城鎮(zhèn)面源污染程度主要受降雨條件、下墊面特征、排水體制等因素影響。其中，排水體制在城鎮(zhèn)面源污染中占據(jù)重要地位，目前我國多數(shù)老城區(qū)以合流制排水系統(tǒng)為主，但我國早期的城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)設(shè)計要求低，如今市政污水排放量的增加，導(dǎo)致排水管網(wǎng)的充滿度增加，甚至達(dá)到滿管流狀態(tài)。此時降雨期間合流制排水管道內(nèi)的流量超過其承載能力會發(fā)生雨污水溢流現(xiàn)象。

       在平原河網(wǎng)地區(qū)，地勢平緩，城鎮(zhèn)中存在水體流動性不足的現(xiàn)象，污染物易于在管道內(nèi)淤積。其中長江下游江蘇段和環(huán)太湖區(qū)域城鎮(zhèn)面源對COD的貢獻(xiàn)占比接近甚至超過生活源，合流制管網(wǎng)溢流污染對城鎮(zhèn)河道水質(zhì)影響較為嚴(yán)重；以常州老城區(qū)為例，合流制溢流污染物平均濃度均高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，當(dāng)合流制雨污水發(fā)生溢流時，會直接排放進(jìn)入受納水體，造成嚴(yán)重污染。本文以常州市金壇區(qū)老城區(qū)沿河岸不同排口和檢查井為研究對象，分析合流制溢流污染特征和沉積物沖刷規(guī)律。

一、研究區(qū)域與研究方法

1、研究區(qū)域概況與采樣點布設(shè)

       江蘇省常州市金壇區(qū)，屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年均降雨量為952.7mm。丹金溧漕河全長65.59 km，在金壇區(qū)段長30.7 km。所選研究區(qū)域在金壇區(qū)老城區(qū)，范圍如圖所示，面積1.16km2，沿丹金溧漕河河岸兩側(cè)，排水體制為截流式合流制。區(qū)域內(nèi)建筑密度大，土地利用類型多，包括居住用地、道路用地、商服用地和公共用地等。在研究區(qū)域設(shè)置3個溢流口采樣點，其中溢流口-1為區(qū)域排水溢流口；溢流口-2主要收集沿岸各商鋪來水；溢流口-3為泵站排水口。下墊面監(jiān)測點分別代表交通道路、廣場、屋頂和綠地四種用地類型。檢查井監(jiān)測點為管道末端，主要收集周邊小區(qū)排水；管道沉積物采樣也取自該檢查井。

2、監(jiān)測項目與方法

       現(xiàn)場監(jiān)測：采用雨量計監(jiān)測降雨量，計數(shù)間隔為5min；流量監(jiān)測采用LSH10-1QC型超聲波多普勒流速流量儀；水質(zhì)樣品采集在降雨產(chǎn)生徑流后于各監(jiān)測點開始以先密后疏的頻次采樣，即5、10、15、30、60、90、120min；水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)包括SS、COD、TP、NH3-N和TN，分析方法分別采用重量法、重鉻酸鉀法、鉬酸鹽分光光度法、納氏試劑光度法和過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法。

       為探究管道沉積物沖刷規(guī)律及其對水質(zhì)濃度的影響，以合流制管道沉積物為試驗材料進(jìn)行沖刷模擬試驗。選取管長Lp=50m、管徑Rd=400mm、管段坡度為0.003，計算得匯水面積約為0.03km2。試驗選定長度比例尺λL=62.5、λD=4、變態(tài)率k=62.5/4=15.625，遵循變態(tài)模型牛頓定律，即實驗室模型Lm=80cm、Rm=100mm，沉積物沖刷試驗反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖2。通過比例尺及實際降雨數(shù)據(jù)來計算低強度降雨、中強度降雨和高強度降雨下對應(yīng)的管道沖刷流量和流速，驗證對應(yīng)模型流速雷諾數(shù)均滿足紊流狀態(tài)和完全紊流狀態(tài)的要求。模型流量分別為11.1、15.0和20.8 L/min，按30s、1min、5min、10min、15min、30min和60min的間隔分時段進(jìn)行采樣，分析沖刷前期、中期和后期沖刷出的顆粒運動形態(tài)和沉積物經(jīng)沖刷水中各污染物濃度。

二、結(jié)果與討論

1、溢流雨污水水量變化特征

本研究于2023年4-7月共采集了3場有效降雨，根據(jù)中國氣象局發(fā)布的降雨等級劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分降雨等級。

對所采集的小雨、中雨和暴雨這三場降雨中，溢流口-1、溢流口-2和溢流口-3三個溢流口分別監(jiān)測到1、3、2次有效溢流。以三場降雨中都存在溢流現(xiàn)象的溢流口-2為例，研究不同降雨等級下的溢流口溢流量變化。 

       小雨、中雨和暴雨下溢流口-2從產(chǎn)生徑流開始到發(fā)生溢流分別經(jīng)歷了約20、10和6min，可知出現(xiàn)溢流現(xiàn)象的用時與降雨等級呈負(fù)相關(guān)性。同時，降雨強度的分布影響著溢流水量存在單峰或多峰的問題。小雨等級的降雨強度較小且分布較為均勻，溢流雨污水量呈單峰現(xiàn)象，在產(chǎn)生徑流后30min形成4.1×10-4m3/s的峰值后逐漸變小；中雨等級下，雨強分布不均勻，溢流水量呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象，在徑流產(chǎn)生后50min形成1.83×10-3m3/s的峰值后呈下降趨勢，后又在80min時形成2.38×10-3m3/s的峰值，隨后逐漸減小至與最初點幾乎平齊，且降雨發(fā)生時正值用水高峰階段，水量不穩(wěn)定，也是溢流水量呈多峰的原因；暴雨等級下，在產(chǎn)生徑流20min時降雨強度突增達(dá)到最大值，隨后溢流水量達(dá)到峰值，約為0.1m3/s，45min后降雨強度大幅度下降，溢流水量也呈大幅度下降趨勢，最后保持平穩(wěn)狀態(tài)。

       降雨落在下墊面后流入合流制管道需要一定的匯集時間，且匯入到管道中的混合雨污水到溢流口同樣需要時間，因此溢流水量的峰值相較降雨強度的峰值有一定的滯后性。小雨等級下降雨強度變化較小，不易看出二者峰值之間的關(guān)系；中雨等級下降雨變化幅度較為明顯時段為25~35min內(nèi)，溢流量增幅于35~50min增幅顯著；暴雨等級下降雨量變化幅度在20~30min較為明顯，而溢流量增長幅度較為明顯階段為35~50min內(nèi)。由此可以得出，在研究區(qū)域合流制管網(wǎng)中，溢流量峰值較降雨強度峰值滯后約5~15min，整體存在滯后性但滯后時間不長，這是由于研究區(qū)域為管網(wǎng)密集區(qū)域，且管道長度短，匯流時間較短。

       對于溢流水量控制，主要有提高管道截流倍數(shù)、構(gòu)建調(diào)蓄設(shè)施或進(jìn)行深層隧道調(diào)蓄等方式。其中，構(gòu)建調(diào)蓄設(shè)施進(jìn)行水量調(diào)節(jié)可將超出管道承載負(fù)荷的雨污水引入到調(diào)蓄池進(jìn)行短時間存放，使下游管網(wǎng)中的雨污水入流量降低，對其流量峰值起到延緩作用。由于溢流峰值發(fā)生時間主要集中于降雨強度峰值后約5~15min，因此對于水量的調(diào)蓄應(yīng)重點控制降雨峰值后5~15min的水量。

2、溢流雨污水水質(zhì)變化特征

       不同降雨等級下各溢流口的水質(zhì)數(shù)據(jù)見下圖，橫線為旱天水質(zhì)。由下圖可知，小雨等級下溢流雨污水絕大部分污染物濃度為最高值，且SS濃度高于生活污水，這是由于降雨徑流沖刷地表和管道沉積物導(dǎo)致大量顆粒物進(jìn)入水體，而降雨量較少，稀釋作用遠(yuǎn)小于沖刷作用所導(dǎo)致的；中雨的絕大部分污染物濃度要低于小雨、而大于暴雨，這表明中雨等級下的降雨對溢流水質(zhì)的影響相對較緩，持續(xù)的降雨徑流匯入使得沖刷作用長期占優(yōu)，同時匯入的雨水又不足以稀釋這部分污染物。除此之外，中雨前期干旱天數(shù)相對較長（12 d），下累積污染物含量較高，導(dǎo)致降雨后沖刷出的污染物濃度也高；暴雨等級下的溢流雨污水的各污染物濃度均為最低值，這說明降雨量較大的降雨事件中大量雨水的匯入，使得稀釋作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對地表和管道沉積物的沖刷作用，導(dǎo)致污染物濃度偏低。并且暴雨發(fā)生時前期干旱天數(shù)較短，導(dǎo)致累積污染物較少。

       同時，溢流雨污水的EMC值是整個降雨過程中所有瞬時污染物濃度對流量的加權(quán)平均值。表2為三場不同降雨等級下的溢流口水質(zhì)監(jiān)測EMC值。由下表可以看出，整體上隨著降雨等級的增大，有溢流現(xiàn)象的溢流口數(shù)量增加。而溢流口-2不論哪種降雨都有溢流現(xiàn)象，分析有以下兩方面原因：一是旱天時該部分管道已接近滿管流，因此只要降雨事件發(fā)生，管道內(nèi)部雨污水量就會超過管道的承載負(fù)荷能力，產(chǎn)生溢流現(xiàn)象；二是由于管道存在錯接問題，導(dǎo)致該溢流口一直存在出水現(xiàn)象，降雨事件發(fā)生溢流水量隨之加大。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該溢流口在旱天有時存在出水現(xiàn)象，是由于管道存在錯接問題多導(dǎo)致。每個溢流口的污染物EMC值存在一定程度的差異，但小雨、中雨下污染物EMC值偏高，這也印證了前文所提到的小雨、中雨沖刷作用較為明顯，大雨的稀釋作用顯著。為探究溢流雨污水水質(zhì)與不同降雨強度的關(guān)系，分析溢流口與降雨強度的溢流水質(zhì)變化，并與每場降雨事件中的降雨強度進(jìn)行比對。

       由上圖可以看出，小雨等級下在降雨強度較高的20~30min內(nèi)，由于沖刷地表顆粒物和管道沉積物導(dǎo)致各污染物濃度呈明顯上升趨勢，而到了降雨中后期，下墊面被沖刷的較為干凈，管道沉積物也被沖刷到逐漸穩(wěn)定，匯入管道的徑流雨水會對管道內(nèi)雨污合流水起到一定的稀釋作用，導(dǎo)致中后期污染物濃度低于初期。

       由上圖可見，中雨等級下兩個不同溢流口的水質(zhì)峰值均在20~35min，是降雨強度相對較強的階段，但相對于10~20min的較強降雨階段是有一定的滯后的，甚至在降雨中后期污染物又呈現(xiàn)緩慢上升狀態(tài)，這主要有兩方面原因。一是由于降雨在下墊面后匯集到管道需要一定的時間，并且匯入到管道中的雨污水匯到溢流口處同樣需要一定的時間，因此溢流口的出水水質(zhì)變化相對于降雨強度的變化有一定的滯后性；二是降雨事件發(fā)生的時期為居民用水高峰階段，對水質(zhì)變化有一定的影響。

       由上圖可以看出，在強降雨（15~40min）條件下，溢流出水的水質(zhì)變化波動范圍大，污染物濃度上升趨勢不顯著，這是由于以下兩方面因素：一是降雨強度波動較大，致使沖刷作用與稀釋作用互相抗衡，污染物濃度無顯著規(guī)律；二是由于這場降雨的前期干旱天數(shù)較短，僅為一天，地表累積污染物濃度較低，致使由于前期沖刷作用導(dǎo)致的出水污染物濃度上升趨勢不明顯。但在降雨中期（40~60min），有的污染物濃度呈上升趨勢，降雨后期（80~100min），溢流口-2、溢流口-3均出現(xiàn)污染物濃度上升情況，這是由于前文所述的溢流口的出水水質(zhì)變化相對于降雨強度的變化有一定的滯后性。

       綜上，無論哪場降雨，合流制管道溢流口在降雨事件發(fā)生約20~30min后會有較高污染。因此其控制對策需重點考慮處理第一個雨峰發(fā)生后產(chǎn)生的溢流污染。針對超過管網(wǎng)承載能力已產(chǎn)生的合流制溢流雨污水，應(yīng)設(shè)置溢流調(diào)蓄池收集，然后根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件或選擇就地處理，或排入污水處理廠。

3、溢流口源解析

       降雨事件發(fā)生時合流制排水管道中雨污水中的主要污染物來源于降雨徑流、生活污水和管道沉積物的沖刷。采用質(zhì)量守恒法對不同降雨等級下溢流雨污水中的污染物來源進(jìn)行解析。日常污水負(fù)荷通過監(jiān)測旱天生活污水的水量水質(zhì)所得；雨天徑流負(fù)荷通過監(jiān)測不同下墊面徑流雨水中的污染物濃度計算出EMC值，并通過綜合徑流系數(shù)法來計算；管道沉積物沖刷負(fù)荷則利用溢流排口總負(fù)荷與日常污水負(fù)荷和降雨徑流負(fù)荷的差值來計算，各污染源的貢獻(xiàn)如下圖所示。

       由上圖可知，生活污水的貢獻(xiàn)比例隨著降雨等級的增加而降低，SS、COD、NH3N、TN和TP分別下降11%、26%、49%、32%、19%。這是由于隨著降雨等級的增加，地表及管道沉積物沖刷都會攜帶更多的污染負(fù)荷，但生活污水負(fù)荷的產(chǎn)生只與子匯水區(qū)域產(chǎn)生的生活污水水質(zhì)水量有關(guān)，因此其占比相對來說是呈現(xiàn)降低趨勢的。對于徑流雨水來說，由于降雨等級越大沖刷出的地表污染物和管道沉積物越多，這就導(dǎo)致其貢獻(xiàn)比例越大。而管道沉積物沖刷對于SS、COD、NH3-N、TN和TP的貢獻(xiàn)比例增加了16%、45、32%、29%、27%和16%。這是由于降雨等級增大，水流的較強沖擊力會沖起大量的管道沉積物進(jìn)入水體，導(dǎo)致溢流口由沉積物產(chǎn)生的污染負(fù)荷增大。這與李海燕等人對管道沉積物沖刷對出水水質(zhì)的貢獻(xiàn)率比例約55.2%所得結(jié)論一致。有研究發(fā)現(xiàn)，合流制管道溢流產(chǎn)生的污染總量來自管道沉積物沖刷的污染負(fù)荷占30%~80%。因此，在合流制排水系統(tǒng)中，降雨等級和人們的生活用水習(xí)慣導(dǎo)致管道中雨污水的流速流量的變化，會使得管道沉積物中的污染物再次釋放到水體中，對水環(huán)境造成污染。

4、沉積物的沖刷形態(tài)及其對出水水質(zhì)的影響

       為探究降雨發(fā)生時對合流制管道沉積物的沖刷程度，以當(dāng)?shù)夭傻玫墓艿莱练e物為試驗材料，并以滿足要求的比例尺對實際管道進(jìn)行放縮后，模擬管道沉積物沖刷過程。觀察到合流制沉積物顏色以黑色為主，整體結(jié)構(gòu)較為松散，含水率較高，有較強顆粒感，碎石、碎塑料等硬質(zhì)大顆粒雜質(zhì)較多。

（1）各強度降雨導(dǎo)致管道沉積物沖刷形態(tài)差異

       觀察沖刷前后的沉積物形態(tài)，發(fā)現(xiàn)在不同強度沖刷下的共同特征是管道前部受沖刷作用最明顯，且厚度變化最顯著。這是由于管道前部受水流的沖擊力較大，且前部的沉積物與中部沉積物相比本身較為松散，因此更容易被沖刷掉。

       低強度沖刷下，前期表層沉積物被沖刷，渾濁時長約3~4s，中期有少量沉積物由顆粒狀轉(zhuǎn)化為塊狀逐段脫落，后期由于沉積物狀態(tài)相對穩(wěn)定，導(dǎo)致無明顯顆粒物被沖刷。在沖刷過程中顆粒物呈階段交替式運動，即顆粒物基本不會被水流攜帶直接沖出管道，而是被沖起一小段距離后，又會再次落到沉積物表面，這樣階段交替運動。沉積物沖刷前后整體厚度無明顯變化。

       中強度沖刷下，前期顆粒物逐層脫離沉積物表面，渾濁時長約5~6s；中期有較多沉積物由顆粒狀轉(zhuǎn)化為塊狀逐段脫落；后期由于沉積物狀態(tài)相對穩(wěn)定，導(dǎo)致無明顯顆粒物被沖刷。沉積物顆粒物階段交替式運動較低強度沖刷更為明顯。沉積物沖刷前后厚度差約為0.2~0.3cm。

       高強度沖刷下，前期沉積物被強力沖起，且持續(xù)時間較長，渾濁時長約10s；中后期沉積物基本穩(wěn)定，對一定流速下的水力沖擊有抵抗力。顆粒物階段交替式運動最為顯著，且運動頻率高、距離長。沉積物沖刷前后厚度差約為0.5cm。

（2）沖刷過程中合流制管道末端出水水質(zhì)變化特征

在低強度、中強度和高強度沖刷條件下，監(jiān)測SS、COD、NH3-N、TN和TP濃度，結(jié)果如圖。

       從初始沖刷（30s~1min）污染物濃度差異來看，高強度沖刷下的各污染物濃度均大于低/中強度的污染物濃度，尤其是SS，高強度沖刷下濃度達(dá)167mg/L，比低/中強度下濃度高約80~90mg/L，說明高強度沖刷水流流速快、沖擊力強，導(dǎo)致沉積物表面松動的大、小顆粒沉積物極易被沖走。

       從污染物濃度峰值出現(xiàn)時間來看，沖刷強度低的首個峰值出現(xiàn)時間相對滯后。低強度沖刷下約10min左右出現(xiàn)峰值，中強度沖刷下峰值出現(xiàn)時間大約在1~5min左右，高強度沖刷條件下的峰值是在≤1min出現(xiàn)。這表明在低降雨強度下沖刷作用較弱，在初期難以攜帶較多的顆粒物進(jìn)入水體，而隨著降雨強度的增加，沖刷作用逐漸增大，大量顆粒物開始被水流攜帶至管道末端，污染物濃度大，而沖刷強度大也意味著水流流速快，致使首個峰值出現(xiàn)時間短。

       從沖刷的整體過程來看，各強度沖刷下污染物濃度基本呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。在低強度沖刷下，只有SS 和TP整個過程中平均濃度低于中/高強度，為61mg/L和0.018mg/L，表明低降雨強度下沖刷作用較弱，難以攜帶較多顆粒物進(jìn)入水體；而COD、NH3-N和TN平均濃度高于中/高強度，表明一定降雨強度下沖刷對水體有擾動，加強了溶解性污染物在固-液界面中的交換，也反映出TN更傾向于以溶解態(tài)形式存在；在中強度沖劑下SS含量位于低強度沖刷與高強度沖刷之間，而在降雨中期甚至高于高強度沖刷，表明在該階段沖刷作用占優(yōu)勢，同時后匯入的水又不足以稀釋含氮類溶解性污染物，使得中后期含氮類污染物甚至高于高強度；在高強度沖劑下各污染指標(biāo)均在10~15min左右出現(xiàn)第二個峰值，這是由于沖刷強度大，呈階段交替式運動的顆粒物在這時間段運動更為活躍，有更為松散的塊狀污染物被沖出，導(dǎo)致濃度上升。

       綜上，管道沖刷出的沉積物對徑流中污染物含量的貢獻(xiàn)率較高，平均貢獻(xiàn)率約為46.5%，最高達(dá)83.5%。因此，對管道定期清淤可降低降雨溢流污染。

三、結(jié)論

1、對研究區(qū)域不同強度降雨事件中溢流污染的監(jiān)測結(jié)果表明，部分管網(wǎng)承載能力處于滿負(fù)荷狀態(tài)，即累積降雨量≥2mm就會產(chǎn)生溢流。整體來看溢流污染程度受旱天管道基底值、場次降雨量、降雨歷時等多種因素影響。

2、溢流水量變化過程存在單峰或多峰現(xiàn)象受降雨等級、降雨強度和居民用水高低峰時段的影響，且由于雨污水匯流需要一定的時間導(dǎo)致溢流水量的峰值相較降雨強度的峰值有一定的滯后性。因此對于水量的調(diào)蓄應(yīng)重點控制降雨峰值后5~15min的水量。

3、溢流污染濃度與前期干旱天數(shù)、排口性質(zhì)、降雨等級與降雨強度有直接聯(lián)系；污染物濃度變化基本均呈先上升后下降趨勢，各等級降雨下的溢流口在降雨峰值出現(xiàn)后滯后一段時間會有較高污染。

4、管道沉積物對溢流污染貢獻(xiàn)率占比約為50%。在沖刷過程中顆粒物呈階段交替式運動，且運動幅度隨降雨強度增大而增大。不同強度下的沖刷形態(tài)共同特征是管道前部受沖刷作用最明顯；且在水質(zhì)方面沉積物對溢流雨污水水質(zhì)的影響趨勢與實際監(jiān)測中溢流雨水水質(zhì)變化一致，整體趨勢均為先上升后下降，各污染指標(biāo)存在峰值。

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