城市径流污染是在降雨径流与地表污染物的相互作用下形成的。城市径流污染过程是降雨及其形成的径流对地表污染物的溶解、冲刷，最终排入收纳水体的过程。其中，城市土地利用类型及其空间格局是影响地表径流污染的关键因素。城市中各种道路、停车场、建筑屋顶等非渗透地表，人类活动密集，晴天累积于地表的污染物在雨天受地表径流的冲刷、溶解形成径流污染，在空间上呈现面状分布。人类活动影响着城市地表径流污染程度与特性。不同类型人类活动在空间上配置的复杂性和随机性，造成对地表径流污染的影响更趋复杂，存在时间、空间上的巨大差异。

国内外对城市面源污染的研究已经持续了数十年，其中，北京、上海、武汉等城市的面源污染研究已经取得显著成果。本书重点针对深隧在消除面源污染方面的作用做详细讨论，对于城市面源污染的形成机理、研究方法等，读者可以参考面源污染相关的研究成果，对城市面源污染的特性有概念性了解，并对具体设计工作起到方向性指引作用。

2.1.3.1　城市面源污染来源

城市面源污染大致分为大气污染沉降、屋面径流污染、街道径流污染、建筑工地径流污染和排水管渠沉积物污染。

（1）大气污染沉降

城市面源污染的强度和程度往往与大气污染以及气象条件有关。降雨是大气污染的良好载体，降雨含有许多对生态系统有害的污染物，如酸类、有毒金属、有机物、氮磷物质等。

重力作用是决定大气干沉降的主要机制，但表面撞击、静电吸引、吸附和化学反应等是细小粒子沉降的重要原因。瑞典的研究发现，径流中20%的有机物、25%的磷、70%的总氮来自大气。

酸雨就是由于大气中的硝酸盐和硫酸盐等酸性物质，由降雨或干沉降造成的环境问题。重金属铅和汞的大气沉降也是地表水中重金属的重要来源。

（2）屋面径流污染

屋面污染物主要是干沉降和屋面材料的分解物质，影响屋面径流污染和污染物浓度变化的主要因素为本地的污染源、屋面材料、空气污染（干沉降）、气象因素（季节、风速、风向）等。国内也有相关研究对背景城市建筑屋面刹那径流水质进行了测试研究，城市屋面雨水初期径流污染比较严重，主要污染物为有机物（COD）和悬浮物（SS）。国内采用较多的沥青油毡屋面是一种重要的污染源。

有面源污染研究表明，气候湿润地区屋面径流水质明显较好，反映了湿润气候条件下大气干沉降小、降雨冲刷频繁、屋面污染物累积程度低。

（3）街道径流污染

街道是城市地表径流污染的主要源区，道路径流污染物通常包括金属、颗粒态或溶解态的固体物质、有机物等。汽车轮胎等在地面摩擦产生灰尘，是碳氢化合物如多环芳烃的主要来源。交通流量、路面条件、磨蚀情况、汽车排放、街道餐饮业、行人卫生习惯、附近农贸市场等决定了街道污染物的累积速率，进而直接影响街道径流的污染程度。

我国某城市道路径流水质相关研究表明，降雨初期径流污染物浓度COD 高达1230mg／L，SS达到2288mg／L，石油类污染物高达161mg／L。Gromaire等人对法国城市居民区街道径流污染进行研究，占城市地表径流23%的街道径流（包括街道径流悬浮固体和有机物含量）对地表径流中SS和COD的贡献在40%～70%。

（4）建筑工地地表径流污染

建筑工地地表径流污染主要是人为因素造成的，在降雨条件下，散落在工地的泥沙、盐类、酸类物质以及工地的生产、生活垃圾，随地表径流进入水体，造成面源污染。

（5）排水管渠沉积物污染

排水体制对城市水体污染具有很重要的影响，不同排水体制（合流制和分流制）降雨径流对水体的污染程度不同。总体来说，雨污合流排水系统的径流污染比分流制排水系统严重，尤其是管渠中沉积物被管道中雨水侵蚀而释放晴天积累的各种污染物，成为城市面源污染的重要来源。小雨时，径流所夹带的固体颗粒物可能沉降在排水管道；大雨时，强径流引起沉积物侵蚀，增加了排水系统径流的污染物负荷。

不同地区、不同降雨雨型对排水系统沉积物污染贡献可能会有不同，尤其是短历时、高强度降雨，排水系统沉积物冲刷对径流污染的贡献可能达到50%以上。

2.1.3.2　降雨-径流-污染物变化规律

根据环保部2011年发布《地表水环境质量评价办法（试行）》规定，地表水水质评价指标：《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）表1中除水温、总氮、粪大肠菌群以外的21项指标。水温、总氮、粪大肠菌群作为参考指标单独评价（河流总氮除外）。湖泊、水库营养状态评价指标为：叶绿素a（chla）、TP、TN、透明度（SD）和高锰酸盐指数（CODMn）共5项。

通常，地表径流污染评价最重要的5个指标为：TSS、TP、TN、CODMn（地表水）及重铬酸盐指数（CODCr）（污水）。参考相关初期雨水污染物研究成果，城市集水区径流污染物TSS、TN、TP、COD浓度随径流变化有其规律性，随着降雨径流的产生和径流流量的增加，TSS、TN、TP和COD 浓度升高很快，并达到峰值，之后污染物浓度便迅速下降，趋于稳定。污染物浓度的峰值提前于径流的峰值，在整个径流污染过程中，初期径流污染严重，是城市径流污染过程的基本特征。污染物浓度峰值与径流量峰值之间的时间差，随初期径流量的增加而缩短，如图2-6所示。

图2-6　城市集水区降雨-径流-污染物变化过程线

TSS、TN、TP和COD变化具有明显相关性，一方面说明径流对几种污染物的冲刷过程相似，另一方面说明TSS是其他几种污染物的载体。(www.daowen.com)

2.1.3.3　面源污染负荷定量方法

城市降雨径流污染负荷是指一场降雨或多场降雨所引起的地表径流排放污染物总量。由于地表径流排放污染负荷的随机性使得次降雨污染负荷的代表性差，所以通常采用年径流污染负荷（Ly，t／a），用下式计算：

式中 0.001——单位转换系数；

　　 Ri——第i场降雨的径流系数；

　　 Pi——第i场降雨的降雨量（mm）；

　　 A——集水区面积（km2）；

　　 EMCi——第i场降雨地表径流全过程排放的某污染物的平均浓度（mg／L）；

　　 m——降雨场次。

计算一次径流污染的平均浓度EMC 的值：

式中 Cj——第j时段所测的污染物的浓度（mg／L）；

　　 Vj——第j时段径流量（mg／L）；

　　 n——一场雨时间分段数。

一年内监测降雨场次越多，Ly 的代表性越强。确定城市各个集水区年径流污染负荷Ly 和年污水污染总负荷后，可以从总量上对径流污染对区域水体污染的贡献做评估。理论上只有对一年内所有场次降雨径流污染进行监测所获得的数据才是准确、有代表性的。但是，由于降雨径流污染发生的随机性，对一年内所有降雨径流污染进行全部监测几乎不可能，因此，采用集水区监测到的有效数据计算Ly，也具有一定代表性。

城市面源污染主要集中在雨季，径流污染对水环境影响比较大。相关研究表明，雨季城市径流输出的COD负荷超过点源，约是点源污染的2倍。由此显示，城市径流污染在城市水环境质量恶化过程中占有很重要的地位。随着我国城市排水管网的不断完善和污水处理规模的不断增加，点源污染对水环境质量影响的比重将迅速下降，而面源污染对水环境恶化所起的作用将越来越明显。

2.1.3.4　面源污染的排放特征

城市降雨径流污染的一个基本特征是初期径流中污染物的含量一般高于后期径流，称为初期冲刷，污染物含量高的初期降雨称为初小雨。截流初期径流是控制城市面源污染的主要策略之一。那么，如何论证城市初小雨的量就成为一个重要课题。为了能够论证分析城市径流污染排放特征，使用了无量纲污染负荷分布曲线，即L（V）曲线（图2-7）。L（V）曲线是在一次次降雨径流过程中以累积径流量同径流总量比值为横坐标，以相应径流中污染物累积负荷同负荷总量比值为纵坐标，形成的曲线。当曲线的斜率大于1时，说明污染物负荷的排放要快于径流排放；反之，污染物排放要慢于径流的输出。所以，L（V）曲线在坐标平面45°对角线之上，说明存在初期冲刷，与45°对角线的偏离程度代表初期冲刷的程度；曲线与45°对角线重合，说明污染物负荷排放是等比例径流排放，污染物浓度不变；曲线落在45°对角线以下，说明不存在初期冲刷。L（V）曲线可以定量化研究城市径流污染的初期冲刷特征。

图2-7　L（V）曲线示例

城市径流中TSS、COD、TN和TP的排放具有明显的初期冲刷特征，研究不同污染物和同一种污染物不同降雨时的初期冲刷程度需要确定初期冲刷的标准，即初小雨深度，而初期冲刷标准的确定也是进行截流控制污染的前提。初小雨研究过程中，提出了几种不同的标准。Deletic将初期冲刷定义为初期20%径流所携带的污染物负荷，认为只有初期20%径流携带的污染负荷达到40%才具有明显的初期冲刷。Bertrand-Krajewski等人提出了更为严格的定义，只有初期30%径流携带超过80%的污染负荷，才为明显初期冲刷。但由于集水区特征和水文特征的不同，径流污染的初期冲刷过程不同，因此，用来表征初期冲刷程度的标准也随着集水区的特征与区域降雨特征的不同而不同。

图2-8所示为某地区面源污染分布特征，对12场次降雨径流过程中各种污染物负荷在径流中的分配特征做了统计可知，在初期前3个10%径流中，污染物负荷快于径流排放，而在30%以后的径流中，污染物负荷都小于10%，而相互之间差异很小，因此，对该集水区选取30%的径流来确定初期冲刷是合理的。

图2-8　集水区污染物负荷在径流过程中的一般分布特征

城市径流污染的初期冲刷特征为城市径流污染的控制提供了机会。影响初期冲刷程度的因素主要有降雨特征、集水区特征、排水系统特征以及晴天积累天数等。Cupta等人研究得出，径流中总悬浮物的初期冲刷与最大降雨强度、降雨持续时间和晴天积累天数等具有明显相关性。相反，Saget等人研究发现，初期冲刷与集水区特征（面积、径流集水时间和平均坡度）、降雨特征、晴天积累天数等无关。不同城市的面源污染研究对于初期冲刷及其影响因素的关联性有分歧，说明不同地区所处的气候区不同、降雨特征不同、监测研究集水区污染物累计特征不同，可能是导致初期冲刷出现频率与程度不同的主要原因。