孙德智教授团队：长江流域丘陵城镇初期雨水污染特征与截流调蓄研究
研究背景
为减少城市合流制排水体制带来的溢流污染问题，我国新建城区通常采用分流制排水体制，有条件的老城区会对合流制排水系统进行雨污分流改造，使得分流制排水管网长度不断增加，由此带来的初期雨水污染问题凸现。初期雨水中携带着下垫面和管道沉积的污染物，往往不经处理直接排入受纳水体。受气候、降雨特征、不同下垫面及地形地貌等因素的影响，不同地区初期雨水污染特征差异较大。长江流域丘陵山区地势落差大，地面坡度一般为5°~25°，地面径流系数大，管网系统布设坡度较平原地区大，降雨事件发生时，受汇水面坡度及管道坡度等因素的影响，汇流时间短、管道中水流速度快，其产生的初期雨水污染具有地域性特征。随着水环境的治理越来越受重视，利用调蓄池削减污染负荷来控制水体污染的方式应用越来越广泛。近年来，长江流域水污染问题得到广泛关注，而初期雨水污染是导致长江流域水环境质量下降的重要原因，探究长江流域丘陵山区初期雨水污染特征及初期雨水截留调蓄方案对长江流域面源污染的控制和水环境质量的提升具有重要意义。根据曾木海等、王东赢等对实际工程中初雨调蓄池的研究，初雨调蓄池可实现初雨污染的有效控制，但由于地区环境差异、降雨特点不同等原因，国内尚未形成统一标准要求，大多基于以往工程案例经验。为了更好地发挥初雨调蓄池的功能，需根据当地降雨特点、城市用地条件等，合理确定调蓄容积，实现更大的工程价值和经济效益。本文以重庆市永川区部分分流制排水系统区域为长江流域丘陵城镇的代表，对该区域5次降雨事件（包括小、中、大雨）中雨水排口污染特征进行分析，并根据无量纲曲线及b参数法判断各污染物的初期冲刷效应，通过构建SWMM排水管网模型预测不同重现期下系统产生的污染负荷，确定初期雨水截流量，提出针对性地初期雨水调蓄池设计方案，以期为长江流域丘陵城镇初期雨水污染控制提供参考。
摘 要
为探究长江流域丘陵城镇初期雨水污染特征及初雨调蓄池的截流效果，以重庆市永川区部分分流制汇水区为研究对象，对雨水排口污染物COD、SS、TN、TP、NH3-N浓度进行了监测，分析了各污染物随降雨历时的变化、降雨特征对污染物浓度的影响，并通过无量纲累积曲线和b参数法判断降雨对该区域的初期冲刷效应，采用SWMM管网模型模拟了不同重现期下研究区域系统排口负荷及截流调蓄效果。结果表明：研究区域雨水排口各污染物在不同降雨情况下均存在初期冲刷效应；降雨过程中大部分污染物浓度在降雨过程中呈下降趋势且在降雨后期波动较小；各降雨特征因子与雨水排口各污染物平均浓度存在相关性；对于初期雨水调蓄池，当截流比例<30%时，污染物削减率增长率较大，当截流比例>30%时，污染物削减率增长率减缓；当截流比例相同且重现期增大时，SS和COD削减率增幅较大，TN、TP和NH3-N削减率增幅较小；模拟重现期为0.5 a和1 a 2种条件下调蓄池截流调蓄控制，截流20%的雨水径流体积时，最高可控制54.71%的污染负荷。
01 研究区域概况及研究方法
1. 研究区域概况
重庆市永川区位于长江上游北岸，属于丘陵山区，地面及排水管道坡度均较大，降雨时产流、汇流速度较快。当地年平均降雨量为1088.8 mm，降水主要集中在4—10月（图1），期间降水量约占全年总降水量的85%。随着城镇化程度的不断提高，永川区不透水面积也在快速增长，初期雨水对河道水环境的影响日益严重。本研究选择的研究区域面积为1.04 km2，雨水管网及排口分布如图2所示。该区域位于永川中心城区，下垫面包含屋面、绿地、道路，排水系统属于典型的完全分流制排水体制，雨水管渠总长约5.02 km。研究区域有红旗河穿过，沿河两侧分布有多个雨水排口。
图1 永川区月平均降水量和温度(1981—2010年)
图2 研究区域雨水管网及排口分布
2. 降雨事件监测
现场采集了2023年4月8日、6月15日、7月19日、7月21日和7月24日5次降雨。采样点位于研究区域雨水排口处，使用雨量计监测整场降雨的雨量变化。自排口出水开始采集样品，在产流0~15 min内每隔5 min取1 次样，至30 min时再取1次样，之后每隔30 min取1 次样，直到雨水排放口结束排水停止采样，各场降雨的降雨特征如表1所示。根据24 h累积的降雨量划分降雨等级，其中，7月21日降雨事件的降雨量最大，且降雨历时最长，7月19日降雨事件的平均降雨强度最大。采集样品监测的水质指标为SS、COD、NH3-N、TN、TP。
表1 降雨事件的降雨特征
3. 降雨事件平均浓度计算
降雨事件中，径流污染物浓度受多种因素影响，同一区域不同降雨事件中，径流污染物瞬时浓度随时间变化波动较大，因此引入降雨事件平均浓度（event mean concentration，EMC）来计算和评估单场降雨排口径流污染情况，可以理解为一场降雨径流全过程排放中某污染物的平均浓度，计算方法如下：
式中：EMC为某污染物在该场次降雨事件中的平均浓度，mg/L；M为该场次降雨事件中的某污染物总量，g；V为该场次降雨事件径流总量，L；t为径流时间，min；Ct为t时刻某污染物浓度，mg/L；Qt为t时刻径流速率，L/min；n为该场次降雨事件中取样次数；Qi为该场次降雨事件中第i次取样时的径流速率，L/min；Ci为该场次降雨事件中第i次取样时的某污染物浓度，mg/L。
4. 初期雨水冲刷效应分析方法
对于初期雨水冲刷效应的分析，引入无量纲累积污染负荷——累积径流体积分数曲线[M(V)曲线]及b参数法。其中，M(V)曲线由式(2)、(3)计算可得：
式中：Mt为t时刻降雨过程排放的污染负荷量，mg；Vt为t时刻降雨过程排放的径流量，L；C(t)为t时刻的瞬时污染物浓度，mg/L；Q(t)为t时刻的瞬时径流量，L/min；T为从降雨产生径流开始至降雨径流结束持续时间，min。M(V)曲线可以通过曲线图初步判断降雨径流初期冲刷效应是否存在，但不能定量表示初期冲刷效应的强弱。而b参数法通过采用式(4)对每条M(V)曲线进行拟合，可根据拟合指数b值的大小判定初期冲刷效应的强弱，定量判定标准见表2。
表2 b参数判定标准
5. 排口污染负荷排放及调蓄池截流控制研究
采用SWMM模型，模拟研究区域不同重现期下排口污染负荷排放情况及调蓄池截流控制效果。研究区域雨水管网情况通过的排水管网资料及在现场实地调研得到，模型率定采用实测数据。
1）研究区域概化。
研究区域的概化主要包括子汇水分区的划分和排水管网的概化。首先利用ArcGIS软件泰森多边形功能划分子汇水区，然后在SWMM模型中结合现状雨水管道、排水方向及水系情况对子汇水分区进行手动调整，并将研究区域雨水管添加到SWMM模型中。结合管网CAD资料和实地调查，子汇水区划分和管网概化后的SWMM建模图如图3所示，包括23个子汇水分区、28个节点、11个排口和28段主要排水干管。子汇水分区主要包括屋面、绿地、道路三类下垫面，不同下垫面分布情况如图4所示，不同子汇水分区的面积、综合径流系数及不同下垫面面积占比如表3所示。
图3 SWMM建模
图4 研究区域下垫面类型
表3 研究区域子汇水分区概化
2）降雨数据。
降雨数据选取芝加哥雨型及永川区暴雨强度公式合成降雨，暴雨强度计算方法如式(5)、(6)所示：
式中：q为暴雨强度，L/(s·ha)；P为设计重现期，a；t为降雨历时，min；i为降雨强度，mm/min。
在2023年3—7月对研究区域的多场降雨量进行了连续监测，发现降雨峰值出现在降雨前8%~35%的时间，因此在本研究中雨峰系数取0.25，降雨历时取2h。根据《永川2022年海绵城市建设计划》，近53年永川区日降雨量≤50 mm的降雨事件约占降雨总天数的98%，而初期雨水调蓄池只截留初期降雨径流部分，不必选用高重现期降雨资料，因此本文重点研究重现期为0.5 a和1 a的降雨事件发生时，调蓄池的容积及削减率问题。重现期P=0.5 a时单场降雨量为31.46 mm，P=1 a时单场降雨量为44.49 mm，可代表研究区域1年中大多数降雨事件，降雨过程如图5所示。
图5 不同重现期下降雨过程线
3）模型参数取值及率定。
采用径流系数参数校准法对水力参数进行率定。本研究区域属于丘陵山区，道路及绿地坡度大，屋顶不渗透性强，地面硬质化率高。参考《室外排水设计标准》，道路、绿地、屋面径流系数分别取0.95、0.2、0.95，通过面积占比加权计算，得出整个研究区域综合径流为0.697。以重现期P=1、降雨时长2 h作为降雨条件率定模型水力参数，通过对不渗透性粗糙系数、渗透性粗糙系数、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水和管道粗糙系数等参数进行校核，得到水文水力参数率定结果如表4所示。
表4 模型主要水力参数取值
选用7月19日降雨事件对水质参数进行率定，对不同下垫面最大累积量、半饱和累积时间、冲刷系数和冲刷指数等参数进行率定。本研究对于污染物的累积函数使用饱和函数模型，污染物冲刷模拟选用指数冲刷函数，水质参数率定结果如表5所示。并选取6月15日降雨事件对模型进行验证，运用纳什效率系数（nash-Sutcliffe efficiency coefficient，简称NSE）验证模型的合理性，当NSE>0.5时，表示模拟值与实测值较为吻合。以SS、COD为例，拟合结果如图6所示。可知：NSE分别达到0.860和0.864，远高于0.5，表明模拟值与实测值拟合效果很好，模型设计合理。
表5 模型水质参数取值
图6 SS和COD模拟与实测曲线
02 结果与讨论
1. 雨水排口污染物浓度随降雨产流时间变化规
根据研究区域5场降雨事件中雨水排口不同污染物浓度的取样监测结果，将不同污染物在降雨过程中随产流时间变化的趋势拟合如图7所示。可知：在5场降雨事件中，不同污染物浓度的变化范围及趋势不同。ρ(SS)为27.58~137.65 mg/L，7月19日浓度较高、波动幅度较大并出现2次峰值，4月18日浓度偏小仅出现1个峰值。COD浓度为0.8~93 mg/L，7月24日浓度较高，7月21日浓度较低，7月19日浓度波动范围最大且共出现2次峰值。ρ(NH3-N)为0.082~3.41 mg/L，ρ(TN)为0.365~7.83 mg/L，NH3-N和TN浓度呈显著的正相关关系，其中6月15日TN和NH3-N浓度整体较其他降雨事件高。ρ(TP)为0.012~0.22 mg/L，其中7月19日TP浓度偏小，共出现2次峰值。综合分析可知：降雨过程中大部分污染物浓度整体呈下降趋势且在降雨后期波动较小，受降雨量、降雨强度等多种因素的影响，污染物浓度会出现1个或多个峰值。
图7 雨水排口污染物浓度变化趋势
2. 降雨特征对雨水排口污染物含量的影响
采用式(1)计算5次降雨事件中排口处各污染物EMC，结果如表6所示。在不同降雨事件中，排口出水污染物浓度受多种因素影响，为进一步探究降雨特征对雨水排口污染物含量的影响，选择降雨历时、降雨量、平均降雨强度、最大降雨强度和雨前干期作为降雨特征因子，将其与各污染物EMC进行相关分析，Pearson相关系数见表7。可知：各降雨特征因子与雨水排口各污染物EMC均存在一定的相关性。其中各污染物EMC与降雨历时、降雨量呈一定的负相关性；除SS之外，其他污染物EMC与平均降雨强度呈一定的负相关性；各污染物EMC与雨前干期呈一定的正相关性；除COD之外，其他污染物与最大降雨强度的相关性不大。除此之外，降雨历时、降雨量、平均降雨强度对COD的影响相比其他污染物更加显著，最大雨强对COD的影响最为显著；雨前干期对NH3-N和TN的影响比对其他污染物更为显著。
表6 污染物EMC值
表7 降雨特征与EMC的Pearson相关系数
3. 排口径流初期冲刷效应分析
绘制不同降雨事件中雨水排口各污染物的M(V)曲线如图8所示，用b参数法对各M(V)曲线进行拟合后b参数的值见表8。
图8 研究区域雨水排口M(V)曲线
表8 b参数值
由图8和表8可以看出：研究区域不同降雨事件中各污染物均存在初期冲刷效应，其中6月15日降雨事件中不同污染物b参数值均>0.90，初期冲刷效应最弱，主要原因是该降雨事件中降雨量及平均降雨强度均最小。在7月19日降雨事件中，除SS之外其他污染物b参数值均<0.80，降雨的初期冲刷效应在5场降雨中最强，其原因是该场降雨强度最大，对下垫面及管道沉积物冲刷强度最强。7月21日降雨量最大，但b参数值较7月19日降雨事件弱，其原因是平均降雨强度较弱且雨前干期短，对下垫面及管道沉积物的冲刷强度弱、污染物含量低。综合来看，研究区域存在初期冲刷现象且初期冲刷效应的强弱与降雨量、降雨强度、雨前干期等因素密切相关。
4. 初期雨水污染调蓄控制
1）调蓄池控制规则设置。
本文研究在P=0.5 a和P=1 a降雨条件下调蓄池的容积及污染负荷削减率。以P=1 a、截流30%的雨水径流体积为例，论述SWMM模型模拟调蓄池的控制方法。当P=1 a时，研究区域11个雨水排口的出流量、30%出流量及对应的时间点如表9所示，此时分流制排口出流总量为27814 m3。若对30%的出流量进行截流，截流总流量为8344 m3。通过雨水排口附近设置截流井，并通过截流雨水管统一将所有排口的截留量截流至调蓄池。
表9 排口出流情况
利用SWMM模型中的孔口元件和条件控制功能来实现进水量控制。实现方式为：在雨水调蓄池的排出口设置2个切换用孔口，一个孔口连接至调蓄池用于收集初期雨水，另一个孔口连接至水体排放口，用于排放多余的雨水至水体。参照SWMM操作手册中“Control Rules功能”设置控制条件，以根据30%降雨径流对应的降雨历时来控制孔口开闭。
利用“Control Rules功能”将控制条件设置入SWMM模型，以排放口1和调蓄池1为例，通过孔口来控制调蓄池及排放口进水。分析调蓄池及排放口流量变化，如图9所示。可知：当流量达到30%出流量之前，调蓄池进水口开启，当调蓄池达到30%出流量时，关闭调蓄池进口，同时排放口1开始出水。据此可实现调蓄池只收初期雨水的目标。
图9 排口及调蓄池流量曲线
2）调蓄池削减效能及容积设计。
采用以上模拟方法，对重现期P=0.5 a、P=1 a时5种不同截流比例进行模拟，其污染物削减率及排放量如图10所示。可知：同一重现期时截流比例越高，污染物削减率越大，排放的污染负荷越小。在0.5年一遇的降雨强度下，不同截流比例SS、COD、TN、TP和NH3-N的削减率分别为15.27%~79.65%、13.5%~73.02%、11.25%~62.35%、11.34%~59.00%和11.28%~56.28%；在1年一遇的降雨强度下，不同截流比例SS、COD、TN、TP和NH3-N的削减率分别为20.28%~87.48%、16.24%~78.56%、11.26%~64.11%、11.15%~60.55%和11.16%~57.54%之间。当截流比例<30%时，污染物削减率变化明显，当截流比例>30%时，污染物削减率变化逐渐减缓，因此拟将截流比例控制在30%以下。当截流比例相同时，重现期越大，污染物削减率越大，其中SS和COD削减率增幅较大，而TN、TP和NH3-N削减率增幅较小，削减效果无明显提高。调蓄池体积根据截留体积进行设计，如表10所示。可知：截流量越大调蓄池的设计体积也越大，建设成本相应增加，因此截流调蓄量应结合削减效率、主要污染物、用地情况及经济状况等因素综合考虑。
图10 不同截留量、重现期条件下调蓄池削减效果
表10 不同截留量、重现期下调蓄池设计体积
同时，结合规范方法对调蓄池截流降雨量进行分析。根据《城镇雨水调蓄工程技术规范》，调蓄量的确定可按式(7)计算：
式中：D为单位面积调蓄深度，mm，可取4~8 mm；F为汇水面积，hm2；Ψ为径流系数；β为安全系数，1~1.5。
对规范中建议的不同调蓄深度和安全系数情况下的调蓄池体积进行计算，结果如表11所示。根据SWMM模拟结果和规范计算结果以及实地用地情况，以最高截流50%以上污染负荷为控制目标，考虑调蓄池建设用地尽可能小，当P=0.5、截流30%雨水径流体积，即截留量为5905.2 m3时，污染负荷最高削减率为58.25%；当P=1、截流20%雨水径流体积，即截留量为5562.8 m3时，污染负荷最高削减率为54.71%，这2种情况下均可以满足要求，且截流比例均在30%以下，调蓄池的经济效益较高。因此，将调蓄池体积设计为6000 m3，根据规范，在不同安全系数的情况下该调蓄池可截流5~7 mm的降雨量。王倩等研究有关山地城市（以重庆为例），发现截流初期7.4 mm的径流可控制50%的污染物负荷，这与本研究的结果相接近。
表11 调蓄池体积
综上分析，初期雨水调蓄池的水质水量可以通过SWMM模型进行模拟，同时结合规范方法验证模型模拟的合理性，为当地初期雨水污染控制工程的建设提供合理的数据支撑。
03 结 论
以重庆市永川区部分分流制汇水区为研究对象，研究了长江流域丘陵城镇初期雨水污染特征及初雨调蓄池的截流效果，得到以下3点结论：
1）雨水排口处污染物浓度在降雨过程中受降雨量及降雨强度等多种因素的影响，在不同降雨事件中，各污染物浓度出现的峰值时间不同且波动幅度差别较大。总体来说，大部分污染物浓度在整个降雨过程中呈下降趋势且在降雨后期波动较小。
2）雨水排口污染物浓度与降雨历时、降雨量呈负相关，多数污染物浓度与降雨强度呈负相关，各污染物浓度与雨前干期呈正相关。不同降雨特征因子对不同污染物浓度的影响差别较大。通过对雨水排口初期冲刷效应的分析可知：各污染物在不同降雨情况下均存在初期冲刷效应，但总体强度较弱。
3）初期雨水调蓄池可以有效减少初期雨水污染。同一重现期时，截流比例越高污染物削减率越大；截流比例相同时，重现期越大，污染物削减率越大。在P=0.5 a时，截流30%的雨水径流体积，最高可控制58.25%的污染负荷；在P=1 a时，截流20%的雨水径流体积，最高可控制54.71%的污染负荷。
