城区屋面雨水径流水文水质特征研究_降雨-径流过程

论文导读:：对新乡市2010年8月城区屋面的3场降雨径流进行水文、水质过程同步分析，以研究水文过程与污染物浓度变化特征。结果表明：（1）屋面径流系数在0.92-0.98之间，径流曲线形态与降雨过程线类似，两者波动幅度相对较小。（2）径流水质主要受降雨量、降雨强度、屋面材料、季节和气温等因素影响，径流初期污染严重，后期COD、SS浓度分别在25mgL^-1和30mgL^-1以下。（3）径流中COD与SS之间的相关性较好，而DO与其之间的相关性较差。
论文关键词：城区屋面雨水，水文水质特征，降雨-径流过程

 

城市化的迅速发展使城市不透水区域面积所占比例越来越重，导致由城市降雨形成的径流污染已成为当前城市水环境污染的主要来源之一^[1]。从20世纪60年代起，在美国、欧洲等发达国家开展了大量的城区地表径流污染研究，包括对降雨场次污染物平均浓度、初期冲刷效应、不同下垫面地表径流污染特征影响因素等^[2-4]。在2000年以来才引起我国学者们的广泛关注，主要集中在城市降雨径流水质的调查、基于国外模型的污染负荷研究等^[5-6]。但这些研究较为零散，时空连续性和系统性较差，未能同步分析降雨-径流的水文水质过程，不利于利用模型或其它手段进行污染符合的估算及径流污染控制措施的制定等。

本研究选择新乡市城区2010年8月屋面雨水径流水文、水质过程进行同步监测分析，以降雨、径流、污染指标浓度在场次降雨过程中的变化为主要对象，描述其运移变化特征。研究结果对我国城市非点源污染基础数据的积累、污染指标变化过程的分析、非点源污染控制模型的构建、生态型城市水系的管理等都有一定意义。

1材料与方法

1.1研究区域

新乡市位于东经113°54′、北纬35°18′降雨-径流过程，属暖温带大陆性季风气候，冬季及春、秋两季的大部分时间为西伯利亚冷高压所控制，雨雪稀少，风多干冷，空气干燥，蒸发量大，东北风居多；夏季为太平洋副热带高压所控制，水汽充沛，雨量集中，偏南风较多；多年平均蒸发量在1700~2000mm，平均气温约14℃，平均无霜期220d，全年日照时间约2400h。多年平均降雨量541mm，降雨量年际变化较大，丰水年（1963年）最大降雨量达到1828.1mm，枯水年（1936年）最小降雨量为140.0mm，最大年降雨量是最小年降雨量的13.05倍；降雨量年内分配极不均匀，夏季受东南季风影响，雨量较为集中，汛期（6~9月）降雨量占全年降水总量70.4%以上论文参考文献格式。

研究采样点设置在5层办公楼建筑物的屋面，该楼建于2004年降雨-径流过程，占地面积1551m²，下垫面铺设沥青SBS防水材料，整个屋面被均分为8个等面积区域，通过8根雨落管排水。采样点汇水区为矩形，坡度2%，长18.05m，宽7.50m，布置雨落管1根。

1.2样品采集

降雨期间用75L聚乙烯桶收集屋面雨落管排出的径流，在距离采样点300m的空旷处安装自动气象站装置（VantagePro2），同步获得场次雨量过程线。样品采集情况见表1。

1.3样品分析

数据分析采用2010年8月3场降雨-径流资料。根据自动气象站记录的雨量累计数据，计算不同时刻降雨强度。根据每次采样耗时与容器容积计算出瞬时径流量，作为采样起止时刻中值的瞬时径流量，以此定量描述降雨-径流过程。水样采集后立即冷藏保存，最短时间内进行水质分析，指标包括pH、SS、COD和DO，pH和DO测定应用便携式水质测量仪（MPS-Checker），SS测定应用固体悬浮物测定仪（ET9270），COD测定应用实用型化学需氧量速测仪（QCOD-2E）。各指标分析方法根据相关水质指标分析标准进行，每个水样的分析结果代表采样起止时刻的各指标浓度值，从而实现水量与水质的同步监测。

2结果与讨论

2.1降雨-径流过程

图1所示为8月4日、8月10日和8月13日的降雨-径流过程，降水量分别为4.01mm、51.79mm和68.28mm降雨-径流过程，降雨类型有所不同。第1、3场雨强峰值出现在初期，分别为0.195mmmin^-1、4.877mmmin^-1；第2场雨强峰值出现在降雨末期，为2.413mmmin^-1，雨强波动幅度较大。3场降雨的径流曲线形态与降雨过程线类似，但变化幅度要低于降雨过程线，消除了降雨过程中的某些峰值。

可以看出，径流过程线稍微滞后于降雨过程线，滞后时间约5-20min，这种现象是由蒸发、滞留、渗透等因素共同作用的结果。一般情况下，北方地区夏季为汛期，降雨集中，受地面高温、下垫面光滑程度、入渗等因素影响，在降雨初期雨水降落地面后就立刻蒸发，同时下垫面的不光滑程度越高，雨水滞留量就越多，以及在任何性质的下垫面条件下，均有少量雨水的渗透。受上述因素共同作用，径流必然会滞后于降雨一段时间发生，径流量与降雨量则不会相等。

径流系数是径流量与降雨量的比值，用于表示特定下垫面条件对降雨形成径流的响应论文参考文献格式。根据监测的3场降雨资料分析计算，径流系数在0.92~0.98之间降雨-径流过程，均值为0.95，稍高于我国现行规范中屋面的设计径流系数0.9。实际上径流系数的测定主要受下垫面汇水区域的划分、下垫面坡度、雨水口设置、降雨强度等因素的影响较大。

表1试验样品采集情况

Table 1 Information of test samplecollection

图1不同时间降雨-径流过程

Fig.1 Different times rainfall-runoffprocess

2.2径流中各指标浓度变化

在单场次降雨过程中，污染物浓度可能变化很剧烈，但受纳水体的水质变化并非同样敏感。因此，尽管单一场次降雨过程的径流中污染物浓度变化较大，场次平均浓度（EMC）仍是描述径流污染特征的首要指标，其定义为单场降雨的污染物总负荷除以径流总量^[4]。

一般情况下，屋面初期雨水径流污染最为严重，水体较浑浊，各水质指标在一定范围内变动幅度较大。表2所示为屋面径流的污染水平，括号外为径流中各种污染指标的浓度范围，括号内为该指标的EMC。可以看出，3场次降雨的pH在6.5~7.4之间，均值为7.05，处于中性稍碱状态；DO为1.3~2.8mgL^-1，均值为1.65mgL^-1；SS为6~591mgL^-1，均值为21.95mgL^-1；COD为7.6~2591.4mgL^-1，均值为39.60mgL^-1。

屋面雨水径流水质主要受降雨量、降雨强度、屋面材料、季节和气温等因素影响。在屋面雨水径流中，第1场降雨的各指标浓度显著高于后2场降雨，这是由于非点源的累积排放特征所决定的。由于北方地区的降雨量70%以上集中在汛期（6~9月），从秋季到次年春季降雨-径流过程，污染物主要处于累积阶段；夏季降雨频率高，各指标主要处于排放阶段，受其它人类活动的影响较小。因此，就表现为各指标浓度均在雨季后期径流中降低较为明显。

表2径流中各指标浓度

Table 2 Indicator concentration in urbanrunoff

2.3各指标相关性分析

研究表明，雨水径流中的各指标之间有一定的相关关系^[4]。通过计算各指标之间的相关系数，可以反映其相关性。利用MicrosoftExcel 2007计算各指标之间的相关系数，见表3。可以看出，在屋面雨水径流中，颗粒物（SS）与有机物（COD）之间的相关系数较大（＞0.5），而无机物（DO）与它们之间的相关系数较小（＜0.5），说明在控制屋面径流污染时使用滞留沉降系统可以同时有效地去除颗粒物和有机物，对无机物的协同去处能力会有所降低，需要考虑使用其它手段单独去除，或者在选择控制措施时进行综合考虑。

通过试验测定的雨水径流水质变化具有较大的随机性，但这种线性相关关系可为雨水径流水质的检测、定量分析、雨水利用系统方案设计、制定有效的控制措施等提供参考论文参考文献格式。

根据试验监测结果统计，降雨大约在15~20min后（时间长短与雨强相关，雨强越大，时间越短），各指标浓度基本趋于一个稳定值。与相关水质标准进行比较可知，雨水径流污染中主要控制指标为SS和COD。因此，采取一定措施弃除初期径流后的雨水水质降雨-径流过程，水体较清澈，SS浓度小于10mgL^-1，COD浓度小于20mgL^-1。按照《城市污水再生利用》中的水质要求，在雨水径流收集、处理、存储后可直接满足绿地灌溉、喷洒道路、冲洗厕所、水景补水等用途，节约城市自来水。

表3各指标之间相关性

Table 3 correlation between variousindicators

3结论

（1）径流曲线形态与降雨过程线类似，两者波动幅度相对较小，径流曲线滞后于降雨过程线约5~20min，屋面径流系数在0.92~0.98之间，稍高于规范中设计值。

（2）屋面初期雨水径流污染最为严重，水体较浑浊。各指标浓度在雨季后期径流较前期降低较为明显。径流中各指标浓度变化是由累积排放规律所决定，主要受降雨量、降雨强度、屋面材料、季节和气温等因素影响。

（3）屋面雨水径流中，颗粒物（SS）与有机物（COD）之间的相关系数较大，而无机物（DO）与它们之间的相关系数较小，说明在控制屋面径流污染时采取措施可同时去除颗粒物和有机物，对无机物的协同去处能力会有所降低。

参考文献：
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[3]李立青,尹澄清,何庆慈,等.城市降水径流的污染来源与排放特征研究进展[J].水科学进展,2006,17(2):288-293.
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[6]吴普特,冯浩.中国雨水利用[M].郑州:黄河水利出版社,2009.