浅析初期冲刷定义

浅析初期冲刷定义

喻晓琴

（武汉市洪山建设投资有限责任公司  湖北省武汉市  430000）

摘要：城市径流中初期冲刷现象是一个很重要的现象，同时不同学者对于定义和定量初期冲刷方法及临界条件看法不一。本文总结了国际上几种主流定义或定量初期冲刷现象方法：基于浓度的初期冲刷定义，基于无量纲化的污染物负荷的初期冲刷定义，基于质量初期冲刷比率的初期冲刷定义和基于实际污染物负荷的初期冲刷定义。

关键词：初期冲刷；浓度；污染物负荷

中图分类号：X703文献标志码：A

初期冲刷现象的本质为初期径流流量中携带的污染物水平高于后期径流流量中携带的污染物水平。初期冲刷概念的建立是为了更好的完善雨水水质管理措施（比如更合理设计管道、调蓄池和雨水处理构筑物，优化运行成本等）。研究者们对于城市暴雨径流的不同部分（雨水，屋面径流，地表径流，合流制和分流制排放管道，受纳水体等）的初期冲刷现象都有研究，但是由于研究者采样策略和数据分析方法不同，以及使用的初期冲刷定义不同，导致结果很难比较。笔者将几种主流的初期冲刷效应定义方法整理归纳，供国内读者参考。

1.基于浓度定义

Thornton和Saul[1]认为在暴雨径流初期的污染物浓度高于后期即为发生了初期冲刷。这是早期最为流行的基于初始浓度峰的定义。该定义有明显缺陷：一是浓度峰是相对的,只有通过整场降雨事件的污染物过程线才能表现。二是没有确定浓度峰的临界值，导致初期冲刷无法定量，只能主观判断初期冲刷存在与否。U.S.EPA则尝试直接比较两个浓度定量合流制系统中的初期冲刷效应。令旱季污染物平均浓度为污染物基底浓度，从降雨径流产生到降雨径流中污染物浓度等于基底浓度，所对应的径流体积就是要截流的水量。该定义优点在于通过径流污染物浓度和基底浓度的比较定量了初期冲刷效应。缺点在于：1.定义依赖于流量过程线和污染物浓度过程线，而这两者都会随降雨事件和地点不断变化。2.若是径流污染物浓度长时间大于基底浓度，那截流量将非常大，那通过截流携带高污染物负荷的小径流量就失去了意义。3.用旱季污染物平均浓度作为基底浓度未必合适。因为旱季污水是长时间持续稳定排放，而雨水径流是短时间的冲击负荷。

基于浓度峰的初期冲刷定义有2个共同缺陷：一是依赖于浓度，而不是污染物负荷定义初期冲刷现象。浓度是一个相对概念，与径流体积和污染物负荷有关，并不能反映对受纳水体的污染程度。二是不能精确定量初期冲刷。

2.基于污染物负荷定义

Geiger W.F.[2] 提出利用M(V)曲线判断初期冲刷。M(V)曲线是以累积径流量占径流总量的百分比为横坐标,以相应径流中累积污染物占污染物总量的百分比为纵坐标作图所得曲线。Geiger认为M(V)曲线斜率大于45°，即认为发生初期冲刷。若M(V)曲线与二等分线的间距大于0.2，即认为发生的明显初期冲刷现象。该定义主要有两个优点：1）定义依据污染物负荷，而不是浓度，这样就更能反映对受纳水体污染程度。2）定义用了无量纲化的M(V)曲线，这样使不同降雨事件比较初期冲刷效应强弱成为可能，量化初期效应变得简单。Geiger定义缺点在于用M(V)曲线与二等分线间距大于0.2定量初期冲刷。 Gupta和Saul[8]改善了上述定义，以产生雨水径流为初期冲刷开始时刻，以污染物负荷百分比曲线和径流体积百分比曲线的最大间距处为初期冲刷终止时刻。实质就是M(V)曲线与二等分线的最大间距定量初期冲刷。

法国Saget等人[3]通过Y=Xb表达M(V)曲线。认为当0[9]在这个定义基础上认为30%初期径流中携带80%污染负荷，视为发生了明显初期冲刷，也就是文献中常出现的30/80定义。这类定义优势在于将初期冲刷效应简单量化，通过控制径流体积来控制污染物负荷。缺陷在于定义过于主观，只要M(V)曲线斜率大于45°，都可以认为发生了初期冲刷效应。

3.基于初期冲刷比率定义

Ma等人[4]提出了基于质量初期冲刷比率概念。Han等人[6]提出了浓度初期冲刷比率概念。这两个值相等，意义有差别。前者指某一定义点位上累积径流体积所包含的污染物负荷，后者指从产生径流开始到t时刻局部事件浓度与总体事件平均浓度的比值。

基于污染负荷和质量冲刷比率的初期冲刷定义都是无量纲化的，这使得不同降雨事件之间的初期冲刷程度得以比较，同时存在缺陷：1）传统初期冲刷定义没有考虑容量影响，而小降雨事件全部径流体积携带的污染负荷可能与大降雨事件20%初期径流体积携带的污染负荷一样多。2）传统初期冲刷定量多是主观定量，同一降雨事件是否产生初期冲刷与评估者的方法有很大关系。这也使得不同研究者的研究结果没有可比性。3）传统初期冲刷考虑的是单场降雨事件径流中携带的污染负荷水平，没有考虑汇水区域背景值。

4.新型初期冲刷定义

为克服传统初期冲刷定义缺点，Bach等人[6]提出了新定量初期冲刷方法。他们将径流污染物浓度削减到汇水区域背景值的径流体积视为发生了初期冲刷现象的径流体积。方法大致如下：1）将流量过程线转换为径流深度。将一场降雨事件总径流深度均分为几个小片。2）对于指定汇水区域降雨事件计算对应每个小片事件平均浓度（EMC）。这样，每个片中都有不同降雨事件的ECM。3)计算每个片所有事件平均浓度的平均浓度，上四分位数，下四分位数，构成每个片的盒图。4)用非参数检验中的Wilcoxon秩和检验，判定相邻两个盒图是否有统计学差异。从而判断发生初期冲刷的径流深度和流域背景值浓度。

该方法优点在于：1）方法比较客观，采用统计学方法，主观臆断成分减少。2）采用实际污染物负荷浓度和径流深度，没有无量纲化，更能反映对受纳水体实际污染程度。缺点在于：1）对数据要求较高。首先，将流量过程线转换为径流深度时需要服务面积和服务区的径流系数；其次，需要连续的水质数据，才能较准确的算出每个片的事件平均浓度。2）片的大小选择会影响结果。作为一种新的定量初期冲刷的方法值得继续研究。

5.结论与展望

   城市径流中初期冲刷现象对于高效截流污染物，保护受纳水体有很重要的作用。传统初期冲刷定义方法简单，但是过于主观，而且各方不能达成一致意见。新的定量初期冲刷方法对数据要求高，而且需要进一步完善理论体系，获得认可。

参考文献

[1] Thornton R C, Saul A J. Temporal variation of pollutants in two combined sewer system[Z]. Lausanne,Switzerland:1987.

[2] Geiger W. Flushing effects in combiened sewer systems[Z]. Lausanne,Switzerland:198751-52.

[3] Saget A, Chebbo G, Bertrand-Krajewski J. The first flush in sewer systems[J]. Water Science and Technology,1996,33(9):101-108.

[4] Ma J, Khan S, Li Y, et al. First Flush Phenomena for Highways: How it can be meaningfully defined[Z]. Portland, OR:2002.

[5] Bach P M, Mccarthy D T, Deletic A. Redefining the stormwater first flush phenomenon[J]. Water Research,2010,44(8):2487-2498.