上海市高架道路降雨徑流的水質(zhì)特征與負(fù)荷估算

滕俊偉，尹秋曉，李飛鵬，張海平

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.上海東灘國(guó)際濕地有限公司，上海 202162）

上海作為城市高架道路發(fā)展最為迅速的城市之一，到2011年底高架道路總里程近200km，日吸引交通量超過146萬(wàn)車次，在城市交通系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。由于頻繁的交通活動(dòng)和高密度的車流量，汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損、部件腐蝕以及油脂滲透等導(dǎo)致大量的懸浮固體顆粒、重金屬、營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物等污染物大量在路面積累，這些污染物大多經(jīng)降雨徑流沖刷直接排入受納水體。研究表明由城市地表徑流產(chǎn)生的突發(fā)性、沖擊性強(qiáng)的城市面源污染已經(jīng)成為城市水環(huán)境惡化的重要原因，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)［1－3］。

一些發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)70年代便開展了針對(duì)路面徑流的研究。在對(duì)徑流的成因、過程、污染負(fù)荷特征及徑流模型等研究的基礎(chǔ)上，不同形式的最佳管理模式(best management practices，BMPs)相繼被開發(fā)、示范并應(yīng)用［4－7］。這些 BMPs在降低污染物的濃度及對(duì)受納水體的生態(tài)影響上發(fā)揮了巨大的作用，由于缺乏對(duì)道路徑流中污染物的水質(zhì)特征及長(zhǎng)期遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，使得BMPs的發(fā)展受到了很大的阻礙。自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)對(duì)城市路面降雨徑流進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究，在城市路面徑流水質(zhì)特性、污染物排放特征以及管理方面取得了很多成果［8－10］。然而這其中大多數(shù)研究只關(guān)注城市道路，對(duì)高架道路徑流方面研究相對(duì)較少［11，12］。由于受到諸多隨機(jī)因素影響，不同地面徑流污染特征，排污負(fù)荷差異較大，即使同一地點(diǎn)，不同場(chǎng)次徑流污染效應(yīng)也有較大差異，因此需要進(jìn)行長(zhǎng)期大量的實(shí)地測(cè)試研究，才能得到適合本地區(qū)的徑流污染特征。本研究以上海市高架道路五洲大道某段為研究對(duì)象，對(duì)2008年10月～2010年4月的19場(chǎng)降雨徑流進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，分析了徑流水質(zhì)特征，并對(duì)污染物負(fù)荷進(jìn)行了估算，以期為城市高架道路徑流的治理與利用、改善城市水環(huán)境質(zhì)量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點(diǎn)概況

上海位于北亞熱帶東亞季風(fēng)盛行的地區(qū)，氣候溫暖、濕潤(rùn)，雨量充沛，四季分明，春秋較短，冬夏較長(zhǎng)。年降雨量為1048～1138mm，年降水日為129～136 d，年降水季節(jié)性變化較大，全年60%左右的雨量集中在5月～9月的汛期。

五洲大道高架道路位于上海市浦東新區(qū)，西起翔殷路隧道出口，橫穿浦東北部，與長(zhǎng)江隧橋相連，全長(zhǎng)7.09km，是上海“三環(huán)十射”城市高架道路交通骨架網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的重要一射。大道采用全封閉、全立交式的城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)有雙向8車道，平均車流量約20000輛/d。路面材料采用瀝青鋪設(shè)，徑流經(jīng)道路兩側(cè)的落水管排入地面雨水管接口。此研究中采樣點(diǎn)設(shè)置在五洲大道與鎮(zhèn)南路的交叉口上，位于整條大路的中部。研究地區(qū)周邊環(huán)境空曠，用地以綠化和居住用地為主，不存在大面積工業(yè)區(qū)。

1.2 采樣與監(jiān)測(cè)

在降雨徑流發(fā)生期間，用聚乙烯瓶在落水水管口采集瞬時(shí)徑流，采樣間隔5～30min，視降雨歷時(shí)和徑流流量而定。樣品采集后，貼上標(biāo)簽，并記錄下采樣地點(diǎn)、時(shí)間和相應(yīng)時(shí)刻落水管流速值。采樣點(diǎn)實(shí)景如圖1所示。

水樣的保存和水質(zhì)參數(shù)的測(cè)定均依照標(biāo)準(zhǔn)方法［13］進(jìn)行。測(cè)定的項(xiàng)目包括懸浮物(TSS)、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3－N)、溶解性總氮(DTN)和溶解性總磷(DTP)。

圖1 采樣點(diǎn)實(shí)圖Fig.1 Photo of Monitoring Site

2 結(jié)果與討論

2.1 徑流污染物強(qiáng)度

由于降雨特征、集水區(qū)特征和污染物本身性質(zhì)的影響，一次降雨徑流污染過程中污染物濃度變化范圍大，隨機(jī)性強(qiáng)，并且隨著降雨過程持續(xù)變化。受納水體對(duì)徑流污染的響應(yīng)滯后于徑流污染物濃度的變化，因此為了表征一次徑流污染事件的污染程度以及對(duì)受納水體的影響，通常使用徑流平均質(zhì)量濃度(EMC)來評(píng)價(jià)徑流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。EMC系指一次徑流污染過程中污染物的流量加權(quán)平均濃度，即總污染量與總徑流量之比，計(jì)算公式如下。

其中EMC——徑流污染物的平均濃度，mg/L；

M ——整個(gè)徑流過程中污染物的量，g；

V ——徑流總量，m3；

t ——時(shí)間，min；

Ci——i時(shí)刻污染物的濃度，mg/L；

Qi——i時(shí)刻徑流流量，m3/min。

19場(chǎng)降雨徑流污染指標(biāo)的EMC統(tǒng)計(jì)值如表1所示。由表1可知上海市高架道路取樣點(diǎn)徑流水質(zhì)參數(shù)COD，TSS，TN和TP的EMC平均值均超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。表明上海市高架道路徑流污染比較嚴(yán)重，若不加處理排入城市水體必定對(duì)城市水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。其中TSS和COD的EMC平均值超過了《上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/199—2009)第二類污染物排放限值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其EMC最大值分別為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)排放限值的2.3倍和6.2倍，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。不同場(chǎng)次降雨的COD、TSS、TN和TP最大值分別為最小值的5.4倍、5.6倍、5.4倍和5.7倍，水質(zhì)變化幅度較大，因此需要進(jìn)行長(zhǎng)期大量的監(jiān)測(cè)分析才能得到適合本地區(qū)的路表徑流水質(zhì)特征。

表1 上海高架道路徑流EMC的統(tǒng)計(jì)值Tab.1 EMC of Elevated Road Runoff in Shanghai

表2給出了部分國(guó)內(nèi)外路面徑流污染的研究結(jié)果。由表可知城市高架道路污染狀況低于城市道路，這可能由于城市高架道路的空間位置特點(diǎn)受地面人為活動(dòng)干擾較少造成的。上海高架道路徑流污染物的TSS、TN與南京、夏洛特高架道路徑流污染處于同一水平，略低于高速公路。而COD、TP明顯高于南京、夏洛特高架道路的研究結(jié)果，和高速公路徑流污染處于同一水平。

表2 上海高架道路徑流EMC與其他地區(qū)道路的比較Tab.2 Comparison between EMC of Elevated Road in Shanghai and EMC of Roads in Other Areas

續(xù)表

2.2 營(yíng)養(yǎng)鹽輸出的形態(tài)及來源

上海高架道路徑流污染物顆粒態(tài)氮、顆粒態(tài)磷EMC占總氮、總磷EMC的百分?jǐn)?shù)如圖2和圖3所示。徑流中溶解態(tài)氮占總氮的54%～98%，說明徑流中營(yíng)養(yǎng)鹽氮以溶解態(tài)氮為主。而顆粒態(tài)磷占總磷的56%～95%，說明顆粒態(tài)磷是城市高架道路徑流TP的主要輸出形式。

圖2 徑流中溶解態(tài)和顆粒態(tài)氮所占比例Fig.2 Proportion of Dissolved Nitrogen and Particulate Nitrogen in Runoff

圖3 徑流中溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷所占比例Fig.3 Proportion of Dissolved and Particulate Phosphous in Runoff

徑流中的氮主要源于大氣的干濕沉降、肥料的施用、機(jī)動(dòng)車的排放等［16］，由于高架道路受地面干擾較小，大氣沉降是營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來源。朱宜平［17］對(duì)上海市崇明縣的降雨水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，14場(chǎng)降雨中NH3－N平均濃度為1.31mg/L、－N平均濃度為0.63mg/L、TN平均濃度為2.43mg/L，由此可得出天然雨水中所含的氮是徑流中氮的重要來源，氮的另一部分來源于路表沉降的污染物，且在降雨發(fā)生時(shí)，含氮的污染物主要是通過溶解過程以溶解態(tài)的形式進(jìn)入到雨水徑流中。徑流中磷則是較多以顆粒物為載體，當(dāng)SS負(fù)荷增大時(shí)，磷的負(fù)荷也隨之增大。因此車輛的排放物及大氣的沉降可能為徑流中磷的主要來源，當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，在降雨的沖刷作用下，載磷顆粒物進(jìn)入收納水體中。

2.3 污染負(fù)荷估算

污染負(fù)荷相對(duì)于污染物濃度值更能體現(xiàn)道路徑流對(duì)周圍受納水體的潛在危害，由一場(chǎng)降雨引起的路表徑流排放的污染物的總量稱為次降雨污染負(fù)荷，由于路表徑流排放的隨機(jī)性使得次降雨污染負(fù)荷的代表性較差，因此采用年污染負(fù)荷尤為重要。然而對(duì)于一年內(nèi)每場(chǎng)降雨進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析很難做到，可以采用以下公式［18］進(jìn)行計(jì)算。

其中L ——一定面積排水區(qū)域的年污染負(fù)荷，kg/hm2·a；

CF——徑流修正系數(shù)，一般取0.9；

Rv——徑流系數(shù)；

P ——年降雨量，mm/a；

C ——事件平均濃度，mg/L。

按上海年均降雨量為1170mm，道路徑流系數(shù)為0.9，利用式(2)根據(jù)表1中的EMC計(jì)算出年污染負(fù)荷，表3為本研究結(jié)果與國(guó)內(nèi)外其他研究的年污染負(fù)荷的比較。可見上海高架道路年污染負(fù)荷遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)外研究成果，COD年污染負(fù)荷略低于上海市商業(yè)區(qū)和居民區(qū)的污染情況，而TSS年污染負(fù)荷則明顯高于上海市商業(yè)區(qū)和居民區(qū)的污染情況。

表3 上海高架道路徑流年污染負(fù)荷與其他地區(qū)道路的比較Tab.3 Comparison between Pollution Loadings of Elevated Road in Shanghai and Pollution Loadings in Other Areas

續(xù)表

近年來，上海高架道路發(fā)展迅速，已經(jīng)擁有高架道路總長(zhǎng)度近200km，平均路面寬18 m。由此推算上海高架道路年降雨徑流每年可產(chǎn)生890.3 t TSS、475.1 t COD、8.0 t TN、3.7 t NH3－N 和 1.6 t TP。由于上海降雨充沛，全年60%的雨量集中在5月～9月，徑流污染多集中排放，故如果未對(duì)降雨加以處理必定對(duì)受納水體造成嚴(yán)重污染，因此加強(qiáng)對(duì)城市高架道路徑流管理是非常必要的。

3 結(jié)論

(1)上海高架道路徑流EMC變化較大，19場(chǎng)徑流中COD、TSS、TN和TP的EMC平均值分別為139、261、2.35和0.46mg/L，均超過了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。其中TSS、COD的EMC最大值分別是《上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 31/199—2009)第二類污染物排放限值二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的2.3倍和6.2倍。溶解態(tài)氮是路面徑流TN的主要存在形式，TP則主要以顆粒態(tài)形式存在。

(2)上海市高架道路年降雨徑流每年可產(chǎn)生890.3 t TSS、475.1 t COD、8.0 t TN、3.7 t NH3－N 和1.6 t TP，遠(yuǎn)高于國(guó)外的研究結(jié)果。因此加強(qiáng)對(duì)城市高架道路徑流管理是非常必要的。

［1］Crabtree B，Moy F，Whitehead M，et al.Monitoring pollutants in highway runoff［J］.Water and Environment Journal，2006，20(4):287－294.

［2］Kayhanian M，Stenstrom M K.Characterization and prediction of highway runoff constituent event mean concentration ［J］.Journal of Environmental Management，2007，85(2):279－295.

［3］李俊奇，毛坤，向璐璐.京承高速公路徑流污染負(fù)荷及初期沖刷效應(yīng)研究［J］.中國(guó)給水排水，2010，26(18):59－63.

［4］Gromaire M C，Garnaud S，Saad M，et al.Contribution of different sources to the pollution of wet weather flows in combined sewers［J］.Water Research，2001，35(2):521－531.

［5］Stotz G.Investigations of the properties of the surface water runoff from federal highways in the FRG ［J］.Science of The Total Environment，1987，59:467－476.

［6］Drapper D，Tomlinson R，Williams P.Pollutant concentrations in Road Runoff:Southeast queensland case study［J］.Journal of Environmental Engineering，2000，126(4):313－320.

［7］Kim L H，Ko S O，Jeong S，et al.Characteristics of washed－off pollutants and dynamic EMCs in parking lots and bridges during a storm ［J］.Science of The Total Environment，2007，376(1－3):178－184.

［8］張千千，王效科，郝麗嶺，等.重慶市路面降雨徑流特征及污染源解析［J］.環(huán)境科學(xué)，2012，33(1):76－82.

［9］陳瑩，趙劍強(qiáng)，胡博.西安市城市主干道路面徑流污染特征研究［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2011，31(5):781－788.

［10］甘華陽(yáng)，卓慕寧，李定強(qiáng)，等.廣州城市道路雨水徑流的水質(zhì)特征［J］.生態(tài)環(huán)境，2006，15(5):969－973.

［11］李賀，張雪，高海鷹，等.高速公路路面雨水徑流污染特征分析［J］.中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2008，28(11):1037－1041.

［12］聶發(fā)輝，向速林，王金金，等.城市高架公路雨水徑流的污染特征［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，21(5):924－928.

［13］國(guó)家環(huán)境保護(hù)局.《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［14］Wu J S，Allan C J，Saunders W L，et al.Characterization and pollutant loading estimation for highway runoff［J］.Journal of Environmental Engineering，1998，124:584－592.

［15］Thomson N R，Mcbean E A，Snodgrass W，et al.Highway stormwater runoff quality:development of surrogate parameter relationships［J］.Water，Air and Soil Pollution，1997，94(3－4):307－347.

［16］黃金良，杜鵬飛，歐志丹，等.澳門城市小流域地表徑流污染特征分析［J］.環(huán)境科學(xué)，2006，27(9):1753－1759.

［17］朱宜平.富營(yíng)養(yǎng)化水體主要生態(tài)過程機(jī)理及生態(tài)動(dòng)力學(xué)研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2009.

［18］Brezonik P L，Stadelmann T H.Analysis and predictive models of stormwater runoff volumes，loads，and pollutant concentrations from watersheds in the Twin Cities metropolitan area，Minnesota，USA［J］.Water Research，2002，36(7):1743－1757

［19］李海燕，車伍，黃宇.北京長(zhǎng)河灣流域徑流非點(diǎn)源污染總量估算［J］.給水排水，2008，34(3):56－59.

［20］張善法，李田，高廷耀.上海市地表徑流污染負(fù)荷研究［J］.中國(guó)給水排水，2006，22(21):57－63.

［21］Michael E B，Lyn B I J，Joseph F M J，et al.Characterization of highway runoff in the Austin，Texas，Area ［J］.Journal of Environmental Engineering，1998，124(2):131－137.