城镇面源污染程度主要受降雨条件、下垫面特征、排水体制等因素影响。其中，排水体制在城镇面源污染中占据重要地位，目前我国多数老城区以合流制排水系统为主，但我国早期的城镇排水管网设计要求低，如今市政污水排放量的增加，导致排水管网的充满度增加，甚至达到满管流状态。此时降雨期间合流制排水管道内的流量超过其承载能力会发生雨污水溢流现象。

       在平原河网地区，地势平缓，城镇中存在水体流动性不足的现象，污染物易于在管道内淤积。其中长江下游江苏段和环太湖区域城镇面源对COD的贡献占比接近甚至超过生活源，合流制管网溢流污染对城镇河道水质影响较为严重；以常州老城区为例，合流制溢流污染物平均浓度均高于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）的Ⅴ类标准。因此，当合流制雨污水发生溢流时，会直接排放进入受纳水体，造成严重污染。本文以常州市金坛区老城区沿河岸不同排口和检查井为研究对象，分析合流制溢流污染特征和沉积物冲刷规律。

一、研究区域与研究方法

1、研究区域概况与采样点布设

       江苏省常州市金坛区，属北亚热带季风性湿润气候，年均降雨量为952.7mm。丹金溧漕河全长65.59 km，在金坛区段长30.7 km。所选研究区域在金坛区老城区，范围如图所示，面积1.16km2，沿丹金溧漕河河岸两侧，排水体制为截流式合流制。区域内建筑密度大，土地利用类型多，包括居住用地、道路用地、商服用地和公共用地等。在研究区域设置3个溢流口采样点，其中溢流口-1为区域排水溢流口；溢流口-2主要收集沿岸各商铺来水；溢流口-3为泵站排水口。下垫面监测点分别代表交通道路、广场、屋顶和绿地四种用地类型。检查井监测点为管道末端，主要收集周边小区排水；管道沉积物采样也取自该检查井。

2、监测项目与方法

       现场监测：采用雨量计监测降雨量，计数间隔为5min；流量监测采用LSH10-1QC型超声波多普勒流速流量仪；水质样品采集在降雨产生径流后于各监测点开始以先密后疏的频次采样，即5、10、15、30、60、90、120min；水质监测指标包括SS、COD、TP、NH3-N和TN，分析方法分别采用重量法、重铬酸钾法、钼酸盐分光光度法、纳氏试剂光度法和过硫酸钾氧化-紫外分光光度法。

       为探究管道沉积物冲刷规律及其对水质浓度的影响，以合流制管道沉积物为试验材料进行冲刷模拟试验。选取管长Lp=50m、管径Rd=400mm、管段坡度为0.003，计算得汇水面积约为0.03km2。试验选定长度比例尺λL=62.5、λD=4、变态率k=62.5/4=15.625，遵循变态模型牛顿定律，即实验室模型Lm=80cm、Rm=100mm，沉积物冲刷试验反应器结构见图2。通过比例尺及实际降雨数据来计算低强度降雨、中强度降雨和高强度降雨下对应的管道冲刷流量和流速，验证对应模型流速雷诺数均满足紊流状态和完全紊流状态的要求。模型流量分别为11.1、15.0和20.8 L/min，按30s、1min、5min、10min、15min、30min和60min的间隔分时段进行采样，分析冲刷前期、中期和后期冲刷出的颗粒运动形态和沉积物经冲刷水中各污染物浓度。

二、结果与讨论

1、溢流雨污水水量变化特征

本研究于2023年4-7月共采集了3场有效降雨，根据中国气象局发布的降雨等级划分标准划分降雨等级。

对所采集的小雨、中雨和暴雨这三场降雨中，溢流口-1、溢流口-2和溢流口-3三个溢流口分别监测到1、3、2次有效溢流。以三场降雨中都存在溢流现象的溢流口-2为例，研究不同降雨等级下的溢流口溢流量变化。 

       小雨、中雨和暴雨下溢流口-2从产生径流开始到发生溢流分别经历了约20、10和6min，可知出现溢流现象的用时与降雨等级呈负相关性。同时，降雨强度的分布影响着溢流水量存在单峰或多峰的问题。小雨等级的降雨强度较小且分布较为均匀，溢流雨污水量呈单峰现象，在产生径流后30min形成4.1×10-4m3/s的峰值后逐渐变小；中雨等级下，雨强分布不均匀，溢流水量呈现多峰现象，在径流产生后50min形成1.83×10-3m3/s的峰值后呈下降趋势，后又在80min时形成2.38×10-3m3/s的峰值，随后逐渐减小至与最初点几乎平齐，且降雨发生时正值用水高峰阶段，水量不稳定，也是溢流水量呈多峰的原因；暴雨等级下，在产生径流20min时降雨强度突增达到最大值，随后溢流水量达到峰值，约为0.1m3/s，45min后降雨强度大幅度下降，溢流水量也呈大幅度下降趋势，最后保持平稳状态。

       降雨落在下垫面后流入合流制管道需要一定的汇集时间，且汇入到管道中的混合雨污水到溢流口同样需要时间，因此溢流水量的峰值相较降雨强度的峰值有一定的滞后性。小雨等级下降雨强度变化较小，不易看出二者峰值之间的关系；中雨等级下降雨变化幅度较为明显时段为25~35min内，溢流量增幅于35~50min增幅显著；暴雨等级下降雨量变化幅度在20~30min较为明显，而溢流量增长幅度较为明显阶段为35~50min内。由此可以得出，在研究区域合流制管网中，溢流量峰值较降雨强度峰值滞后约5~15min，整体存在滞后性但滞后时间不长，这是由于研究区域为管网密集区域，且管道长度短，汇流时间较短。

       对于溢流水量控制，主要有提高管道截流倍数、构建调蓄设施或进行深层隧道调蓄等方式。其中，构建调蓄设施进行水量调节可将超出管道承载负荷的雨污水引入到调蓄池进行短时间存放，使下游管网中的雨污水入流量降低，对其流量峰值起到延缓作用。由于溢流峰值发生时间主要集中于降雨强度峰值后约5~15min，因此对于水量的调蓄应重点控制降雨峰值后5~15min的水量。

2、溢流雨污水水质变化特征

       不同降雨等级下各溢流口的水质数据见下图，横线为旱天水质。由下图可知，小雨等级下溢流雨污水绝大部分污染物浓度为最高值，且SS浓度高于生活污水，这是由于降雨径流冲刷地表和管道沉积物导致大量颗粒物进入水体，而降雨量较少，稀释作用远小于冲刷作用所导致的；中雨的绝大部分污染物浓度要低于小雨、而大于暴雨，这表明中雨等级下的降雨对溢流水质的影响相对较缓，持续的降雨径流汇入使得冲刷作用长期占优，同时汇入的雨水又不足以稀释这部分污染物。除此之外，中雨前期干旱天数相对较长（12 d），下累积污染物含量较高，导致降雨后冲刷出的污染物浓度也高；暴雨等级下的溢流雨污水的各污染物浓度均为最低值，这说明降雨量较大的降雨事件中大量雨水的汇入，使得稀释作用远远大于对地表和管道沉积物的冲刷作用，导致污染物浓度偏低。并且暴雨发生时前期干旱天数较短，导致累积污染物较少。

       同时，溢流雨污水的EMC值是整个降雨过程中所有瞬时污染物浓度对流量的加权平均值。表2为三场不同降雨等级下的溢流口水质监测EMC值。由下表可以看出，整体上随着降雨等级的增大，有溢流现象的溢流口数量增加。而溢流口-2不论哪种降雨都有溢流现象，分析有以下两方面原因：一是旱天时该部分管道已接近满管流，因此只要降雨事件发生，管道内部雨污水量就会超过管道的承载负荷能力，产生溢流现象；二是由于管道存在错接问题，导致该溢流口一直存在出水现象，降雨事件发生溢流水量随之加大。实地调查发现该溢流口在旱天有时存在出水现象，是由于管道存在错接问题多导致。每个溢流口的污染物EMC值存在一定程度的差异，但小雨、中雨下污染物EMC值偏高，这也印证了前文所提到的小雨、中雨冲刷作用较为明显，大雨的稀释作用显著。为探究溢流雨污水水质与不同降雨强度的关系，分析溢流口与降雨强度的溢流水质变化，并与每场降雨事件中的降雨强度进行比对。

       由上图可以看出，小雨等级下在降雨强度较高的20~30min内，由于冲刷地表颗粒物和管道沉积物导致各污染物浓度呈明显上升趋势，而到了降雨中后期，下垫面被冲刷的较为干净，管道沉积物也被冲刷到逐渐稳定，汇入管道的径流雨水会对管道内雨污合流水起到一定的稀释作用，导致中后期污染物浓度低于初期。

       由上图可见，中雨等级下两个不同溢流口的水质峰值均在20~35min，是降雨强度相对较强的阶段，但相对于10~20min的较强降雨阶段是有一定的滞后的，甚至在降雨中后期污染物又呈现缓慢上升状态，这主要有两方面原因。一是由于降雨在下垫面后汇集到管道需要一定的时间，并且汇入到管道中的雨污水汇到溢流口处同样需要一定的时间，因此溢流口的出水水质变化相对于降雨强度的变化有一定的滞后性；二是降雨事件发生的时期为居民用水高峰阶段，对水质变化有一定的影响。

       由上图可以看出，在强降雨（15~40min）条件下，溢流出水的水质变化波动范围大，污染物浓度上升趋势不显著，这是由于以下两方面因素：一是降雨强度波动较大，致使冲刷作用与稀释作用互相抗衡，污染物浓度无显著规律；二是由于这场降雨的前期干旱天数较短，仅为一天，地表累积污染物浓度较低，致使由于前期冲刷作用导致的出水污染物浓度上升趋势不明显。但在降雨中期（40~60min），有的污染物浓度呈上升趋势，降雨后期（80~100min），溢流口-2、溢流口-3均出现污染物浓度上升情况，这是由于前文所述的溢流口的出水水质变化相对于降雨强度的变化有一定的滞后性。

       综上，无论哪场降雨，合流制管道溢流口在降雨事件发生约20~30min后会有较高污染。因此其控制对策需重点考虑处理第一个雨峰发生后产生的溢流污染。针对超过管网承载能力已产生的合流制溢流雨污水，应设置溢流调蓄池收集，然后根据当地条件或选择就地处理，或排入污水处理厂。

3、溢流口源解析

       降雨事件发生时合流制排水管道中雨污水中的主要污染物来源于降雨径流、生活污水和管道沉积物的冲刷。采用质量守恒法对不同降雨等级下溢流雨污水中的污染物来源进行解析。日常污水负荷通过监测旱天生活污水的水量水质所得；雨天径流负荷通过监测不同下垫面径流雨水中的污染物浓度计算出EMC值，并通过综合径流系数法来计算；管道沉积物冲刷负荷则利用溢流排口总负荷与日常污水负荷和降雨径流负荷的差值来计算，各污染源的贡献如下图所示。

       由上图可知，生活污水的贡献比例随着降雨等级的增加而降低，SS、COD、NH3N、TN和TP分别下降11%、26%、49%、32%、19%。这是由于随着降雨等级的增加，地表及管道沉积物冲刷都会携带更多的污染负荷，但生活污水负荷的产生只与子汇水区域产生的生活污水水质水量有关，因此其占比相对来说是呈现降低趋势的。对于径流雨水来说，由于降雨等级越大冲刷出的地表污染物和管道沉积物越多，这就导致其贡献比例越大。而管道沉积物冲刷对于SS、COD、NH3-N、TN和TP的贡献比例增加了16%、45、32%、29%、27%和16%。这是由于降雨等级增大，水流的较强冲击力会冲起大量的管道沉积物进入水体，导致溢流口由沉积物产生的污染负荷增大。这与李海燕等人对管道沉积物冲刷对出水水质的贡献率比例约55.2%所得结论一致。有研究发现，合流制管道溢流产生的污染总量来自管道沉积物冲刷的污染负荷占30%~80%。因此，在合流制排水系统中，降雨等级和人们的生活用水习惯导致管道中雨污水的流速流量的变化，会使得管道沉积物中的污染物再次释放到水体中，对水环境造成污染。

4、沉积物的冲刷形态及其对出水水质的影响

       为探究降雨发生时对合流制管道沉积物的冲刷程度，以当地采得的管道沉积物为试验材料，并以满足要求的比例尺对实际管道进行放缩后，模拟管道沉积物冲刷过程。观察到合流制沉积物颜色以黑色为主，整体结构较为松散，含水率较高，有较强颗粒感，碎石、碎塑料等硬质大颗粒杂质较多。

（1）各强度降雨导致管道沉积物冲刷形态差异

       观察冲刷前后的沉积物形态，发现在不同强度冲刷下的共同特征是管道前部受冲刷作用最明显，且厚度变化最显著。这是由于管道前部受水流的冲击力较大，且前部的沉积物与中部沉积物相比本身较为松散，因此更容易被冲刷掉。

       低强度冲刷下，前期表层沉积物被冲刷，浑浊时长约3~4s，中期有少量沉积物由颗粒状转化为块状逐段脱落，后期由于沉积物状态相对稳定，导致无明显颗粒物被冲刷。在冲刷过程中颗粒物呈阶段交替式运动，即颗粒物基本不会被水流携带直接冲出管道，而是被冲起一小段距离后，又会再次落到沉积物表面，这样阶段交替运动。沉积物冲刷前后整体厚度无明显变化。

       中强度冲刷下，前期颗粒物逐层脱离沉积物表面，浑浊时长约5~6s；中期有较多沉积物由颗粒状转化为块状逐段脱落；后期由于沉积物状态相对稳定，导致无明显颗粒物被冲刷。沉积物颗粒物阶段交替式运动较低强度冲刷更为明显。沉积物冲刷前后厚度差约为0.2~0.3cm。

       高强度冲刷下，前期沉积物被强力冲起，且持续时间较长，浑浊时长约10s；中后期沉积物基本稳定，对一定流速下的水力冲击有抵抗力。颗粒物阶段交替式运动最为显著，且运动频率高、距离长。沉积物冲刷前后厚度差约为0.5cm。

（2）冲刷过程中合流制管道末端出水水质变化特征

在低强度、中强度和高强度冲刷条件下，监测SS、COD、NH3-N、TN和TP浓度，结果如图。

       从初始冲刷（30s~1min）污染物浓度差异来看，高强度冲刷下的各污染物浓度均大于低/中强度的污染物浓度，尤其是SS，高强度冲刷下浓度达167mg/L，比低/中强度下浓度高约80~90mg/L，说明高强度冲刷水流流速快、冲击力强，导致沉积物表面松动的大、小颗粒沉积物极易被冲走。

       从污染物浓度峰值出现时间来看，冲刷强度低的首个峰值出现时间相对滞后。低强度冲刷下约10min左右出现峰值，中强度冲刷下峰值出现时间大约在1~5min左右，高强度冲刷条件下的峰值是在≤1min出现。这表明在低降雨强度下冲刷作用较弱，在初期难以携带较多的颗粒物进入水体，而随着降雨强度的增加，冲刷作用逐渐增大，大量颗粒物开始被水流携带至管道末端，污染物浓度大，而冲刷强度大也意味着水流流速快，致使首个峰值出现时间短。

       从冲刷的整体过程来看，各强度冲刷下污染物浓度基本呈现先升高后下降的趋势。在低强度冲刷下，只有SS 和TP整个过程中平均浓度低于中/高强度，为61mg/L和0.018mg/L，表明低降雨强度下冲刷作用较弱，难以携带较多颗粒物进入水体；而COD、NH3-N和TN平均浓度高于中/高强度，表明一定降雨强度下冲刷对水体有扰动，加强了溶解性污染物在固-液界面中的交换，也反映出TN更倾向于以溶解态形式存在；在中强度冲剂下SS含量位于低强度冲刷与高强度冲刷之间，而在降雨中期甚至高于高强度冲刷，表明在该阶段冲刷作用占优势，同时后汇入的水又不足以稀释含氮类溶解性污染物，使得中后期含氮类污染物甚至高于高强度；在高强度冲剂下各污染指标均在10~15min左右出现第二个峰值，这是由于冲刷强度大，呈阶段交替式运动的颗粒物在这时间段运动更为活跃，有更为松散的块状污染物被冲出，导致浓度上升。

       综上，管道冲刷出的沉积物对径流中污染物含量的贡献率较高，平均贡献率约为46.5%，最高达83.5%。因此，对管道定期清淤可降低降雨溢流污染。

三、结论

1、对研究区域不同强度降雨事件中溢流污染的监测结果表明，部分管网承载能力处于满负荷状态，即累积降雨量≥2mm就会产生溢流。整体来看溢流污染程度受旱天管道基底值、场次降雨量、降雨历时等多种因素影响。

2、溢流水量变化过程存在单峰或多峰现象受降雨等级、降雨强度和居民用水高低峰时段的影响，且由于雨污水汇流需要一定的时间导致溢流水量的峰值相较降雨强度的峰值有一定的滞后性。因此对于水量的调蓄应重点控制降雨峰值后5~15min的水量。

3、溢流污染浓度与前期干旱天数、排口性质、降雨等级与降雨强度有直接联系；污染物浓度变化基本均呈先上升后下降趋势，各等级降雨下的溢流口在降雨峰值出现后滞后一段时间会有较高污染。

4、管道沉积物对溢流污染贡献率占比约为50%。在冲刷过程中颗粒物呈阶段交替式运动，且运动幅度随降雨强度增大而增大。不同强度下的冲刷形态共同特征是管道前部受冲刷作用最明显；且在水质方面沉积物对溢流雨污水水质的影响趋势与实际监测中溢流雨水水质变化一致，整体趋势均为先上升后下降，各污染指标存在峰值。

中铁城际规划建设有限公司是集规划、项目策划、产业政策研究咨询、全过程咨询、勘察、测绘、设计、数字化服务、科研开发于一体的高新技术型集团企业。我们坚持以地方政府智库服务为主导，以基础设施技术（市政、公路、建筑等）为基础，以生态与环境技术、地灾治理、勘察、测绘、园林设计为辅助，以区域经济研究、产业策划为亮点，以项目整体策划、全过程工程咨询、EPC总承包为新方向。公司秉承创新驱动发展战略，开发多元产业，用先进的理念和精湛的技艺，真诚为广大客户提供“全过程、全产业链、全生命周期”的集成式的技术与智能化服务。