第25卷　第6期2006年11月地 理 研 究GEOGRAPHICAL　RESEARCHVol.25,No.6Nov.,2006

收稿日期:2006-02-20;修订日期:2006-05-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40131020,49801018);教育部高等学校骨干教师资助计划项目;中国博士后基金资助项目(2005037135) 作者简介:常静(1980-),女,山西晋城人,博士研究生。主要从事城市多界面环境过程研究。E-mail:cjing1221@163.com　*通讯作者:刘敏(1964-),男,内蒙古自治区土左旗人,教授,博士,博士生导师。从事城市环境过程,环境地球化学与污染生态研究。E-mail:mliu@geo.ecnu.edu.cn上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应

常　静1,刘　敏1*,许世远1,侯立军2,王和意1,BalloSiaka1

(1.华东师范大学资源与环境科学学院教育部地理信息科学重点实验室,上海200062;2.华东师范大学河口海岸科学研究院,上海200062)

摘要:选取上海市中心城区典型功能区监测降雨事件,研究降雨径流污染时空变化及初始冲刷效应。研究表明,上海中心城区路面径流主要污染物为TSS和CODCr,超出国家地表水Ⅴ

类标准四倍多;总磷超出Ⅴ类水质标准两倍以上,氮素营养盐也有不同程度的污染。污染物含量在不同功能区之间显示出相似的分布趋势,交通区明显高于其他区域,其次为商业区和工业区,居民区情况较为良好。降雨强度是影响初始冲刷效应的主要因素,强度较大的降雨冲刷效应较为明显;不同功能区之间,商业区初始冲刷效应较强,其次为居民区和工业区,

交通区冲刷强度较弱;TSS和CODCr在商业区和工业区冲刷强度要大于氮磷污染物质;而在交通区和居民区分异特征不明显。关键词:降雨径流污染;时空分布;初始冲刷效应;上海中心城区文章编号:1000-0585(2006)06-0994-09

1　引言

城市化的高速发展使不透水地面面积迅速增加,形成了不同于自然地表的“城市第二

自然格局”,对地表水文过程产生了深刻的影响[1]。在雨季特别是暴雨时期,降雨在不透

水地面上迅速转化为径流,冲刷和挟带大量污染物质进入地表水体,形成典型的非点源污

染,成为影响城市受纳水体水质下降及河口污染的重要因素[2]。美国EPA已在1993年将

城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源[3]。在我国随着生活点源和工

业点源的有效控制,非点源污染也已成为水体污染的主要因素之一,受到越来越多的关注

和研究[4]。

国外从20世纪70年代起就对城市降雨径流污染及其控制展开了大量研究,在污染物

时空分布、初始冲刷效应(FirstFlushEffect)与径流模型开发等方面都取得了值得借鉴

的成果[5～11]。我国在流域尺度上的非点源污染的研究与模型应用方面也成果颇丰[12],但

对从城市区域尺度出发,以“不透水下垫面”为特征的城市径流非点源污染研究起步较

晚,近年来才在北京、上海、西安等地相继开展起来,且内容多集中在径流污染物排放特

征、污染指标相关性和负荷模型计算等方面[13～25],缺乏对污染物初始冲刷效应的定量研　6期常　静等:上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应995　

究,涉及其机理分析的就更少。鉴于此,本文以上海中心城区为研究区域,引用国外研究

中通用的降雨场次污染物浓度(EMC)及初始冲刷概念,定量研究降雨径流污染的时空

分异特征及其初始冲刷效应,以促进我国城市降雨径流污染的研究,为非点源污染的控制

与管理提供科学依据。

2　材料与方法

2.1　研究区域概况

上海地势平坦,是典型的平原河网城市,属北亚热带季风气候,平均年降雨量为

1122.6mm,70%的雨量集中在4到9月的汛期,平均每年发生暴雨3.1次,常造成水涝

或市区积水[26]。上海城市化进程迅速,中心城区由包括普陀、卢湾、徐汇等在内的9个

区组成,2002年不透水面积比例已达到75%以上[13]。目前,在苏州河整治工程已进入第

三期,点源污染已初步控制的背景下,汛期尤其是暴雨径流对地表水体环境所造成的危害

更凸现其严重性。

2.2　采样点的选择

图1　上海中心城区降雨径流采样点位置Fig.1　SkatchmapofsamplingsitesincentralShanghaiCity 作为一种典型的非点源污染,径

流污染物主要来自大气降尘、交通行

为、道路磨损、建筑活动等污染源。

土地利用类型是影响地表径流污染的

重要因素,如交通区路面沉积物与车

辆交通行为、交通流量等因素有关,

工业区路面沉积物与工业活动类型有

密切关系。本文以上海中心城区为

例,在分析其土地利用及功能区划的

基础上,选择有代表性的典型功能区

作为研究区域,根据道路雨水口设置

特征,在每个功能区内分别遴选汇水

面积在700～720m2之间的雨水口汇

水区路面作为径流采样点,采样点位

置与环境特征如图1和表1所示。

表1　降雨径流采样点位置及环境特征

Tab.1　SamplingsitesindifferentfunctionareasofcentralShanghaiCity

功能区采样地点环境特征交通区中山北路与长宁路交界城市内环线,交通流量(67774车次/12hr)商业区淮海中路与陕西南路交界传统繁华商业中心,客流量日均80万人次工业区桃浦工业区20世纪50年代建设的市级老工业区,以化学工业为主

居民区华东师大一村20世纪70年代以来中等密度居民小区

2.3　样品采集与分析

降雨径流采样点设于道路雨水口,降雨产流开始即用2L聚乙烯瓶采集径流水样,时间间隔为5min,同时用自雨量计记录降雨强度。样品在规定的24h保存时间内,按照国996　地 理 研 究25卷

家环境监测标准方法进行污染指标的测试[27],方法分别为:悬浮物(TSS)用0.45μm滤膜

过滤,经103～105℃烘干称重;重铬酸盐法测定化学需氧量(CODCr);纳氏试剂光度法测

定氨氮(NH3-N);镉柱还原法测定硝酸盐氮(NO-3-N);N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定亚

硝酸盐氮(NO-2-N);钼酸铵分光光度法测定总磷(TP)。实验误差均小于±10%。

2.4　降雨特征与流量计算

以2004年3月21日和6月24日两场降雨为例分析污染物时空分布和初始冲刷效应,

降雨特征见图2。3月21日降雨前期干旱时间仅为1天,降雨强度较小且较为均匀,历时

75分钟,总雨量为8.84mm,平均及最大雨强为0.68mm/5min和1.2mm/5min,由于当

时采样条件所限,该次降雨仅采集了前50分钟径流水样。6月24日降雨为典型的暴雨,

平均和最大雨强分别为2.6mm/5min和6.2mm/5min,总雨量27.18mm,历时50分钟,

前期干旱时间为6天。

由于汇水区域均为沥青路面,雨水满足填洼后基本全转化为径流,不考虑下渗损失,

且汇流面积较小,地貌、坡度类型相对一致,采用区域综合径流系数为0.9,雨水口径流

量按国家室外排水规范中雨水管道系统合理化公式计算[25]:

Q= F q(1)

式中,Q为雨水口径流量(L/min), 为径流系数;F为汇水面积(m2);q为降雨强

度(mm/min);雨量特征及径流量数据如图2所示。

图2　典型降雨事件降雨-流量变化曲线Fig.2　Rainfallhyetographsandpavementhydrographsfortworainfall-runoffevents

3　结果与讨论

3.1　径流污染的时间变化

污染物的冲刷过程是一个复杂的动态过程,受降雨特征、污染物特征、路面状况等多

种因素的影响[6]。土地利用和降雨前期干旱时间长短决定了污染物的初始含量,而降雨强

度则对冲刷过程影响较大[7]。

图3为两场降雨污染物浓度随时间的变化,可以看出,污染物浓度基本上随降雨时间

表现出下降趋势。由于3月21日降雨及流量变化相对较为均匀,因此其污染物浓度变化

幅度也较小;而6月24日由于前期干旱时间较长,雨强较大,其污染物量普遍高于3月

21日,浓度下降随时间变化也较为明显。以TSS为例,6月24日在4489～1108mg/L之

间,3月21日为1876～775mg/L。图中也可以看出,由于6月24日降雨在30分钟时流

量逐渐增大达到峰值,因此在此时间内污染物浓度也出现了一个较明显的上升阶段。总体而言,交通区污染明显高于其他区域,但波动性较大。　6期常　静等:上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应997　

图3　径流污染物浓度随降雨过程的时间变化Fig.3　Temporalvariationofpollutantsindifferentfunctionareas

3.2　径流污染的空间分布

3.2.1　事件平均浓度(EMC)定义　在任意一场降雨引起的地表径流过程中,径流中污

染物的浓度随时间变化很大,因此需要对一场降雨径流的污染负荷做出总体评价。美国环

保局于1979到1983年间设立国家城市径流项目(NURP),核心内容即为提出“降雨径流

事件平均浓度”(EventMeanConcentration),用来表示在一场降雨径流全过程排放中某污

染物的平均浓度[2]。随后美国地质调查局(USGS)更新了EMC资料,被广泛地用于评

估城市降雨径流污染负荷、管理措施有效性及其对受纳水体的影响[3]。EMC实质上是一

场降雨径流全过程样品污染浓度的流量加权平均值,如下式所示:

EMC=MV=∫t0CtQtdt

∫t0Qtdt=∑n

i=1QiCi

∑n

i=1Qi(2)

式中,EMC为污染物降雨事件平均浓度(mg/L);M为整个降雨过程中总污染物含

量(g);V为相对应的总径流量(L);t指径流时间(min);Ct指随时间变化的污染物含量

(mg/L);Qt指随时间变化的径流速率(L/min);n指t时间段内径流取样次数;Qi指i次998　地 理 研 究25卷

取样时的径流速率(L/min);Ci指i次取样时的污染物含量(mg/L)。在实际研究中,

由于水质指标的监测是非连续性的,以5分钟为时间间隔,因此在计算过程中,以每个样

品对应的径流量为权重,计算其污染物浓度的流量加权平均值作为污染物在此次降雨径流

事件过程中的平均浓度。

3.2.2　典型降雨EMC分析　应用上述方法计算以上两场降雨径流污染EMC值分布,结

果如表2所示。总体而言,上海中心城区路面径流主要污染物为TSS和CODCr,超出国

家地表水Ⅴ类标准四倍多,总磷超出Ⅴ类水标准两倍以上,氮营养盐也有不同程度的污

染。6月24日TSS、CODCr浓度高出3月21日两倍多,总磷也高出近一倍,而氮素营养

盐污染水平差别不大。污染物在不同功能区之间显示出较为相似的分布特征,交通区明显

高于其他区域,其次为商业区和工业区,居民区污染浓度值最低,这与图3污染物时间变

化反映出来的结果相一致。

表2　上海中心城区降雨径流污染物EMC值Tab.2　EMCvaluesofpollutantsindifferentfunctionsofShanghaiCity

污染物浓度(mg/L)TSSCODCrTPNH3-NNO-3-NNO-2-N

2004-03-21交通区854.98831.640.812.050.870.43商业区570.89385.070.371.820.450.17工业区361.44125.490.261.040.250.09居民区90.69100.40.440.640.620.242004-06-24交通区2607.73665.771.202.320.340.23商业区828.86511.431.372.340.360.05工业区800.37387.570.851.540.710.17居民区770.75200.430.411.090.230.24平均值交通区1731.355748.7051.0052.1850.6050.33商业区699.875448.250.872.580.4050.11工业区580.905256.530.5551.290.480.13居民区430.72150.4150.4250.8650.4250.24国家地表水环境Ⅴ类标准200400.4210-

3.3　径流初始冲刷效应

图4　初始冲刷效应的定义图示(Geiger,1987)Fig.4　ThedefinitionoffirstflushbyGeiger(1987)3.3.1　初始冲刷定义　在通常情况下,初

期雨水径流的污染物含量在整个径流过程中

是最高的,这种现象被称为降雨初始冲刷效

应[8～11]。为了使暴雨径流污染得到科学合理

的管理控制,如何定量化表示初始冲刷就显

得非常重要。对此,国外已经开展了大量的

研究,多采用Geiger的定义[8],即以污染物

的累积污染负荷与累积径流量的相关性为基

础,以两者所形成无量纲累积曲线的发散来

确定是否发生了初始冲刷。如图4所示,

45°线(对角线)表示在整个降雨径流过程

中污染物排放速度不变,称为平衡线。如果

污染物的无量纲累积曲线位于平衡线之上,