國內(nèi)外城市道路雨水徑流水質(zhì)研究現(xiàn)狀分析

吳金羽

（北京建筑大學 北京 100044）

隨著城市化的快速發(fā)展,城市水資源供需矛盾突出、水環(huán)境惡化、洪澇災害嚴重等水問題日益成為制約我國城市可持續(xù)發(fā)展的重要因素。道路及開放空間下墊面作為城市匯水面的重要組成部分,也是城市受納水體非點源污染的主要污染源之一。雖然可以通過控制污染源來減少暴雨水徑流污染，然而僅靠污染源控制可能無法消除的污染物排放負荷。為實現(xiàn)污染物減排及建立有效的治理措施，必須要具備有關(guān)徑流水質(zhì)特征知識。目前，關(guān)于世界各地的徑流水質(zhì)特征數(shù)據(jù)庫分布并不均勻。自2000年初以來，國內(nèi)外關(guān)于這一議題的發(fā)表論文數(shù)量顯著增加。本文對城市道路及開放空間暴雨徑流進行研究，并對相關(guān)資料進行全面分析。

1 國內(nèi)外城市徑流污染控制法律法規(guī)及政策背景

美國聯(lián)邦政府于1972年頒布了清潔水法，并建立了國家污染物排放清除系統(tǒng)NPDES，對點源水污染制定“排放許可證制度（NPDES）”來進行控制。隨后，認識到僅對點源污染進行控制并不能有效保證美國的水體水質(zhì)，于是1987年通過修正案（section 319），將NPDES擴大到非點源水污染。美國環(huán)保署（EPA）開始和各州、郡政府以及管理合作機構(gòu)合作共同推進全國性的雨水污染控制方案，這個方案的實施分為2個階段：第一階段從1992年10月開始生效，要求對所有工業(yè)活動區(qū)域，以及建筑活動區(qū)大于2 hm2和人口超過10萬的地區(qū)的雨水排放進行污染控制；第二階段從2003年開始實施，要求所有多于1萬人口的社區(qū)群體的排水要求都要符合這些法規(guī)，并且對面積大于0.4 hm2的建筑活動區(qū)進行雨水控制。為達到這些排水法規(guī)的要求，各州郡需要通過最大日污染負荷量或者滿足水質(zhì)標準情況下水體能接受的總污染量來計算出允許排放的污染排放總量。將目光轉(zhuǎn)向歐洲，到2000年，大部分的歐洲國家都制定了各自的地表水質(zhì)量法規(guī)。歐盟議會與理事會的代表經(jīng)過12年的協(xié)商和修繕，終于2000年7月頒布實施了“水框架指令”（WFD），其用于在歐盟各成員國之間實行統(tǒng)一準則，來調(diào)節(jié)和控制地表水和地下水污染。WFD包含了雨水管理政策的不同演變階段，并建議從末端治理措施轉(zhuǎn)變?yōu)轭A防及綜合管理方法來減少徑流污染[1]。至此，世界上許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家認識到非點源污染對其地表水體的影響，并制定了措施針對減少徑流污染負荷。一般而言，絕大多數(shù)國家地表水質(zhì)的污染范圍和污染程度通常跟其經(jīng)濟發(fā)展程度掛鉤。

放眼國內(nèi)，我國現(xiàn)行的法律法規(guī)對于雨水資源的管理還處于起步階段，強制性規(guī)定不足。僅在《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》等法律法規(guī)中提及要對雨水資源進行綜合管理，而對于非點源污染控制則無相關(guān)法令要求。

2 徑流水質(zhì)分析

各國學者對國內(nèi)外對城市道路及開放空間下墊面徑流進行大量研究,結(jié)果表明，雨水徑流水質(zhì)污染狀況十分嚴重,尤其是初期徑流污染嚴重程度甚至超過生活污水。TSS、COD、重金屬、營養(yǎng)物等是城區(qū)路面雨水中的主要污染物,其濃度隨著降雨及路面污染物累積狀況的不同而發(fā)生隨機變化,對水環(huán)境造成嚴重影響。表1 對國內(nèi)外近年來城市道路和開放空間徑流水質(zhì)的一些研究結(jié)果進行了歸納總結(jié)[2-11]，其中所選幾種污染物濃度數(shù)值均為場次降雨污染物平均濃度EMC。

表1 國內(nèi)外城市道路徑流水質(zhì)狀況

2.1 徑流污染物負荷的監(jiān)測辦法

本文總結(jié)了基于表1 中的過往文獻中影響徑流污染物負荷監(jiān)測的三個主要因素，即監(jiān)測點的地形特征、水文特征和徑流樣本特征。監(jiān)測點的地形特征特征包含了下墊面材料類型，不透水區(qū)域面積比，年平均日交通量（AADT），排水區(qū)域和土地利用情況。通過總結(jié)現(xiàn)有文獻中水文方面的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，降雨事件場次和場總降水量數(shù)據(jù)是常見的，而最大降雨強度，場降雨前干期時間，和實時流量的報道相對較少。徑流樣本特征值包括采樣方法，分析技術(shù)和水樣保存時間。在徑流水樣采集過程中采樣方法主要為自動加權(quán)混合采樣或瞬時采樣兩種。采樣方法、分析技術(shù)以及檢測范圍的選擇這三點均能顯著影響后續(xù)檢測數(shù)據(jù)分析。

2.2 懸浮顆粒物

懸浮顆粒物（TSS）是城市不透水下墊面徑流中主要的污染物之一，也是徑流中大部分污染物質(zhì)(如C 0 D、TN、TP、重金屬、多環(huán)芳烴等)所依附的載體。徑流中顆粒物的濃度、形態(tài)影響著其他污染物的性質(zhì)和分布。同時顆粒物對于雨水徑流水質(zhì)和溶解性污染物的化學反應過程具有重要作用。因此，顆粒物在雨水徑流中受到廣泛關(guān)注。徑流中顆粒物主要來自于大氣干濕沉降、地表人類活動、地表水侵蝕等。而具體到場降雨情況下，徑流中顆粒物組成受到天氣狀況、交通密度、工業(yè)狀況以及與土壤的接近程度等因素的影響。

粒徑是表征顆粒物性質(zhì)的重要參數(shù)之一，顆粒物的全部性質(zhì)都與粒徑有關(guān)。更重要的是，雨水控制利用措施的結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行及維護主要取決于徑流當中所攜帶顆粒物的粒徑大小；而對徑流污染的凈化效率則取決于與污染物相關(guān)的顆粒物的粒徑大小。城市降雨徑流輸送過程中顆粒物粒徑變化范圍很大(1～1000 μm）。Kobriger[12]（1984）通過對美國不同地區(qū)地表徑流中顆粒物粒徑分布進行研究得出，90%徑流顆粒物的粒徑<88 μm；邊博[13]等人在對國內(nèi)城市徑流顆粒物的監(jiān)測當中也得出了類似的結(jié)論，并認為徑流中5～40 μm粒徑段的顆粒的體積分數(shù)最大。在各種研究當中，不同采樣點和采樣方法的會導致采集徑流樣品中顆粒物粒徑大小不同,顆粒物的均一性也有所差異。如等對韓國西海岸地區(qū)停車場徑流顆粒物粒徑分布研究[14]認為，106～500 μm的顆粒物是徑流顆粒物污染的主要組成。在產(chǎn)流過程中徑流顆粒物的粒徑分布在很大程度上取決于徑流流速，流速越大，則徑流攜帶顆粒物的平均粒徑分布越大，而徑流流速取又是決于降雨條件（降雨強度、降雨量和降雨歷時）及地形條件的。又研究顯示，在場降雨事件中，徑流顆粒物的粒徑分布均呈現(xiàn)明顯的時間變化特征，隨著降雨時間的推移，<45 μm的徑流顆粒物比例逐漸增加[15]。

2.3 重金屬

在現(xiàn)有的國內(nèi)外雨水徑流研究文獻中大多數(shù)研究聚焦于測定徑流中鎘、鉻、銅、鉛和鋅的濃度，而對于鋁、砷和鐵的濃度測定比較少。觀察表1 數(shù)據(jù)可知，每個地區(qū)和國家之間，重金屬污染物含量的有著較為顯著的差異。造成國內(nèi)外重金屬成分含量差異可能原因有兩個：(1)歐美發(fā)達國家由于多年的積累擁有廣泛的數(shù)據(jù)資料。(2)大部分國內(nèi)徑流特征數(shù)據(jù)采集于高度城鎮(zhèn)化地區(qū)。

一份加州交通局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析顯示，年均日交通量是用地類型、流域面積、總累積降雨量，和前期晴天時間外的又一個影響重金屬污染物濃度的因素。如年均日交通量大于6萬的城市高道路徑流中的重金屬濃度要明顯高于年均日交通量小于3萬的道路[16]。

重金屬在徑流中的賦存形態(tài)及其分布特征是當前研究的熱點。多份研究結(jié)果表明重金屬與徑流中的固體物質(zhì)顯著相關(guān)，尤其與懸浮固體物中小顆粒的濃度密切相關(guān)，一般來說，顆粒越小則污染物金屬濃度更高。對于重金屬在徑流中的賦存形態(tài)則可通過觀察表1 里的現(xiàn)有數(shù)據(jù)可得出，徑流中Pb、Cd和Cr大部分是以顆粒形式存在，而Zn、Cu則以溶解態(tài)存在的比例相對大一些。重金屬的賦存形態(tài)決定其環(huán)境毒性的大小。國內(nèi)外有很多城市區(qū)域降雨往往呈酸性，路面徑流中的重金屬在駐留時間、徑流酸堿度以及固體特性和含量等因素作用下往往能夠進入溶解相。而溶解態(tài)重金屬具有較顆粒態(tài)更強的生物可給性，對環(huán)境的危害更加嚴重。

2.4 COD和營養(yǎng)物質(zhì)

不同的研究中針對不同研究目的，選擇性監(jiān)測地表徑流中的COD以及營養(yǎng)物質(zhì)包括硝酸鹽（NO3-），亞硝酸鹽，銨，總凱式氮，總氮，磷酸鹽和總磷。在特定的環(huán)境中，氮和磷元素可以從游離態(tài)轉(zhuǎn)化為顆粒附著態(tài)，或從一種溶解形式為另一種溶解形式，這其中的機理比較復雜，所以大多數(shù)研究并沒有測量全部形式的氮和磷元素成分，最通常選擇監(jiān)測徑流中TN和TP兩個指標來表示徑流中營養(yǎng)物質(zhì)的污染特征。道路徑流中測定出的氮和磷元素的通常來源于交通和非交通源這兩種。然而，交通因素對徑流中氮、磷的含量的貢獻作用相比于從自然環(huán)境中來源（如周邊的土壤和植被）要少[17]。

通過表1 對國內(nèi)外道路雨水徑流COD、TN、TP進行對比分析可知，我國城市道路雨水徑流中COD和營養(yǎng)物的含量水平明顯較高，這與我國城市環(huán)境狀況總體較差有關(guān)，同時也表明我國實施道路徑流污染控制的必要性和緊迫性。

據(jù)表1 當中有限的數(shù)據(jù)顯示，大部分檢測到的磷都是顆粒態(tài)的。當然，這種情況并不普適于所有的監(jiān)測點，如在加州太浩湖的3個高速測量點檢測發(fā)現(xiàn)的90%的磷都是溶解物形式[18]。多項研究共同發(fā)現(xiàn)，徑流中COD也多是以顆粒態(tài)形式存在；而對于徑流中TN的賦存形態(tài)研究存在較大的差異，總的來說徑流中TN在徑路顆粒物之中的累積效應不如前兩者大。

3 徑流污染物初期沖刷效應

在降雨徑流污染物排放過程中,初期雨水攜帶了這場降雨所產(chǎn)生大部分污染負荷，這一現(xiàn)象被稱為初期沖刷效應。針對初期沖刷，國外一些發(fā)達國家已經(jīng)開展了30多年的研究,針對城市道路的徑流初始沖刷已經(jīng)在很多的報道，不同干期條件下降雨事件或跨季節(jié)降雨事件研究都有相應較多的研究。這對評價公路徑流對環(huán)境的影響,徑流中污染物累積、排放和遷移過程的模擬,污染負荷估算以及控制措施的設(shè)計和實施提供了必要的數(shù)據(jù)和指導。雖然污染物的初始沖刷可以用濃度初期沖刷或質(zhì)量初期沖刷兩種方式表示，但是濃度方法較為簡單直接，通常在研究報告中，作一個污染物濃度和時間圖表來表征，并在圖表上附加降雨強度。初期沖刷效應的研究不僅局限于對于最常規(guī)的徑流水質(zhì)指標，如TSS、TN、圖片、COD等，其研究范圍還延伸到至徑流顆粒物的粒度分布和毒性物質(zhì)的方面。Li Yingxia[19]等在顆粒物初始沖刷的研究中發(fā)現(xiàn)，初期30%的徑流量會沖刷排放90%的粒徑小于<20 mm微粒。而另外一項針對徑流中毒性物質(zhì)的研究表明[20]，徑流中有毒性物質(zhì)的濃度最大值也與降雨事件的初期階段有關(guān)。

但是查閱大量相關(guān)文獻可發(fā)現(xiàn)，基于污染物質(zhì)量的初始沖刷量并沒有固定的表達方法。部分學者曾提出利用特定的質(zhì)量比例來定義初期沖刷效應，例如Bertrand[21]等人給出了一個具體的定義，暴雨初始階段的30%的徑流量，帶走80%污染物質(zhì)量。其他研究學者也提出了一些類似的定義。質(zhì)量初期沖刷概念及量化描述方法似乎比濃度初期沖刷更科學合理，但隨著研究的深入和大量試驗數(shù)據(jù)的積累，一些研究者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實中也只有極少數(shù)事件中的某些污染物的沖刷能夠達到這一標準。這說明在不同研究條件下，采用固定的比例來界定初期沖刷現(xiàn)象也有不足。Kayhanian[22]等提出了污染負荷初期沖刷率MFFn的概念用以定量研究路面徑流中污染負荷的初期沖刷。即當雨水徑流初期污染物的累積輸送速率大于徑流量累積輸送速率時，降雨初期占徑流總量較小比例的雨水徑流中挾帶了占次降雨污染負荷較大比例的污染物時，認為存在初期沖刷。MMFn理論可以廣泛應用于任何暴雨的初期降雨階段。研究者可以在任何徑流量、污染物組分不同的情況下確定出基于污染物質(zhì)量的初始沖刷量。例如,MFF 20=2.5即表示事件初期20%的徑流量排放了50%的污染負荷,只有當MFFn值大于1時，才存在初期沖刷效應，MFFn值越大初期沖刷越明顯。根據(jù)MFFn值，污染物質(zhì)初期沖刷效應比較明顯的有COD、TP、DOC以及銅和鋅[23]。

之后車伍[24]等人提出，根據(jù)沖刷發(fā)生和取樣點的位置不同，可將對徑流的初期沖刷研究和討論區(qū)分小匯水面源頭沖刷和管渠沖刷兩種典型的不同條件。相較于屋面、路面、停車場等硬化小匯水面很容易觀測到較明顯的初期沖刷現(xiàn)象，初期沖刷現(xiàn)象在較大匯水區(qū)域的管道匯流中常常被減弱，甚至完全被掩蓋，這是由于管道沉積物狀況及其沖刷作用、管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、匯流時間、各小匯水面污染物累積及源頭沖刷作用、不同小匯水面徑流在管道中的混合等諸多因素共同疊加，形成復雜的“管渠沖刷”現(xiàn)象。

目前對公路徑流污染控制和治理一般采取源頭攔截并處理初期徑流的方法，根據(jù)初期沖刷理論對徑流處理設(shè)施的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，其規(guī)模可以顯著縮小，節(jié)約占地空間及建造成本。

4 徑流污染指標相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn)，徑流污染指標之間存在很顯著的相關(guān)性，這為道路雨水徑流水質(zhì)的檢測、定量分析及制定有效的控制措施等提供依據(jù)，也將減少檢測指標的數(shù)量，節(jié)約分析成本，并為污染源辨別和建模帶來了可能。表2 中列出，一些前人研究當中雨水徑流TSS、DOC與其他污染物之間的相關(guān)系數(shù)[25-28】，可以看出，雨水中的多數(shù)污染物賦存于懸浮顆粒物中，溶解性污染物含量較少。因此可以通過沉淀和過濾的方式去除雨水中的SS從而徑流當中的其他污染物也可得以去除。又由于污染物主要吸附于細顆粒物表面，所以污染物與粒徑的相關(guān)系數(shù)隨著顆粒粒徑的增加而變小。

表2 各污染物之間相關(guān)系數(shù)

5 我國在徑流污染控制中存在的不足與改進

我國徑流污染控制中存在的不足：（1）缺乏雨水徑流污染控制意識，無論是管理部門、科研部門，還是公眾，普遍存在對雨水污染意義認識不足的問題，對雨水問題的研究還多集中在水量的控制上，而雨水污染控制技術(shù)的研究和應用都很薄弱，在城市規(guī)劃和建設(shè)過程中缺乏對與水污染控制統(tǒng)籌考慮。（2）缺少基礎(chǔ)性研究和全面的數(shù)據(jù)分析，雨水對環(huán)境、資源的影響研究不足，對雨水轉(zhuǎn)輸過程當中，徑流攜帶污染物的動態(tài)遷移轉(zhuǎn)化缺乏全面系統(tǒng)的監(jiān)測分析。（3)雨水污染控制技術(shù)的研究程度較低，沒能像發(fā)達國家一樣形成徑流污染控制的產(chǎn)業(yè)鏈，缺乏相應的設(shè)備和從業(yè)人員。（4）缺乏強制性配套的法令法規(guī)、政策對徑流污染進行管理。

在應對徑流污染問題上，可借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗：（1）盡早建立健全雨水污染控制的相關(guān)法律法規(guī)和執(zhí)行管理辦法；（2）結(jié)合各地非點源污染的實際情況明確徑流污染控制的目標；（3）可借鑒發(fā)達國家雨水控制管理的先進經(jīng)驗，如美國的“LID技術(shù)”、澳洲的“WSUD水敏感性城市設(shè)計”等，在降低由于土地開發(fā)造成的雨水徑流量的增加的同時，減少徑流污染負荷；（4）采用小型的分散式源頭控制和集中末端處理相結(jié)合的手段，控制污染物進入雨水轉(zhuǎn)輸過程，減輕末端集中處理徑流污染物的壓力；（5）結(jié)合我國徑流污染的典型特征，如顆粒污染負荷高，開發(fā)適合本國國情的雨水污染控制技術(shù)，應具有成本低、占地少、易于維護并兼帶雨水再利用技術(shù)；（6）通過宣傳和教育加強大眾對雨水污染認識，自覺減少垃圾的丟棄和污染物的產(chǎn)生。

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