城市不同硬质下垫面径流污染分析

曾航

北京清控人居环境研究院有限公司 湖北武汉 430000

摘要：选取遂宁市城区5类典型硬质下垫面，利用间隔采样法对采样点的降雨径流水质进行采样检测，探讨遂宁市城区不同硬质下垫面的地表径流污染程度的差异性。结果表明，城市不同硬质下垫面的综合污染程度由高到低分别为主要道路>次要道路>停车场>广场>屋面，城市道路类下垫面径流主要污染物为颗粒物及有机物质，停车场和广场类下垫面径流污染物以颗粒物、有机物、含N、P营养盐类物质为主，屋面径流污染程度较低，建议根据不同下垫面径流污染水平的差异性，因地制宜的采取措施减少城市降雨径流污染。

关键词：硬质下垫面；间隔采样法；降雨径流；场次降雨平均浓度（EMC）；

随着我国城市建设手段的科学化及环境友好化，点源污染得到有效的控制，非点源污染即成为城市水环境水质恶化的重要影响因素之一，而城市非点源污染的最主要形式即降雨径流污染。目前降雨径流污染已成为城市水体的第二大主要污染源，仅次于城市污水^[1]。

近年来，国内大力推广开展海绵城市试点城市建设工作，《海绵城市建设技术指南》中更是将径流污染控制作为海绵城市建设重要的控制目标之一^[2]。因此掌握下垫面降雨径流污染特性，对于城市水环境污染治理尤为重要。遂宁市作为国家第一批海绵城市试点建设城市之一，本研究以此为契机，选取遂宁市五类城区硬质下垫面进行降雨径流的采集分析，研究不同硬质下垫面的径流污染程度及污染特征，以期为遂宁市及周边西南地区建设条件相似的城市提供降雨径流污染分析控制的参考依据，同时可为海绵城市不同建设区域合理选择LID设施提供针对性建议。

1. 研究方法

   1. 研究区域概况

遂宁市位于四川盆地中部，属四川盆地亚热带湿润季风气候，雨季多雨、旱季少雨的特征较为明显。本研究通过在城区设置在线翻斗式监测雨量计，对降水情况进行实时在线监测，以2018年作为典型年分析，遂宁市年降雨量为888.4mm，以中小雨为主，降雨时长较长且强度较小，“巴山夜雨”特征显著。

1. 2. 样品采集分析

结合遂宁市城区实际建设情况及采样检测的安全性、可操作性，本研究在遂宁市城区内选取五类硬质下垫面进行降雨径流水质采样检测。采样地点分别为：主干道路雨水篦、次要道路雨水篦、屋顶雨落管出水口、广场低洼排水点和停车场低洼排水点。现场根据实际降雨历时确定采样间隔，取样时间节点采取5、5、10、10、15、15min间隔制，针对长时间降雨按照30min间隔制适当增加采样数。委托专业检测机构按照国家环境监测规定的标准方法对降雨径流主要水质指标进行分析检测，主要化验指标包括COD、SS、NH₃-N、TP、TN。

1. 3. 有效降雨场次特征分析

考虑到降雨采样的有效性和安全性，采样均安排在白天及无雷电的降雨时段，由于遂宁市大多数降雨场次均发生于夜间、中小雨居多降雨量达不到化验分析需求等客观因素限制，2018年研究周期内共采集到4场有效降雨，降雨量为16.8~34mm，降雨历时为233~388min，最大降雨强度为0.4~1.0mm/min， 平均降雨强度为0.0721~0.1042mm/min，前期晴天数为3~12d。

1. 4. 径流污染负荷分析方法

径流污染物浓度在降雨过程中呈现出明显的变化趋势，为了有效的评估单场次降雨径流的污染程度，1983年美国环境保护署提出“降雨径流事件平均浓度”(EMC)的概念，用来表示单场次降雨情景下形成的地表径流中某种污染物的平均浓度^[3]。这一概念在后期的城市降雨径流污染负荷分析评估等方面得到了广泛的应用，其计算方法如下：

式中，EMC为单一污染物的平均浓度(mg /L)；M为污染物总量(g)；V为总径流量(m³)；t为径流总时长(min)；Ct、Qt为t时刻对应的径流污染物浓度(mg/L)和径流速率(L /min)；n指总监测时间段t内的径流采样次数；Qi、Ci指i次取样时的径流速率 (L/min)和污染物浓度(mg/L)。降雨过程中，监测降雨径流中污染物浓度随时间的连续变化存在较大难度，因此在实际计算过程中，通常采用特定时刻的污染物浓度来代表其对应的时间间隔内的平均浓度，即公式中的Ci。

2. 结果与讨论

   1. 降雨径流污染负荷分析

研究结果表明，不同硬质下垫面的污染特性存在较大差异。以颗粒物（雨水径流中有机物及重金属等多种污染物的载体^[4]）为例，主要道路及次要道路的SS的EMC浓度分别为164~559 mg /L和171~485mg /L；城市建筑屋面雨水的污染物浓度较低，污染物类型以颗粒物为主，有机污染物浓度低，SS和COD的EMC浓度分别仅为13~147 mg /L和10~99 mg /L；广场和停车场下垫面由于地面材质均为硬质铺装，交通因素相近，两者形成的雨水径流污染程度较为接近，其中停车场由于车辆停放及缺少清扫等因素，颗粒物及有机物污染程度略高于广场，广场和停车场的SS的 EMC浓度分别为26~252 mg /L和61~113mg /L，COD的EMC浓度分别为51~151 mg /L和61~113mg /L。分析五类下垫面径流污染水平，污染程度由高到低分别为主要道路>次要道路>停车场>广场>屋面。

1. 2. 径流污染类型分析

研究结果表明，主干道、停车场和广场的有机污染程度较高，其COD的EMC浓度分别为60~104 mg /L、60~113 mg /L和50~151 mg /L。这三类下垫面类型由于车流量较大、人口集中等因素，导致有机污染物积累较严重，分析五类下垫面径流有机污染程度，由高到低分别为主要道路>停车场>广场>次要道路>屋面。

城市人口生活的集中程度及清扫等因素决定了不同下垫面的颗粒物污染程度，主干道、次要道路的颗粒物浓度最高，其SS的EMC浓度分别为164~559 mg /L和171~485mg /L；停车场颗粒物浓度次之，EMC浓度为66~324 mg /L，广场和屋面的颗粒物浓度较低。分析五类下垫面径流颗粒物污染程度，由高到低分别为主要道路>次要道路>停车场>广场>屋面。

城市雨水径流中携带大量的N、P等营养物质，进入到受纳水体会增加水体污染负荷，停车场和广场属于车辆停放、居民集中活动区域，径流中TN、TP浓度较高；次要道路和主要道路由于市政定期洒水、清扫等因素， TN、TP浓度次之；屋面径流中TN、TP浓度较低。分析五类下垫面径流营养物质污染程度，由高到低分别为停车场>广场>次要道路>主要道路>屋面。

1. 3. 径流污染均值浓度EMC_S分析

通过计算4场降雨场次的均值浓度EMC_S，进而得到遂宁市城区典型硬质下垫面的初始污染负荷浓度。研究结果显示，主要道路、次要道路、屋面、广场和停车场的COD均值浓度分别为82 mg /L、57 mg /L、50 mg /L、88 mg /L、86 mg /L；SS均值浓度分别为331 mg /L、267 mg /L、82 mg /L、112 mg /L、152 mg /L；NH₃-N均值浓度分别为2.38 mg /L、1.96 mg /L、2.45 mg /L、2.74 mg /L、2.83 mg /L；TP均值浓度分别为0.15 mg /L、0.20 mg /L、0.16 mg /L、0.12 mg /L、0.13 mg /L、TN均值浓度分别为3.25 mg /L、3.75 mg /L、3.32 mg /L、4.01 mg /L、3.88 mg /L。遂宁市城区原始硬质下垫面的雨水径流污染物浓度较高，其中颗粒物与有机物浓度最为典型，均超出《地表水环境质量标准》V类标准，是地表雨水径流的主要污染物。

3. 结论

4.1遂宁市城区五类典型硬质下垫面的雨水径流主要污染物为颗粒物、有机物和含氮营养盐类物质，由于西南地区降雨频率较大且雨强较小，下垫面的冲刷效应较小，因此西南地区城区的原始硬质下垫面的径流污染程度较为严重。

4.2受西南地区气候环境的影响，不同硬质下垫面的雨水径流污染来源及环境条件差异性较大，因此污染程度也相差较大，比较分析五类硬质下垫面的径流污染水平，污染程度由高到低分别为主要道路>次要道路>停车场>广场>屋面。

4.3针对城市径流污染的控制可根据下垫面类型的差异而针对性的选择合适的削减措施，道路类硬质下垫面雨水径流的COD和SS浓度较高，可选用构建生物滞留设施以及雨水口设置过滤净化设施等方法，对颗粒物及有机物质进行有效吸附和拦截；停车场和广场类硬质下垫面径流污染物以颗粒物、有机物、含N、P营养盐类物质为主，可通过改用渗透铺装、构建生物滞留设施，对污染物及径流量进行有效的削减；屋面由于污染来源单一，形成的径流污染程度较低，通过对屋顶雨落管的断接或截流至周边绿化设施内，即可对径流污染进行有效削减。

参考文献：

[1]陈莹. 西安市路面径流污染特征及控制技术研究[D]. 长安大学, 2011.

[2] 住房城乡建设部.《海绵城市建设技术指南》.2014.

[3] 谢卫民,张芳,张敬东,林红.城市雨水径流污染物变化规律及处理方法研究 [J]. 环境科学与技术, 2005,28(6):30~31,49.

[4] Amir Taebi,Ronald L. Droste. Pollution loads in urban runoff and sanitary wastewater[J]. Science of the Total Environment, 2004, 327(1-3):175-184.