国内典型城市降雨径流初期累积特征分析

中国环境科学2015,35(6)：1719~1725ChinaEnvironmentalScience国内典型城市降雨径流初期累积特征分析王倩,张琼华*,王晓昌(西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055)摘要：提出以携带50%污染物负荷的径流定义初期雨水,选取累积50%污染物负荷的历时(T50)及对应累积径流深度(D50)两个参数,总结分析典型山地城市、平原城市、河网城市等6个城市17场降雨径流污染物累积特征.进一步以山地城市和平原城市为例,探讨了不同降雨强度、区域环境径流污染物累积特征及相互影响.结果表明,径流污染物累积趋势完全一致但特征不同,山地城市、河网城市、高原城市和河口城市表现为初期累积,平原城市则表现为中期累积.随着雨强增大,污染物D50骤增,T50锐减.相比平原城市,山地城市不同类型污染物D50更大、T50更小,山地城市和平原城市分别截留初期7.4mm和5.2mm径流可以控制50%污染物负荷.关键词：降雨径流；初期雨水；D50和T50；降雨强度中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：1000-6923(2015)06-1719-07Cumulativecharacteristicsofrunoffpollutantsintypicaldomesticcities.WANGQian,ZHANGQiong-hua*,WANGXiao-chang(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China).ChinaEnvironmentalScience,2015,35(6)：1719~1725Abstract：Therainfallrunoffwith50%pollutantloadwasdefinedasinitialrainwater,andthetime(T50)accumulating50%pollutantloadingandcorrespondingrunoffdepth(D50)wasselectedtoanalyzethecumulativecharacteristicsofpollutantsduring17rainfalleventsintypicaldomesticmountainouscity,plaincity,rivercity,etc.Takenmountainousandplaincitiesasexamples,thecumulativecharacteristicsofdifferenttypesofpollutantsintherunoffwerediscussedandtheeffectsofrainfallintensityanditsregionalenvironmentwerestudied.Theresultsindicatedthattheaccumulationofrunoffpollutantshadthesametrendbutexhibiteddifferentcharacteristics.Ittendedtoaccumulateatmid-stageinplaincitywhileatinitialstageinothercities.Withrainfallintensityincreased,theD50ofpollutantsincreasedgreatlywhileT50declinedsharply.PollutantsinmountainouscityhadahigherD50andalowerT50thanthatinplaincity.Itwassuggestedthatmountainouscitiesandplaincityintercepting7.4mmand5.2mmrunoffrespectivelycouldcontrol50%pollutantload.Keywords：rainfallrunoff；initialrainwater；D50andT50；rainfallintensity雨水作为非常规水资源逐渐被接受和广泛收集利用,但随着城市化进程的加快、不透水面积增大,雨水径流量及径流携带的负荷即径流污染也随之增大[1],城市面源污染的影响日益突出,局部地区甚至危害到受纳水体生态安全[2].研究发现降雨过程中初期一小部分径流携带了大部分污染物负荷,初期雨水污染严重[3-4],因此,城市径流污染控制尤其是初期雨水控制显得尤为重要.目前,对于城市径流的研究主要集中在径流污染物的排放特征[5-8]及其初期冲刷特性[9-10],并根据20/80[11]、25/50[12]、30/80[13]、20/40[14]等初期冲刷定义探讨了不同城市典型下垫面[15-16]、降雨条件及不同污染物[6,17]等的排污特征和冲刷特性.但是比例形式的污染负荷和径流量难以在实际工程上计量并应用,所以常常简化采用时间或径流深度作为初期雨水单一控制指标指导雨水利用.如白建国等[18]提出高于地表水Ⅴ类标准的径流雨水为初期雨水,并实测徐州市截留初期30min路面径流可满足该水质要求,Bach等[19]和收稿日期：2014-10-20基金项目：住房和城乡建设部软科学研究项目(2011-K7-14);水污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07315002)*责任作者,讲师,[e-mail]1720中国环境科学35卷何强等[20]根据污染物浓度达到背景浓度或稳定阶段形成的径流深度控制初期雨水,Ming等[21]研究发现热带城市截留初期10mm径流可控制50%左右污染物负荷.然而,基于浓度定义初期雨水确定的控制标准可能会导致处理不经济或不能满足总量控制的要求,而基于负荷定义确定的初期雨水控制标准研究不够广泛,工程上缺乏可利用的数据.本文选取降雨历时和累积径流深度作为初期雨水控制指标,明确携带50%污染物负荷的径流定义初期雨水,总结分析山地城市、平原城市、河网城市、高原城市、河口城市等6个典型城市17场降雨径流污染物累积特征;以山地城市和平原城市为例,探讨了降雨强度、区域环境对径流污染物累积特征的影响.1研究区域与研究方法1.1研究城市选择选择典型山地城市(重庆)、平原城市(北京、沈阳)、河网城市(苏州)、高原城市(昆明)、河口城市(东莞)等6个城市的道路径流为研究对象,研究径流污染物负荷迁变特征.1.2数据收集与分析对以上6个城市17场降雨径流进行TSS、COD、营养盐(TN、TP等)和溶解态重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)指标的全过程分析,城市降雨基本特征见表1.数据采用Origin8.5软件分析.1.3研究方法单场降雨径流中污染物负荷累积计算公式如下:1100%iiiiniiiiLCQtPLCQt=××Δ==×××Δ∑式中:P为污染物负荷累积比例,%;Li和L分别为第i个及全部径流样品携带的污染物负荷,mg/m2;Ci为第i个样品的污染物浓度,mg/L;Qi为Δti内径流量,L/s;Δti为第i个样品间隔时间,min;n为样品个数.定义累积50%污染物负荷的历时为T50,对应累积径流深度为D50,以T50和D50作为初期径流控制的指标.累积径流深度定义公式如下:160niiiQtDA=×Δ×=∑式中:D为累积径流深度,mm;A为汇水面积,m2;60为时间换算单位.表1研究区域降雨基本特征Table1Characteristicsofrainfalleventsinthestudyarea研究城市年降雨量(mm)降雨日期降雨强度(mm/min)降雨量(mm)2010-06-190.0813.72010-07-040.1421.22010-07-090.6659.4重庆[22-23]12082011-05-300.067.42010-06-130.1513.62010-07-090.1744.8北京[24]5432010-08-040.0822.42012-07-100.0416沈阳[25]7162012-07-220.2033.82008-090.0632008-090.08510.5苏州[26]11002008-090.54342011-06-270.318.6昆明[27]7382011-07-220.530.12009-04-150.2847.62009-10-200.099东莞[28]18192010-10-200.1513.62城市降雨径流污染物累积特征根据城市特点,系统分析6个典型城市17场降雨过程径流污染物累积特征.2.1山地城市降雨径流污染物累积特征图1(a1)~图1(a4)为山地城市重庆4场降雨径流污染物累积曲线.由图中可以看出,污染物累积趋势完全一致,但累积速度有所差异,曲线斜率越大,累积速度越快.如2010年6月19日降雨过程,不同污染物累积50%负荷速度大小依次为:CuZnCODTNPbCdTPTSS,TSS累积速度最慢,是典型特征污染物,T50为101min.4场降雨过程径流污染物T50范围分别为:23~101min、3~20min、3~28min和42~77min,不同降雨过程污染物T50差异显著,同一降雨过程不同污染物T50变化也较大,4场降雨径流典型特征污染物分别为TSS、Pb、Pb、Zn,T50的平均值分别为57min.6期王倩等：国内典型城市降雨径流初期累积特征分析17210306090120150180020406080100P(%)TSSCODTNTPCuCdPbZn(a1)2010-06-19T(min)0306090120150180020406080100TSSCODTNTPCuCdPbZn(a2)2010-07-04P(%)T(min)020406080100020406080100TSSCODTNTPCuCdPbZn(a3)2010-07-09P(%)T(min)020406080100120020406080100TSSCODTNTPNH4+-NNO3--NCuPbZn(a4)2011-05-30P(%)T(min)020406080100020406080100TSSCODTNTPNH4+-NNO3--N(b1)2010-06-13P(%)T(min)0102030405060020406080100TSSCODTNTPNH4+-NNO3--N(b2)2010-07-09P(%)T(min)0306090120150020406080100TSSCODTNTPNH4+-NNO3--N(b3)2010-08-04P(%)T(min)060120180240300360020406080100TSSCODTNTP(c1)2012-07-10P(%)T(min)0306090120150180020406080100TSSCODTNTP(c2)2012-07-22P(%)T(min)0102030405060020406080100TSSCODTNTPNH4+-N(d1)2008-09P(%)T(min)050100150200250300020406080100TSSCODTNTPNH4+-N(d2)2008-09P(%)T(min)0306090120150020406080100TSSCODTNTPNH4+-N(d3)2008-09P(%)T(min)020406080020406080100TSSCODTNTP(e1)2011-06-27P(%)T(min)020406080020406080100TSSCODTNTP(e2)2011-07-22P(%)T(min)0306090120150180210020406080100TSSCODTNTPNH4+-N(f1)2009-04-15P(%)T(min)0306090120020406080100TSSCODTNTPNH4+