国内外城市道路雨水径流水质研究现状分析

吴金羽

（北京建筑大学 北京 100044）

随着城市化的快速发展,城市水资源供需矛盾突出、水环境恶化、洪涝灾害严重等水问题日益成为制约我国城市可持续发展的重要因素。道路及开放空间下垫面作为城市汇水面的重要组成部分,也是城市受纳水体非点源污染的主要污染源之一。虽然可以通过控制污染源来减少暴雨水径流污染，然而仅靠污染源控制可能无法消除的污染物排放负荷。为实现污染物减排及建立有效的治理措施，必须要具备有关径流水质特征知识。目前，关于世界各地的径流水质特征数据库分布并不均匀。自2000年初以来，国内外关于这一议题的发表论文数量显著增加。本文对城市道路及开放空间暴雨径流进行研究，并对相关资料进行全面分析。

1 国内外城市径流污染控制法律法规及政策背景

美国联邦政府于1972年颁布了清洁水法，并建立了国家污染物排放清除系统NPDES，对点源水污染制定“排放许可证制度（NPDES）”来进行控制。随后，认识到仅对点源污染进行控制并不能有效保证美国的水体水质，于是1987年通过修正案（section 319），将NPDES扩大到非点源水污染。美国环保署（EPA）开始和各州、郡政府以及管理合作机构合作共同推进全国性的雨水污染控制方案，这个方案的实施分为2个阶段：第一阶段从1992年10月开始生效，要求对所有工业活动区域，以及建筑活动区大于2 hm2和人口超过10万的地区的雨水排放进行污染控制；第二阶段从2003年开始实施，要求所有多于1万人口的社区群体的排水要求都要符合这些法规，并且对面积大于0.4 hm2的建筑活动区进行雨水控制。为达到这些排水法规的要求，各州郡需要通过最大日污染负荷量或者满足水质标准情况下水体能接受的总污染量来计算出允许排放的污染排放总量。将目光转向欧洲，到2000年，大部分的欧洲国家都制定了各自的地表水质量法规。欧盟议会与理事会的代表经过12年的协商和修缮，终于2000年7月颁布实施了“水框架指令”（WFD），其用于在欧盟各成员国之间实行统一准则，来调节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变阶段，并建议从末端治理措施转变为预防及综合管理方法来减少径流污染[1]。至此，世界上许多发达国家和发展中国家认识到非点源污染对其地表水体的影响，并制定了措施针对减少径流污染负荷。一般而言，绝大多数国家地表水质的污染范围和污染程度通常跟其经济发展程度挂钩。

放眼国内，我国现行的法律法规对于雨水资源的管理还处于起步阶段，强制性规定不足。仅在《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》等法律法规中提及要对雨水资源进行综合管理，而对于非点源污染控制则无相关法令要求。

2 径流水质分析

各国学者对国内外对城市道路及开放空间下垫面径流进行大量研究,结果表明，雨水径流水质污染状况十分严重,尤其是初期径流污染严重程度甚至超过生活污水。TSS、COD、重金属、营养物等是城区路面雨水中的主要污染物,其浓度随着降雨及路面污染物累积状况的不同而发生随机变化,对水环境造成严重影响。表1 对国内外近年来城市道路和开放空间径流水质的一些研究结果进行了归纳总结[2-11]，其中所选几种污染物浓度数值均为场次降雨污染物平均浓度EMC。

表1 国内外城市道路径流水质状况

2.1 径流污染物负荷的监测办法

本文总结了基于表1 中的过往文献中影响径流污染物负荷监测的三个主要因素，即监测点的地形特征、水文特征和径流样本特征。监测点的地形特征特征包含了下垫面材料类型，不透水区域面积比，年平均日交通量（AADT），排水区域和土地利用情况。通过总结现有文献中水文方面的数据发现，降雨事件场次和场总降水量数据是常见的，而最大降雨强度，场降雨前干期时间，和实时流量的报道相对较少。径流样本特征值包括采样方法，分析技术和水样保存时间。在径流水样采集过程中采样方法主要为自动加权混合采样或瞬时采样两种。采样方法、分析技术以及检测范围的选择这三点均能显著影响后续检测数据分析。

2.2 悬浮颗粒物

悬浮颗粒物（TSS）是城市不透水下垫面径流中主要的污染物之一，也是径流中大部分污染物质(如C 0 D、TN、TP、重金属、多环芳烃等)所依附的载体。径流中颗粒物的浓度、形态影响着其他污染物的性质和分布。同时颗粒物对于雨水径流水质和溶解性污染物的化学反应过程具有重要作用。因此，颗粒物在雨水径流中受到广泛关注。径流中颗粒物主要来自于大气干湿沉降、地表人类活动、地表水侵蚀等。而具体到场降雨情况下，径流中颗粒物组成受到天气状况、交通密度、工业状况以及与土壤的接近程度等因素的影响。

粒径是表征颗粒物性质的重要参数之一，颗粒物的全部性质都与粒径有关。更重要的是，雨水控制利用措施的结构设计、运行及维护主要取决于径流当中所携带颗粒物的粒径大小；而对径流污染的净化效率则取决于与污染物相关的颗粒物的粒径大小。城市降雨径流输送过程中颗粒物粒径变化范围很大(1～1000 μm）。Kobriger[12]（1984）通过对美国不同地区地表径流中颗粒物粒径分布进行研究得出，90%径流颗粒物的粒径<88 μm；边博[13]等人在对国内城市径流颗粒物的监测当中也得出了类似的结论，并认为径流中5～40 μm粒径段的颗粒的体积分数最大。在各种研究当中，不同采样点和采样方法的会导致采集径流样品中颗粒物粒径大小不同,颗粒物的均一性也有所差异。如等对韩国西海岸地区停车场径流颗粒物粒径分布研究[14]认为，106～500 μm的颗粒物是径流颗粒物污染的主要组成。在产流过程中径流颗粒物的粒径分布在很大程度上取决于径流流速，流速越大，则径流携带颗粒物的平均粒径分布越大，而径流流速取又是决于降雨条件（降雨强度、降雨量和降雨历时）及地形条件的。又研究显示，在场降雨事件中，径流颗粒物的粒径分布均呈现明显的时间变化特征，随着降雨时间的推移，<45 μm的径流颗粒物比例逐渐增加[15]。

2.3 重金属

在现有的国内外雨水径流研究文献中大多数研究聚焦于测定径流中镉、铬、铜、铅和锌的浓度，而对于铝、砷和铁的浓度测定比较少。观察表1 数据可知，每个地区和国家之间，重金属污染物含量的有着较为显著的差异。造成国内外重金属成分含量差异可能原因有两个：(1)欧美发达国家由于多年的积累拥有广泛的数据资料。(2)大部分国内径流特征数据采集于高度城镇化地区。

一份加州交通局的数据统计分析显示，年均日交通量是用地类型、流域面积、总累积降雨量，和前期晴天时间外的又一个影响重金属污染物浓度的因素。如年均日交通量大于6万的城市高道路径流中的重金属浓度要明显高于年均日交通量小于3万的道路[16]。

重金属在径流中的赋存形态及其分布特征是当前研究的热点。多份研究结果表明重金属与径流中的固体物质显著相关，尤其与悬浮固体物中小颗粒的浓度密切相关，一般来说，颗粒越小则污染物金属浓度更高。对于重金属在径流中的赋存形态则可通过观察表1 里的现有数据可得出，径流中Pb、Cd和Cr大部分是以颗粒形式存在，而Zn、Cu则以溶解态存在的比例相对大一些。重金属的赋存形态决定其环境毒性的大小。国内外有很多城市区域降雨往往呈酸性，路面径流中的重金属在驻留时间、径流酸碱度以及固体特性和含量等因素作用下往往能够进入溶解相。而溶解态重金属具有较颗粒态更强的生物可给性，对环境的危害更加严重。

2.4 COD和营养物质

不同的研究中针对不同研究目的，选择性监测地表径流中的COD以及营养物质包括硝酸盐（NO3-），亚硝酸盐，铵，总凯式氮，总氮，磷酸盐和总磷。在特定的环境中，氮和磷元素可以从游离态转化为颗粒附着态，或从一种溶解形式为另一种溶解形式，这其中的机理比较复杂，所以大多数研究并没有测量全部形式的氮和磷元素成分，最通常选择监测径流中TN和TP两个指标来表示径流中营养物质的污染特征。道路径流中测定出的氮和磷元素的通常来源于交通和非交通源这两种。然而，交通因素对径流中氮、磷的含量的贡献作用相比于从自然环境中来源（如周边的土壤和植被）要少[17]。

通过表1 对国内外道路雨水径流COD、TN、TP进行对比分析可知，我国城市道路雨水径流中COD和营养物的含量水平明显较高，这与我国城市环境状况总体较差有关，同时也表明我国实施道路径流污染控制的必要性和紧迫性。

据表1 当中有限的数据显示，大部分检测到的磷都是颗粒态的。当然，这种情况并不普适于所有的监测点，如在加州太浩湖的3个高速测量点检测发现的90%的磷都是溶解物形式[18]。多项研究共同发现，径流中COD也多是以颗粒态形式存在；而对于径流中TN的赋存形态研究存在较大的差异，总的来说径流中TN在径路颗粒物之中的累积效应不如前两者大。

3 径流污染物初期冲刷效应

在降雨径流污染物排放过程中,初期雨水携带了这场降雨所产生大部分污染负荷，这一现象被称为初期冲刷效应。针对初期冲刷，国外一些发达国家已经开展了30多年的研究,针对城市道路的径流初始冲刷已经在很多的报道，不同干期条件下降雨事件或跨季节降雨事件研究都有相应较多的研究。这对评价公路径流对环境的影响,径流中污染物累积、排放和迁移过程的模拟,污染负荷估算以及控制措施的设计和实施提供了必要的数据和指导。虽然污染物的初始冲刷可以用浓度初期冲刷或质量初期冲刷两种方式表示，但是浓度方法较为简单直接，通常在研究报告中，作一个污染物浓度和时间图表来表征，并在图表上附加降雨强度。初期冲刷效应的研究不仅局限于对于最常规的径流水质指标，如TSS、TN、图片、COD等，其研究范围还延伸到至径流颗粒物的粒度分布和毒性物质的方面。Li Yingxia[19]等在颗粒物初始冲刷的研究中发现，初期30%的径流量会冲刷排放90%的粒径小于<20 mm微粒。而另外一项针对径流中毒性物质的研究表明[20]，径流中有毒性物质的浓度最大值也与降雨事件的初期阶段有关。

但是查阅大量相关文献可发现，基于污染物质量的初始冲刷量并没有固定的表达方法。部分学者曾提出利用特定的质量比例来定义初期冲刷效应，例如Bertrand[21]等人给出了一个具体的定义，暴雨初始阶段的30%的径流量，带走80%污染物质量。其他研究学者也提出了一些类似的定义。质量初期冲刷概念及量化描述方法似乎比浓度初期冲刷更科学合理，但随着研究的深入和大量试验数据的积累，一些研究者发现，现实中也只有极少数事件中的某些污染物的冲刷能够达到这一标准。这说明在不同研究条件下，采用固定的比例来界定初期冲刷现象也有不足。Kayhanian[22]等提出了污染负荷初期冲刷率MFFn的概念用以定量研究路面径流中污染负荷的初期冲刷。即当雨水径流初期污染物的累积输送速率大于径流量累积输送速率时，降雨初期占径流总量较小比例的雨水径流中挟带了占次降雨污染负荷较大比例的污染物时，认为存在初期冲刷。MMFn理论可以广泛应用于任何暴雨的初期降雨阶段。研究者可以在任何径流量、污染物组分不同的情况下确定出基于污染物质量的初始冲刷量。例如,MFF 20=2.5即表示事件初期20%的径流量排放了50%的污染负荷,只有当MFFn值大于1时，才存在初期冲刷效应，MFFn值越大初期冲刷越明显。根据MFFn值，污染物质初期冲刷效应比较明显的有COD、TP、DOC以及铜和锌[23]。

之后车伍[24]等人提出，根据冲刷发生和取样点的位置不同，可将对径流的初期冲刷研究和讨论区分小汇水面源头冲刷和管渠冲刷两种典型的不同条件。相较于屋面、路面、停车场等硬化小汇水面很容易观测到较明显的初期冲刷现象，初期冲刷现象在较大汇水区域的管道汇流中常常被减弱，甚至完全被掩盖，这是由于管道沉积物状况及其冲刷作用、管网拓扑结构、汇流时间、各小汇水面污染物累积及源头冲刷作用、不同小汇水面径流在管道中的混合等诸多因素共同叠加，形成复杂的“管渠冲刷”现象。

目前对公路径流污染控制和治理一般采取源头拦截并处理初期径流的方法，根据初期冲刷理论对径流处理设施的结构进行优化，其规模可以显著缩小，节约占地空间及建造成本。

4 径流污染指标相关性

研究发现，径流污染指标之间存在很显著的相关性，这为道路雨水径流水质的检测、定量分析及制定有效的控制措施等提供依据，也将减少检测指标的数量，节约分析成本，并为污染源辨别和建模带来了可能。表2 中列出，一些前人研究当中雨水径流TSS、DOC与其他污染物之间的相关系数[25-28】，可以看出，雨水中的多数污染物赋存于悬浮颗粒物中，溶解性污染物含量较少。因此可以通过沉淀和过滤的方式去除雨水中的SS从而径流当中的其他污染物也可得以去除。又由于污染物主要吸附于细颗粒物表面，所以污染物与粒径的相关系数随着颗粒粒径的增加而变小。

表2 各污染物之间相关系数

5 我国在径流污染控制中存在的不足与改进

我国径流污染控制中存在的不足：（1）缺乏雨水径流污染控制意识，无论是管理部门、科研部门，还是公众，普遍存在对雨水污染意义认识不足的问题，对雨水问题的研究还多集中在水量的控制上，而雨水污染控制技术的研究和应用都很薄弱，在城市规划和建设过程中缺乏对与水污染控制统筹考虑。（2）缺少基础性研究和全面的数据分析，雨水对环境、资源的影响研究不足，对雨水转输过程当中，径流携带污染物的动态迁移转化缺乏全面系统的监测分析。（3)雨水污染控制技术的研究程度较低，没能像发达国家一样形成径流污染控制的产业链，缺乏相应的设备和从业人员。（4）缺乏强制性配套的法令法规、政策对径流污染进行管理。

在应对径流污染问题上，可借鉴发达国家的经验：（1）尽早建立健全雨水污染控制的相关法律法规和执行管理办法；（2）结合各地非点源污染的实际情况明确径流污染控制的目标；（3）可借鉴发达国家雨水控制管理的先进经验，如美国的“LID技术”、澳洲的“WSUD水敏感性城市设计”等，在降低由于土地开发造成的雨水径流量的增加的同时，减少径流污染负荷；（4）采用小型的分散式源头控制和集中末端处理相结合的手段，控制污染物进入雨水转输过程，减轻末端集中处理径流污染物的压力；（5）结合我国径流污染的典型特征，如颗粒污染负荷高，开发适合本国国情的雨水污染控制技术，应具有成本低、占地少、易于维护并兼带雨水再利用技术；（6）通过宣传和教育加强大众对雨水污染认识，自觉减少垃圾的丢弃和污染物的产生。

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