基于交通流特性的高速公路雨水徑流污染研究*

喬建剛 張雪潔

(河北工業大學土木工程學院，天津 300401)

近年來，為帶動經濟發展，提高公路運輸效率，高速交通網絡及道路運輸量快速發展，使高速徑流污染問題日益突出，道路徑流污染成為城市受納水體非點源污染的主要污染源之一[1]。路面徑流研究也越來越受到學者們的重視，其中北京、上海、重慶等重點城市道路雨水徑流已有一定的研究規模，分別對徑流影響因素、污染特性、指標相關性等方面進行研究，發現徑流污染會受到地域、道路運行狀況、晴天累計天數、降雨量、氣溫、交通量等因素的影響[2-6]。相關研究表明，道路徑流污染主要來源于交通活動，但并沒有具體交通活動與污染指標內在關系的研究。本研究在對天津城區以外的高速公路進行持續監測分析的基礎上，結合交通流參數調查與污染檢測結果，探討了污染指標和交通流特性的相互關系，以期為高速公路雨水徑流污染控制提供一些借鑒與參考。

1 實驗部分

1.1 采樣方法

采樣點選取津保高速天津北辰段距收費口1 km的出高速路段的雨水排水口，從徑流產生開始取樣，采用方口容器取水后放入采樣瓶。小雨和中雨時，前60 min每20 min取樣1次，>60～120 min每30 min取樣1次，120 min后每120 min取樣1次；大雨和暴雨時，前15 min每5 min取樣1次，>15～60 min每15 min取樣1次，>60～150 min每30 min取樣1次，150 min后每60 min取樣1次。

1.2 檢測項目與方法

檢測項目主要包括SS、COD、BOD5、TN、TP、氨氮、Pb、Zn、Cu、Cd、Mn。SS采用重量法；COD采用重鉻酸鉀法；BOD5采用稀釋與接種法；TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法；TP采用鉬酸銨分光光度法；氨氮采用納氏試劑分光光度法；Pb、Zn、Cu、Cd、Mn均采用火焰原子吸收分光光譜法。

1.3 交通特性調查

選用雷達測速儀(BUSHNEL101911)、交通檢測器(MC5600)等對雨水采集路段進行交通流調查，交通流參數主要包括交通量、車速與交通密度，其中交通量選取折合交通量，車速選用平均車速。

2 結果與討論

2.1 檢測結果

選取兩場有代表性的降雨監測結果，高速公路雨水徑流污染物時域圖具體見圖1。由圖1(a)可見，與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)相比可知，高速公路雨水徑流初期污染較嚴重，COD、BOD5、TN、TP、氨氮最高值分別達到了GB 3838—2002中Ⅴ類限值(40、10、2.0、0.4、2.0 mg/L)的15.6、5.0、5.3、2.1、6.5倍，對周圍水環境的污染較嚴重。隨著降雨時間的延長，污染物濃度逐漸變小，后期污染物濃度波動不大。這種污染物變化趨勢的形成主要由于晴天累計天數的增加導致初期污染物濃度較大，在較大雨型的沖刷下，初期效應較明顯[7]。由圖1(b)可見，第2場降雨降雨量在30 mm左右，降雨時間較長，沒有顯著的初期效應，污染物濃度變化也較慢，污染持續時間較長。這主要是由于降雨沖刷強度不大導致。

重金屬質量濃度與《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)、GB 3838—2002進行比較，結果見表1。Pb、Cd超出了GB 3838—2002中Ⅴ類限值，Mn超出了GB 3838—2002中標準值，而Zn與Cu濃度較低。這與張娜等[8]對天津城區路面徑流重金屬污染特性研究中Pb與Cd含量超標的結果相吻合；但在Zn含量上存在出入，其可能是道路交通量、清掃頻率、大氣沉降等不同而造成的。

2.2 污染相關性與時變關系

2.2.1 污染指標相關性

由圖1可見，污染物在雨水徑流初期污染嚴重，后期污染物濃度逐漸降低，主要集中于SS。本研究進一步分析了SS與各污染指標的相關性，結果如表2所示。由表2可以看出，SS與各污染指標間存在較好相關性。通過控制SS能有效控制高速公路雨水徑流污染。

圖1 高速公路雨水徑流污染物時域圖Fig.1 Time domain diagram of high speed runoff pollutant

Table 1 Comparison among heavy metal concentrations,water quality standard and discharge standard mg/L

表2 SS與其他污染指標的相關性

注：1)x為SS質量濃度，mg/L；y為除SS外其他污染指標的質量濃度，mg/L。

2.2.2 污染指標時變關系

污染物在雨水沖刷下濃度隨時間呈下降趨勢，通過對相關數據統計分析，得到時變關系模型結果，具體如表3所示。從表3可以看出，污染指標多數與時間成負指數或對數關系，即污染指標先快速減少到一定程度后變化減緩甚至趨于穩定。公路路面沉積物沉積并不是時間的線性函數，而與交通頻率、車輛運行習慣、路況、路面清掃頻率等有關[9]。這表明，污染物存在一定的波動性，并非隨時間一直降低，而是在一個污染物濃度范圍內波動，因此高速公路雨水徑流污染并不會在雨水沖刷下徹底清除，而會受到交通活動的影響，并需要后期處理。

表3 污染指標時變關系模型

注：1)X為時間，min；Y為所有污染指標的質量濃度，mg/L。

2.3 交通特性與污染指標的關系

2.3.1 交通量

道路污染主要來源于道路交通活動、路面磨損等[10-11]。為探究其與雨水徑流污染的內在聯系，減少因晴天累積產生的雜質影響結果，將雨水徑流污染的初期沖刷部分去除，針對后期雨水徑流污染與交通流參數進行研究，分別對4個監測點選取主要指標SS、COD進行分析，結果見圖2。從圖2(a)可以看出，隨著交通量的增加，COD呈現上升趨勢，只是上升的趨勢從點4到點3趨緩。交通量增大但車速總體下降(點1處車速低于80 km/h(見圖3))，車速降低會帶來一定污染，所以COD的增加不僅受到交通量影響，也會受到車速的影響。從圖2(b)可以看出，SS隨交通量增加呈現上升趨勢，從點4到點3上升趨勢較緩。同樣，SS的產生不僅受到交通量的影響，也受車速影響。

2.3.2 車 速

車速不同會產生不同的油耗，導致不同程度的污染，因此車速對污染指標會產生一定影響，分析其影響規律，結果如圖3所示。結合圖2和圖3可見，隨著交通量減少，從點1到點3車速增加到80 km/h左右，COD和SS呈下降趨勢；從點3到點4車速減小，COD和SS卻呈下降趨勢，可能因此處交通量減少時降低的污染量高于車速減小時增加的污染量，導致從點3到點4污染繼續下降。可見，交通量對污染的影響大于車速。

注：pcu為標準車當量數，也稱當量交通量，根據《公路工程技術標準》(JTG B01—2003)中規定的車輛折算系數得出，代表標準小汽車數量。圖4同。圖2 交通量與污染指標的關系Fig.2 Relationship between traffic volume and pollution index

圖3 車速與污染指標的關系Fig.3 Relationship between speed and pollution index

圖4 交通密度與污染指標的關系Fig.4 Relationship between density and pollution index

2.3.3 交通密度

交通密度由交通量與車速共同決定，交通密度與污染指標的關系如圖4所示。從圖4可以看出，當交通密度增大時，COD和SS從點3到點1呈現上升趨勢，但從點3到點4雖然交通密度上升，污染卻呈現下降趨勢，可能因交通量在此處呈下降趨勢(見圖2)，此時交通密度上升產生的污染量小于交通量下降減少的污染量。可見，交通量對污染的影響大于交通密度。

2.3.4 交通特性與SS擬合曲線

對SS與交通量、車速、交通密度進行擬合，結果如表4所示。從表4可以看出，SS與交通流參數均有較好的擬合關系，但SS與交通量和交通密度擬合得到的R明顯比SS與車速擬合得到的R大，說明交通量和交通密度與SS的相關性更顯著；交通量和交通密度與SS呈正相關，隨著交通量和交通密度的增加，SS呈上升趨勢；車速與SS呈二次拋物線型關系，隨著車速的增加，SS先減少到一定程度后再增加，存在一個最優的車速范圍。這些結論可以推論出交通量及交通密度是造成高速公路雨水徑流污染的主要原因，車速存在著一個污染較少的最優段，但總體影響效果較小。

表4 SS和交通流參數的擬合1)

注：1)a為交通量(或車速、交通密度)，pcu/h(或km/h、pcu/km)。

3 結 論

(1) 高速公路雨水徑流初期污染較嚴重，COD、BOD5、TN、TP、氨氮最高值分別達到了GB 3838—2002中Ⅴ類限值的15.6、5.0、5.3、2.1、6.5倍。SS是污染的主要因素。

(2) 污染指標多數與時間成負指數或對數關系，即污染指標先快速減少到一定程度后變化減緩甚至趨于穩定。

(3) 交通量及交通密度是造成高速公路雨水徑流污染的主要原因，車速存在著一個污染較少的最優段，但對雨水徑流污染的總體影響效果較小。

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