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摘要：降雨期间初期降雨径流对自然水体环境质量存在潜在威胁。选取济南市分流制雨水排水系统不同位置的汇水区进行监测，研究济南城区降雨径流污染物特征及初期冲刷效应的影响，结果表明降雨径流中各类污染物浓度在降雨初期波动较大且快速达到峰值，随后浓度迅速下降并稳定，COD、氨氮、总氮和总磷浓度均大幅高出地表水V类标准;用地类型、街道路面、交通流量、绿化等汇水区特性是影响下垫面污染物累积程度的关键因素;降雨特性和汇水区面积是影响初期冲刷效应的关键因素，初期冲刷效应和降雨强大呈正相关，与汇水区面积呈负相关。
关键字：降雨径流;污染物特征;初期冲刷效应
0 引言
济南市城区属暖温带大陆性季风气候，历年平均降水量在 600～700mm之间。由于受季风影响，城区降水量的季节分配极不均匀，夏季雨水集中，降雨量较大[1]。春季降水量一般在80mm左右;夏季降水量在400mm以上，占年降水总量的60%以上;秋季降水量平均在 110～130mm;冬季降水量很少，低于年降水总量的4%。全年降水强度平均为8.0～8.8mm/d，其中夏季的降雨强度最大，为11.6～13.2mm/d，历年日最大降水强度多发生在7～8月份。
随着近年来济南市城区城市化快速发展，城市不透水下垫面面积比例增加，导致由雨水冲刷而形成的雨水径流污染日益严重，削减强降雨事件引起的径流污染对城市自然水体的环境质量影响是海绵城市建设的主要目的之一[2]。高度城市化地区在降雨期间产生的雨水径流包含一定浓度的污染物，如烷烃有机物、总氮、总磷、大肠杆菌及重金属等，未经处理直接排放会引起受纳水体水质变差、生态系统破坏等严重影响[3-4]。降雨径流的污染物主要來源于居民和商业区域、工业活动、建设、街道和停车场，以及大气沉降。在降雨径流的初期阶段，不透水下垫面的污染物被径流冲刷并随径流进入雨水排水系统，这个过程称之为初期冲刷效应，通过截留设施将初期雨水径流经过截留处理后再排放进入水体，可以大幅降低初期雨水对受纳水体的环境质量影响[5-6]。因此，研究当地降雨径流的污染特征和初期冲刷效应，对于城市降雨径流污染控制有一定的指导意义。
1 材料与方法
1.1 研究范围
本研究范围为济南市西起纬六路及无影山路，东至二环东路，涉及济月路、商埠、英雄山、北湖、古城、金鸡岭、全福、山大路、千佛山9个片区，服务面积81.1平方公里，服务人口约119.73万人。该区域汇水面积相对较大，土地利用类型多样且排水系统为分流制排水系统， 降雨时产生的初期冲刷为典型的雨水管网冲刷， 所以研究该区域的初期冲刷现象具有一定代表性。
研究区土地利用类型相对较复杂， 以居住商业用地、工业用地、公共事业用地、透水区为主。工业用地占总面积的23.41%，径流系数为0.9;透水区占23.46%，透水区包括草地、裸地等雨水可快速入渗地区，径流系数为 0.16;居住商业用地占28.20%，包括住宅小区、广场、商场等地区，径流系数为0.9;道路面积占15.92%，径流系数为0.9，公共事业用地主要包括学校，政府机关等地区，占总面积的9%，径流系数为0.8。区域综合径流系数为0.7，不透水地区占汇水面积的71.54%，平均坡度为0.53%。
1.2 监测地点
水质样品采用人工取样法在6个取样点（表1）检查井处取样。径流发生初期30min内间隔5min采集一次样品，在30～60min内间隔15分钟采集一次样品，之后间隔30min采集一次样品，具体采样次数根据降雨强度与历时情况确定。。样品使用1L聚乙烯采样瓶收集，采集后24h内检测，未能及时检测的置于4℃冰箱内贮存不超过48h。
水质检测指标包括COD、总磷、总氮和氨氮[7]，具体方法如表2所示。
1.4 数据处理方法
本文通过过程样的监测计算获得单次降雨的各取样点平均浓度（Event Mean Concentration， EMC）。污染物EMC值为整个降雨径流事件中该污染物质量与径流总体积之比，由于经济技术上均不可能实现连续水量、水质监测，实际径流量与污染物浓度均为离散数据，通常污染物事件平均浓度值可由式（2.2）近似计算得到[8]：
2 结果与讨论
2.1 降雨径流污染物特征
在2017年和2018年的夏季分别对6场产生出流的降雨事件进行了水质监测，监测降雨事件的特征见表2。相关降雨事件包括了不同类型的降雨，水质监测结果具有代表性。
监测到的6次降雨径流中各种污染物浓度变化趋势一致，在雨水径流初期达到峰值，然后逐渐下降至一个稳定水平，其中2017年6月22日旅游路汇入羊头峪西沟取样点的雨水径流污染物浓度变化趋势最有代表性，如图2所示。本研究区域的雨水管网属于干管，汇水面积大，接入支管多，降雨时各小汇水区的径流经支管汇集后进入干管。由于各个支管的汇水区面积大小不一，因此相应的集水时间不一样，导致各个汇水区汇入干管的雨水径流中污染物浓度和到达取样点的时间各有差异，引起取样点的各类污染物浓度随时间变化趋势有一定的波动。
6场降雨径流中各类污染物的EMC值如表3所示。对于相同的污染物，其其EMC在不同降雨场次中差异明显，其中COD差异最为显著。目前济南市大部分城区的地表水水质控制目标为V类标准，比较6场降雨过程中各个取样点的污染物EMC与地表水IV类和V类标准值，发现本研究监测的各类污染物EMC平均值都大于地表水V类水标准值，这说明污水径流对受纳水体环境质量存在潜在威胁。从表可以发现，总氮和COD、总磷的EMC分别超过地表水V类标准的1.98倍和2.23倍、1.75倍，只有氨氮的EMC值接近V类地表水标准对氨氮的要求;而对于要求更高的地表水IV类标准，则所有的污染物都明显超过了标准值。
雨水径流的污染物主要来源于汇水区下垫面地表的污染物累积过程，这个过程可以用雨前落干期天数的非线性函数来表示。累积过程和累积区域内的街道路面、交通流量、植被、用地性质等有关。因此，对于每一类的污染物和用地类型的组合，其累积过程表达函数是不同的。于军亭等在济南对不同下垫面暴雨径流污染特征进行研究，研究表明不同下垫面的综合COD浓度为70mg/L，略低于本次研究的监测值，这可能是由于本次取样点位于城市干道附近，周围路面机动车辆密集，汽车排放及轮胎磨损产生的固体颗粒较多，同时汽油润滑油泄漏及燃料不完全燃烧会引起悬浮固体、有机物[9]。总氮和氨氮的浓度超标原因可能是由于屋面油毡年代久远老化，易于风化成微小固体含氮颗粒随降雨形成径流，且研究区域的绿化的定期施肥和喷洒农药也会引起氮营养盐污染。同时，研究区域周边存在钢铁公司和炼油厂，导致空气中存在较高浓度的含氮颗粒。本研究七里山路汇入英雄山路口的取样点的总氮、总磷、COD和氨氮的EMC值远低于其他取样点的各类污染物浓度值，这可能是由于其汇水区主要是科教区，内部绿化面积较大，同时内部道路清扫相对校外道路频率高。位于生活区和商业区附近的取样点的各类污染物EMC浓度最高，该类区域人口密度集中，会形成较多的厨余垃圾和餐厨垃圾，由于管理不善导致垃圾无序堆放和餐厨垃圾直排入雨水口的现象会引起管网内部的污染物浓度升高。
黄俊等研究表明，磷是富营养化的控制因子，作为营养化限制因子的总磷浓度限值应为0.05mg/L[10]。因此，参照目前济南市大部分城区施行的V类标准，研究区域对初期雨水进行处理的调蓄池的主要处理对象是COD和总磷。总氮和氨氮在径流形成的初期瞬时浓度很高，因此在初期雨水径流中氮素的影響不能忽视。
2.2 初期冲刷效应分析
冲刷是降雨时期雨水对子汇水下垫面固体物质的侵蚀和溶解的过程，雨水径流的污染物浓度在降雨初期是最高的，如果水深超过数毫米，这种侵蚀和溶解过程可通过沉积物迁移理论描述，即初期冲刷效应。初期冲刷效应可以用经验模型来进行量化，本文采用Geiger的研究结论，以污染物的累积负荷和累积径流流量的相关性为基础，通过判断两者形成的累积曲线的发散性来确定其初期冲刷强度[11]。具体表现形式为：
式中L表示污染物累积负荷;无量纲，m（t）指污染物累积负荷，kg;M为场降雨污染负荷;F为累积径流，无量纲;v（t）为累积径流量，m3;V为降雨径流量，m3。
污染物累积负荷L和累积径流量F可以用函数进行拟合，拟合公式为：
b是初期冲刷系数，表示拟合曲线与平衡曲线的偏差，b值小于1表示存在初期冲刷效应，值越小表示初期冲刷强度越大。表3表示降雨强度最高、最低和中间三场降雨中各个取样点所对应的汇水区表面各种污染物的冲刷系数。
常静等研究发现汇水区面积、径流系数和降雨强度是影响初期冲刷效应的关键因子[5]。比较表4中的初期冲刷系数，发现所有的污染物在最强降雨和中间降雨强度下时均发生了初期冲刷效应，在降雨强度为1.36mm/h的降雨场次中，各个汇水区基本没有发生初期冲刷效应，这与任玉芬等研究结果一致，即初期冲刷效应和降雨强度有明显的正相关性[12]。同时，在同场降雨中，经十路汇入舜耕路口东侧取样点的汇水区的初期冲刷系数比其他汇水区低，这是由于该汇水区的汇水面积最小，导致其初期冲刷强大越大。
3 结论
（1）研究区域降雨径流中各类污染物浓度在降雨初期波动较大且快速达到峰值，随后浓度迅速下降，变化逐渐平缓;降雨径流中COD、氨氮、总氮和总磷浓度均大幅高出地表水V类标准。
（2）下垫面污染物累积程度是下垫面用地类型、街道路面、交通流量、绿化等汇水区特性的综合作用效果，当生活、生产活动发生变化时，雨水径流的污染物浓度随之产生变化。
（3）初期冲刷效应和降雨强大呈正相关，与汇水区面积呈负相关。
参考文献：
[1] 济南市面源污染现状及防治对策[J]. 张华玲，闫怀忠，高焰，孟廉洁. 中国环境监测. 2006（04）：60-64.
[2] 车伍，赵杨，李俊奇等. 海绵城市建设指南解读之基本概念与综合目标[J].中国给水排水，2015，31（ 8） ： 1-5.
[3] Pongmala K，Autixier L，Madoux-Humery AS et al.Modelling total suspended solids， E.coli and carbamazepine，a tracer of wastewater contamination from combined sewer overflow [J].Journal of Hydrology，2015，531（ 11） ： 830-839.
[4] Shen Z，Liu J，Aini G et al.A comparative study of the grain-size distribution of surface dust and stormwater runoff quality on typical urban roads and roofs in Beijing， China [J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23（ 3） ： 1-12.
[5] 常静，刘敏，许世远，等. 上海市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应[J]. 地理研究，2006，25 （6）：994-1002.
[6] JEAN L，KERAJEWSKI B，CHEBBO G，et al. Distribution of pollutant mass vs volume in stormwater discharges and the first flush phenomenon [J]. Water Research，1998，32（8）：2341-2356.
[7] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法（第四版）[M]. 北京：中国环境科学出版社，2002.
[8] 贾俊平. 统计学[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[9] 于军亭，杨文哲，陈淑芬.济南城区降雨径流污染特征分析[J].山东师范大学学报（自然科学版），2010，2：85-87.
[10] 黄 俊，张朝能，宁 平，等. 滇池流域水体氮磷富营养化试验研究[J]. 昆明理工大学学报（自然科学版），2018，43（6）：112-117.
[11] GEIGER W. Flushing effects in combined sewer systems [J]. Urban Storm Drainage， 1987，4：40-46.
[12] 任玉芬，王效科，韩冰，等. 城市不同下垫面的降雨径流污染[J].生态学报，2005， 25（12）：3225-3230.
（作者单位：1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司;2.山东省城市供排水水质监测中心）
关键字：降雨径流;污染物特征;初期冲刷效应
0 引言
济南市城区属暖温带大陆性季风气候，历年平均降水量在 600～700mm之间。由于受季风影响，城区降水量的季节分配极不均匀，夏季雨水集中，降雨量较大[1]。春季降水量一般在80mm左右;夏季降水量在400mm以上，占年降水总量的60%以上;秋季降水量平均在 110～130mm;冬季降水量很少，低于年降水总量的4%。全年降水强度平均为8.0～8.8mm/d，其中夏季的降雨强度最大，为11.6～13.2mm/d，历年日最大降水强度多发生在7～8月份。
随着近年来济南市城区城市化快速发展，城市不透水下垫面面积比例增加，导致由雨水冲刷而形成的雨水径流污染日益严重，削减强降雨事件引起的径流污染对城市自然水体的环境质量影响是海绵城市建设的主要目的之一[2]。高度城市化地区在降雨期间产生的雨水径流包含一定浓度的污染物，如烷烃有机物、总氮、总磷、大肠杆菌及重金属等，未经处理直接排放会引起受纳水体水质变差、生态系统破坏等严重影响[3-4]。降雨径流的污染物主要來源于居民和商业区域、工业活动、建设、街道和停车场，以及大气沉降。在降雨径流的初期阶段，不透水下垫面的污染物被径流冲刷并随径流进入雨水排水系统，这个过程称之为初期冲刷效应，通过截留设施将初期雨水径流经过截留处理后再排放进入水体，可以大幅降低初期雨水对受纳水体的环境质量影响[5-6]。因此，研究当地降雨径流的污染特征和初期冲刷效应，对于城市降雨径流污染控制有一定的指导意义。
1 材料与方法
1.1 研究范围
本研究范围为济南市西起纬六路及无影山路，东至二环东路，涉及济月路、商埠、英雄山、北湖、古城、金鸡岭、全福、山大路、千佛山9个片区，服务面积81.1平方公里，服务人口约119.73万人。该区域汇水面积相对较大，土地利用类型多样且排水系统为分流制排水系统， 降雨时产生的初期冲刷为典型的雨水管网冲刷， 所以研究该区域的初期冲刷现象具有一定代表性。
研究区土地利用类型相对较复杂， 以居住商业用地、工业用地、公共事业用地、透水区为主。工业用地占总面积的23.41%，径流系数为0.9;透水区占23.46%，透水区包括草地、裸地等雨水可快速入渗地区，径流系数为 0.16;居住商业用地占28.20%，包括住宅小区、广场、商场等地区，径流系数为0.9;道路面积占15.92%，径流系数为0.9，公共事业用地主要包括学校，政府机关等地区，占总面积的9%，径流系数为0.8。区域综合径流系数为0.7，不透水地区占汇水面积的71.54%，平均坡度为0.53%。
1.2 监测地点
水质样品采用人工取样法在6个取样点（表1）检查井处取样。径流发生初期30min内间隔5min采集一次样品，在30～60min内间隔15分钟采集一次样品，之后间隔30min采集一次样品，具体采样次数根据降雨强度与历时情况确定。。样品使用1L聚乙烯采样瓶收集，采集后24h内检测，未能及时检测的置于4℃冰箱内贮存不超过48h。
水质检测指标包括COD、总磷、总氮和氨氮[7]，具体方法如表2所示。
1.4 数据处理方法
本文通过过程样的监测计算获得单次降雨的各取样点平均浓度（Event Mean Concentration， EMC）。污染物EMC值为整个降雨径流事件中该污染物质量与径流总体积之比，由于经济技术上均不可能实现连续水量、水质监测，实际径流量与污染物浓度均为离散数据，通常污染物事件平均浓度值可由式（2.2）近似计算得到[8]：
2 结果与讨论
2.1 降雨径流污染物特征
在2017年和2018年的夏季分别对6场产生出流的降雨事件进行了水质监测，监测降雨事件的特征见表2。相关降雨事件包括了不同类型的降雨，水质监测结果具有代表性。
监测到的6次降雨径流中各种污染物浓度变化趋势一致，在雨水径流初期达到峰值，然后逐渐下降至一个稳定水平，其中2017年6月22日旅游路汇入羊头峪西沟取样点的雨水径流污染物浓度变化趋势最有代表性，如图2所示。本研究区域的雨水管网属于干管，汇水面积大，接入支管多，降雨时各小汇水区的径流经支管汇集后进入干管。由于各个支管的汇水区面积大小不一，因此相应的集水时间不一样，导致各个汇水区汇入干管的雨水径流中污染物浓度和到达取样点的时间各有差异，引起取样点的各类污染物浓度随时间变化趋势有一定的波动。
6场降雨径流中各类污染物的EMC值如表3所示。对于相同的污染物，其其EMC在不同降雨场次中差异明显，其中COD差异最为显著。目前济南市大部分城区的地表水水质控制目标为V类标准，比较6场降雨过程中各个取样点的污染物EMC与地表水IV类和V类标准值，发现本研究监测的各类污染物EMC平均值都大于地表水V类水标准值，这说明污水径流对受纳水体环境质量存在潜在威胁。从表可以发现，总氮和COD、总磷的EMC分别超过地表水V类标准的1.98倍和2.23倍、1.75倍，只有氨氮的EMC值接近V类地表水标准对氨氮的要求;而对于要求更高的地表水IV类标准，则所有的污染物都明显超过了标准值。
雨水径流的污染物主要来源于汇水区下垫面地表的污染物累积过程，这个过程可以用雨前落干期天数的非线性函数来表示。累积过程和累积区域内的街道路面、交通流量、植被、用地性质等有关。因此，对于每一类的污染物和用地类型的组合，其累积过程表达函数是不同的。于军亭等在济南对不同下垫面暴雨径流污染特征进行研究，研究表明不同下垫面的综合COD浓度为70mg/L，略低于本次研究的监测值，这可能是由于本次取样点位于城市干道附近，周围路面机动车辆密集，汽车排放及轮胎磨损产生的固体颗粒较多，同时汽油润滑油泄漏及燃料不完全燃烧会引起悬浮固体、有机物[9]。总氮和氨氮的浓度超标原因可能是由于屋面油毡年代久远老化，易于风化成微小固体含氮颗粒随降雨形成径流，且研究区域的绿化的定期施肥和喷洒农药也会引起氮营养盐污染。同时，研究区域周边存在钢铁公司和炼油厂，导致空气中存在较高浓度的含氮颗粒。本研究七里山路汇入英雄山路口的取样点的总氮、总磷、COD和氨氮的EMC值远低于其他取样点的各类污染物浓度值，这可能是由于其汇水区主要是科教区，内部绿化面积较大，同时内部道路清扫相对校外道路频率高。位于生活区和商业区附近的取样点的各类污染物EMC浓度最高，该类区域人口密度集中，会形成较多的厨余垃圾和餐厨垃圾，由于管理不善导致垃圾无序堆放和餐厨垃圾直排入雨水口的现象会引起管网内部的污染物浓度升高。
黄俊等研究表明，磷是富营养化的控制因子，作为营养化限制因子的总磷浓度限值应为0.05mg/L[10]。因此，参照目前济南市大部分城区施行的V类标准，研究区域对初期雨水进行处理的调蓄池的主要处理对象是COD和总磷。总氮和氨氮在径流形成的初期瞬时浓度很高，因此在初期雨水径流中氮素的影響不能忽视。
2.2 初期冲刷效应分析
冲刷是降雨时期雨水对子汇水下垫面固体物质的侵蚀和溶解的过程，雨水径流的污染物浓度在降雨初期是最高的，如果水深超过数毫米，这种侵蚀和溶解过程可通过沉积物迁移理论描述，即初期冲刷效应。初期冲刷效应可以用经验模型来进行量化，本文采用Geiger的研究结论，以污染物的累积负荷和累积径流流量的相关性为基础，通过判断两者形成的累积曲线的发散性来确定其初期冲刷强度[11]。具体表现形式为：
式中L表示污染物累积负荷;无量纲，m（t）指污染物累积负荷，kg;M为场降雨污染负荷;F为累积径流，无量纲;v（t）为累积径流量，m3;V为降雨径流量，m3。
污染物累积负荷L和累积径流量F可以用函数进行拟合，拟合公式为：
b是初期冲刷系数，表示拟合曲线与平衡曲线的偏差，b值小于1表示存在初期冲刷效应，值越小表示初期冲刷强度越大。表3表示降雨强度最高、最低和中间三场降雨中各个取样点所对应的汇水区表面各种污染物的冲刷系数。
常静等研究发现汇水区面积、径流系数和降雨强度是影响初期冲刷效应的关键因子[5]。比较表4中的初期冲刷系数，发现所有的污染物在最强降雨和中间降雨强度下时均发生了初期冲刷效应，在降雨强度为1.36mm/h的降雨场次中，各个汇水区基本没有发生初期冲刷效应，这与任玉芬等研究结果一致，即初期冲刷效应和降雨强度有明显的正相关性[12]。同时，在同场降雨中，经十路汇入舜耕路口东侧取样点的汇水区的初期冲刷系数比其他汇水区低，这是由于该汇水区的汇水面积最小，导致其初期冲刷强大越大。
3 结论
（1）研究区域降雨径流中各类污染物浓度在降雨初期波动较大且快速达到峰值，随后浓度迅速下降，变化逐渐平缓;降雨径流中COD、氨氮、总氮和总磷浓度均大幅高出地表水V类标准。
（2）下垫面污染物累积程度是下垫面用地类型、街道路面、交通流量、绿化等汇水区特性的综合作用效果，当生活、生产活动发生变化时，雨水径流的污染物浓度随之产生变化。
（3）初期冲刷效应和降雨强大呈正相关，与汇水区面积呈负相关。
参考文献：
[1] 济南市面源污染现状及防治对策[J]. 张华玲，闫怀忠，高焰，孟廉洁. 中国环境监测. 2006（04）：60-64.
[2] 车伍，赵杨，李俊奇等. 海绵城市建设指南解读之基本概念与综合目标[J].中国给水排水，2015，31（ 8） ： 1-5.
[3] Pongmala K，Autixier L，Madoux-Humery AS et al.Modelling total suspended solids， E.coli and carbamazepine，a tracer of wastewater contamination from combined sewer overflow [J].Journal of Hydrology，2015，531（ 11） ： 830-839.
[4] Shen Z，Liu J，Aini G et al.A comparative study of the grain-size distribution of surface dust and stormwater runoff quality on typical urban roads and roofs in Beijing， China [J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23（ 3） ： 1-12.
[5] 常静，刘敏，许世远，等. 上海市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应[J]. 地理研究，2006，25 （6）：994-1002.
[6] JEAN L，KERAJEWSKI B，CHEBBO G，et al. Distribution of pollutant mass vs volume in stormwater discharges and the first flush phenomenon [J]. Water Research，1998，32（8）：2341-2356.
[7] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法（第四版）[M]. 北京：中国环境科学出版社，2002.
[8] 贾俊平. 统计学[M]. 北京：清华大学出版社，2004.
[9] 于军亭，杨文哲，陈淑芬.济南城区降雨径流污染特征分析[J].山东师范大学学报（自然科学版），2010，2：85-87.
[10] 黄 俊，张朝能，宁 平，等. 滇池流域水体氮磷富营养化试验研究[J]. 昆明理工大学学报（自然科学版），2018，43（6）：112-117.
[11] GEIGER W. Flushing effects in combined sewer systems [J]. Urban Storm Drainage， 1987，4：40-46.
[12] 任玉芬，王效科，韩冰，等. 城市不同下垫面的降雨径流污染[J].生态学报，2005， 25（12）：3225-3230.
（作者单位：1.济南市市政工程设计研究院（集团）有限责任公司;2.山东省城市供排水水质监测中心）