上海市高架道路降雨徑流的水質特征與負荷估算

滕俊偉，尹秋曉，李飛鵬，張海平

（1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.上海東灘國際濕地有限公司，上海 202162）

上海作為城市高架道路發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146萬車次，在城市交通系統中占據主導地位。由于頻繁的交通活動和高密度的車流量，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致大量的懸浮固體顆粒、重金屬、營養鹽和有機物等污染物大量在路面積累，這些污染物大多經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生的突發性、沖擊性強的城市面源污染已經成為城市水環境惡化的重要原因，對水生態系統產生潛在的安全風險［1－3］。

一些發達國家早在20世紀70年代便開展了針對路面徑流的研究。在對徑流的成因、過程、污染負荷特征及徑流模型等研究的基礎上，不同形式的最佳管理模式(best management practices，BMPs)相繼被開發、示范并應用［4－7］。這些 BMPs在降低污染物的濃度及對受納水體的生態影響上發揮了巨大的作用，由于缺乏對道路徑流中污染物的水質特征及長期遷移轉化規律的認識，使得BMPs的發展受到了很大的阻礙。自20世紀80年代以來，我國對城市路面降雨徑流進行了監測研究，在城市路面徑流水質特性、污染物排放特征以及管理方面取得了很多成果［8－10］。然而這其中大多數研究只關注城市道路，對高架道路徑流方面研究相對較少［11，12］。由于受到諸多隨機因素影響，不同地面徑流污染特征，排污負荷差異較大，即使同一地點，不同場次徑流污染效應也有較大差異，因此需要進行長期大量的實地測試研究，才能得到適合本地區的徑流污染特征。本研究以上海市高架道路五洲大道某段為研究對象，對2008年10月～2010年4月的19場降雨徑流進行了監測，分析了徑流水質特征，并對污染物負荷進行了估算，以期為城市高架道路徑流的治理與利用、改善城市水環境質量提供基礎數據和理論依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

上海位于北亞熱帶東亞季風盛行的地區，氣候溫暖、濕潤，雨量充沛，四季分明，春秋較短，冬夏較長。年降雨量為1048～1138mm，年降水日為129～136 d，年降水季節性變化較大，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，西起翔殷路隧道出口，橫穿浦東北部，與長江隧橋相連，全長7.09km，是上海“三環十射”城市高架道路交通骨架網絡系統的重要一射。大道采用全封閉、全立交式的城市快速路標準建設，設有雙向8車道，平均車流量約20000輛/d。路面材料采用瀝青鋪設，徑流經道路兩側的落水管排入地面雨水管接口。此研究中采樣點設置在五洲大道與鎮南路的交叉口上，位于整條大路的中部。研究地區周邊環境空曠，用地以綠化和居住用地為主，不存在大面積工業區。

1.2 采樣與監測

在降雨徑流發生期間，用聚乙烯瓶在落水水管口采集瞬時徑流，采樣間隔5～30min，視降雨歷時和徑流流量而定。樣品采集后，貼上標簽，并記錄下采樣地點、時間和相應時刻落水管流速值。采樣點實景如圖1所示。

水樣的保存和水質參數的測定均依照標準方法［13］進行。測定的項目包括懸浮物(TSS)、化學需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH3－N)、溶解性總氮(DTN)和溶解性總磷(DTP)。

圖1 采樣點實圖Fig.1 Photo of Monitoring Site

2 結果與討論

2.1 徑流污染物強度

由于降雨特征、集水區特征和污染物本身性質的影響，一次降雨徑流污染過程中污染物濃度變化范圍大，隨機性強，并且隨著降雨過程持續變化。受納水體對徑流污染的響應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受納水體的影響，通常使用徑流平均質量濃度(EMC)來評價徑流水質標準。EMC系指一次徑流污染過程中污染物的流量加權平均濃度，即總污染量與總徑流量之比，計算公式如下。

其中EMC——徑流污染物的平均濃度，mg/L；

M ——整個徑流過程中污染物的量，g；

V ——徑流總量，m3；

t ——時間，min；

Ci——i時刻污染物的濃度，mg/L；

Qi——i時刻徑流流量，m3/min。

19場降雨徑流污染指標的EMC統計值如表1所示。由表1可知上海市高架道路取樣點徑流水質參數COD，TSS，TN和TP的EMC平均值均超過了《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ類標準。表明上海市高架道路徑流污染比較嚴重，若不加處理排入城市水體必定對城市水環境造成嚴重污染。其中TSS和COD的EMC平均值超過了《上海市污水綜合排放標準》(DB 31/199—2009)第二類污染物排放限值二級標準，其EMC最大值分別為二級標準排放限值的2.3倍和6.2倍，應予以重點關注。不同場次降雨的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，水質變化幅度較大，因此需要進行長期大量的監測分析才能得到適合本地區的路表徑流水質特征。

表1 上海高架道路徑流EMC的統計值Tab.1 EMC of Elevated Road Runoff in Shanghai

表2給出了部分國內外路面徑流污染的研究結果。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受地面人為活動干擾較少造成的。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與其他地區道路的比較Tab.2 Comparison between EMC of Elevated Road in Shanghai and EMC of Roads in Other Areas

續表

2.2 營養鹽輸出的形態及來源

上海高架道路徑流污染物顆粒態氮、顆粒態磷EMC占總氮、總磷EMC的百分數如圖2和圖3所示。徑流中溶解態氮占總氮的54%～98%，說明徑流中營養鹽氮以溶解態氮為主。而顆粒態磷占總磷的56%～95%，說明顆粒態磷是城市高架道路徑流TP的主要輸出形式。

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

圖3 徑流中溶解態和顆粒態磷所占比例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、機動車的排放等［16］，由于高架道路受地面干擾較小，大氣沉降是營養鹽的主要來源。朱宜平［17］對上海市崇明縣的降雨水質進行監測，14場降雨中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，且在降雨發生時，含氮的污染物主要是通過溶解過程以溶解態的形式進入到雨水徑流中。徑流中磷則是較多以顆粒物為載體，當SS負荷增大時，磷的負荷也隨之增大。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，當降雨發生時，在降雨的沖刷作用下，載磷顆粒物進入收納水體中。

2.3 污染負荷估算

污染負荷相對于污染物濃度值更能體現道路徑流對周圍受納水體的潛在危害，由一場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荷，由于路表徑流排放的隨機性使得次降雨污染負荷的代表性較差，因此采用年污染負荷尤為重要。然而對于一年內每場降雨進行監測分析很難做到，可以采用以下公式［18］進行計算。

其中L ——一定面積排水區域的年污染負荷，kg/hm2·a；

CF——徑流修正系數，一般取0.9；

Rv——徑流系數；

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，道路徑流系數為0.9，利用式(2)根據表1中的EMC計算出年污染負荷，表3為本研究結果與國內外其他研究的年污染負荷的比較。可見上海高架道路年污染負荷遠高于國內外研究成果，COD年污染負荷略低于上海市商業區和居民區的污染情況，而TSS年污染負荷則明顯高于上海市商業區和居民區的污染情況。

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

續表

近年來，上海高架道路發展迅速，已經擁有高架道路總長度近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，故如果未對降雨加以處理必定對受納水體造成嚴重污染，因此加強對城市高架道路徑流管理是非常必要的。

3 結論

(1)上海高架道路徑流EMC變化較大，19場徑流中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《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ類標準。其中TSS、COD的EMC最大值分別是《上海市污水綜合排放標準》(DB 31/199—2009)第二類污染物排放限值二級標準的2.3倍和6.2倍。溶解態氮是路面徑流TN的主要存在形式，TP則主要以顆粒態形式存在。

(2)上海市高架道路年降雨徑流每年可產生890.3 t TSS、475.1 t COD、8.0 t TN、3.7 t NH3－N 和1.6 t TP，遠高于國外的研究結果。因此加強對城市高架道路徑流管理是非常必要的。

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