道路雨水中污染物來源廣泛且復雜，初期雨水污染物濃度較高，后期隨著降雨過程的進行，污染物濃度逐漸降低并趨于穩定。棄流初期雨水因有效降低后續雨水資源化利用成本、減少對受納水體的污染而被廣泛采用。其中，初期雨水棄流裝置作為一種分流手段，能有效分離初期雨水和后期雨水。目前，棄流裝置種類較多，按控制方式可劃分為自控型和電控型，按棄流原理又可進一步將自控型劃分為容積式、半容積式、旋流式、翻板式、切換式、跳躍井式等，電控型劃分為流量式、雨量式、水質型等。介紹了相關研究中道路初期雨水及其棄流量的界定，并圍繞著道路初期雨水棄流裝置，從棄流原理、結構設計、優缺點及工程應用幾方面進行分析評價，以期為道路初期雨水的界定和道路初期雨水棄流裝置的選用及設計提供參考依據。
關鍵詞:道路初期雨水；界定；棄流量；初期雨水棄流裝置
引用本文：侯文碩，周國華，葛銅崗，等. 道路初期雨水界定及棄流裝置研究進展［J］. 給水排水，2022，48（2）：133-142.
我國是一個水資源短缺的國家，目前多數城市面臨缺水的問題，而北京、天津等大城市的供水已經到了嚴峻時刻。同時，我國也面臨著復雜的城市內澇問題，2008年至2017年近10年內，每年有近170多個城市遭受不同程度的進水受淹或發生內澇，造成平均每年2 000億元左右的經濟損失。另外，我國城市水污染問題也日益突出，每年污水的總排放量已超過100億m3。其中，城市化的快速發展，不透水面積的快速增加，改變了自然水文過程，是導致城市水資源短缺、城市內澇和城市水污染問題的關鍵。因此，實現城市雨水資源化利用，不僅可以緩解當前的水資源危機，而且可以在有效減小徑流量、削減洪峰量、延滯匯流時間的同時，補給城市生態水源、回補地下水、有效地改善城市內澇及水污染問題。
據國家統計局數據顯示，1949年至2019年中國常住人口城鎮化率由10.61%增長到60.60%，在不透水地表中，道路在城市建設用地中占比很大，據國家統計局公開數據，截止到2015年中國道路面積已達55.08億m2，相較于2005年增長了15.86億m2。若從量的角度分析，城市道路雨水開發利用潛力巨大。
但在道路雨水資源化利用過程中，初期雨水污染問題是影響資源化利用的關鍵。道路雨水中污染物來源廣泛且復雜，且污染物的組成、性質和沉積量的多少與路面材料、級別、老化及污染程度等因素有關；同時，空氣污染狀況、雨強、雨量、降雨間隔時間、降雨頻率、車流量大小及車載物的情況也會對道路雨水水質產生影響。相關研究表明，降雨過程中一般初期雨水污染物濃度較高，隨著降雨過程的進行，污染物濃度逐漸降低并趨于穩定。為此，國外一些國家很早就開始重視初期雨水的污染問題，并形成了完整的道路雨水收集及處理系統。而國內起步較晚，對于初期雨水的處理問題仍處在探索階段。劉靜等通過調研發現初期雨水棄流有助于雨水凈化和利用程度的提升，同時也能有效降低后續雨水資源化利用成本、減少對受納水體的污染。由于道路雨水與其他下墊面相比，污染程度最為嚴重，且存在明顯的偶然性和波動性，目前對道路初期雨水及其棄流量的界定仍未統一，但在實際工程中，若能按相關研究及規范棄流初期雨水，將棄流雨水排至市政污水管網，后期干凈的雨水排入蓄水池存儲利用或排入雨水花園、生物滯留池等進行有效的資源化利用，具有十分重要的經濟和生態效益。
基于上述背景，本文介紹了相關研究中道路初期雨水及其棄流量的界定，并圍繞著道路初期雨水棄流裝置，從棄流原理、結構設計、優缺點及工程應用幾方面進行分析評價。
1道路初期雨水界定
初期雨水一般指一場降雨過程初期的雨水，與初期沖刷有關。初期沖刷可分為濃度初期沖刷和質量初期沖刷。當徑流初期污染物濃度明顯高于后期時，則判定存在濃度初期沖刷，此時初期雨水可以認為是水質優于某地區污水允許排放標準這段時間內的雨水，但這種方法未考慮徑流量變化以及污染物在徑流的分配，難以準確描述。隨著研究的深入，國外學者又提出了質量初期沖刷，即初期徑流不成比例的攜帶了整場徑流中大部分污染負荷的現象，可以認為當徑流排放率小于初期徑流中污染物的排放率時存在初期沖刷效應。BACH和何強認為初期雨水是污染物濃度達到背景濃度或形成穩定階段前的雨水，把初期污染物負荷占整場降雨污染物負荷50%～80%的雨水稱為降雨的初期雨水，張瓊華等結合初期沖刷概念，動態定義初期雨水為攜帶50%污染負荷的初期降雨，表1為部分國內外學者提出的初期徑流體積及初期徑流中污染物所占比例，在不同地區、不同判定標準下結果存在一定差異。
對于道路初期雨水及棄流量的界定，不同地區仍然沒有統一的標準，相關理論尚不成熟。上述濃度及質量初期沖刷均考慮了徑流過程中的水質變化，但在實際工程上難以控制和應用。目前國內對道路初期雨水的界定方式中主要被接受的觀點有兩種：一是以降雨歷時為劃分依據，認為一場降雨過程中某一時間點前的雨水為初期雨水；二是以降雨量為劃分依據，認為初始某一降雨量范圍內的雨水為初期雨水。國內外一些學者對道路初期降雨歷時及初期降雨量進行了相關研究，對文獻中研究成果整理如表2及表3所示。
目前對于道路初期降雨歷時或初期降雨量的確定，大多研究依據質量初期沖刷結合徑流中污染物質量濃度變化規律或M（V）曲線確定，對于道路這種小匯水面，部分研究直接依據濃度初期沖刷結合污染物濃度變化規律進行判定，因此基于研究結論依賴于地區特性的情況下，要想得到某地區較為準確的道路初期雨水棄流量，需要長期監測路面降雨徑流的水量、水質數據。
若不具備長期測定道路徑流水質的條件，可采用設計降雨法計算道路初期雨水棄流量。設計降雨法計算具體步驟如下：首先從設計降雨角度出發，參考相關文獻及研究成果，有針對性地確定棄流標準。其中，核心計算理念即對于研究地區設計降雨過程，在保障棄流初期水質較差的雨水，同時能更有效的利用后期較干凈雨水的基礎上，確定最終應棄流掉產流后多長時間的徑流量，并定義道路初期雨水棄流量為損失量與產流后一定時間的徑流量之和。然后結合選定的棄流標準計算。首先，搜集降雨資料、選樣并進行頻率分析，在中國氣象科學數據共享服務網上下載氣象數據集，從數據集中選取并整理出研究地區較近的氣象站點逐日降雨量數據，選樣并繪制頻率曲線；再利用頻率曲線中不同設計頻率下日降雨量數據結合設計暴雨雨型，根據棄流標準計算得到道路初期雨水棄流量；最后將計算結果與研究地區降雨特征及相關規范文獻進行比較，綜合確定道路初期雨水棄流量。具體步驟如圖1所示。
結合上述具體步驟，以天津濱海新區為例進行棄流量的計算。首先綜合相近研究地區中關于初期徑流時間文獻的研究結論，把一場降雨徑流中考慮2 mm損失量后30 min的徑流作為棄流標準。然后選取并整理天津塘沽氣象站點逐日降雨量資料，采用年多個樣本法進行頻率分析，并繪制頻率曲線，計算中同時考慮長歷時（24 h）與短歷時降雨（2 h），為了在棄流初期雨水的基礎上更充分利用雨水，選擇0.33年、0.5年、1年、2年一遇設計重現期，由不同頻率下日降雨量計算得到24 h及2 h最大降雨量，并結合《天津市海綿城市建設技術導則》設計暴雨雨型分配，計算得到24 h、2 h降雨歷時0.33年、0.5年、1年、2年一遇下道路初期雨水棄流量的范圍分別為3~6 mm、6~14 mm，結合濱海新區降雨量在0~5 mm內次降雨占到55.3%、每年前兩場降雨量在0~5 mm內場次占到90%左右，以及經驗確定道路初期雨水棄流量的范圍為2~15 mm，最終建議濱海新區道路初期雨水棄流量為5 mm。
2典型道路初期雨水棄流裝置設計及應用
為了更好地進行雨水資源化利用，必須要對道路初期雨水進行相關處理，其中考慮處理成本，對道路初期雨水進行棄流并集中處理是最經濟的方式。初期雨水棄流裝置作為一種分流手段，能有效地分離初期雨水和后期雨水，控制雨水徑流中大部分污染物。初期雨水棄流裝置有多種分類方式，根據安裝方式的不同可分為管道安裝式、埋地式，根據控制方式又可分為自控型、電控型。
2.1 自控型初期雨水棄流裝置
自控型初期雨水棄流裝置一般不需要電氣設備，能夠實現初期雨水的存儲或排入污水管道等，完成棄流目的并進行有效地分離。自控型初期雨水棄流裝置可分為容積式、半容積式、旋流式、翻板式、切換式、跳躍井式等。
2.1.1 容積式棄流裝置
容積式棄流裝置將初期雨水暫存在棄流池內，按初期降雨量界定初期雨水并結合匯水面積確定棄流池的容積。常見的容積式棄流裝置如圖2所示。初期雨水徑流由集水管進入棄流池內，隨著棄流池內水位不斷升高，浮球隨之上升，浮球閥逐漸關閉，當達到設定的高水位后，浮球閥完全關閉，后期較為干凈的雨水徑流從旁通管流出并進入后續雨水利用處理系統，待雨停后打開排空管閥門排空棄流池?？刂品绞匠瞬捎酶∏蜷y外，還可采用活塞、標準化設計的棄流器實現棄流量的控制。同時可以增加內設浮球閥的調節池自動排空棄流池內雨水，或將棄流池底部設計為透水工布池底，棄流池內蓄存的雨水可通過下滲補充地下水，改善傳統容積式棄流裝置在每場降雨過后需人工開啟閥門排放雨水的不足。排空管可接入污水管網或排入滲透系統中。
容積式棄流裝置運行過程不受到降雨變化的影響，在棄流量的控制上具有準確、穩定等優點，結構簡單、施工方便。對于匯水面積較小地區，需要收集的棄流雨水量相對較小，更宜采用容積式棄流裝置，但當匯水面積較大時棄流池的容積較大，存在占地大且造價高等問題，同時排空管處容易產生泥沙淤積堵塞問題，后期人工維護成本較大；且在設計中未考慮不同降雨過程雨水水質的影響。
厲晶晶等采用了容積式棄流裝置進行了工程示范的設計及運行效果的評估，研究地區位于江蘇鎮江市第三人民醫院，棄流池對應匯水面積為350 m2，施工期為2009年4月，采用棄流3 mm的初期降雨量，確定棄流池容為1 m3，取長寬高均為1 m，棄流池底采用透水混凝土，池內雨水可通過滲透補充下水，池身為磚砌。通過對棄流池內雨水及旁通管的出水的水質監測，得到幾場降雨中對COD的截留率在50%~70%，證實容積式棄流裝置運行效果良好。
2.1.2 半容積式棄流裝置
為了解決容積式棄流裝置普遍存在的占地面積較大的問題，將棄流池內一部分初期雨水直接排入市政污水管道或雨水管道，另一部分暫時存儲在棄流池內，以達到減少棄流池的容積、減少制造成本的目的，此即為半容積式棄流裝置的工作原理。典型的半容積式棄流裝置如圖3所示，雨水由進水管進入雨水分流室，在重力作用下由分流板通過浮球閥進入到底部的雨水棄流室，隨著雨水的匯入，棄流室內水位不斷上升，同時上方浮球閥逐漸關小。當棄流室內水位達到設計高度時，進出水處于動態平衡狀態。隨著降雨過程的進行，部分進入分流室的初期雨水由雨水排出管排出裝置，而另一部分會暫時儲存分流室中，分流室內水位會逐漸升高，當達到溢流堰高度時后期潔凈雨水通過溢流堰進入雨水利用室，并經由雨水收集利用管流入雨水利用設施。
半容積式棄流裝置在棄流量的控制方面較為復雜，就上述半容積式棄流裝置而言，需確定雨水棄流室和雨水分流室的容積及浮球閥關閉前通過雨水棄流室排水管排出的雨水體積，三者之和為初期雨水棄流量。半容積式棄流裝置形式各異，大部分控制原理相似，一般為利用杠桿、彈簧、浮球閥、雙浮球、滑輪等控制排水閥門的啟閉，安全、節能且減少運行成本。在匯水面面積較大的地區，從節省空間的角度考慮更宜采用半容積式棄流裝置。然而杠桿、浮球閥等容易老化堵塞影響裝置運行效果，需定期維護更換，且大部分設計未考慮不同降雨過程雨水水質的變化。
2.1.3 旋流式棄流裝置
旋流式棄流裝置利用旋流分離原理分離初期、后期雨水。降雨時雨水沿切線方向進入旋流篩網，篩網初期表面干燥，雨水受離心力及水的張力作用呈旋轉的狀態流向裝置中心的排水管，因此初期雨水即被排入市政雨水或污水管網。隨著降雨的持續匯入，篩網表面逐漸潤濕，水的張力作用逐漸減小，中后期水質較好的雨水就能穿過篩網進入集水管至蓄水池，典型的旋流式棄流裝置如圖4所示。
由于SS為道路徑流中最主要的污染物，同時研究表明SS能吸附大量顆粒態COD、N、P，因此旋流式棄流裝置能在去除固體顆粒的基礎上實現凈化雨水水質的效果，且下一場降雨的初期雨水能對裝置起到清潔作用，同時還可通過調整篩網的面積及目數按時間控制初期雨水棄流量。但旋流式棄流裝置更適用于在匯水面積和區域性質較穩定的地區，雨水徑流中垃圾等易堵塞篩網，且在整個降雨過程中底部排水管一直打開并處于棄流狀態，不能實現對棄流量的精確控制，存在部分中后期雨水進入底部排水管不能進行雨水資源利用的情況，設備的投資維護費用較高。
厲晶晶等同樣在江蘇鎮江市第三人民醫院進行了旋流式棄流裝置工程示范的設計及運行效果評估，根據現場條件，確定了旋流分離器進出口直徑、高度，旋流分離器的直徑、總高度及弧形擋板的設計尺寸，并通過在降雨過程中對旋流分離器進出口水樣水質監測，發現出口水質明顯好于進口水質，尤其對SS、濁度的去除效果最好。
2.1.4 翻板式棄流裝置
翻板式棄流裝置利用水力作用使翻板自動翻轉，從而棄流初期雨水。初始時翻板處于傾斜位置，當開始降雨后，初期的雨水從翻板下端排至市政雨水或污水管道，隨著翻板下雨水的增多，翻板在重力及水壓力共同作用下發生翻轉，使翻板下端排水口封閉，當水位繼續升高至溢流口后，后期雨水進入雨水收集池進行資源化利用，典型翻板式棄流裝置如圖5所示。柴宏祥等設計了一種新型翻板式棄流裝置，通過在固定斜板下方設置不同位置的卡座，實現了對初期雨水棄流量的調節。畢墨涵等對翻板進行了改造，利用初期雨水重量、轉軸上發條裝置的回復力及磁鐵磁力，實現排除初期雨水和收集中后期雨水兩種狀態的自由切換。
翻板式棄流裝置占地小、結構簡單靈活，能夠自動排空初期雨水，可安裝于雨水匯水干管或雨水篦子下部，裝置不易淤堵，但在棄流量控制方面精度不夠，若降雨初期流量較大，可能瞬間使翻板發生翻轉，導致一部分初期雨水進入雨水收集池，后期流量變小后，翻板恢復初始位置，可能導致少部分后期雨水棄流，同時裝置運行維護復雜、翻板易損壞且不易維修。
楊瀟等以西安理工大學網球場雨水利用工程為例，設計了翻板式棄流裝置，首先參考規范確定初期棄流量為3 mm，選擇了重現期分別為2年、5年、10年一遇6 h三場設計降雨，結合不同的關鍵設計參數的尺寸，得到在設計降雨條件下，翻板式棄流裝置理論上能棄流3 mm初期雨水，符合設計要求，裝置運行效果較好。
2.1.5 切換式棄流裝置
切換式棄流裝置在雨水井中進行了改造，同時為與下游雨水井和污水井連接，埋設了兩根管，并通過手動或自動閘閥等進行切換，利用初期雨水水質差、流量小的特點進行棄流的控制，典型切換式棄流裝置如圖6所示。吳強初根據連通管原理設計一種新型切換井，有效的實現初、后期雨水分離。還可以將棄流管設置成分支小管來棄流初期雨水，當雨水流量足夠大時，超過小管排水能力的后期徑流直接向游輸送再進入雨水收集系統。
2.1.6 跳躍井式棄流裝置
跳躍井式結合水力原理和井室的分布實現初期與后期雨水的分離。降雨初期雨水徑流流量小，通過雨水入流管末端后在出口處形成跌水，然后通過初期雨水截流溝排入污水管網中，后期隨著降雨強度的增大，徑流流量逐漸增加，在入流管出口處形成跳躍式下落，進入到雨水出流管，圖7為典型跳躍井式棄流裝置。該方法依據雨水特點實現分流，結構簡單，不需人工維護，但棄流量控制不準確。
2.2 電控型初期雨水棄流裝置
電控型棄流裝置加入了電氣設備來控制棄流過程，有利用智能流量計測量雨水徑流量的流量式棄流裝置和使用電子雨量計測量降雨量值的雨量式棄流裝置。流量式棄流裝置可將流量信號發送至中央控制器，并按照既定的程序控制電動閥的啟閉，以實現初期雨水棄流，雨量式棄流裝置通過電控閥門，實現初期雨水和中后期雨水的分流。部分電控型雨量棄流裝置在容積式棄流裝置基礎上進行了改進，通過設置水位電信號液位計或雨停傳感器控制排空管處電磁閥的開閉，自動排空棄流池內雨水。李玫等設計了一種新型電控棄流裝置，如圖8所示，在裝置進水管、出水管、棄流管及調蓄池處設置多個感應器，利用電磁閥所在電路的電磁效應實現對初后期雨水的分流，并自動排空調蓄池內的雨水。
除了流量式、雨量式電控棄流裝置外，還有根據雨水水質判定是否棄流的水質型電控棄流裝置。汪傳發等提出以電導率≤300 μS/cm作為水質衡量及合格標準，研制了結合雨量和雨質棄流的PLC、在線電導率儀和水位計一體化的雨水棄流設備，為棄流裝置的設計提供了新的思路和方法。羅川淦以粵中地區典型建筑小區為例，采用人工配水模擬雨水，分別讓配水和自來水通過實驗裝置，并測定蓄水池水的電導率，實驗結果表明，水質型電控棄流裝置具有較好的效果。
電控型棄流裝置在精度上更準確，尤其是水質型電控裝置，但結構復雜，電氣設備較為昂貴，長期暴露在潮濕的環境中容易損壞，且后期維護復雜成本高，更適宜設置在匯水面積較大、區域性質不穩定的地區進行集中棄流處理。
2.3 不同類型棄流裝置的總結
棄流裝置匯總如表4所示，對于自控型棄流裝置而言，棄流原理一般依據初期雨水水量或流量特點，具有結構簡單、節約成本、施工方便等優點，但均未考慮不同降雨過程的水質變化，對于不同降雨類型棄流效果可能存在一定差異，棄流控制不夠精確；而對于電控型棄流裝置，棄流控制更準確，其中水質型棄流可通過監測徑流中污染物濃度判定是否棄流，但結構復雜、運行成本高、電器設備容易損壞。大多數棄流裝置更適宜在匯水面積較大地區進行集中棄流處理，且由于容積式棄流裝置運行過程不受降雨變化的影響，目前在實際工程中應用最多。綜合不同類型棄流裝置的優缺點及適用范圍，半容積式棄流裝置利用機械部件進行分流，不僅占地面積小、節約成本、運行維護頻率低，且控制分流較為靈活，在實際工程中可進行大量推廣，同時針對于存在的棄流量難控制及棄流過程未考慮水質的問題，可結合電控設施進行改進完善，既保證棄流后溢流雨水水質，又能最大限度減少棄流水量。
3總結與展望 本文從理論及工程應用兩方面介紹了初期雨水界定的相關研究結論，由于不同地區、不同路況、不同降雨類型下初期徑流體積及初期徑流中污染物所占比例存在一定差異，目前對于初期雨水的界定仍然沒有統一，目前國內主要接受的方法，一是用初期降雨歷時劃分；二是按初期降雨量劃分，這兩種方法雖在實際應用中方便操作，但也具有一定的局限性。因此，本文在總結相關研究成果的基礎上，定義道路初期雨水棄流量為損失量與產流后一定時間的徑流量之和，并提出采用設計降雨確定棄流量的方法，可在不具備長期測定道路徑流水質的情況下使用。以天津濱海新區為例，定義道路初期雨水的棄流標準為一場降雨徑流中考慮2 mm損失量后30 min的徑流，最終得到濱海新區道路初期雨水棄流量為5 mm。
初期雨水界定的不同理念，結合不同控制方式、棄流原理，產生了不同類型的初期雨水棄流裝置，在棄流量控制的精確性及靈活性存在一定的差異。不同地區道路雨水污染程度不同，選用棄流裝置時應結合實際情況因地制宜。綜合不同類型棄流裝置的優缺點及適用范圍，半容積式棄流裝置利用機械部件進行分流，不僅占地面積小、節約成本、運行維護頻率低，且控制分流較為靈活，在實際工程中可進行大量推廣，同時針對于存在的棄流量難控制及棄流過程未考慮水質的問題，可結合電控設施進行改進完善，既保證棄流后溢流雨水水質，又能最大限度減少棄流水量。
目前隨著海綿城市的進行，雨水資源化利用工程日益增多，雨水資源化利用日益受重視，但大部分工程對初期雨水的棄流考慮不足。因此，從初期雨水棄流后集中處理的經濟性和處理效率角度，在今后地雨水資源化利用工程中要通過初期雨水棄流，繼續大力推動雨水資源化利用，以期更好應對城市水資源短缺、城市內澇頻發及城市水污染問題。
對原文有修改。原文標題：道路初期雨水界定及棄流裝置研究進展；作者：侯文碩、周國華、葛銅崗、陳亮、郭祺忠；作者單位：天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室、天津大學建筑工程學院、引灤工程管理局大黑汀水庫管理處、中國市政工程華北設計研究總院有限公司、Department of Civil andEnvironmental Engineering, Rutgers University-New Brunswick?？窃凇督o水排水》2022年第2期。