城市道路路面初期徑流污染特征分析
——以南京市為例

駱 輝 李星琦 張 燕 李 珍 崔成亮 周舒宇(.連云港市銳城建設工程有限公司，江蘇 連云港 000； .中設設計集團股份有限公司，南京 004)

城市道路路面初期徑流污染特征分析
——以南京市為例

駱 輝1李星琦1張 燕1李 珍1崔成亮1周舒宇2
(1.連云港市銳城建設工程有限公司，江蘇 連云港 222000； 2.中設設計集團股份有限公司，南京 210014)

針對城市道路路面徑流污染問題，對南京市兩條不同功能區道路進行了路面初期徑流的采樣分析，結果表明：兩條道路SS濃度的最大值均出現在路面徑流初始，分別達到 45mg/L 與 316mg/L，且玄武大道徑流樣本中SS濃度在降雨各時段分別為櫻花大道的5.51、10.2、12.1、8.14、7.68、6.96、6.09、1.17、1.25、1.20、1.18 倍，這說明路面徑流中的SS濃度與交通量存在直接相關性；各采樣點處降雨事件中Zn的EMC均劣于I類水質標準閾值，櫻花大道Pb的EMC劣于II類水質標準閾值，玄武大道Pb的EMC劣于IV類水質標準閾值，呈現出較強的污染特性；溶解態重金屬出流濃度存在較為明顯的初期效應，其顯著程度順序為Cu>Zn>Pb；路面雨水徑流中的重金屬含量與懸浮固體存在明顯相關，大量重金屬以懸浮固態吸附或顆粒態形式存在。

初期徑流；重金屬；SS；EMC；相關性

長期以來，點源污染被認為是造成水污染的主要原因，但近年來大量研究表明，面源污染也是環境污染中不可或缺的部分，而城市面源污染很大一部分來源于道路路面徑流[1]。路面徑流雨水中含有重金屬、碳氫化合物等危害性大的污染物質，其中汽車排放廢氣中的大部分污染物質最終都將在自然沉降或雨水淋洗作用下遷移至水環境中，所以，研究路面徑流污染具有重要環保意義[2]。趙曉[3]對蘇州新區路面和屋面徑流進行研究，發現路面徑流狀況比較復雜，徑流污染物COD、SS、TN、TP等指標均較高，傅大放等[4]對高速公路重金屬初期效應進行了研究，發現重金屬初期效應的顯著程度為:Cd>Cu>Zn>Pb，劉根等[5]通過分析湖州市城市暴雨徑流初期雨水發現，去除雨水徑流3mm的初期徑流可以去除50%～70%的污染物。為了解南京市城市道路路面徑流雨水的水質特性，選取了兩條交通量差異較大的道路作為路面徑流實地采樣監測點，探討了城市道路路面徑流重金屬和SS濃度變化的因素及各污染因子之間的相關關系，分析了事件平均濃度EMC和重金屬出流初期效應，為研究及治理面源污染提供基礎性資料。

1 材料與方法

1.1 采樣地點

對南京市玄武區玄武大道和南京林業大學櫻花大道的部分路段進行監測采樣。玄武大道，位于南京市玄武區的北部，是連接主城區和仙林副城的城市干道，該公路為雙向6車道，單向機動車道寬9m，中央分隔帶1m，采樣點雨水口承雨面積為162m2。該路段具有交通流量大，車輛類型多樣的特點。另一采樣路段為櫻花大道，位于南京林業大學校園內，路面寬8.4m，采樣點雨水口承雨面積為65m2，車流量小。

1.2 采樣時間及方法

本文于2016年4月20日進行降雨事件的有效采樣。采用“前密后疏”的原則，自產流起30 min內，每隔5 min采1個樣；30～60 min時段內，每隔15min采1個樣；60～120 min時段內，每隔30min采1個樣，每次降雨共計11個樣品。對每個樣本進行編號后，加入適量硝酸酸化，置于4℃冰箱內保存，并進行消解處理，具體降雨事件及采樣點位置見表1。表中LP表示城市道路玄武大道龍蟠路，YH表示校內櫻花大道。

表1 降雨初期徑流采樣降雨事件及采樣點

1.3 主要儀器及藥劑

主要儀器為CEM Mars6高通量密閉消解儀系統(美國，CEM公司)，AA-6501型火焰原子吸收分光光度計(上海，達平儀器廠)，CN-CA濾膜(孔徑0.45μm、直徑60mm)，吸濾瓶，真空泵等，各類玻璃器皿在使用前都用稀硝酸浸泡，去離子水洗凈、烘干。使用藥劑均為分析純。

1.4 樣品的測定

路面徑流樣品的測定均采用中國環境監測總站編寫的《環境監測方法標準實用手冊》中的相關標準方法[6]，測定項目為Cu、Zn、Pb以及SS的含量。

樣品置于聚四氟乙烯消解罐中，依次加入5ml硝酸，2ml過氧化氫，2ml氫氟酸，蓋緊罐蓋，溫度爬升至220℃，保溫20min，待冷卻至室溫時，用電熱板加熱趕酸，趕酸完畢后用0.5%的硝酸溶液轉移至50ml離心管中定容搖勻，采用國家重金屬標準溶液配置標準曲線，原子吸收分光光度計測定重金屬含量，每個樣品重復測量3次取平均值，且保證所有重金屬元素重復樣的相對標準偏差均<10%。

2 結果與討論

2.1 SS測定結果與分析

路面徑流懸浮物含量測試結果如圖1所示，在降雨初期，隨著路面徑流的逐步形成，玄武大道的徑流樣本中SS濃度隨著降雨歷時的延長而不斷升高。

圖1 懸浮固體(SS)濃度隨降雨歷時的變化趨勢

而采集于櫻花大道的徑流樣本中的SS濃度在降雨初期并未隨降雨歷時的增加呈上升趨勢，相反，隨降雨歷時的增加呈下降狀態。這可能是由于櫻花大道不僅車流量小，且較玄武大道清掃頻率高，因此在晴天累積的路面沉積物少，在降雨前期(0～5min)表現出雨水對沉積物的沖刷，而在降雨初期和中后期(5～120min)，路面沉積污染物不斷隨路面徑流遷移，路面徑流中的SS濃度越來越低，并在最后趨于穩定。

兩組徑流樣本的測試結果顯示，在降雨期間，SS濃度的最大值無論是櫻花大道還是玄武大道均出現在路面徑流的開始階段(即徑流初期)，分別達到45mg/L與316mg/L。其中，玄武大道的懸浮物濃度的最大值已超出我國《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)中允許城鎮二級污水處理廠的二級標準。按照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)對水域的劃分[7]，玄武大道產生的初期徑流已不適合直接排放至一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區、農業用水區及一般景觀要求水域。隨著降雨歷時的增加，SS濃度在路面徑流產生后10min內急劇下降，經過一段波動后逐漸降低并趨于穩定。穩定后的SS濃度在櫻花大道和玄武大道分別為10mg/L和120mg/L，徑流初期時的濃度分別為后期穩定時的4.5倍和2.1倍，此次實驗結果表現出一定的初期效應。

2.2 重金屬出流規律

此次降雨的重金屬出流規律見下圖2和圖3。由圖可知：在本次降雨采樣的樣品中，Pb、Zn、Cu濃度隨降雨歷時的增加表現出的變化規律基本一致，即除表現出相對顯著的初期效應外，隨著降雨歷時的增加，各重金屬濃度逐漸降低。降雨形成路面徑流后，降雨前干燥期在路面積累的重金屬污染物逐步溶解其中，使初期樣品的重金屬濃度達到極值；在路面徑流形成前20min，隨著路面徑流不斷對路表面的沖洗，樣品的重金屬濃度逐漸降低；在徑流形成20～120min 內，Cu、Zn、Pb均呈現顯著下降的趨勢，而期間的波動可能與交通量、降雨特征、路面材料特性以及道路周邊環境等相關[8-9]。

圖2 櫻花大道路面初期徑流中重金屬濃度

圖3 玄武大道重金屬濃度隨降雨歷時的變化趨勢

玄武大道和櫻花大道的路面徑流中濃度最大的重金屬均為 Zn 和 Pb，Cu濃度最低。比較玄武大道與櫻花大道的交通條件可知，玄武大道為城區主干道之一，車流量大，徑流中的Pb 濃度直接與道路車流量相關，主要來自于汽車尾氣的排放和燃料或潤滑油的泄漏；而Zn 的平均濃度值差別不大，很可能主要來自于輪胎的磨損[10-11]。

不同采樣路段路面徑流中的重金屬濃度隨降雨歷時的變化過程幾乎一致，但比較兩個不同路段的 Zn、Pb 濃度可知(如圖4和圖5所示)，城區道路較非城區道路的路面徑流重金屬污染程度嚴重。玄武大道位于南京市主城區，道路密集，周邊為商住地與交通用地，人車流量大；而櫻花大道兩側均為大面積的綠地，植被茂盛，且車流量很小，有利于污染物的擴散，因此與城區道路路面徑流相比非城區的路面徑流中重金屬濃度低很多。可見道路周邊環境也是影響路面初期徑流重金屬污染的重要因素之一。

圖4 Zn 濃度隨降雨歷時的變化趨勢

2.3 重金屬平均濃度

在降雨徑流對受納水體的影響方面，水體對排入的地表徑流的污染響應速度相對于徑流過程中污染物濃度的變化或瞬時負荷變化要慢得多，所以了解EMC或總污染負荷比了解徑流過程的瞬時變化顯得更為重要[12]。

受實驗設備等條件的限制，本研究未能實測路面降雨徑流流量，但采樣時記錄了降雨開始和徑流形成的時間，進而消除了路面徑流和降雨之間的滯后性，另外本研究中所研究對象為瀝青路面，由于瀝青路面在降雨時段內滲量與蒸發量很少，可以忽略不計，因此結果分析中扣除產流時間后，以降雨量權重代替路面徑流量來計算路面徑流水質的事件平均濃度[10]，其數學表達式為[13]：

(2-1)

式中，M為整個徑流期間重金屬總量；V為總徑流量；c(t)為隨時間變化的重金屬濃度，M/L3;q(t)為徑流流量，L3/T；t為徑流持續時間。

根據上述方法計算Cu、Zn、Pb的EMC值結果見表2。

表2 路面徑流重金屬EMC

與地表水環境質量標準閾值相比，監測的徑流水樣中櫻花大道Cu的EMC優于I類水質標準閾值，玄武大道Cu的EMC劣于I類水質標準閾值，優于II類水質標準閾值；櫻花大道和玄武大道Zn的EMC均優于II類水質標準閾值；櫻花大道Pb的EMC優于III類水質標準閾值，而玄武大道Pb的EMC只優于V類水質標準閾值。

2.4 路面徑流重金屬初期效應

初期效應是指一場降雨過程中，徑流初期不成比例的大部分污染物被沖刷進入水體、初期徑流攜帶了該場降雨所產生的大部分污染負荷現象。根據定義，本研究采用無因次累計負荷-體積分數法來判斷是否發生初期效應[14]。對污染物質量和流量進行無量綱化，得到無因次累積重金屬污染負荷分數m′(t)和無因次累積徑流量體積分數v′(t)，按下式計算：

(2-2)

(2-3)

此方法中可用3種不同的標準判定是否存在初期效應，但在城市路面徑流中通常用m′(t)≥v′(t)這一標準來判別[15]。此標準通常借助無因次累積負荷分數-累積體積分數曲線，以v′(t)為橫坐標、m′(t)為縱坐標繪制曲線，當曲線在角平分線的上方時，即污染負荷的增長速率超過徑流量的增長速率，可判定存在初期效應，與角平分線距離越遠則初期效應越顯著。不同采樣點處降雨過程的重金屬出流m′(t)-v′(t)曲線如圖5。

(a) Cu

(b) Zn

(c) Pb圖5 各重金屬m′(t)-v′(t)曲線

可以看出，重金屬的m′(t)-v′(t)曲線均在45o平衡線以上，說明各重金屬在出流過程中均存在初期效應，且櫻花大道總Cu的m′(t)-v′(t)曲線偏離45o平衡線較明顯，體現出較明顯的初期效應。

2.5 重金屬與 SS 的相關性分析

對樣品水質參數進行 Person 線性相關分析，根據公式(2-4)計算相關性系數 r：

(2-4)

計算結果如表3中所示。從表中可知，Pb、Zn、Cu的兩兩相關系數均較高，范圍在0.69～0.99，其中Zn 和 Cu以及Pb 和 Cu 之間的相關系數分別高達 0.90、0.96，此結果說明上述重金屬具有同源性，而現代車輛制造業中大量使用合金材料也可能是造成這一現象的原因。

此外，路面徑流中重金屬的賦存狀態對徑流的污染特征和控制措施的研究具有重要意義，一些研究表明[16-18]，路面初期徑流中的重金屬主要吸附于懸浮物表面或以重金屬顆粒形式存在。由表3可知，Zn和SS、Pb和SS的相關系數分別達到0.95和0.87，表明徑流中Pb、Zn的濃度與懸浮固體呈顯著正相關關系，即隨著路面徑流中的懸浮固體濃度的不斷增加，這兩種重金屬的濃度也不斷增加，這也進一步說明在路面初期徑流中Pb、Zn與懸浮固體存在著相互依存的關系。

表3 重金屬和懸浮固體之間的相關系數(n=11)

3 結論

(1)采集于玄武大道的徑流樣本的SS濃度在降雨各時段分別為櫻花大道的5.51、10.2、12.1、8.14、7.68、6.96、6.09、1.17、1.25、1.20、1.18 倍。這說明路面徑流中的SS濃度與交通量存在直接相關性：在路面形成的雨水徑流，由于是主要通過對道路路面沉積污染物的洗滌作用，而使其遷移至路面徑流中，而在晴天時累積于路表的沉積污染物的數量基本與車流量(或尾氣排放量)成正比。

(2)重金屬事件平均濃度的分析結果表明，與地表水環境質量相比，路面徑流雨水中存在較明顯的重金屬污染現象。

(3)玄武大道各金屬出流濃度均普遍高于櫻花大道，但兩個路段路面徑流中的重金屬濃度隨降雨歷時的變化過程幾乎一致，均不同程度地出現了“初期沖洗”現象，即存在較明顯的初期效應，其顯著程度順序為Cu>Zn>Pb。

(4)路面雨水徑流中的重金屬彼此相關性強且都與徑流中懸浮固體存在明顯相關，大部分的重金屬都以懸浮固體吸附或直接的顆粒態形式存在。

[1] 丁程程,劉健.中國城市面源污染現狀及其影響因素[J].中國人口·資源與環境,2011,21 (3)：86-89.

[2] 徐沛斌.高速公路路面沉積物及徑流污染特性研究[D].長沙:湖南大學, 2013.

[3] 劉根,易利芳. 湖州雨水徑流污染的初期棄流控制技術研究[J]. 科技信息,2012(29):91-93.

[4] 趙曉. 蘇州市高新區不透水表面雨水徑流污染與控制研究[D].蘇州：蘇州科技學院,2012.

[5] 傅大放,石峻青,李賀. 高速公路雨水徑流重金屬污染初期效應[J]. 環境科學學報,2009(8):1672-1677.

[6] 國家環保局,中國環境監測總站.環境監測方法標準實用手冊[S].北京：中國環境科學出版社,2013.

[7] 國家環保局,國家質量監督檢驗檢疫總局.GB3838-2002地表水環境質量標準[S].北京：中國環境科學出版社,2002.

[8] 趙曜.透水性瀝青路面對路面徑流中重金屬的控制機理研究[D].南京：南京林業大學，2014.

[9] 宋遷鳳.重慶市某城區地表降雨徑流污染特征研究[D].重慶：重慶大學, 2012.

[10] Ellis J B, Revitt D M，Harrop D O, et al. The Contribution of Highway Surfaces to Urban Storm Water Sediments and Metal Loadings[J].The Science of Total Environment,1987,59(87)：339-349.

[11] Ball J E, Rankin K. The hydrological performance of a permeable pavement[J].Urban Water Journal,2010,7(2)：79-90.

[12] 薛紅琴.城市道路路面徑流重金屬污染特性研究[D].南京：南京林業大學,2013.

[13] 李賀,石峻青,沈剛，等.高速公路雨水徑流重金屬污染特性研究[J].環境科學,2009,30(6):1621-1625.

[14] US EPA. Results of national urban runoff program[R].Washington, DC: Water Planning Division, U.S.Environmental Protection Agency,1983.

[15] Helsel D, Kim J, Grizzard T, et al. Land use influences on metals in storm drainage[J].Journal of Water Pollution Control Federal,1979,51(4)：141-145.

[16] 甘華陽, 卓慕寧, 李定強, 等. 公路路面徑流重金屬污染特征[J]. 城市環境與城市生態,2007,20(3):34-37.

[17] 陳瑩.西安市路面徑流污染特征及控制技術研究[D].西安：長安大學，2011.

[18] Kayhanian M, Suverkropp C, Ruby A, et al. Characterization and prediction of highway runoff constituent event mean concentration[J].Journal of Environmental Management,2007,85(2)：279-295.

CharacteristicsofrunoffpollutioninurbanroadpavementinNanjing

Luo Hui1, Li Xingqi1, Zhang Yan1, Li Zhen1, Cui Chengliang1, Zhou Shuyu2
(1.Company of Ruicheng Construction Engineering, Lianyungang 222000;2.China Design Group Corporation, Nanjing 210014, China)

To understand the runoff pollution on urban road surface, the sampling and analysis of the initial runoff of two different functional areas in Nanjing were carried out. The results showed that the maximum values of SS concentration in the two roads appeared in the initial stage of raining and reached 45mg/L and 316 mg/L respectively. And the SS concentration in the sample of the Xuanwu Road was 5.51,10.2,12.1,8.14,7.68,6.96,6.09,1.17,1.25,1.20,1.18 times of the Yinghua Road in each stage of the raining, which indicated that the SS concentration of road runoff was directly related to the traffic volume. The EMCs of Zn in the rainfall event in all the sampling sites were inferior to the standard threshold of class I water quality. The EMC of Pb in Yinghua Road was inferior to the standard of Class II water quality, and that in Xuanwu Road was inferior to the standard of Class IV, showing strong contaminative. The order for significant degree of initial effect for the heavy metals which existed in dissolved state was: Cu >Zn>Pb. The heavy metal content in the rainwater runoff was significantly correlated with the suspended solids, a large number of heavy metals existed in the form of suspended solid adsorption or granular form.

initial road runoff; heavy metal; SS; EMC; correlation

X52

A

2017-08-07； 2017-09-09修回

駱輝(1990-)，男，江蘇連云港人，碩士研究生，主要從事工程環境方面研究。E-mail：287356192@qq.com