摘要 随着我国城市化进程的加快‚城市市政道路里程数迅速增长‚由此带来的城市面源污染问题不容忽视。必须科学认识城市道路径流所带来的面源污染。分析了国外发达国家和国内在城市道路径流水质方面的研究进展‚并对国内城市道路径流水质方面的问题进行了分析‚以期为我国城市雨水径流污染控制和研究提供参考和借鉴。
关键词 道路雨水 水质 研究进展 问题分析
点源污染被有效控制后‚面源污染成为城市水质恶化的主要原因之一。在城市的三种主要下垫面中‚ 路面径流水质最差‚有研究表明道路次降雨径流量约为 25%‚却产生了 40% ～80%的污染物[1]。因此‚道路是城市面源污染的关键源区。同时我国又是一个严重缺水的国家‚城市道路雨水的利用不仅可以缓解城市水资源短缺的压力‚又能有效改善水环境。道路径流水质直接影响着雨水利用的方式和效率。笔者对国内外关于道路径流水质的研究现状和进展进行了分析和总结‚以期为道路雨水利用及城市面源污染的控制提供借鉴。
1 国外城市道路径流水质研究进展
国外对于城市道路雨水的研究主要是针对其产生的面源污染。美国、德国、日本、澳大利亚等发达国家自 20世纪 70年代起对城市地表径流开展测试及研究工作‚业已取得很多珍贵的监测数据和理论研究成果。主要有以下四个方面：
(1) 确定道路径流中污染物的成分、含量、相关性及其影响因素。这是开展城市雨洪利用所要掌握的基础资料‚国外已开展很多相关的研 究。如Stotz[2]等人的研究表明‚公路路面径流中的污染物有 SS、COD、重金属、N、P营养物、氯化物、油和脂、农药和 PAHs(多环芳烃 )等;Tony[3]等人在对公路路面径流水质进行分析时发现存在 77种环境优先污染物 (共 120种 )‚包括 14种无机物和63种有机物‚其中 Pb、Zn的含量很高;Kalman[4]对布达佩斯数场降雨的重金属、矿物油类、氯化物、COD、SS、BOD、PAHs等进行了分析‚并指出各成分的影响因素及其相关性;Young[5]等人研究发现 TSS与颗粒态金属的相关性良好‚与其他污染物相关性较差‚可溶性物质与总金属的相关性非常好;Viklander[6]测试了沉积于 Sweden街道上的沉积物的颗粒级配及颗粒中重金属的含量‚研究了其与交通流量及周围区域环境的关系;Characklis[7]等人通过对晴天和雨天时市政排水系统排水口处的水质监测‚研究了地表径流中溶解态及胶体态金属含量的分布。
(2) 确 定 污 染 源 及 污 染 物 的 迁 移 过 程。Drapper[8]和 Ellis[9]等人研究指出 SS是公路径流最主要的污染物‚其主要来源是轮胎和筑路材料的磨损、运输物品的泄漏、刹车连接装置产生的颗粒及其他与车辆运行有关的颗粒物、大气降尘及除冰剂等;重金属中含量最多的是 Pb和 Zn‚Pb主要来源于汽车尾气的排放‚Zn主要来源于轮胎的磨损;氯化物主要来源于除冰盐;油和脂主要来源于燃料或润滑油的泄漏;毒性有机物主要是汽油烃 (PHC)和 PAHs‚ 来源于润滑油的泄漏‚也有一部分是汽油的不完全燃烧产物;N和 P主要来源于大气降尘。国外对污染物由路面迁移到受纳水体的过程也进行了大量的研究‚如 Deletic[10]等人给出了固体排放速率与地表径流量的相关式;Sansalone[11]等人报道了城市道路径流中重金属的测试研究结果‚分析了溶解态及非溶解态金属的径流排放特征。目前‚许多国家通过对多年暴雨径流的监测数据进行统计分析和计算机模拟‚建立了多个用于描述径流过程的数学模型‚如SWMM、NPS、MOSQITO、FLUPOL等。
(3) 道路径流污染物质对受纳水体水质的影响。Ellis[9]研究发现受纳水体中金属含量的 35% ～75%来源于公路路面径流‚其中来自公路路面径流的 Cd、Cu、Pb、Zn分别占水体总含量的 46%、78%、47%、 13%;香港环保部门已经认定道路径流是维多利亚港的潜在污染源‚在 Bodden河中检测到的 CH4和 N2O与来自 Peene地区的道路径流有关。
(4) 城市道路径流污染控制措施。Maestri和Lord[12]认为植被控制、湿式滞留池、渗滤系统和湿地是几种有效的道路径流污染控制措施;Lee[13]采用沉淀和升流式过滤的方法处理城市道路雨水‚经过 4个月试验‚对 SS、COD、重金属和 PAHs的去除率 分 别 保 持 在 60%、40%、60% 和 40% 以 上;Sansalone[14]等人研究表明渗滤系统可以有效去除道路径流中的重金属、SS和 PAHs;Yousef[15]等人在佛罗里达州 Orlando地区的某公路上就植草渠道对道路径流中营养物质和重金属的去除效率问题进行了为期 9个月的研究‚结果表明植草渠道对重金属、尤其是呈离子状态的重金属有很好的截留效果‚对Zn、Pb、Ni、Cr的去除效率分别为 62%、57%、51%、 43%;Alexandre等人[16]研究了渗滤系统、干式和湿式滞留池、沉淀池等径流控制设施‚认为渗滤系统中的渗坑是一种最有效的径流污染控制措施。
此外‚路面径流污染物的初始冲刷现象[11]‚路面径流水质与交通强度、暴雨强度、干期长度、不同路面等的关系[17]‚以及用以估算城市道路径流污染负荷的模型开发[18]等在国外也进行了大量的研究。
2 我国城市道路径流水质研究进展
与发达国家相比‚我国在城市道路径流水质方面的研究起步较晚‚而且由于长期以来未能对面源污染的控制予以足够的重视以及经济发展水平的限制‚这种研究还是以基础性研究为主。已有的研究工作主要是从道路径流水质状况、水质变化规律、水质指标相关性及影响因素四个方面进行的。
2.1 道路径流水质状况研究
我国在 20世纪 80年代初期于北京开始了对道路径流水质状况的研究[19]‚此后‚西安、上海、广州、武汉、成都、昆明、澳门等城市陆续开展了道路径流水质的监测分析。我国地域辽阔‚南北差异很大。根据 已 有 的 研 究 报 导‚选 择 具 有 代 表 性 的 北京[20～22]、广州[23]、西安[24]三个城市的道路径流水质加以比较 (见表 1)。为说明其污染的严重性‚将典型生活污水的相应指标值及适用于点源污染控制的 《污水综合排放标准 》(GB8978—1996)的相应指标值列入表中‚以示比较。
表 1的数据及分析处理基础不完全一致‚难以做全面的精确对比。但可通过主要污染指标数量级和变化范围的比较对污染程度做出评价。由表 1可知三个城市的道路径流水质差异很大。北京和西安道路径流中的 CODCr、BOD5、SS、TP和石油类含量均明显高于广州市。主要原因是广州地区年降雨量大‚降雨频繁‚沉积于路面上的污染物能够经常被雨水冲刷而不至于大量积累。而北京和西安降雨量少‚且降雨年分配极不均匀‚导致路面经常积累大量污染物。北京和西安道路径流中的 CODCr和 SS相差不大‚更是印证了这一点。北京和广州的 TN和 Pb相差不大‚ 而广州 Zn的含量却明显高于北京和西安‚这可能和道路采样点的车流量及路面状况有关。另外‚三个城市的 CODCr、SS及石油类浓度均明显高于典型生活污水水质及污水综合排放标准。北京市道路径流水质与发达国家同类研究结果见表 2。
由表 2可知‚表中所列北京市道路径流中污染物的浓度都明显高于国外城市。其主要原因可能是我国与发达国家在道路环境维护和管理上的差距。由于道路径流水质还受到研究地点特定的工业生产、商业活动、人口、绿化状况、路面状况等因素的影响‚以上的比较可能带有很大的不确定性‚但在一定程度上还是反映了我国城市道路径流水质较差的状况。
另外‚一些学者对道路雨水的可生化性也进行了研究。根据赵剑强等对西安道路径流水质的分析得知‚其 BOD/COD 为 1∶ 10～1∶ 6 [24]‚这 与Pitte[30]的研究结果相近。通常认为 BOD/COD≤0. 3时‚污水将不可生化‚因此‚城市道路雨水的可生化性较差。
2.2 道路径流水质变化规律研究
汪慧贞[31]等研究发现‚当一场雨降雨量少于10 mm时‚最初 2mm降雨形成的径流中包含了此场雨水径流 CODCr总量的 70%以上‚当降雨量大于 15 mm时‚最初 2mm降雨形成的径流中包含了其CODCr总量的 30% ～40%;赵剑强[32] 等人研究发现‚污染物浓度在降雨初期径流量达到最大值之前‚ 径流所有污染物浓度同时达到最大值‚其值高于算术平均浓度的 3～4倍‚降雨初期径流污染物负荷要比中后期大得多;郭凤台[33]等人发现‚虽然路面初期径流污染物浓度较高‚但随着降雨历时浓度下降‚ pH、氯、TP、溶解磷、总铁、Zn、BOD5、NH3—N、挥发酚等均符合灌溉水质标准‚只有 SS、Pb和 CODCr超标‚若采取相应措施‚控制超标项目浓度‚路面径流完全适合于绿地灌溉。
可见路面初期径流污染严重‚如果将这部分体积较小但污染性很强的初期径流分出‚并对其进行分散或集中处置‚那么雨水径流污染物总量可大大减少。
2.3 道路径流水质指标相关性研究
道路径流污染物成分复杂‚污染指标众多‚加大了雨水利用和污染控制的复杂程度。研究道路径流污染指标之间的相关性‚可以为道路径流水质检测、定量分析、水质变化规律总结及制定有效的控制措施提供重要依据。
张亚东[22]等对北京城区道路径流水质进行了分析‚发现 CODCr和 SS有很好的相关性‚TOC与COD的相关性取决于路面径流中溶解性有机物的含量‚其值较高时相关性较好。TN、TP与 SS也有很好的相关性;张光岳[34]等对成都市九条不同类型道路六次降雨径流水质进行了监测分析‚得出 CODCr、TP、TN、Zn与 SS的相关性良好‚其相关系数均超过了 0.8‚这与任玉芬[35]的研究结果类似。李海燕[21]等对北京市两次降雨过程中三个固定采样点的路面径流中重金属及总固体含量进行了测定‚得出径流中重金属浓度与总固体含量呈现较强的相关性‚表明大部分重金属以颗粒态存在‚或被悬浮固体吸附。
2.4 道路径流水质主要影响因素研究
车伍等人根据北京 1998～2000年降雨径流水质数据‚分析了城区道路径流的水质变化规律及其主要影响因素。得出道路类型及路面污染状况是道路雨水污染的决定性因素。另外‚季节、气温、降雨的间隔时间、降雨强度和降雨量等对城区雨水径流水质均有明显影响。赵剑强[36]等通过对西安市某机动车道雨水水质的分析得出影响城市路面径流污染物浓度变化的因素可分为两个方面：一是直接影响汽车排放污染源大小的因素‚其包括汽车交通量、各类车辆构成比例、燃料的类型、车况、路况、载货状况等;二是影响路面污染物积累的因素。
近年来‚我国关于城市道路径流水质方面的研究也开始向更深的领域发展。主要表现在道路径流污染物冲刷排放规律、地表径流污染负荷定量计算以及污染物的迁移转化规律等方面。如郭凤台[33]等通过对邯郸市城区道路径流水质特性的研究‚得出邯郸市沥青道路路面污染物的冲刷排放模型;张善发等研究了上海市不同类型用地的地表径流水质‚计算得出上海市交通区地表径 流 的 CODCr、BOD5 及 SS的 污 染 负 荷;叶闽[37]在对武汉市汉阳地区新建小区面源污染的来源、种类和特征进行详细分析的基础上‚分析各类降雨径流污染的发生过程和污染物的迁移转化规律。这些研究也只是一个开始‚今后将陆续开展更加系统、全面的研究。
3 我国城市道路径流水质研究展望
我国应充分利用国内现有的研究成果‚并借鉴国外在此方面的先进经验‚更加广泛、深入地开展城市道路径流水质的研究。
(1) 城市道路径流水质的研究应更加广泛‚应对我国不同地区不同发展水平的城市、同一城市不同功能区域、不同类型道路以及不同季节、不同降雨类型的道路径流进行全面的、系统的监测和研究‚以期获得大量的基础数据。
(2) 城市道路径流水质的研究应更加深入‚可主要在以下几个方面开展研究：①道路径流污染源调查及研究;②污染物的迁移转化‚尤其是重金属的迁移规律的研究;③路面径流水质与交通强度、暴雨强度、干期长度等关系的研究‚建立适用于不同城市的数学模型;④道路降雨径流污染物冲刷排放规律及数学模型的研究;⑤用以定量计算城市道路径流污染负荷的模型开发研究。
4 结语
一些发达国家从 20世纪 60年代开始研究降雨径流污染问题‚迄今已取得很多珍贵的监测数据和理论研究成果‚并且继续向更深的层次开展研究。我国在城市道路径流水质方面的研究相对滞后。然而‚迄今为止我国诸多研究已经为我国城市雨水利用奠定了一定的理论基础‚但目前的研究大部分还是针对城市综合径流水质而言‚针对道路径流水质的研究还很少‚并且大多数研究集中在北京、上海、西安等主要城市‚缺乏对其他城市的全面监测。今后应借鉴国外发达国家经验‚就城市道路径流水质方面的研究向更加广泛和更深的领域发展‚为我国城市面源污染控制及城市雨洪利用提供理论依据。——论文作者：胡爱兵 1 李子富 1 张书函 2 刘 娇 1 陈建刚 2
参考文献
1 赵磊‚杨逢乐‚王俊松‚等.合流制排水系统降雨径流污染物的特性及来源.环境科学学报‚2008‚28(8)：1561～1570
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3 WongTH F‚SomesN LG.A stochasticapprochtodesigningwetlandsforstormwaterpollution contral. WaterScience andTechnology‚1995‚32(1)：145～153
4 KalmanB.Impactsofroadtrafficonwaterquality.PeriodicaPolytechnica‚CivilEngineering‚1997‚41(2)：95～106
5HanHY‚LinLS‚KayhanianM‚etal.Correlationanalysisamonghighwaystormwaterpollutantsandcharacteristics.WaterScienceandTechnology‚2006‚53(2)：235～243
6ViklanderM.Particlesizedistributionandmetalcontentinstreetsediments.JournalofEnvironmentEngineering‚1998‚124(8)：761 ～766
7 CharacklisGW‚WiesnerMR.Particles‚metalsandwaterqualityinrunoff from large urban watershed. Journal of Environment
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