初期冲刷效应是指初期少量暴雨径流中携带了大部分污染负荷的现象(Gupta et al., 1996).在城市暴雨管理中，如果将暴雨径流全部收集处理，既不经济，也不现实，在这种情况下，科学评估初期冲刷强度，收集并处理持有大部分污染负荷的初期暴雨径流就显得非常必要.

大量研究表明，降雨期间城市不透水下垫面的污染物输出，尤其是初期雨水污染已给当地水环境健康带来了严重影响(Davis et al., 2009; Palls et al., 2009; Brown et al., 2006).近年来，中国很多城市和地区，如北京、上海、广州、厦门、重庆、武汉等城市已相继开展了城市面源污染的研究工作(Balloa et al., 2009; Gan et al., 2008; Wei et al., 2010; 张千千等，2012; 韩景超等，2013)，但大都是侧重城市面源污染的特征分析等，对定量分析初期冲刷较缺乏.山地城市具有地形起伏大，坡度大，易产流，冲刷作用强等特点，使山地暴雨径流使流域水文过程的变化快速发生、迅速消退更加显著，对城市水生态系统具有更高的冲击力对流域水环境的影响更加突出.本文对山地城市典型硬化下垫面暴雨径流展开初期冲刷效应研究，识别不同初期径流量携带的污染负荷量，为城市暴雨径流污染控制提供依据.

研究以重庆市为例.重庆位于中国内陆西南部、长江上游，属亚热带季风性湿润气候，年平均气温18 ℃左右，冬季最低气温平均7 ℃，夏日最高气温35 ℃以上.极端气温最高43 ℃，最低-2 ℃.常年日照数1000~1200 h，平均降水量1100 mm左右，夏季占年降水量45%左右，冬季约占5%，春、秋季各占约25%.

选取山地城市两种典型硬化下垫面：道路和屋面，同时，记录监测点的背景信息(如建筑材料及使用年限、坡度、清扫频率等)见表 1，降雨特征见表 2.

表1(Table.1)

表1 典型硬化下垫面信息 Table.1 Summary of site characteristics

表1 典型硬化下垫面信息 Table.1 Summary of site characteristics 下垫面类型 建筑材料 使用年数/a 所处区域 坡度 清扫频率/(次·d-1) 道 路 沥青 ＞20 主城区交通干道 2.0%~2.5% 1 屋 面 混凝土 ＞10 校园宿舍楼屋顶 平顶 0

表2(Table.2)

表2 监测降雨事件的降雨特征 Table.2 The characteristics of monitoring rainfall

表2 监测降雨事件的降雨特征 Table.2 The characteristics of monitoring rainfall 日期 前期干旱天数/d 降雨量/mm 降雨时间/min 平均降雨强度/(mm·h-1) 监测地点 雨型及级别 2009.8.10 1 13.4 60 13.40 交通干道 双峰型，大雨 2009.8.17 7 6.6 34 11.65 交通干道 双峰型，中雨 2010.8.21 6 3.6 90 2.40 混凝土屋面 中峰型，小雨 2010.9.5 4 1.5 60 1.50 混凝土屋面 中峰型，小雨 2011.4.15 15 6.0 80 4.50 交通干道 前峰型，小雨 2011.6.5 5 9.1 160 3.41 混凝土屋面 中峰型，小雨 2011.6.16 3 8.5 53 9.62 混凝土屋面、交通干道 多锋型，大雨 2011.7.21 6 7.0 25 16.80 混凝土屋面、交通干道 中峰型，中雨

在降雨期间，按照预定的取样时间间隔取样，自产流起30 min内，每隔5 min采1个样；30~60 min时段内，每隔10 min采1个样；之后每隔30 min采1个样，直至径流结束.降雨量由监测点附近的自动雨量计(JDZ-1，中国)自动记录.

水样采集后，立即带回实验室检测，实验室测试指标包括TSS、COD、TN、TP、NH₃-N、Cu、Zn、Pb、Cd、Fe，共10个指标.所有水质指标均按照标准方法进行测定(《水和废水监测分析方法》，2002).

1)径流量估算

本研究在城市交通干道与混凝土屋面现场采样，受实验设备等客观条件限制，未能实测径流量.因研究对象为内渗量与蒸发量很小的沥青路面和混凝土屋面，且采样时记录了降雨开始与径流形成时间，进而可计算消除径流的滞后性，各采样时段径流体积可用扣除产流时间的各时段的降雨量与集雨面积的乘积估算(李贺等，2008).利用径流过程瞬时水样浓度与各时段径流量估算结果，可分析计算累积径流率与累积污染物排放率的关系.

2)次降雨径流平均浓度EMC(Event Mean Concentration)

EMC是场次降雨径流中污染物浓度的加权平均值，被广泛用来估算各个下垫面暴雨径流产污负荷，其计算方法如式(1)所示.

3)M(V)曲线

Geiger于1987年提出的用无因次累积负荷-体积分数曲线(M(V)曲线)判断初期效应的方法已被广泛接受.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 1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率不变，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，则认为污染物排放大于径流输出，发生初始冲刷现象.相反当曲线位于平衡线以下，表示无初始冲刷效应.累积曲线与平衡线的偏差比例代表初始冲刷的强弱.

图 1(Fig. 1)

图 1 Geiger对初期冲刷效应的定义 Fig. 1 First flush effect defined by Geiger

本研究共对2009年8月至2011年7月的8场径流事件进行了全程采样.根据美国地质勘探局(USGS)对降雨的划分原则，结合表 2可知，8场降雨级别分别为2场大雨，2场中雨，4场小雨，基本涵盖了重庆常见的降雨级别，有一定的代表性，可为研究结果的可靠性提供保证.

EMC常被用来表征污染物的浓度大小，相对于降雨过程中污染物浓度变化速率来说，受纳水体对暴雨径流输入的响应速度较慢，因此，对于了解城市暴雨径流长期产污负荷来说，EMC 的统计分析更为重要.为进一步说明典型硬化下垫面暴雨径流中污染物的浓度，统计了8场降雨事件的EMC，结果见表 3.

表3(Table.3)

表3 监测降雨径流平均浓度EMC Table.3 EMC of monitoring stormwater runoff

表3 监测降雨径流平均浓度EMC Table.3 EMC of monitoring stormwater runoff 下垫面类型 采样日期 EMC/(mg·L-1) TSS COD TN TP NH3-N Cu Zn Pb Cd Fe 注：“*”，表示超出地表水V类标准；“—”，表示未检测. 交通干道 2009.8.10 939 614 12.9 1.8 5.0 — — — — —   2009.8.17 342 408 4.3 1.0 4.5 — — — — —   2011.4.15 255 202 4.3 0.2 1.9 — — — — —   2011.6.16 710 442 8.9 0.8 2.6 0.122 0.41 0.55 0.059 7.95   2011.7.21 597 206 8.6 0.96 6.4 0.114 0.71 0.63 0.037 12.75 平均值 569 374* 7.8* 0.95* 4.1* 0.118 0.56 0.59* 0.048* 10.35 混凝土屋面 2010.8.21 28 50 4.3 0.05 0.54 — — — — —   2010.9.5 37 27 1.6 0.15 1.26 — — — — —   2011.6.5 65 69 6 0.15 1.9 — — — — —   2011.6.16 65 77 5.9 0.2 1.8 0.136 0.51 0.562 0.037 5.52   2011.7.21 102 104 7.5 0.35 3.06 0.024 0.13 0.566 0.063 4.48 平均值 59 65* 5.1* 0.18 1.71 0.08 0.32 0.564* 0.050* 5.0 GB 3838—2002 V类 — ≤40 ≤2.0 ≤0.4 ≤2.0 ≤1．0 ≤2.0 ≤0.1 ≤0.01 —

由表 3可知，不同场次降雨对相同下垫面的EMC影响不同；同一场次降雨对不同下垫面的EMC影响也不相同.

对于常规污染指标，城市交通干道TSS和COD的EMC值显著高于混凝土屋面，且两种典型硬化下垫面COD的EMC为374 mg · L^-1和65 mg · L^-1，均高于地表水环境质量(GB 3838-2002)V类标准(以下简称“V类标准”)，分别是V类标准的9.35倍和1.63倍；对于TN，交通干道和屋面的EMC值均高于地表水V类标准；对于TP和NH₃-N，城市交通干道EMC值为7.8 mg · L^-1和0.95 mg · L^-1，超出地表水V类标准，而屋面的EMC值，满足地表水V类标准.

对于重金属指标，除Cd外，其他重金属指标的EMC均为城市交通干道大于混凝土屋面；对于重金属，Fe的EMC最高，城市交通干道是Fe浓度最高的用地类型；Cu和Zn的EMC，满足地表水V类标准，而Pb和Cd的EMC则远大于地表水V类标准的规定浓度.

综上，TSS、COD和TP来自城市交通干道的贡献较混凝土屋面大，而TN、NH₃-N两者相当；对于重金属，除Cd外，城市交通干道重金属的EMC值均高于混凝土屋面.

为了解山地城市典型硬化下垫面暴雨径流污染物的冲刷规律，用M(V)曲线法统计了交通干道和混凝土屋面部分场次降雨的暴雨径流初期冲刷效应.

对于城市交通干道，在所统计的5场降雨事件中，场次降雨的初期冲刷程度不一致.对于常规污染指标，初期40%的暴雨径流携带了53%±16%的TSS、66%±10%的COD、59%±2%的TN、58%±2%的NH₃-N、51%±5%的TP；对于重金属，初期40%的暴雨径流携带了56%的Cu、67%的Zn、48%的Pb、41%的Pb、60%的Fe.交通干道各场次降雨均出现初期冲刷效应，不同污染物指标冲刷程度不同.TSS在5场降雨事件中，表现出很大的随机性，这是由于交通扰动的原因；COD与Zn初期冲刷明显，这与降雨特征与晴天污染物累积相关；TP初期冲刷最弱，这与其赋存形态有很大关系；TN与NH₃-N初期冲刷无明显规律；Pb与Cd初期冲刷效应也不明显(Cd几乎无初期冲刷).

图 2(Fig. 2)

图 2 交通干道暴雨径流初期冲刷效应 Fig. 2 First flush effect from traffic road

对于混凝土屋面，在所统计的5场降雨事件中，场次降雨的初期冲刷程度不一致.对于常规污染指标，初期40%的暴雨径流携带了64%±20% TSS、66%±17% COD、55%±14% TN、52%±14% NH₃-N、56%±3% TP；对于重金属，初期40%的暴雨径流携带了50% Cu、54% Zn、41% Pb、41% Cd、56% Fe.屋面暴雨径流中，场次初期冲刷现象波动最大的是TSS和COD，这与大气降尘有关；除2010年9月5日降雨外，其他4场降雨TN的初期冲刷均比NH₃-N强烈，这与道路径流中NH₃-N与TN初期冲刷无明显规律不同，可能与屋面径流中氮的赋存形态有关；初期冲刷对于重金属，Cu、Zn、Fe具有一定程度的初期冲刷现象，Pb、Cd未发现明显的初期冲刷规律，这可能与屋面重金属污染的来源有关.

图 3(Fig. 3)

图 3 屋面暴雨径流初期冲刷效应 Fig. 3 First flush effect from concrete roof

比较两种典型硬化下垫面初期冲刷结果，可知，对于常规污染指标在场次降雨的波动性，混凝土屋面较城市交通干道更大；对于重金属初期冲刷效应，城市交通干道较混凝土屋面明显；从污染负荷控制的角度上，建议山地城市交通干道与混凝土屋面至少以初期40%的暴雨径流作为控制量.

初期冲刷效应的影响因素很多，初期冲刷现象与降雨因素之间的相互关系已有论述(Li et al., 2007)，一般情况下，降雨强度越大、不透水面积比例越高，初期冲刷现象越明显.监测区域的地形地貌、污染物累积和排放特点也会对初期冲刷现象产生影响(Lee et al., 2002).本部分通过文献调查，比较了不同地形地貌条件下道路暴雨径流的初期冲刷现象(表 4)，旨在分析山地城市与平原城市初期冲刷的强度.

表4(Table.4)

表4 与平原城市对比 Table.4 Compared with plain cities

表4 与平原城市对比 Table.4 Compared with plain cities 城市类型 下垫面类型 平均雨强/(mm·h-1) 初期干旱/d 40%径流携带污染负荷比例 山地城市 重庆沥青路面(高勇，2011) 2.8 13 88% TSS、77% COD   重庆交通干道(本研究) 11.65 7 76% TSS、77% COD 平原城市 武汉道路(Zhao et al., 2007) 10.4 13 60% TSS   郑州路面(Zhang et al., 2010) 6.9 14 55% COD

由表 4可知：对于城市道路，在相似降雨条件下，山地重庆40%径流携带了76% TSS、77% COD的污染负荷，而平原城市40%径流携带了60% TSS、55% COD的污染负荷，携带污染负荷TSS和COD比平原城市分别高出16%和22%.因此，对于城市道路，山地城市较平原城市，具有更明显的初期冲刷效应.

1)次降雨平均浓度EMC分析表明：TSS、COD和TP来自城市交通干道的贡献较混凝土屋面大，而TN、NH₃-N两者相当；对于重金属，除Cd外，城市交通干道重金属的EMC值均高于混凝土屋面；Cu和Zn的EMCs，满足地表水V类标准，而Pb和Cd的EMC则远大于地表水V类标准的规定浓度.

2)初期冲刷分析表明：对于常规污染指标在场次降雨的波动性，混凝土屋面较城市交通干道更大；对于重金属初期冲刷效应，城市交通干道较混凝土屋面明显；从污染负荷控制的角度考虑，建议山地城市城市交通干道与混凝土屋面至少以初期40%的暴雨径流作为控制量.

3)在相似降雨条件下，山地城市交通干道40%的降雨径流携带的污染负荷比例比平原城市分别高出16%(TSS)和22%(COD)，因此，山地城市交通干道初期冲刷效应的发生强度比平原城市大.