周志鵬，陳 鐵，楊松文，母家樂(lè)，王明明，董文藝，孫飛云*

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院 深圳518055)

近年來(lái)，城市化進(jìn)程加快，隨之而來(lái)的是地面不透水面積增大，雨水徑流量及徑流攜帶的負(fù)荷也隨之增大[1]。城市面源污染已成為地表水體污染中僅次于農(nóng)業(yè)面源污染的第二大面源污染源[2]。城市人類活動(dòng)強(qiáng)度增大導(dǎo)致地表累積污染物的數(shù)量和種類急劇增加，城市地表徑流污染程度加重，水體污染的貢獻(xiàn)份額也有逐步升高的趨勢(shì)[3]。影響城市降雨徑流的影響因素主要可分為降雨特征、用地類型和其他因素。其中，降雨特征中一個(gè)重要因素為降雨雨型。對(duì)于降雨過(guò)程而言，每一場(chǎng)都會(huì)呈現(xiàn)出不同的降雨特征。包高馬佐娃[4]通過(guò)對(duì)降雨過(guò)程的大量統(tǒng)計(jì)分析，將降雨過(guò)程概括為 3類雨型：?jiǎn)畏逍陀晷停浞逯捣謩e位于前部、后部和中部；均勻型雨型；雙峰型雨型。

美國(guó)、英國(guó)、荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)70年代就對(duì)城市地表徑流開(kāi)展了大量的測(cè)試及研究工作，其內(nèi)容包括地表徑流雨水的水質(zhì)測(cè)試及特性研究、城市地表徑流對(duì)地表水體的影響、描述地表徑流污染排放規(guī)律的數(shù)學(xué)模型以及污染控制措施等[5]。我國(guó)對(duì)此研究起步較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)降雨徑流污染的研究主要分為降雨徑流、匯流的形成、污染物的遷移 3個(gè)部分。對(duì)降雨徑流的研究主要是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同降雨歷時(shí)各污染物的濃度，對(duì)匯流的形成及污染物遷移的研究主要通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。例如夏青[6]對(duì)北京市城市地表徑流污染狀況的研究，車(chē)武等[7]對(duì)北京市城市地表徑流水質(zhì)的研究，曹丹丹等[8]對(duì)西安市城市地表徑流水質(zhì)污染及控制研究，張善發(fā)等[9]對(duì)上海市地表徑流污染負(fù)荷研究，黃金良等[10]對(duì)澳門(mén)城市小流域地表徑流污染特征研究，李立青等[11]對(duì)武漢漢陽(yáng)地區(qū)城市地表徑流污染負(fù)荷研究等。

目前針對(duì)城市降雨徑流負(fù)荷的影響因素缺乏系統(tǒng)的分析，尤其是缺乏典型南方城市不同典型雨型情況下的降雨徑流特征分析。因此，針對(duì)不同典型雨型條件下降雨徑流污染物濃度的變化進(jìn)行研究，并結(jié)合相對(duì)應(yīng)南方典型小流域城市主要的雨型特點(diǎn)制定適宜的城市降雨徑流控制措施是有必要的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

我國(guó)南方地區(qū)主要的氣候條件為亞熱帶季風(fēng)氣候、熱帶季風(fēng)氣候和赤道季風(fēng)氣候。本研究選取的研究區(qū)域?yàn)閬啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候的深圳市觀瀾河流域。

觀瀾河流域位于深圳市中北部，北與東莞市交界，南鄰深圳市福田區(qū)，包括深圳市龍華區(qū)、光明區(qū)與部分龍崗區(qū)，流域總集水面積為 189.66km2。觀瀾河流域地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季盛行東南風(fēng)和西南風(fēng)。根據(jù)深圳氣象臺(tái)資料統(tǒng)計(jì)，觀瀾河流域多年平均氣溫為 22℃，多年平均降雨量為 1825mm，且降雨量在全年分布不均，4～9月為雨季，降雨量約占全年降雨量的 84%。觀瀾河流域內(nèi)主要河流為觀瀾河及其 14條一級(jí)支流，通過(guò)《深圳市土地利用規(guī)劃圖》與現(xiàn)場(chǎng)踏勘確定觀瀾河流域建成區(qū)總面積為 161.26km2，其中工業(yè)區(qū)占32.23%，城中村占 17.74%，住宅區(qū)占 16.10%，交通道路占 11.65%，商業(yè)區(qū)占 7.60%以及公共服務(wù)與管理用地(以下簡(jiǎn)稱公管區(qū)，主要包括學(xué)校、政府用地與公園廣場(chǎng))占14.61%。觀瀾河集水區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)研究區(qū)域的土地利用類型分布見(jiàn)圖1。

圖1 觀瀾河集水區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)研究區(qū)域的土地利用類型分布圖Fig.1 Distribution of land use types in field study area

1.2 監(jiān)測(cè)方案與監(jiān)測(cè)指標(biāo)

1.2.1 監(jiān)測(cè)方案

城市降雨徑流污染監(jiān)測(cè)方案制定的流程如圖 2所示。

圖2 城市降雨徑流污染監(jiān)測(cè)方案制定的流程圖Fig.2 Flow chart of urban rainfall runoff pollution monitoring program

1.2.2 監(jiān)測(cè)指標(biāo)

通過(guò)單項(xiàng)污染指數(shù)法來(lái)分析 2017、2018年觀瀾河干流控制斷面——企坪斷面水質(zhì)項(xiàng)目，包括COD、氨氮、TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cr 和石油類 9 類污染物指標(biāo)進(jìn)行單因子污染指數(shù)分析，基于生態(tài)環(huán)境部、廣東省與深圳市的相關(guān)規(guī)定，企坪斷面的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1。

通過(guò)利用單項(xiàng)污染指數(shù)法計(jì)算的觀瀾河流域企坪斷面 2017、2018年各考核項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3所示。

從表 2、表 3可知，觀瀾河流域水體水質(zhì)超標(biāo)項(xiàng)目為 COD、氨氮、TP與 TN，因而選取 COD、氨氮、TP與TN為觀瀾河流域城市降雨徑流污染特征研究的監(jiān)測(cè)研究對(duì)象。

表1 2019年企坪斷面水質(zhì)考核內(nèi)容以及其限值表Tab.1 Contents and limits of water quality assessment for Qiping section in 2019

表2 2017年深圳市觀瀾河流域企坪斷面考核項(xiàng)目單項(xiàng)污染指數(shù)Tab.2 Single pollution index of Qiping section assessment item in Guanlan River basin of Shenzhen in 2017

表3 2018年深圳市觀瀾河流域企坪斷面考核項(xiàng)目單項(xiàng)污染指數(shù)Tab.3 Single pollution index of Qiping section assessment item in Guanlan River basin of Shenzhen in 2018

1.3 采樣點(diǎn)位

深圳市典型降雨雨型包括前峰型、后峰型與雙峰型。監(jiān)測(cè)確定的采樣區(qū)域包括工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通道路、城中村與公共服務(wù)與管理區(qū) 6類城市下墊面匯水區(qū)域，采樣區(qū)域位置如圖3所示。

圖3 深圳市觀瀾河流域降雨沖刷過(guò)程特征研究采樣點(diǎn)位Fig.3 Sampling points for research on characteristics of rainfall scour process in Guanlan River basin of Shenzhen

采樣點(diǎn)位具體信息如表4所示，已進(jìn)行的降雨沖刷過(guò)程特征研究的采樣場(chǎng)次信息如表5所示。

表4 觀瀾河流域降雨沖刷過(guò)程特征研究采樣點(diǎn)位信息Tab.4 Information on sampling points for researchon characteristics of rainfall scour process in Guanlan River basin of Shenzhen

表5 觀瀾河流域降雨沖刷過(guò)程研究監(jiān)測(cè)降雨場(chǎng)次信息Tab.5 Information on monitoring rainfall frequency for research on characteristics of rainfall scour process in Guanlan River basin

2 分析與討論

2.1 雙峰型降雨條件下降雨徑流特征研究

選取連續(xù)半年降雨實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中雙峰型降雨場(chǎng)次，計(jì)算不同降雨歷時(shí)降雨量的平均值，不同降雨歷時(shí)各污染物濃度的平均值。其中，雙峰型降雨強(qiáng)度變化過(guò)程曲線如圖4所示。

圖4 雙峰型雨型降雨過(guò)程線Fig.4 Bimodal rainfall pattern

該雨型條件下不同功能區(qū)降雨徑流污染物中COD、氨氮、TN、TP濃度變化過(guò)程曲線如圖 5～8所示。

圖5 雙峰型雨型不同功能區(qū)COD濃度變化過(guò)程線Fig.5 Change process line of COD concentration in different functional areas of bimodal rainfall pattern

圖6 雙峰型雨型不同功能區(qū)氨氮濃度變化過(guò)程線Fig.6 Change process line of ammonia nitrogen concentration in different functional areas of bimodal rainfall pattern

圖7 雙峰型雨型不同功能區(qū)TN濃度變化過(guò)程線Fig.7 Change process line of TN concentration in different functional areas of bimodal rainfall pattern

圖8 雙峰型雨型不同功能區(qū)TP濃度變化過(guò)程線Fig.8 Change process line of TP concentration in different functional areas of bimodal rainfall pattern

由圖5～8可知，雙峰型降雨條件下，6種功能區(qū)的COD、氨氮、TN、TP濃度變化趨勢(shì)基本一致，在降雨徑流產(chǎn)生的前 20min污染物濃度迅速下降，后逐漸穩(wěn)定，初期沖刷效應(yīng)明顯。

2.2 后峰型降雨條件下降雨徑流特征研究

選取連續(xù)半年降雨實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中后峰型降雨場(chǎng)次，計(jì)算不同降雨歷時(shí)降雨量的平均值，不同降雨歷時(shí)各污染物濃度的平均值。其中，該場(chǎng)降雨強(qiáng)度變化過(guò)程曲線如圖9所示。

圖9 后峰型雨型降雨過(guò)程線Fig.9 Rainfall process line of delayed rainfall pattern

該雨型條件下不同功能區(qū)降雨徑流污染物中COD、氨氮、TN、TP濃度變化過(guò)程曲線如圖 10～13所示。

圖10 后峰型雨型不同功能區(qū)COD濃度變化過(guò)程線Fig.10 Change process line of COD concentration in different functional areas of delayed rainfall pattern

圖11 后峰型雨型不同功能區(qū)氨氮濃度變化過(guò)程線Fig.11 Change process line of ammonia nitrogen concentration in different functional areas of delayed rainfall pattern

圖12 后峰型雨型不同功能區(qū)TN濃度變化過(guò)程線Fig.12 Change process line of TN concentration in different functional areas of delayed rainfall pattern

圖13 后峰型雨型不同功能區(qū)TP濃度變化過(guò)程線Fig.13 Change process line of TP concentration in different functional areas of delayed rainfall pattern

由圖10～13可知，后峰型降雨條件下，6種功能區(qū)的 COD、氨氮、TN、TP濃度變化趨勢(shì)基本一致。整個(gè)降雨徑流過(guò)程中 COD、TN、TP與氨氮的濃度變化較為平緩，徑流產(chǎn)生于降雨歷時(shí) 60min作用，COD、TN與TP有較為明顯的增大，可能是由于該場(chǎng)降雨量峰值靠后所致。

2.3 前峰型降雨條件下降雨徑流特征研究

選取連續(xù)半年降雨實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中前峰型降雨場(chǎng)次，計(jì)算不同降雨歷時(shí)降雨量的平均值，不同降雨歷時(shí)各污染物濃度的平均值。其中，該場(chǎng)降雨強(qiáng)度變化過(guò)程曲線如圖14所示。

圖14 前峰型雨型降雨過(guò)程線Fig.14 Rainfall process line of advanced rainfall pattern

該雨型條件下不同功能區(qū)降雨徑流污染物COD、氨氮、TN、TP濃度變化過(guò)程曲線如圖 15～18所示。

圖15 前峰型雨型不同功能區(qū)COD濃度變化過(guò)程線Fig.15 Change process line of COD concentration in different functional areas of advanced rainfall pattern

圖16 前峰型雨型不同功能區(qū)氨氮濃度變化過(guò)程線Fig.16 Change process line of ammonia nitrogen concentration in different functional areas of advanced rainfall pattern

圖17 前峰型雨型不同功能區(qū)TN濃度變化過(guò)程線Fig.17 Change process line of TN concentration in different functional areas of advanced rainfall pattern

圖18 前峰型雨型不同功能區(qū)TP濃度變化過(guò)程線Fig.18 Change process line of TP concentration in different functional areas of advanced rainfall pattern

由圖15～18可知，后峰型降雨條件下，6種功能區(qū)的 COD、氨氮、TN、TP濃度變化趨勢(shì)基本一致。整個(gè)降雨徑流過(guò)程中，產(chǎn)生徑流的前 20min內(nèi)徑流污染物 COD、氨氮、TN與 TP濃度均呈先急速上升后迅速下降的趨勢(shì)，20min后徑流污染物濃度達(dá)到穩(wěn)定，初期沖刷效應(yīng)明顯。

2.4 降雨初期沖刷效應(yīng)分析研究

本文利用對(duì)于觀瀾河流域交通用地類型的 7場(chǎng)有效降雨沖刷監(jiān)測(cè)場(chǎng)次的地表降雨徑流量與徑流污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制M(V)曲線分析7場(chǎng)降雨的初期沖刷效應(yīng)。為了便于分析，選擇以各場(chǎng)次降雨徑流中沖刷現(xiàn)象較為明顯的COD為研究對(duì)象作圖分析，監(jiān)測(cè)的7場(chǎng)有效降雨場(chǎng)次的COD初期沖刷效應(yīng)分析如圖19所示。

由圖 19可知，在 7場(chǎng)有效監(jiān)測(cè)降雨場(chǎng)次中 R-3降雨場(chǎng)次在產(chǎn)流初期偏離平衡線幅度最小，R-6、R-5、R-4、R-2與 R-1降雨場(chǎng)次在產(chǎn)流初期偏離平衡線幅度較小。根據(jù)研究者對(duì)于初期沖刷效應(yīng)的不同定義：“初期 20%的徑流貢獻(xiàn) 50%的污染負(fù)荷”與“初期30%的徑流貢獻(xiàn)70%的污染負(fù)荷”來(lái)看，符合初期沖刷效應(yīng)的降雨場(chǎng)次為 R-6(雙峰型)、R-5(雙峰型)、R-4(前峰型)、R-2(前峰型)、R-1(前峰型)與R-7(前峰型)這 6場(chǎng)降雨。結(jié)合其降雨要素特點(diǎn)分析，前期干旱時(shí)長(zhǎng)大于 4d，降雨雨型為前峰型與雙峰型的降雨易發(fā)生初期沖刷效應(yīng)。同時(shí)，為制定城市小流域的初雨棄流量，分析這6場(chǎng)降雨徑流量占總徑流量 20%時(shí)刻的降雨量與對(duì)應(yīng)的徑流污染物濃度，其結(jié)果如表6所示。

圖19 7場(chǎng)有效監(jiān)測(cè)降雨場(chǎng)次初期沖刷效應(yīng)分析Fig.19 Analysis of initial scour effect of 7 effective monitoring rainfall events

表6 觀瀾河流域降雨徑流污染初雨棄流量分析Tab.6 Analysis of rainfall runoff pollution in Guanlan River basin

由表6可知，R-6降雨場(chǎng)次初期30%徑流量對(duì)應(yīng)的降雨量最大，為 12.3mm，而對(duì)應(yīng)的徑流污染物的EMC與地表水Ⅴ類水質(zhì)接近，污染程度相對(duì)較輕；R-2降雨場(chǎng)次初期 30%徑流量對(duì)應(yīng)的降雨量為8.7mm，其對(duì)應(yīng)的徑流中 COD與 TP濃度分別是地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)COD與TP限值的3.43、3.6倍，污染程度嚴(yán)重。同時(shí)，對(duì)比分析R-4與R-5 2次降雨場(chǎng)次初期 30%徑流量對(duì)應(yīng)的降雨量為 5.4mm與5.8mm，對(duì)應(yīng)的徑流中各類污染物均小于R-2降雨場(chǎng)次，這是由于 R-2降雨場(chǎng)次的前期干旱時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，地表污染物累積強(qiáng)度過(guò)高造成的。綜合分析認(rèn)為，觀瀾河流域制定的初雨棄流定為棄流初期 8mm的降雨量較為合適。南方小流域城市的初雨棄流也可以擬定為棄流初期8mm的降雨量。

2.5 討論

降雨雨型為影響城市地表徑流的重要因素，不同雨型條件下各污染物濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間不一。因此，針對(duì)主要雨型不同的地區(qū)需因地制宜，制定各自區(qū)域具有針對(duì)性的降雨徑流污染控制措施。其中，以雙峰型雨型為主的城市降雨徑流污染控制措施是應(yīng)該擁有即時(shí)處理大規(guī)模污染物的能力；以前峰型雨型為主的城市降雨徑流污染控制措施是既應(yīng)該擁有即時(shí)處理大規(guī)模污染物的能力，還應(yīng)具有一定的儲(chǔ)備處理能力；以后峰型雨型為主的降雨徑流污染控制措施是應(yīng)該擁有即時(shí)處理較大規(guī)模污染物的能力，且應(yīng)具有持續(xù)處理或收集污染物能力。

3 結(jié) 論

①不同雨型降雨條件下，典型南方小流域城市6種功能區(qū)(工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、交通道路、城中村、公共服務(wù)與管理區(qū))的 4種常規(guī)污染物 COD、氨氮、TN、TP濃度變化趨勢(shì)基本一致，即污染物的濃度變化只與雨型有關(guān)，而與功能區(qū)的類型以及污染物的類別無(wú)關(guān)。

②雙峰型降雨條件下，典型南方小流域城市不同功能區(qū)典型污染物濃度存在單一峰值，峰值時(shí)段位于降雨初期，隨后污染物濃度逐漸下降，20min后污染物濃度漸趨穩(wěn)定。因此，以雙峰型雨型為主的城市降雨徑流污染控制措施應(yīng)該擁有即時(shí)處理大規(guī)模污染物的能力。

③前峰型降雨條件下，典型南方小流域城市不同功能區(qū)典型污染物濃度存在2個(gè)峰值，前期峰值時(shí)段位于降雨初期，后期峰值時(shí)段位于降雨10min左右，污染物處于先升后降，再升再降的變化趨勢(shì)，20min后各污染物濃度漸趨穩(wěn)定。因此，以前峰型雨型為主的城市降雨徑流污染控制措施是應(yīng)該擁有即時(shí)處理大規(guī)模污染物的能力，并且具有一定的儲(chǔ)備處理污染物能力。

④后峰型降雨條件下，典型南方小流域城市不同功能區(qū)典型污染物濃度存在2個(gè)峰值，前期峰值時(shí)段位于降雨初期，后期峰值時(shí)段位于60min左右，污染物處于先升后降，再升再降的變化趨勢(shì)，之后各污染物濃度逐漸穩(wěn)定。因此，以后峰型雨型為主的降雨徑流污染控制措施是應(yīng)該擁有即時(shí)處理較大規(guī)模污染物的能力，且應(yīng)具有持續(xù)處理或收集污染物能力。