(jié)果.

以目前合肥市施行的準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為參照，如果建設(shè)調(diào)蓄凈化池對(duì)研究區(qū)初期雨水進(jìn)行處理，CODCr和TP是主要處理對(duì)象，考慮到磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因素之一，初期雨水中的磷要采取措施進(jìn)行深度處理. 6場(chǎng)降雨過(guò)程中SS的EMC值變化范圍是46.82～377.86 mg/L，平均值為161.05 mg/L，濃度變化波動(dòng)大且污染顯著，因此對(duì)初期雨水的SS處理也要重點(diǎn)考慮. TN和NH3-N的EMC平均值雖未超標(biāo)，但兩者在徑流形成初期時(shí)存在較高的瞬時(shí)濃度，TN濃度最高可達(dá)14.05 mg/L，NH3-N最高濃度達(dá)7.80 mg/L，因此初期雨水中氮的影響不可忽視.

表2 污染物EMC值

6場(chǎng)降雨過(guò)程中EPL值可知,不同降雨過(guò)程中EPL值差異很大(表3). Qin等[30]對(duì)深圳某地區(qū)的降雨徑流污染特征進(jìn)行了研究，匯水面積與本次研究相近，排水系統(tǒng)為合流制，選取本次研究中降雨量相近的降雨事件與其進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)TN、CODCr、SS和NH3-N的EPL值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Qin等在深圳的研究數(shù)據(jù)，原因可能是合流制排水管道中沉積物的影響. 本研究中TP的EPL略大于Qin[30]在深圳的研究結(jié)果，這可能是巢湖流域土壤磷含量高所導(dǎo)致.

表3 污染物EPL值

徑流中污染物主要來(lái)源于地表污染物積累[33]，匯水面積越大，累計(jì)污染物越多. 研究區(qū)地處合肥市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，工業(yè)園區(qū)面積占總匯水面積的26.41%，分布著汽車(chē)制造、機(jī)械加工和包裝材料加工等企業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)，降雨時(shí)可能有油類(lèi)、脂類(lèi)、還原性有機(jī)物等污染物隨徑流流入雨水管網(wǎng)；研究區(qū)道路面積占匯水面積的15.92%，機(jī)動(dòng)車(chē)輪胎磨損、汽油潤(rùn)滑油泄漏還有燃料的不完全燃燒會(huì)引起SS、有機(jī)物、重金屬污染[34]，道路兩旁的綠化會(huì)定期施肥和噴灑農(nóng)藥，會(huì)引起有機(jī)物和氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染；研究區(qū)面積中生活區(qū)占31.20%，主要是大學(xué)城、居民小區(qū)和購(gòu)物廣場(chǎng)，此區(qū)域有較高的人口、車(chē)流密度，餐飲業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)，管理不善時(shí)會(huì)出現(xiàn)垃圾無(wú)序堆放、餐飲殘?jiān)S意傾倒的現(xiàn)象，所以此區(qū)域徑流污染物濃度相對(duì)較高[35-36]；占總面積26.46%的透水區(qū)引起的污染最小，但其中裸地區(qū)域會(huì)使徑流中SS增大，動(dòng)植物殘?bào)w會(huì)使徑流中有機(jī)質(zhì)增多，公園綠地施肥會(huì)使徑流中氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽增多. 此外，大氣沉降會(huì)在地表積累氮磷[33-34]，工地會(huì)引起徑流中SS增加，研究區(qū)雨水管道內(nèi)每天會(huì)排入少量生活污水，雖然量很少，但流速慢易造成污染物沉積，影響也不可忽略[37]. 綜合分析表明，徑流中污染物主要來(lái)源于工業(yè)區(qū)和生活區(qū)地表污染物的積累，當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)活動(dòng)有所變化時(shí)，徑流污染程度可能會(huì)有所不同.

表4 污染物相關(guān)性

Tab.4 Correlation among pollutants

污染物TNTPCODCrSSTP0.582**CODCr0.467**0.567**SS0.105*0.679**0.394**NH3-N0.635**0.310**0.203**0.008

**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，下同.

2.2 相關(guān)性分析

雨水徑流中各污染指標(biāo)間的相關(guān)性對(duì)初期雨水的治理有重要意義. SS和TN、TP三者分別與CODCr之間均呈正相關(guān)，其中SS與TP、CODCr的正相關(guān)性更顯著(表4)，表明TP和CODCr大部分以顆粒態(tài)存在，這與王龍濤[9]在重慶的研究結(jié)論相一致. 在對(duì)初期雨水進(jìn)行處理時(shí)，以去除SS為目的的物理方法也會(huì)對(duì)氮磷和有機(jī)物有一定的處理效果.

為研究降雨特征對(duì)EMC和EPL值的影響，分別將6場(chǎng)降雨的EMC、EPL值與雨強(qiáng)、雨前干期、平均雨強(qiáng)、最大雨強(qiáng)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明雨水徑流污染指標(biāo)中只有TN的EMC值與降雨量、平均雨強(qiáng)和最大雨強(qiáng)之間呈顯著負(fù)相關(guān)，其余污染指標(biāo)與降雨特征間不存在顯著相關(guān)性(表5). 隨著降雨量的增大，對(duì)污染源持續(xù)的沖刷作用和徑流量變大的稀釋作用使TN濃度變小.

各污染物EPL值與4種降雨特征間均呈正相關(guān)，與降雨量和最大降雨量均呈顯著正相關(guān). 將各污染物EPL值與降雨量進(jìn)行線(xiàn)性擬合得出的公式(表6)，可以對(duì)任意一場(chǎng)降雨事件中由徑流攜帶流入巢湖的污染物質(zhì)量進(jìn)行估算.6、7、8月降雨量平均占全年降雨量的43.55%，2015年研究區(qū)6-8月期間共有10.38 t TN、2.29 t TP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH3-N隨降雨徑流排入巢湖.

表5 EMC、EPL值與降雨特征相關(guān)性

表6 各污染物EPL值與降雨量的擬合公式

Tab.6 Fitting formula betweenEPLof each pollutant and rainfall

污染物公式R2TNy=0.7646x-0.88860.9971TPy=0.1602x0.9708CODCry=10.879x+9.84540.9869SSy=71.488x0.9538NH3-Ny=0.362x0.9707

因污染物主要源于地表污染物積累，所以雨前干期和降雨量會(huì)對(duì)污染物濃度產(chǎn)生較大影響，污染物EPL值與降雨特征間均呈正相關(guān)，符合規(guī)律，但各污染物EMC值卻與降雨特征間基本無(wú)相關(guān)性. 當(dāng)降雨量小于2.5 mm且降雨時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，雨水僅使地面濕潤(rùn)，沒(méi)有或有少量徑流產(chǎn)生，污染物仍留在地表或在管道內(nèi)沉積，6月26日之前的降雨事件中，降雨量為2.8 mm，僅產(chǎn)生少量徑流，所以雖然6月26日降雨事件雨前干期僅為1 d，但地表污染物實(shí)際經(jīng)過(guò)了8 d的積累，所以各污染物濃度相對(duì)較高. 8月19日降雨量最小但部分污染物濃度較大，6月16日降雨量最大但部分污染物濃度較小，這是因?yàn)橛炅啃r(shí)徑流對(duì)污染物的沖刷不完全，雨量過(guò)大時(shí)又會(huì)產(chǎn)生稀釋作用. 7月23日與7月16日這2場(chǎng)降雨事件中，7月23日的降雨量與雨前干期大，徑流中各污染物濃度均比7月16日高，符合規(guī)律. 所以，雖然從數(shù)據(jù)上看EMC值與各降雨特征間基本無(wú)相關(guān)性，但綜合分析后可知降雨量和雨前干期是徑流污染的主要影響因素.

2.3 初期沖刷效應(yīng)分析

從M(V)曲線(xiàn)圖可以看出,6場(chǎng)降雨過(guò)程中均有污染物表現(xiàn)出初期沖刷效應(yīng)，整體來(lái)看，6月26日降雨的初期沖刷強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，TN、TP、CODCr和SS的FF50均超過(guò)60，CODCr初期沖刷效應(yīng)最強(qiáng)烈，達(dá)92.06，TN和NH3-N在6月16日的降雨過(guò)程中未出現(xiàn)初期沖刷，兩者表現(xiàn)出了“后期沖刷”(圖4)；單次降雨過(guò)程中，不同污染物表現(xiàn)出不同的沖刷強(qiáng)度，各污染物FF50平均值表現(xiàn)為SS>CODCr>TP>TN>NH3-N，可以看出SS和CODCr的初期沖刷效應(yīng)相對(duì)顯著(圖5)，這與Li等[38]在武漢的研究結(jié)果相類(lèi)似；5種污染物中只有TP在6場(chǎng)降雨過(guò)程中均出現(xiàn)初期沖刷現(xiàn)象，其FF50平均值達(dá)61.90；NH3-N的初期沖刷強(qiáng)度最弱，只出現(xiàn)3次初期沖刷現(xiàn)象，其FF50平均值小于50.

圖4 6次降雨的M(V)曲線(xiàn)

雨型會(huì)對(duì)初期沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生一定影響，根據(jù)降雨過(guò)程中雨強(qiáng)的分布變化，6次降雨事件的雨型可分為：6月26日和7月23日為前期單峰型，雨強(qiáng)峰出現(xiàn)在降雨過(guò)程前期；7月16日和8月19日為中期單峰型，雨強(qiáng)峰出現(xiàn)在降雨過(guò)程中期；6月6日和8月9日為多峰型，降雨過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)雨強(qiáng)峰. 比較不同雨型各污染物的FF50平均值，發(fā)現(xiàn)同一污染物在不同降雨雨型中FF50平均值差別較大，說(shuō)明雨型對(duì)初期沖刷現(xiàn)象有較大影響. 前期單峰型降雨各污染物FF50平均值均最大且均超過(guò)50，多峰型降雨除TP外，其他污染物FF50平均值均最小，可見(jiàn)前期單峰型降雨最容易出現(xiàn)初期沖刷現(xiàn)象(表7).

圖5 污染物FF50平均值

與小匯水面源頭沖刷[39]相比，本次研究中的初期沖刷強(qiáng)度相對(duì)較弱. 與其他地區(qū)的管渠沖刷相比，也得出了幾點(diǎn)不一致的結(jié)論，例如：Taebi等[40]對(duì)伊朗某城市進(jìn)行徑流污染研究后，認(rèn)為降雨強(qiáng)度及降雨量越大，初期沖刷效應(yīng)越明顯；Li等[38]在武漢的研究顯示雨前干期越長(zhǎng)，初期沖刷越明顯. 通過(guò)分析本次研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，初期沖刷強(qiáng)度與各降雨特征間無(wú)相關(guān)性. 造成研究結(jié)果有差異的原因是多方面的，研究區(qū)匯水面積越大，徑流的產(chǎn)生和輸送過(guò)程越為復(fù)雜. 本研究區(qū)匯水面積與以往研究相比較大，降雨類(lèi)型、土地利用類(lèi)型、管道特征和管道內(nèi)沉積物等因素對(duì)徑流的流量水質(zhì)、初期沖刷效應(yīng)強(qiáng)度的影響均會(huì)因匯水面積的增大而變大. Sztruhár等[41]指出徑流在管道內(nèi)的匯流時(shí)間會(huì)對(duì)是否發(fā)生初期沖刷有顯著影響. 王俊松等[42]對(duì)昆明3個(gè)集水區(qū)的降雨徑流分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，得到降雨歷時(shí)和雨前干期對(duì)初期沖刷無(wú)明顯影響的結(jié)論. 譚瓊等[43]對(duì)上海合流制排水系統(tǒng)的研究也表明，各水質(zhì)指標(biāo)初期沖刷效應(yīng)隨匯水面積的增大而減小.

表7 不同雨型的FF50平均值

2.4 初期雨水工程調(diào)蓄凈化建議

由于研究區(qū)在降雨過(guò)程中產(chǎn)生的徑流量大且污染顯著，需要采取工程措施對(duì)初期雨水進(jìn)行調(diào)蓄凈化. 通過(guò)以上研究可知，研究區(qū)降雨雖然存在初期沖刷效應(yīng)，但沖刷強(qiáng)度較弱，需對(duì)大量徑流進(jìn)行截流處理，結(jié)合8月19日降雨數(shù)據(jù)可知，當(dāng)降雨強(qiáng)度為1.36 mm/h時(shí)地面會(huì)產(chǎn)生徑流進(jìn)行匯集. 潘國(guó)慶等[44]通過(guò)對(duì)合肥30年的降雨量日值資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到合肥的設(shè)計(jì)降雨量為31.4 mm，即24 h內(nèi)，控制前31.4 mm的降雨量可以處理85.9%的年徑流污染. 但設(shè)計(jì)降雨量只是從降雨事件控制率出發(fā)，沒(méi)有考慮具體的水質(zhì)狀況，通常后期徑流污染物濃度會(huì)降低. 結(jié)合本研究中6月16日降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出研究區(qū)降雨31.4 mm時(shí)產(chǎn)生的徑流量為224319.14 m3.

本研究6場(chǎng)降雨事件中有5場(chǎng)降雨量未超過(guò)21 mm，通過(guò)研究合肥市2011-2015年近5年降雨數(shù)據(jù)可知：5-9月日降雨量小于21 mm的天數(shù)占總降雨天數(shù)的78.51%. 所以可將日降雨量小于21 mm的降雨徑流全部截流，超過(guò)21 mm的降雨截取最大徑流量取224319.14 m3. 考慮到截流的可操作性，可從時(shí)間上進(jìn)行截流. 8月9日徑流從產(chǎn)生匯集到完全流出用時(shí)440 min，所以從有徑流流出開(kāi)始計(jì)時(shí)，截取前440 min內(nèi)流出的徑流，調(diào)蓄池體積可參考224319.14 m3進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)截取的徑流量在前440 min便達(dá)到224319.14 m3時(shí)，可在達(dá)到時(shí)刻停止截流.

調(diào)蓄方案可設(shè)計(jì)為：當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)1.36 mm/h即有徑流匯集流出時(shí)開(kāi)始截流，截流時(shí)間取440 min，截取的最大徑流量取224319.14 m3. 用此方案單次降雨最多可削減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. 若以此方案對(duì)6月16日降雨進(jìn)行截流，截流后流入巢湖的徑流中TN濃度為1.83 mg/L、TP濃度為0.37 mg/L、CODCr濃度為30.39 mg/L、NH3-N濃度為0.95 mg/L，TP和CODCr與合肥地表水體水質(zhì)控制目標(biāo)已非常接近.

對(duì)初期雨水的處理不能僅靠雨水徑流的截流調(diào)蓄凈化，針對(duì)匯水面的源頭處理和對(duì)管道沉積物的清理，同樣可以對(duì)初期雨水的治理起到重要作用. 調(diào)蓄方案中截流時(shí)間僅靠一場(chǎng)降雨確定，存在較大誤差，需要多次數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證改進(jìn).

3 結(jié)論

1)研究區(qū)雨水徑流中各污染物濃度前期波動(dòng)較大且濃度較高，隨著降雨的進(jìn)行濃度迅速降低，變化趨于平穩(wěn)；降雨徑流中SS、CODCr和TP的EMC值相對(duì)較高；SS的EMC值波動(dòng)最為顯著.

2)雨水徑流中TN、TP、CODCr、SS間均呈正相關(guān)，對(duì)初期雨水中攜帶的懸浮顆粒物進(jìn)行強(qiáng)制沉降有助于削減各種污染負(fù)荷；TN的EMC值受降雨量的影響較大，兩者呈負(fù)相關(guān)；各污染物EPL值與各降雨特征間均呈正相關(guān)性，經(jīng)估算2015年研究區(qū)在6-8月期間共有10.38 t TN、2.29 t TP、1022.43 t SS、161.70 t CODCr和5.18 t NH3-N隨降雨徑流排入巢湖；降雨量和雨前干期是徑流污染的主要影響因素.

3)以FF50>50為初期沖刷效應(yīng)判別依據(jù)，5種污染物均有初期沖刷效應(yīng)出現(xiàn)，沖刷強(qiáng)度表現(xiàn)為SS>CODCr>TP>TN>NH3-N；各水質(zhì)指標(biāo)的初期沖刷強(qiáng)度與降雨特征之間無(wú)相關(guān)性；雨型對(duì)初期沖刷現(xiàn)象影響較大.

4)當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)1.36 mm/h即有徑流匯集流出時(shí)開(kāi)始截流，截取時(shí)間取440 min，截取的最大徑流量取224319.14 m3，單次降雨最多可削減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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Analysis of pollution characteristics and first flush effect in rainfall runoff in separate storm sewer system in upstream of Tangxi River,Chaohu Catchment

ZHOU Feng1, CAO Mingming1, KE Fan2,3**, ZHANG Liu4, FENG Muhua2& LI Wenchao2,3

(1:CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences，NorthwesternUniversity，Xi’an710127，P.R.China)(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)

Understandingtherunoffwaterqualityandfirstflusheffectscanguidethemanagementofurbanrunoffpollution.Sixrainfalleventsweremonitoredandeventmeanconcentration(EMC)andeventpollutantloadsperunitarea(EPL)werecalculatedintheupstreamsofTangxiRiver.TheM(V)curvewasusedtoshowthefirstflusheffects.TheresultsshowedthattheEMCofsuspendedsolids(SS),chemicaloxygendemand(CODCr)andtotalphosphorous(TP)wererelativelylargeinrainfallrunoff.TheEMCofSShasthemostsignificantfluctuations.Therewasapositivecorrelationbeweentotalnitrogen(TN),TP,CODCrandSS.TheEMCofTNwasnegativelycorrelatedwiththerainfall.TheEPLofrunoffwaterpollutionhasapositivecorrelationwiththerainfallcharacteristics.Approximately10.38tTN, 2.29tTP, 1022.43tSS, 161.70tCODCrand5.18tNH3-NwereinputintotheLakeChaohuviarunoffsinJune,July,andAugust, 2015.Rainfallandantecedentdryweatherperiodwerethemaininfluencingfactorsoftheurbanstormrunoffpollution.Fivekindsofpollutantshadtheirownfirstflusheffects,employingtheFF50>50asthestandard,themagnitudeofthefirstflusheffectwasSS>CODCr>TP>TN>NH3-N.Therewasnocorrelationbetweenthemagnitudeoffirstflushandrainfalls.Therainfallpatterncouldhaveastrongeffectonthefirstflusheffect.Itisrecommendedtoclosuretherunoffswhentherainintensityreachesto1.36mm/h,i.e.therunoffsbegintoconvergewiththedurationof440min,andthemaximuminterceptrunoffamountsis224319.14m3.

TangxiRiver;separatestormsewersystem;urbanstormwaterrunoff;firstflush;M(V)curve;ChaohuCatchment

*國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07103)資助.2016-01-08收稿;2016-06-28收修改稿.周峰(1990～)，男，碩士研究生;E-mail:550296221@qq.com.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2017， 29(2)： 285-296

DOI 10.18307/2017.0204

?2017 byJournalofLakeSciences

**通信作者;E-mail: fke@niglas.ac.cn.