随着城市化进程的加快，不透水地表面积不断扩大，降雨径流逐渐成为城市水环境恶化的主要原因^{[1, 2, 3]}. 颗粒物具有孔隙结构和良好的吸附性能，是污染物在径流中迁移的重要载体^{[4, 5, 6]}，而粒径是表征颗粒物的首要参数，影响着颗粒物的迁移能力^[7]，对于径流中污染物的性质和组成具有决定作用，也是控制径流污染“最佳管理措施”(best management practices,BMPs)中一项重要的设计参数^[8].

从近年国内外的相关研究成果来看，地表沉积物中颗粒物的研究较为全面，围绕沉积物中颗粒物的粒径、 重金属分布及迁移转换等方面均有较多的报道^{[7, 9, 10, 11, 12]}. 与地表沉积物相比，径流中颗粒物特征则更加符合实际的设计要求，但两者之间有较大差异^[13]，需要进一步对径流中颗粒物的粒径分布、 过程变化以及污染物在颗粒物中赋存形态进行更加细致的研究，目前虽已取得不少有价值的成果^{[14, 15, 16]}，然而对于径流中颗粒物粒径分布影响因素的关注相对较少，在污染物进入受纳水体前，要经历前期积累、 降雨的冲刷、 径流的迁移传输这3个主要过程^[17]，因此前期晴天数、 降雨强度、 径流量对于颗粒物粒径分布具有重要影响，研究这些影响因子对于城市非点源污染控制管理具有深远意义. 此外，与传统城市相比，古城区城市用地类型以及污染来源更为复杂，水环境也格外脆弱，加之土地利用紧张，因而对于城市非点源污染的控制和管理方面具有相当的特殊性和迫切性，不能完全照搬其类型城市的经验，在设计时缺乏理论依据. 鉴于此，选择苏州市古城区为研究对象，考察了古城区中不同功能区降雨径流中颗粒物分布及其过程变化特征，重点分析了前期晴天数、 降雨强度和径流量对径流中颗粒物分布的影响，并探讨了不同功能区主要污染物的赋存形态以及相关关系，以期为城市雨水管理及非点源污染控制管理提供数据支撑和理论指导.

苏州市位于长江三角洲中部，地处温带，属于亚热带季风海洋气候，四季分明，雨量充沛，年平均降雨量约1 100 mm，年平均降雨日约125 d，降雨多分布于5~9月.

研究选取的城市降雨径流监测区域为苏州市古城区(护城河以内)，是一座具有悠久历史的古城，也是苏州最繁华、 人口最为集中的区域之一，对于古城区降雨径流污染研究具有一定的代表性，区域面积约为14.2 km²，人口密度1.14万人 · km^-2，根据古城区不同用地功能和特点，选取5个监测点，分别代表 5种城市功能区，详见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 径流采样点概况 Table 1 Overview of sampling sites in this study 功能区 采样点布置 特征 商业区 观前街 苏州市最繁华的商业区，日客流量超过20万人次，节假日可达30-40万人次，路面为大理石，每日人工清扫3-4次 现代住宅区 狮林苑 高档园林式别墅住宅区，居住条件和环境卫生状况较好，路面材料为透水性混凝土，每日人工清扫2-3次 老旧住宅区 桃花坞大街 房屋建设年代久远，布局凌乱、 密集，路面为方格砖石和细小碎石砌筑，每日人工清扫1次 交通区 临顿路 古城中部的一条南北向重要道路，车流量较高，路面材料为沥青，采用人工和机械相结合的方式进行清扫 园林旅游区 朴园 古典私家园林，路面为方格砖石，每日人工清扫1-2次

表 1 径流采样点概况 Table 1 Overview of sampling sites in this study

于2015年4月-2015年7月对监测点降雨径流进行收集，共获得5次完整的场次降雨样品，收集场次较少是由于降雨发生的随机性以及部分场次降雨径流不连续所导致. 表 2是5次有效的降雨事件所对应的降雨特征. 相关降雨事件的参数通过设在监测点附近的JDZ01-1型翻斗式雨量计获得.

表 2 (Table 2)

表 2 所监测的场次降雨特征 Table 2 Characteristics of the rainfall events monitored 降雨日期/年-月-日 降雨量/mm 降雨历时/h 平均雨强/mm ·h-1 最大雨强/mm ·h-1 前期晴天数1)/d 样品数/个 2015-04-07 12.2 1.8 6.8 14.2 7 56 2015-05-08 16.7 2.6 6.4 15.6 9 69 2015-05-28 12.6 2.4 5.3 13.4 6 71 2015-06-15 29.2 3.1 9.4 22.7 12 72 2015-07-11 18.2 4.4 4.1 10.1 1 72 1)前期晴天数是指与上次降雨雨量超过5 mm降雨事件的间隔时间

表 2 所监测的场次降雨特征 Table 2 Characteristics of the rainfall events monitored

取样时采用自制取样器放入检查井中，用1 L聚乙烯瓶进行取样. 当地表雨水产流后开始计时，前30 min按照每5 min取1次样； 30-60 min每隔10 min取1次样； 60-120 min每隔20 min取1次样； 120 min后每隔30 min取1次样，直至降雨结束. 取样器中设有容积标尺，在采集样品的同时用秒表进行计时，根据秒表记录的时间以及取样器内标尺读出的体积计算出该时刻的瞬时径流量.

样品收集后立即转入室内进行分析，未进行分析的样品进行预处理后放入冰箱中1-5℃暗处冷藏. 水质监测的指标包括：总化学需氧量(TCOD)、 总氮(TN)、 总磷(TP)、 溶解态化学需氧量(SCOD)、 溶解态氮(DN)、 溶解态磷(DP)以及固体悬浮物粒径分布. TCOD测定采用快速密闭消解法(DRB200,Hach,America)； 粒径分析采用激光粒度分析仪(Mastersizer 3000,Malvern,Britain)； SCOD、 DN、 DP采用0.45 μm微滤膜抽滤后测定，方法同TCOD、 TN、 TP； 颗粒态化学需氧量(PCOD)、 颗粒态氮(PN)、 颗粒态磷(PP)分别为TCOD与SCOD、 TN与DN、 TP与DP的差值； 所有常规指标均按照文献^[18]中的标准方法进行测定.

粒径是表征颗粒物行为的重要参数^[14]，其分布特征不仅影响颗粒物的可迁移性，而且与其他污染物密切相关^[10]. 城市是人类活动最频繁、 最集中的区域，人类活动方式的不同使得城市不同功能区降雨径流中悬浮颗粒物粒径分布存在差异^[19]. 对采集的5次降雨事件中不同功能区降雨径流的粒径进行分析，结果如图 1所示. 商业区路面为大理石，质地较为光滑，地表颗粒物不易附着，径流中颗粒物主要为5-100 μm小颗粒物； 老旧住宅区虽然地表类型与商业区相差较大，但在小于250 μm粒径段的分布特征与商业区较为相近，不同的是老旧住宅区大于250 μm的颗粒物体积分数在5种功能区中最高，这可能是由于其道路两旁裸露土壤缺乏植被保护，易发生侵蚀； 现代住宅区路面透水材料有较多的孔隙，对细小颗粒物有一定的截留作用，加之街道清扫频率较高、 人类和车辆活动频率相对较低，因此小于100 μm的小颗粒物体积分数较小，其中5-40 μm的颗粒物体积分数在5种功能区中最低； 交通区颗粒物粒径分布特征较为突出，粒径小于40 μm，特别是小于5 μm的颗粒物体积分数显著高于其他4种功能区，交通区车辆通行量大，汽车尾气、 轮胎磨损、 轮轴摩擦以及沥青路面材料老化极易产生细小颗粒物，此外车辆的机械碾压作用会使得一些较大颗粒物被碾碎，这可能也是导致其粒径大于250 μm颗粒物体积分数在5种功能区中最低的原因之一； 园林旅游区内植物、 树木生长茂盛，道路多从绿地中穿过，径流中极易夹带土壤、 植物残渣等粒径较大的颗粒物，其大于40 μm粒径段的颗粒体积分数普遍较高.

图 1

Fig. 1

图 1 城市不同功能区降雨径流颗粒物粒径分布 Fig. 1 Particle size distribution of stormwater runoffs in different urban functional areas

总体来看，在5种城市功能区中，5-40 μm的细颗粒物的体积分数最大，150-250 μm这个粒径段颗粒物体积分数最小，这与朱伟等^[14]对镇江的研究结果相一致. 已有研究表明^[20]，大于250 μm颗粒物可以通过街面清扫有效的去除，但从图 1可知，粒径大于250 μm颗粒物的体积分数仍较大，并且其变异系数(标准差与均值的比值)较高，表明其在实际降雨过程中仍不容忽视，受城市管理水平以及地面清扫方式和频率的影响较大.

不同粒径颗粒物上污染物的分布不同^{[21, 22]}，对降雨径流中颗粒物粒径分布过程变化进行研究有助于了解污染物的变化过程^[23]，从而有针对性的采取弃流、 调蓄、 渗滤等控制措施来削减降雨径流中的污染物. 图 2为不同粒径颗粒物的平均体积分数随径流形成时间变化特征，从中可以看出，城市不同功能区颗粒物过程变化受到各自地表类型的影响较大. 商业区、 交通区不透水地表面积较大，综合径流系数较高，径流容易汇集，从而导致其在降雨初期5-150 μm的小颗粒物体积分数较高，且上下波动明显，受降雨特征影响较大，随着降雨历时的增加，体积分数呈现明显下降趋势，这与左晓俊等^[15]对公路径流中观察到的现象基本一致；现代住宅区路面为透水性材料，径流不易积聚，颗粒物的输出变化特征则较为稳定； 老旧住宅区颗粒物输出呈现“多峰”的特点，这是由于其路面多为方格砖与细石，极易坑洼积水，颗粒物在低洼处聚集后又受到降雨冲刷影响重新进入径流中； 园林旅游区的变化特征较为特殊，在降雨初始阶段道路两旁绿地的截留作用使得粒径较小颗粒物体积分数出现了短暂下降，随着降雨的进行，地表径流量不断增大，绿地截留作用开始减弱，到了降雨后期颗粒物才开始进行平稳的输出.

图 2

Fig. 2

图 2城市不同功能区降雨径流颗粒物粒径分布随径流形成时间变化特征 Fig. 2 Variation characteristics of the particle size distribution with the formation time of the runoffs in different urban functional areas

从整体来看，在径流形成初期的5 min内，小于150 μm粒径段的颗粒物最先开始迁移，大于150 μm粒径段的颗粒物略有滞后，在10-20 min才开始随地表径流进行迁移，体积分数逐渐开始升高. 在整个径流过程中，粒径小于5 μm的颗粒体积分数基本保持稳定； 5-150 μm粒径段的颗粒体积分数则上下波动明显； 大于150 μm粒径段的颗粒物体积分数变化趋势规律性不强，一方面是由于粒径较大的颗粒物在地表累积存在随机性，另一方面可能是其容易在路面低洼处沉淀积聚，从而影响其迁移进程.

前期晴天数反映了污染物在地表的累积程度^[24]，因此晴天数与降雨径流中颗粒物分布情况存在一定的关联性. 图 3为降雨径流中各粒径段颗粒物体积分数随前期晴天数增加的变化情况. 从中可知，除了粒径大于250 μm的颗粒物以外，其余粒径段颗粒物体积分数与前期晴天数的相关性较好，均达到显著水平(P<0.05). 随着晴天数的增加，粒径在5-150 μm的颗粒物体积分数增加明显，在晴天时能够得到快速积累； 小于5 μm以及150-250 μm的颗粒物变化平缓，这表明该粒径段颗粒物在地表沉积过程中来源较少； 大于250 μm的颗粒物变化趋势则与上述情况相反，这是由于粒径较小的颗粒物在晴天时的积累速率要远远大于粒径较大的颗粒，且其更容易受到降雨径流冲刷而被夹带，因而随着晴天数的增加，径流中粒径小于250 μm的颗粒物体积分数增大，大于250 μm的颗粒物体积分数呈减小趋势.

图 3

Fig. 3

图 3 降雨径流颗粒物粒径分布与前期晴天数之间的相关关系 Fig. 3 Correlation between the particle size distribution in stormwater runoffs and the antecedent dry period

降雨强度代表降雨对地表的冲刷能力，对于降雨径流中颗粒物分布有重要影响. 降雨径流中5个粒径段颗粒物体积分数与平均降雨强度、 最大降雨强度的单因子相关分析结果见图 4. 从中可知，随着降雨强度(平均降雨强度和最大降雨强度)的增大，粒径小于250 μm的颗粒物体积分数普遍增加，尤其是小于150 μm的颗粒物体积分数与降雨强度呈显著正相关(P<0.05)； 150-250 μm粒径段的颗粒物与降雨强度存在较弱的正相关，但未达到显著水平(P>0.05)； 粒径大于250 μm的颗粒物体积分数与降雨强度相关性较差. 同时比较不同粒径段颗粒物体积分数与降雨强度的相关性可以看出，粒径小于150 μm的颗粒物的R²略大于粒径较大的颗粒物，表明粒径小于150 μm的颗粒物与降雨强度的相关性较好，受降雨冲刷作用影响较大.

图 4

Fig. 4

图 4 降雨径流颗粒物粒径分布与降雨强度之间的相关关系 Fig. 4 Correlation between the particle size distribution in stormwater runoffs and the rainfall intensity

降雨在形成径流前首先要有一部分降雨满足初损、 下渗等损失^[25]，因此径流量更能代表地表径流对颗粒的迁移传输能力. 为了进一步考察径流量对颗粒物迁移的影响，以D₁₀(粒径小于某一数值的颗粒物体积占总颗粒物的10%)表征径流中携带颗粒物的底值，D₅₀表征中值粒径，分别对5次降雨事件初期30%和后期70%累积径流体积中每一采样时刻对应的径流量与D₁₀、 D₅₀进行Pearson相关分析(以交通区为例)，图 5给出了相关分析P<0.05的统计结果. 总体看来，在降雨事件初期30%径流体积中，5次降雨事件的径流量均与D₁₀呈显著正相关(P<0.05)，而与D₅₀呈显著正相关有两次(2015-05-08和2015-06-15)，随着径流量的增加，颗粒物迁移能力显著增加，并且小颗粒物迁移能力与径流量相关性要高于大颗粒物. 对于降雨事件后期70%径流体积来说，只有1次降雨事件(2015-06-15) 的径流量与D₁₀呈显著正相关(P<0.05)，其余均未达到显著水平(p>0.05). 从2.2.1节中对颗粒物粒径分布过程变化分析可知，小于150 μm的颗粒物在降雨事件初期变化明显且体积分数较高，因此颗粒物在降雨前期很快被降雨径流冲刷殆尽，从而导致在降雨事件初期30%和后期70%径流体积中径流量与粒径分布的相关性存在差异，同时不难发现2015-05-08和2015-06-15这两次降雨事件对应的前期晴天数、 降雨强度均较高，由此说明当地表累积的颗粒物数量足够多、 降雨强度足够大时，这种差异性将会缩小.

图 5

Fig. 5

图 5 降雨径流颗粒物粒径分布与场次降雨径流量之间的相关关系 Fig. 5 Correlation between the particle size distribution in stormwater runoffs and the amount of runoffs

降雨径流是污染物进入水体的重要途径，大量研究表明^{[26, 27]}，径流中的各项污染物与颗粒物具有较好的相关关系，因此有必要对城市不同功能区降雨径流中主要污染物的赋存形态进行分析，对于科学地制定雨水调控和污染物削减措施，具有重要意义. 本研究以COD、 TN、 TP分别代表有机物和营养物质，利用5次降雨事件污染物平均浓度(event mean concentration,EMC)来研究城市不同功能区降雨径流主要污染物赋存形态，详细结果见图 6. 结果表明，交通区有机污染状况最为严重且颗粒态有机物占到了74%，这与陈莹等^[28]对西安市主干道的研究结果相近，老旧住宅区、 商业区的颗粒态有机物占比次之，分别达到了59%和48%，现代住宅区、 园林旅游区有机物则以溶解态为主，颗粒态含量较少. 从氮磷等营养物质来看，商业区和交通区中氮的赋存形态主要是颗粒态，分别占到总氮的73%和55%，现代住宅区、 老旧住宅区、 园林旅游区中氮则主要以溶解态为主，颗粒态氮平均只占到总氮的24%. 磷的赋存形态特征较为一致，在5种城市功能区中均以颗粒态为主，平均占比达到了73%，这与磷易被颗粒物所吸附的性质密切相关^[29].

图 6

Fig. 6

图 6 城市不同功能区降雨径流主要污染物赋存形态 Fig. 6 Dominant existing forms of pollutants in different urban functional areas

从上述分析中可以看出，城市不同功能区降雨径流中有机物和营养物质的赋存形态特点不尽相同，但仍可以通过对径流中颗粒物的控制来去除径流中一定比例的污染负荷. 然而，不同粒径段颗粒物对污染物的吸附能力不同，对其与污染物的相关性进行研究有助于了解不同粒径段颗粒物的污染潜力，从而有针对性的控制某一粒径范围内的颗粒物. 从表 3可知，小于150 μm粒径段的颗粒物与COD、 TN、 TP的相关性较好，均达到显著水平(P<0.05)，而大于150 μm粒径段的颗粒物与之相关性较差，说明小于150 μm的颗粒物是富集降雨径流中污染物的重要载体； 在小于150 μm粒径范围内，随着粒径的减少，其与污染物的Pearson相关系数在逐渐增大，显著性在增强，由此表明颗粒物的粒径越小，对污染物的吸附性能越强，与污染物的相关性也越好，因此对于细小颗粒的污染潜力要格外重视； TP与各粒径段的颗粒物相关性均高于COD和TN，说明其相对于其他两种污染物更容易被颗粒物所吸附，也进一步佐证了之前得出颗粒态磷是降雨径流中主要赋存形态的结论.

表 3 (Table 3)

表 3 降雨径流中主要污染物与不同颗粒段颗粒体积分数的Pearson相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients between the dominant pollutants and the volume of various particles with different sizes in the stormwater runoffs 颗粒物粒径 <5 μm 5-40 μm 40-150 μm 150-250 μm >250 μm COD 0.629**(0.003) 0.544*(0.013) 0.483*(0.272) 0.149(0.531) -0.371(0.108) TN 0.565**(0.009) 0.467*(0.038) 0.500*(0.025) 0.137(0.565) -0.339(0.144) TP 0.703**(0.001) 0.692**(0.001) 0.560*(0.010) 0.267(0.238) -0.294(0.209) 1)*表示在0.05水平(双侧)上显著相关； **表示在0.01水平(双侧)显著相关； 括号内为P值

表 3 降雨径流中主要污染物与不同颗粒段颗粒体积分数的Pearson相关系数 Table 3 Pearson correlation coefficients between the dominant pollutants and the volume of various particles with different sizes in the stormwater runoffs

(1)苏州古城区不同功能区降雨径流颗粒物的分布、 迁移过程和输出特征存在明显差异，因此需要根据不同功能区颗粒物粒径的特点来选取合理的控制措施和设计参数.

(2)城市降雨径流中粒径分布与前期晴天数、 降雨强度、 径流量存在显著的相关关系，是影响降雨径流中颗粒物分布的重要水文参数. 粒径小于150 μm的颗粒物受前期晴天数和降雨强度的影响最为明显，并且粒径较小的颗粒物与径流量的相关性也要高于大颗粒物，这些都反映了粒径越小的颗粒物越容易随径流迁移.

(3)降雨初期30%的径流体积中颗粒物粒径与径流量的相关性要高于后期，由此表明降雨初期和后期径流中颗粒物的迁移过程存在差异，需要区别对待.

(4)颗粒态是污染物在径流污染的重要输出形态，也是其进入受纳水体的主要载体，对降雨径流中颗粒物进行去除是降低其污染负荷的有效途径. 粒径小于150 μm的颗粒物对于污染物的吸附、 富集作用最为明显，且粒径越小与污染物的相关性越显著，在径流污染控制措施设计中需要格外关注.

致谢： 对周佳磊、 殷方亮、 赵硕、 郭富成、 李治源、 张黎明、 崔蒙蒙、 胡金梅、 朱其龙、 贡丹燕等在现场雨水收集和分析测试中提供的帮助，以及苏州市气象局对本研究的支持，在此一并谨致谢忱！