暴雨溢流初期截流策略：大雨20%暴雨10%

1.1 研究区域

研究区域位于粤西城区，区域内各排水分区面积约10 km2，均为城市已建成区，尚未开展排水单元内部的建筑立管改造工作，现状大部分为截流式合流制的排水体制。区域内年降雨量约1600 mm，主要集中在汛期4至10月，降雨期间有大量的雨污合流水溢流至城区内河。本研究的W1和W2溢流监测点位于各排水分区最末端，是片区内排水系统入河的溢流排放口。

图1 研究区域及监测点位

1.2 研究数据

降雨量数据来自广东省水利厅发布的当地水文站点的降雨量。本研究以2022年11月至2023年11月期间19场降雨溢流的连续监测数据为对象，将降雨强度≥0.5 mm/h且在其后2 h内降雨不为0，期间有溢流发生，作为一次降雨溢流事件，若在间隔2h未降雨期间仍有溢流发生，则仍归为同一次降雨溢流事件。降雨溢流事件主要针对小雨、中雨、大雨和暴雨共四种降雨工况，剔除造成区域内严重洪涝灾害的大暴雨和特大暴雨的极端降雨工况。在4种降雨工况的实际降雨中，选择相应降雨强度的降雨开展溢流监测，降雨溢流事件时间跨度覆盖全年，具有很好的代表性。本次研究监测的19场降雨事件的降雨特征见表1。

表1 研究监测的19场降雨特征

降雨事件产生的溢流是一个动态变化的过程，降雨特征是影响合流制溢流水质和水量的重要因素，本研究采用化学需氧量、氨氮、总氮和总磷来表征合流制溢流的污染特性。合流制溢流研究的影响因素包括各场次降雨事件的降雨量、降雨历时、降雨强度、溢流量、溢流水质等参数。

1.3 研究方法

本研究共监测了19场降雨事件的降雨过程和溢流水质水量。降雨事件产生溢流时，溢流口溢流量采用IDm2000微功耗无线智能排水管网监测终端测定，溢流水样采用HC-2301自动采样器采集，溢流水质化学需氧量采用HACH CODmaxⅡ水质自动监测仪测定，氨氮采用HACH Amax NA8000水质自动监测仪测定，总氮、总磷采用HACH DDK NPW-160水质自动监测仪测定，水质和水量统计频率均为每小时一次。

采用整个溢流产生过程中溢流污染物质量浓度的流量加权平均值（Event Mean Concentration，EMC），来评价某次降雨溢流事件的溢流污染程度，计算方法如式（1）所示：

式中 C——次累积降雨的污染物的平均浓度，mg/L；

V——溢流总量，m3；

M——溢流过程中污染物总负荷，kg；

t——溢流时间，h；

Qij——第j次取样的溢流流量，m3/h；

Cij——第j次取样的污染物浓度，mg/L；

n——取样次数。

采用初期冲刷率（Mass First Flush，MFF）来分析不同降雨事件中降雨初期冲刷效应对合流制溢流水质造成的影响。初期冲刷率采用标准化后的溢流污染物化学需氧量与溢流量的比值来表示，计算公式如式（2）所示：

式中 Ct——t1时刻溢流污染物的瞬时浓度，mg/L；

Qt——t1时刻的瞬时流量，m3/h；

M——降雨事件中溢流污染物总量，mg；

V——降雨事件中溢流总量，m3；

t1——发生溢流的时间，h。

当溢流量输出量为n%时，初期冲刷率可描述为MFFn。以MFF30来描述初期冲刷，按照MFF30值的大小将初期冲刷程度划分为3类：MFF30≥1.7为明显初期冲刷，1＜MFF30＜1.7为中等冲刷，MFF30≤1为没有发生初期冲刷。针对存在初期冲刷的降雨事件，通过进一步分析降雨溢流事件过程中，溢流污染输出负荷和溢流量输出之间的关系，即M/V，分析研究降雨溢流事件中溢流污染规律。

本研究采用SPSS Statistics 26.0软件和R语言对不同降雨事件中的降雨量、降雨强度、溢流量、溢流污染物浓度、MFF30等各影响因子进行相关性分析，研究合流制溢流污染物的污染特性及影响因素。

2.1 合流制溢流的水质特征

W1和W2两个监测点位各场次降雨溢流事件的溢流水质特征具体见图2。从各场次降雨的溢流EMC来看，19场降雨产生溢流EMC平均值均显著高于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中Ⅴ类水标准。其中，W1监测点溢流EMC平均值分别为化学需氧量184.61 mg/L，氨氮14.70 mg/L，总氮23.95 mg/L，总磷2.16 mg/L，分别Ⅴ类水质标准的4.6倍、7.4倍、12.0倍和5.4倍。W2监测点溢流EMC平均值分别为化学需氧量209.57 mg/L，氨氮15.20 mg/L，总氮25.85 mg/L，总磷2.23 mg/L。分别为Ⅴ类水质标准的5.2倍、7.6倍、12.9倍和5.6倍。合流制溢流污染物直接排放入河对受纳水体的水质会造成较大的不利影响。不同降雨事件造成溢流污染的EMC差异也较大，W1监测点位在19场降雨溢流COD的溢流EMC值为88.02~331.5mg/L，W2监测点位在19场降雨溢流COD的溢流EMC值为99.63~345.24mg/L，表明不同降雨类型会显著影响合流制排水管道污染物浓度。

图2 各降雨事件的溢流污染水质特征

本次研究的合流制溢流EMC与其他地区合流制溢流EMC比较见表2。整体来看，本研究所在的粤西地区合流制溢流EMC与昆明、南宁等南方地区的水质较接近，低于以北京为代表的北方地区的合流制溢流污染程度，可能与南北方地区的城市气候条件差异有关，南方地区普遍降雨更加频繁，降雨量大且间隔时间较短，地表积累的污染物较少。受地区地形条件的差异影响，山地城市重庆的合流制溢流EMC值也普遍高于本研究所在的粤西城区。

表2 各地区合流制溢流水质污染程度EMC对比

2.2 合流制溢流的影响因素

采用SPSS Statistics 26.0软件和R语言分析研究各因素对降雨事件产生的合流制溢流污染的影响，降雨事件包括次降雨量、降雨历时、降雨强度和干旱时长，溢流特征包括溢流历时、溢流总量、溢流EMC和MFF30，其中EMC和MFF30以化学需氧量作为水质污染的评价指标，相关性分析结果和相关性分析矩阵图见图3。

图3 合流制溢流污染影响因素相关性分析矩阵

结果表明，降雨事件产生的总溢流量与次降雨量呈显著正相关（P<0.01），W1和W2监测点位各场次降雨的总溢流量和次降雨量的相关系数分别为0.779和0.737，与SANDOVAL等的研究结果一致，这与该地区截流式合流制的排水体制有关，次降雨量越大，超过管网截流倍数或污水厂处理能力的雨污合流水就会产生溢流。降雨溢流EMC主要受次降雨量、最大小时降雨强度、溢流历时、总溢流量等变量因子影响。W1监测点位降雨事件产生的溢流EMC与次降雨量、最大小时降雨强度、溢流历时、总溢流量均呈显著负相关（P<0.01），W2监测点位降雨事件产生的溢流EMC与次降雨量、最大小时降雨强度、溢流历时在P<0.01水平均呈显著负相关，与总溢流量在P<0.05水平呈显著正相关。降雨量越大，溢流时间越长，受后期雨水的稀释主导作用影响，整场降雨的溢流EMC越小。

受降雨稀释和管网、路面冲刷的双重叠加影响，MFF30与次降雨量、最大小时降雨强度、总溢流量均在P<0.01水平呈显著正相关，W1和W2监测点位MFF30与EMC分别在P<0.05、P<0.01水平呈显著正相关。两个监测点位降雨事件的MFF30与降雨前期干旱时长未表现出显著相关性，表明降雨事件的初期冲刷强度受降雨前期干旱时长的影响较小，与昆明主城区的研究结论较类似，而降雨事件中溢流EMC与干旱时长未表现出显著相关性，与北方地区产生的初期溢流受干旱时长因素影响较大有所差别。这可能与南方地区的降雨特征和污染物累积特征有关，南方地区普遍降雨量较频繁，导致因干旱时长造成的地面沉降污染的影响较小。

2.3 合流制溢流与降雨特征的响应关系

不同溢流污染物种类对各降雨类型事件的响应情况见图4。由图4可知，随着降雨强度的增大，溢流污染物的化学需氧量、氨氮和总氮平均浓度均有所下降，表现出小雨、中雨、大雨、暴雨降雨事件的溢流污染物平均浓度依次下降。总磷指标有所差异，在暴雨降雨事件中的溢流污染物总磷平均浓度高于大雨降雨事件的溢流污染物平均浓度。

图4 不同降雨类型中合流制溢流水质

结合不同降雨类型中溢流污染特征情况来看，随着降雨强度的增大，小雨、中雨、大雨、暴雨各降雨类型的溢流事件产生的溢流量也逐渐变大，溢流EMC表现出逐渐下降的趋势，与前述EMC受次降雨量和溢流量等影响因素的相关性分析一致。不同降雨类型中溢流污染特征见图5。小雨、中雨、大雨、暴雨各降雨类型中的MFF30表现出逐渐增大的趋势，初期冲刷率受场次降雨强度的影响明显，与前述MFF30与次降雨量和降雨强度呈显著正相关结论一致，降雨强度越大，地表颗粒物更容易随径流冲刷进入管道，同时也会增加管道内沉积物的再悬浮几率。其中，小雨和中雨降雨类型MFF30均小于1，未发生初期冲刷；大雨降雨类型MFF30为1.55，表现出中等程度的初期冲刷作用，暴雨降雨类型MFF30大于1.7，出现明显初期冲刷作用。从各降雨类型的溢流EMC来看，小雨降雨事件中的溢流污染程度最大，其次是中雨、大雨和暴雨事件。小雨事件中虽然初期冲刷率最小，但因其降雨历时较短，短时间内初期溢流污染物受地表冲刷和管网沉积物影响，浓度较大，中雨、大雨和暴雨降雨事件中，虽然初期冲刷率更大，但降雨历时较长，受中后期雨水的稀释作用影响，导致在整场溢流事件中的溢流污染程度反而较低。

2.4 合流制溢流污染控制建议

进一步分析存在初期冲刷效应的大雨、暴雨降雨类型，大雨各场次降雨的溢流污染物累积负荷和溢流累积量输出曲线见图6和图7，暴雨各场次降雨的溢流污染物累积负荷和溢流累积量输出曲线见图8。

图5 不同降雨类型的溢流污染特征

图6 大雨降雨事件中W1监测点位污染物累积负荷与溢流累积量

图7 大雨降雨事件中W2监测点位污染物累积负荷与溢流累积量

图8 暴雨降雨事件中污染物累积负荷与溢流累积量图

污染物均匀输出线表示在整个降雨溢流输出过程中，溢流污染物负荷以匀速排放，污染物累积负荷曲线偏离且大于均匀输出线，表明溢流污染物输出受初期冲刷影响越明显。在针对实际降雨溢流的污染物控制工程中，考虑到大雨及暴雨后期合流制溢流主要受雨水稀释影响为主，因此建议以污染物累积负荷曲线大于均匀输出线达最大值时的溢流量为该降雨类型的溢流污染控制值。根据各降雨事件中的污染物累积负荷曲线，大雨降雨事件中，污染物累积负荷曲线大于均匀输出线最大值时对应的溢流污染物累积量在17.51%~44.06%，平均值为30.86%，暴雨事件中，污染物累积负荷曲线大于均匀输出线最大值时对应的溢流污染物累积量在21.08%~36.77%，平均值为28.86%。两者与表征大雨和暴雨存在初期冲刷影响MFF30对应的30%溢流输出量接近。因此，在实际溢流污染控制工程中建议大雨和暴雨事件溢流污染物控制溢流量的前30%。

存在初期冲刷影响的大雨和暴雨事件中，同时还伴随着雨水的稀释作用，这两种作用共同影响降雨溢流污染物的浓度。当MFFn逐渐增大时，表明累积溢流的污染物浓度逐渐变大，新累积的溢流污染物浓度大于前面累积的污染物浓度，此时溢流受初期冲刷作用大于雨水的稀释作用。当MFFn逐渐变小时，表明新累积的溢流污染物浓度小于前面累积的污染物浓度，溢流主要受雨水稀释作用影响。因此，当MFFn达峰值时，表明该部分累积溢流污染物浓度最大，在实际溢流污染控制工程中，受限于工程投资、场地等各种因素影响，建议可优先控制该部分溢流污染物量。

根据各场次降雨MFFn变化曲线，大雨事件中MFFn达峰值对应的溢流量比例为12.66%~31.02%，平均值为20.22%，暴雨事件中MFFn达峰值对应的溢流量比例为6.7%~17.64%，平均值为12.88%。在实际溢流污染控制工程中，建议大雨降雨事件中优先控制溢流量的前20%，暴雨降雨事件中优先控制溢流量的前10%。

综上分析，在不同类型的降雨事件中，合流制溢流污染的控制应结合所在区域的具体条件来开展。针对小雨和中雨降雨事件中的溢流污染，应充分结合区域内现有的污水处理设施及调蓄设施全部进行预处理后再排放。大雨、暴雨降雨事件中，初期冲刷效应明显，合流制溢流污染的控制应以初期冲刷造成的初期溢流为主。大雨、暴雨降雨事件建议控制溢流量前30%，其中，大雨降雨事件优先控制溢流量的前20%，暴雨降雨事件中优先控制溢流量的前10%。

（1）研究区域内合流制溢流污染物浓度显著高于《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅴ类水标准，溢流水质差，表征溢流污染程度EMC的平均值分别为化学需氧量197.09 mg/L，氨氮14.95 mg/L，总氮24.90 mg/L，总磷2.20 mg/L。

（2）合流制溢流EMC主要受次降雨量、最大降雨强度、溢流历时、总溢流量等变量因子影响，并呈显著相关性。受降雨稀释和管网、路面冲刷的双重叠加影响，MFF30与次降雨量、最大降雨强度、总溢流量均在P<0.01水平呈显著正相关。与北方地区降雨事件产生溢流受干旱时长因素影响较大有所差别，降雨事件中溢流EMC、MFF30与干旱时长均未表现显著出相关性。

（3）在不同类型的降雨事件中，合流制溢流污染的控制应结合所在区域的具体条件来开展。小雨和中雨降雨事件中未发生初期冲刷，溢流污染控制应结合区域内现有的污水处理和调蓄设施全部进行预处理后再排放。大雨、暴雨降雨事件中，初期冲刷效应明显，合流制溢流污染的控制应以初期冲刷造成的初期溢流为主，建议控制溢流量前30%，其中，大雨降雨事件优先控制溢流量的前20%，暴雨降雨事件中优先控制溢流量的前10%。

微信封面图由AI生成；微信对原文有修改。原文标题：南方典型城区合流制溢流影响因素及控制对策研究；作者：吴华财、余香英、王刚、熊津晶、卜思凡、薛弘涛；作者单位：广东省环境科学研究院、粤港澳环境质量协同创新联合实验室。刊登在《给水排水》2025年第2期。