, 袁庆科2, 金永喆31. 安徽工业大学能源与环境学院环境科学与工程系, 马鞍山 243002;
2. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
3. 韩国韩瑞大学环境工程系, 韩国瑞山 356706
收稿日期: 2020-02-25; 修回日期: 2020-03-23; 录用日期: 2020-03-23
基金项目: 韩国道路公司道路交通研究院非点源污染控制设施维护管理监测项目
作者简介: 牛司平(1984-), 男, E-mail:sipingniu@ahut.edu.cn
通讯作者（责任作者）: 牛司平(1984—), 男, 博士, 研究领域为污染物环境行为等, 参与和主持国家级和省部级课题多项, 在国际学术期刊发表论文20余篇. E-mail:sipingniu@ahut.edu.cn
金永喆, E-mail:ykim@hanseo.ac.kr
摘要：为了深入了解高速公路面源污染特征，本文对高速公路路面径流进行了监测分析.尽管径流过程中总悬浮物（TSS）、总化学需氧量（TCODCr）、总氮（TN）和总磷（TP）的浓度以及颗粒物的丰度具有较大的变化幅度，但这些污染物的峰值浓度和颗粒物的峰值丰度基本上出现在径流开始后的10~30 min以内.TSS与TCODCr、TN和TP的浓度之间存在着明显的相关性（r=0.444~0.955；p < 0.005），意味着有相当数量的有机物和营养盐以颗粒物结合态存在.生化需氧量（BOD5）与TCODcr的关系表明径流中的有机污染物可生化性较差.当降雨量和降雨强度在不同的范围变化时，其对径流污染物事件平均浓度的影响不同.绝大多数情况下，所研究的高速公路都会发生污染物的初期冲刷效应.前30%的径流可以携带46%±15%的TSS、54%±17%的TCODCr、47%±13%的氮、52%±12%的磷以及在数量上占比为51%±12%的颗粒物.按照面源管理实践中80%的悬浮物的削减量的要求，应截留70%的径流，同时可以减少84%的有机物、78%的氮和81%的磷排放负荷.
关键词：雨水径流高速公路排放特征颗粒物
Characterization on the discharge of pollutants present in highway stormwater
NIU Siping1
, YUAN Qingke2, KIM Youngchunl31. Department of Environmental Science and Engineering, School of Energy and Environment, Anhui University of Technology, Maanshan 243002;
2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085;
3. Department of Environmental Engineering, Hanseo University, Seosan 356706
Received 25 February 2020; received in revised from 23 March 2020; accepted 23 March 2020
Abstract: The stormwater from highway was monitored and analyzed to understand the characteristics of non-point source pollution of highway. Although the concentrations of TSS, TCOD, TN and TP and the abundance of particulates in highway stormwater varied greatly through the rainfall events, both the peak concentrations and abundance generally occurred within 10~30 min after the runoff started. TSS was significantly related with TCOD, TN and TP (r=0.444~0.955, p < 0.005), indicating a quite quantitative organic matter and nutrients were present in particle-associated forms. Meanwhile, the relationship between BOD5 and TCOD indicates that the biodegradability of organic pollutants in highway stormwater was poor. When rainfall depth and intensity changed in different ranges, their impacts on event mean concentration (EMC) of pollutant were different. Moreover, first flush phenomenon of pollutants was found in the vast majority of cases. The initial 30% runoff was potential of carrying out 46%±15% TSS, 54%±17% TCOD, 47%±13% nitrogen and 52%±12% phosphorus of their total event loads, coupled with 51%±12% particulates for number, respectively. Based on the requirement of 80% TSS load reduction for stormwater management, 70% runoff should be arrested, which can be coupled with the additional elimination of 84% organic matter, 78% nitrogen and 81% phosphorus.
Keywords: stormwaterhighwaypollution dischargeparticulate matters
1 引言(Introduction)随着人们对水环境质量问题的重视, 面源污染日益受到关注.除农业面源外, 来自于非渗透性路面的雨水径流也是引起水质恶化的重要原因(侯培强等, 2012；Choi et al., 2018; Cramer et al., 2019; Tuomela et al., 2019; Spahr et al., 2020).国内外****相继开展了路面径流污染的相关研究工作(任玉芬等, 2013; 王海邻等, 2019；Cramer et al., 2019; Tuomela et al., 2019).内容涉及降雨径流特征(侯培强等, 2012)、初期冲刷效应(任玉芬等, 2013；赵晓佳等, 2019)、径流模型(余香英等, 2016)、污染负荷(王海邻等, 2019)等方面.研究表明降雨特征(降雨量、降雨强度、降雨历时、干期长短)是影响径流污染输出的重要因素(Andrés-Doménech et al., 2018; Li et al., 2019; 王海邻等, 2019；de Mello Silva et al., 2020).但由于降雨过程复杂多变、径流污染影响因素众多, 导致相关结论还存在一定的争议(王琳等, 2012；王海邻等, 2019).另外, 路面径流过程中有很大比例的污染物以颗粒物结合态存在(Li et al., 2005；Garofalo et al., 2014; Flanagan et al., 2019).颗粒物的输出过程对径流水质特征起着重要作用(Kim et al., 2008；何小艳等, 2012; 于海霞等, 2013；Charters et al., 2015).相关文献先后对路面沉积物进行了较为深入的报道(王建龙等, 2012；Niu et al., 2019).然而, 径流中的颗粒物与路面沉积物在性质上具有较大的差异, 从面源污染管理与控制的角度, 加强径流中颗粒物的研究更具有实际意义(李淮等, 2016).
为了应对雨水径流对生态系统所产生的负面影响, 最佳管理实践(BMP)和低影响开发(LID)等径流管理措施被相继提出(Mao et al., 2017; Choi et al., 2018; Geronimo et al., 2019).BMP和LID的设计与降雨特征和径流水质密切相关(Borris et al., 2016; Raei et al., 2019; Rezaei et al., 2019).实践过程中径流管理设施运行效果不理想的情况时有发生(Li et al., 2019; Shojaeizadeh et al., 2019; Payne et al., 2019; Lusk et al., 2020).为确保雨水径流管理设施的有效正常运行以及相关设计的优化和改进, 也需要对降雨径流过程中污染物的输出特征进行深入细致的研究(Deng et al., 2019; Payne et al., 2019).
随着社会经济的发展, 世界范围内高速公路历程数急剧增加, 与高速公路路面径流有关的污染问题日益突出(乔建刚等, 2016；Wang et al., 2017; Niu et al., 2019; Ekanayake et al., 2019).本文对高速公路径流污染物排放特征, 尤其是颗粒物的迁移过程进行了深入细致的研究, 并提出了相关建议.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 研究地点及其降雨情况研究地点为韩国西海岸高速公路水原西-平泽段平泽(Pyeongtaek)收费站附近白峰JCT高架桥, 汇水区为~2436 m2沥青路面.平泽市位于韩国西海岸中部, 是连接韩国首都圈与南部地区的门户和交通枢纽, 也是距离中国最近的韩国五大港口城市之一, 平泽港为韩国首都圈和中部圈的物流中心, 水原西-平泽段是韩国最为繁忙的高速路段之一.该区域气候为亚热带季风气候、温暖湿润, 年均气温为12.1 ℃、年均降雨量为1887.6 mm.本研究共调查了7个场次的降雨, 两场降雨之间的时间间隔小于6 h时, 看作一场降雨.降雨的相关数据主要来源于当地气象部门, 相应的降雨量、降雨历时、降雨强度、径流水量等水文特征总结于表 1.研究期间降雨量、降雨历时、降雨强度、径流量、平均流量、峰值流量和雨前干期的范围分别为2.5~54.5 mm、2.9~9.9 h、0.2~5.1 mm·h-1、4.5~93.6 m3、0.6~15.6 m3·h-1和2.2~71.4 m3·h-1和3~7 d, 平均为23.2 mm、6.4 h、2.6 m·h-1、29.5 m3、5.3 m3·h-1、19.0 m3·h-1和4.1 d.
表 1(Table 1)
| 表 1 降雨情况 Table 1 Characteristics of rainfalls investigated | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 1 降雨情况 Table 1 Characteristics of rainfalls investigated
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2.2 监测方法监测期间在高速公路路面径流排水管出口处采集瞬时样品.降雨过程中, 每隔5 min测量一次径流瞬时流量和浊度.流量用标有刻度的容器和秒表测算, 水质浊度用便携式浊度仪(Hach 2100Q)测定.采样覆盖整个径流过程, 前30 min内的采样间隔一般为5~10 min, 随着时间的推移采用间隔逐渐延长, 但最长不超过1.5 h, 具体时间间隔和频率根据径流的流量和浊度大小综合确定(Niu et al., 2015).
2.3 样品分析采样后将样品保存于盛有冰块的冷藏箱中, 并在监测完成后迅速运回实验室.当样品运回实验室后, 立即进行样品的分析测试, 6 h内完成除五日生化需氧量(BOD5)以外的全部指标的测定工作.依据标准方法(APHA et al., 2005)测定了总悬浮物(TSS)、总化学需氧量(TCODCr)、溶解态化学需氧量(SCODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、总氮(TN)、溶解态氮(DTN)、氨氮(NH4-N)、硝态氮(NO3-N)、总磷(TP)等水质指标.过0.45 μm微孔滤膜的水样用于溶解态污染物的测定, 颗粒态污染物的浓度为总浓度与溶解态浓度的差值.悬浮物的测定为重量法, 化学需氧量的测定为重铬酸盐法, 总氮的测定为过硫酸钾消解-紫外分光光度法, 氨氮的测定为苯酚-次氯酸盐分光光度法, 硝态氮的测定为紫外分光光度法、总磷的测定为钼锑抗分光光度法.颗粒物的粒径分布(PSD)情况利用PSS Accusizer 780A激光粒度仪(型号：LE400-0.5 EXT)进行分析：将样品瓶轻轻倒置5~6次后, 取体积为1 mL的代表性样品注入激光粒度分析仪.在测量每一个样品之前, 冲洗激光粒度仪分析系统至少3次, 使颗粒物的背景浓度降至10个·mL-1以下.
2.4 数据分析污染物事件平均浓度或颗粒物事件平均丰度按公式(1)进行计算.
 | (1) |
本文分别采用径流体积-污染物负荷曲线和污染物冲刷累积负荷(WMx)研究污染物的输出情况, 相关计算如下所示(Ma et al., 2002)：
 | (2) |
 | (3) |
2.5 统计分析作图由Microsoft Excel(2016)和Origin(2018)完成, 数据统计分析工作借助IBM SPSS Statistics软件(20.0版)进行, Pearson相关分析被用来检验有关指标之间的相关性.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 高速公路路面径流水质特征图 1为研究区域径流水质特征随降雨历时变化情况.根据7次降雨事件的监测结果, 尽管降雨过程中高速公路路面径流中TSS、TCODCr、TN和TP的浓度具有较大的变化幅度, 但这些污染物的峰值浓度基本上出现在径流开始后的10~30 min内, 且早于峰值流速.国内****对长深高速公路滨州-大高段和渝武高速渝合段的研究表明污染物浓度发生在前10~30 min内(毛彦景等, 2010；王琳等, 2012).但徐明等(2012)对南京禄口高架桥的研究却发现污染物的峰值浓度并不一定会出现在降雨初期, 主要与降雨特征有关.
图 1(Fig. 1)
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| 图 1 径流过程中污染物浓度变化特征 Fig. 1Concentrations of pollutant during rainfall event |
研究区域径流主要污染物事件平均浓度的统计分析结果见表 2.7场降雨径流的TSS、TCODCr、BOD5、TN和TP的EMC的范围分别为13~279、48~298、4~35、1.76~13.08和0.06~1.67 mg·L-1, 均值分别为(95 ±84)、(117±79)、(16±9)、(5.61±3.45)和(0.42± 0.53) mg·L-1, 对应的变异系数为88.8%、67.4%、58.5%、61.5%和126.6%.变异系数均超过了50%, 具有较高的变异性, 表明不同场次降雨径流的水质差别较大.其中, E5的污染物浓度最高, E3则最低.造成E3污染物浓度偏低的主要原因是降雨量和降雨强度非常小, 不能携带大量的污染物进入路面径流.
表 2(Table 2)
| 表 2 研究区域径流主要污染EMC Table 2 EMC of major parameters? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 2 研究区域径流主要污染EMC Table 2 EMC of major parameters?
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径流中的污染物通常会以颗粒物结合态和溶解态存在.根据表 3可知, 径流输出过程中TSS的浓度与TCODCr、TN和TP的浓度之间存在着显著的相关性(TCODCr:r=0.955、p < 0.005; TN: r=0. 624、p < 0.005;TP: r=0.440、p < 0.005).表明研究区域径流发生时有相当数量的有机物和营养盐以颗粒结合态存在.王海邻等(2019)通过对TCODCr、TN和TP与TSS以及电导率的相关性研究发现北京城市主干道的路面径流中有机物和氮主要以溶解态排放, 磷则是以颗粒物结合态排放.本研究还发现研究区域径流中TSS的浓度与50~100 μm的颗粒物的丰度相关性较好, 而TCODCr则与50~125 μm颗粒物的相关性较好.50~100 μm和50~125 μm颗粒物在数量上却仅占全部颗粒物的0.32%±0.32%和0.35%±0.34%.赵剑强等(2001)的研究指出我国西临高速公路径流中的有机物主要以颗粒物结合态迁移.绝大多数研究表明城市路面和高速公路路面径流中都会有相当数量污染物以颗粒结合态存在(陈莹, 2004；毛彦景等, 2010；孙昆鹏等, 2014；王雪梅等, 2014; 赵晓佳等, 2019).因此, 加强径流中颗粒结合态污染物的控制是进行路面径流污染管控的有效途径(Flanagan et al., 2019).根据均值可知, 研究区域路面径流中的颗粒结合态和溶解态化学需氧量的比重分别为0.624和0.376.同时, BOD5占TCODCr的比重仅为0.137.该结果与赵剑强等(2001)的报道类似, BOD5与TCODCr的比值小于0.3, 表明有机物的生物可降解性较差(张自杰, 2000; 毛彦景等, 2010)；因此, 高速公路径流污染控制设施中的生物降解作用将不能对有机污染物起到很好的控制作用.本研究还发现与城市暴雨径流类似(Moore et al., 2011), 高速公路路面径流中NO3-N和NH4-N比重占TN的比重较低, 分别为6.1%和6.2%.
表 3(Table 3)
| 表 3 降雨径流过程中污染物之间以及污染物与颗粒物之间的关系(采用瞬时样品) Table 3 Relationships between pollutants and between pollutants and particles | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 3 降雨径流过程中污染物之间以及污染物与颗粒物之间的关系(采用瞬时样品) Table 3 Relationships between pollutants and between pollutants and particles
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高速公路路面径流中的颗粒物的来源包括道路维护作业、大气沉降、腐蚀和侵蚀以及各种交通活动, 如轮胎磨损、路面磨损、车辆磨损等(Kobriger et al., 1984; Thomson et al., 1997; Legret et al., 1999;Grant et al., 2003).一般来说, 轮胎和路面的摩擦所产生的碎屑是径流中颗粒物的主要来源(Sansalone et al., 1999).据统计有37%来源于路面材料, 37%来源于轮胎碎屑, 18.5%来源于汽车零部件的磨损(Kobriger et al., 1984).本研究共采集了112个瞬时样品, 其颗粒物(0.5~500 μm)的丰度为40901~40160763个·mL-1, 平均为(4282931±7139817)个·mL-1.降雨径流中颗粒物的事件平均丰度则为138047~9172449个·mL-1, 平均为(2386493±2998488)个·mL-1(图 2 a).而7场降雨径流中颗粒物的事件平均丰度的变异系数高达126%, 表示不同的降雨事件之间的颗粒物的丰度差别非常大.颗粒物的大小显著地影响着其在径流过程中的迁移.通常颗粒物越小, 越容易随径流一起移动.监测发现对于粒径小于50 μm的颗粒物, 其PSD的变化可以分为两类(图 2 a).一类是径流过程中的颗粒的浓度随在0.5~1 μm和20~30 μm的范围内分别出现升高、降低、升高和再降低的过程(E1、E5、E6和E7)；另一类是径流中的颗粒物的丰度随着粒径的增大而持续降低(E2、E3和E4).当颗粒粒径大于100 μm时, 不同降雨事件之间的PSD的差异愈发明显.这主要是由于较大粒径颗粒物的数量相对较少, 其在高速公路路面的累积和迁移更容易受到环境境条件(干期长短、交通状况、降雨情况等)的影响(王建龙等, 2012).对比发现高速公路和城市道路路面径流迁移的都主要是粒径＜150 μm的颗粒物(朱伟等, 2008).李淮等(2016)对苏州市路面径流的研究发现在径流开始的5 min内, 150 μm以下的颗粒物最先迁移, 而150 μm以上的一般要在径流开始的10~20 min以后才开始迁移.但是本研究却没有发现这样的时间规律, 主要原因可能与下垫面类型不同有关.从颗粒体积上来看, 0.5~10 μm的颗粒物的体积分数不足3%；但是这些颗粒物在数量上却可以占到90%以上.除了容易随径流迁移外, 小颗粒物还具有较大的表面积, 能够吸附较多的污染物.另外, 除了E2和E4两场降雨外, 降雨过程中颗粒物的峰值丰度均出现在径流开始后的10 min内(图 3).需要注意的是E3为间歇性路面径流过程, 在间歇期可以积累一定量的污染物, 导致径流重新开始后再次出现较高的颗粒物丰度. Li等(2005)对美国西洛杉矶两条高速公路的3监测站点共计6次的监测发现颗粒物的最高浓度出现在径流开始后的1 h内, 随后其浓度迅速下降.
图 2(Fig. 2)
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| 图 2 高速公路路面径流中的颗粒物 Fig. 2Particles from stormwater of highway investigated |
图 3(Fig. 3)
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| 图 3 高速公路路面径流过程中颗粒物丰度变化情况 Fig. 3Particles abundances present in highway stormwater with respect to time through storm event |
通常可以将径流中的颗粒物分为：胶体(0.45~1 μm)、悬浮颗粒(1~25 μm)、可沉淀颗粒(25~75 μm)、沉积物(75~4750 μm)和粗大固体(>4750 μm)(Kim et al., 2008；Piro et al., 2010).按照这样的划分标准, 本研究所涉及的高速径流中粒径在500 μm以下的颗粒中, 胶体在数量上占比为28.9%, 而不可沉降的则占到69.7%.虽然没有研究粒径在500 μm以上颗粒物, 但是500 μm以上的颗粒物在数量上很少且易沉降(Li et al., 2005).所以数量巨大、粒径在25 μm以下的悬浮颗粒物的去除是高速公路径流污染控制的一个重点.根据以往研究, 水力旋流器对粒径小于70 μm的颗粒物的去除效率几乎为零, 干滞留池可以去除57%~75%的 < 8 μm的颗粒物和84%~91%的粒径8~20 μm的颗粒物, 而塘和湿地可以去除84%的 < 2 μm的颗粒物、2%~63%的粒径2~63 μm的颗粒物(Charters et al., 2015).因此, 塘和湿地可能是处理高速公路路面径流的首要选择.
表 4总结了我国、韩国和美国的高速公路径流水质.我国高速公路径流中TSS、TCODCr、TN和TP的EMC的范围一般为3~722、48~2116、0.56~33.70和0.06~167 mg·L-1, 韩国的为23.62~70.51、12.39~64.36、0.61~7.28和0.18~0.76 mg·L-1.美国高速公路路面径流TSS、TCODCr和TP的事件平均浓度的范围为9~466、19~2280和0.1~8.2 mg·L-1.通过对比可以发现：研究区域的径流污染水平比韩国其它高速公路相对要高；除TN外, 和美国的处在类似的浓度水平；中国的高速公路径流污染处在比较高的水平.
表 4(Table 4)
| 表 4 研究区域和其它地区径流污染物EMC对比研究(范围或均值, 单位为mg·L-1) Table 4 Comparison of pollutant EMC of this study with other areas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
表 4 研究区域和其它地区径流污染物EMC对比研究(范围或均值, 单位为mg·L-1) Table 4 Comparison of pollutant EMC of this study with other areas
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3.2 降雨特征对高速公路路面径流水质的影响图 4展示了降雨量对高速公路路面径流中主要污染物(TSS、TCODCr、TN和TP)的EMC的影响.可以发现随着降雨量的增大TSS、TCODCr、TN和TP的EMC先增大后减少.高速公路径流污染物主要来源于降雨前干期的路面积累, 当降雨量在较小的数值范围时, 降雨量越大, 冲刷作用越强, 污染物浓度越大；反之, 当降雨量在数值较大范围内变化时, 由于污染物没有明显的外源补充, 随着水量的增大污染物浓度逐渐降低.Yuan等(2017)对韩国瑞山市的一条高速公路的研究表明当降雨量在小于26.6 mm的范围内变化时, TSS、TCODCr和TP的输出量会随着径流流量的增加而增加.但王海邻等(2019)对北京市城市主干道的研究表明TSS的EMC随降雨量(4.8~108 mm)增大而增大, TCODCr和TN的EMC随降雨量增大而减小, 而TP与降雨量大小没有显著相关性.可见不同地区降雨量对污染物事件平均浓度的影响不尽相同.
图 4(Fig. 4)
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| 图 4 降雨量对径流污染物EMC的影响 Fig. 4Effect of rainfall depth on EMC of stormwater |
Crabtree等(2008)的研究指出路面径流污染物事件平均浓度与降雨强度存在正相关关系; 但陈莹等(2011)和欧阳威等(2010)则发现二者间具有负相关性；也有研究表明TSS、TCODcr、TN和TP的事件平均浓度与降雨强度没有显著相关性(王海邻等, 2019).降雨强度的增大, 使得路面径流的冲刷动能增大, 可以使径流携带更多污染物; 但是过大的降雨强度, 意味着一定时间内, 径流量非常大, 可使径流中污染物浓度降低.本研究发现降雨强度对污染物事件平均浓度的影响作用与降雨量的作用类似(图 5).同时考察降雨过程发现：降雨过程中降雨强度的增大会立即导致径流中污染物的浓度增大, 尤其是在降雨初期；但是过大的降雨强度也会使径流输出过程中污染物的浓度变小.
图 5(Fig. 5)
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| 图 5 降雨强度对径流污染物EMC的影响 Fig. 5Effect of rainfall intensity on EMC of stormwater |
雨前干期也是影响径流污染的重要因素, 通常情况下干期越长, 路面污染物积累越多, 径流污染负荷越高, 污染物浓度越大.但也有研究观察到污染物浓度和干期长短没有直接关系(张千千等, 2012).本研究也发现降雨前干期对径流污染物浓度没有显著的影响(p > 0.05), 可能是由于路面清扫导致污染物不能在路面持续积累.需要指出的是本文只有7次降雨事件, 有可能数据偏少, 相关结论还需要进一步研究.但Wang等(2019)通过41 d的持续研究发现路面污染物在干期积累过程, 尤其是前3 d, 有可能出现负荷量下降的情况.
3.3 高速公路路面径流污染物初期冲刷效应图 6绘制了径流量-污染物负荷关系曲线.可以发现降雨过程中污染物的输出量并不完全与径流体积成比例, 且不同的污染物在同一场降雨或同一种污染物在不同场次降雨之间的冲刷过程存在一定差别, 但绝大多数情况下, 初期降雨径流能够输出较多的污染物, 形成初期冲刷效应.如果污染物的冲刷量与径流量成比例, 则径流-负荷曲线将与等分线重合；如果污染输出负荷比率高于暴雨径流比率, 则曲线将高于等分线.因此, 常用径流-负荷曲线与等分线的偏离程度作为判断初期冲刷现象的标准.这种偏离程度可以用曲线起始端与横轴的角度判断.当角度大于45°时, 就可以认为发生了初期冲刷效应(赵晓佳等, 2019).对于观测的7次降雨事件, 仅有第4场降雨未发生初期冲刷效应.对照降雨场次E3和E4(表 1), 这两场降雨降雨量都非常小, 但是降雨量更小的E3(2.5 mm)却发生了初期冲刷现象, 而降雨量更大的E4(7.5 mm)却没有发生初期冲刷效应.E3属于间歇性降雨(图 1 a), 第一阶段径流速度小, 持续大约1 h后停止, 经过约3 h之后, 第二阶段径流开始, 可能是中间3 h内污染物的积累造成了E3初期冲刷现象的发生.但对于间歇性的路面径流过程是否更有助于初期冲刷效应的发生还需要进一步明确.Stenstrom等(2001)等对降雨量在1.3~95.7 mm范围时Los Angeles某条高速公路污染物输出过程进行了研究, 发现初期冲刷现象明显.李俊奇等(2010)研究了28 mm和17.4 mm两种降雨条件下京承高速北京-密云段的初期冲刷现象, 观察到即使在相同的降雨量下也并不是所有的路段都会发生明显的初期冲刷效应, 也并不是降雨量越大初期冲刷现象就越明显.至于本研究中E4未发生初期冲刷效应的原因尚不明确, 需进一步探究.路面径流污染物的初期冲刷效应还与路面材质有关, 水泥等硬质路面较容易发生明显的初期冲刷效应, 而沥青路面(柔性路面)则不易发生初期冲刷效应(张香丽等, 2018; 赵晓佳等, 2019).沥青路面不易发生初期冲刷效应的原因可能有两个方面.一方面, 沥青路面易老化、耐水性差, 存在水损现象(陶东, 2011), 在机动车等作用下磨损所产生的路面材料会作为污染物而持续输出；另一方面, 使用一段时间后, 沥青路面表面会变得粗糙, 径流过程中可以对颗粒物起到一定的迟滞作用.
图 6(Fig. 6)
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| 图 6 研究区域污染物累积负荷量随累积径流量的变化情况 Fig. 6Change of cumulative pollutant load with respect to cumulative volume |
为了更好地研究污染物的冲刷机制, 计算了降雨过程污染物的累积负荷百分比(图 7).前10%、20%、30%、50%和70%的径流所携带的TSS负荷量为22%±12%、35%±16%、46%±15%、64%±14%和82%±9%, TCODCr的为30%±17%、44%±19%、54%±17%、67%±11%和84%±9%, TN的为25%±14%、36%±15%、47%±13%、58%±16%和78%±8%, TP则为24%±10%、39%±13%、52%±12%、67%±12%和81%±8%.通过比较发现, 对于WM10、WM20、WM30和WM50则分别有TCODCr>TN>TP>TSS、TCODCr>TP>TN>TSS、TCODCr>TP>TN>TSS和TCODCr=TP>TSS>TN.这表明研究区域径流过程中有机物的输出能力要大于颗粒和营养盐, 前10%的径流对氮的输出能力要比磷和悬浮物强, 而10%~50%之间的径流则对磷的输出能力要超过氮和悬浮物.文献多关注30%的径流所输出的污染物负荷.武汉市降雨初期30%的径流对污染物的输出量介于40%~72%, 其中TSS的最高, 平均为62%(Li et al., 2007).天津市中心城区30%的径流量所携带的TSS和TCODCr分别为31.23%和31.18%.京承高速高速公路30%的径流量所输出的污染物的负荷量大约在30%~70%之间, 而本研究的则是在22%~81%之间.从面源污染控制的角度来看, 本文所研究的高速公路路段如果能截留70%的径流, 则可以减少82%的悬浮物、84%的有机物、78%的氮和81%的磷排放.
图 7(Fig. 7)
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| 图 7 污染物的累计负荷量 Fig. 7Cumulative ratios of pollutant load |
4 结论(Conclusions)1) 平泽高速公路路面径流TSS、TCODCr、BOD5、TN和TP的事件平均浓度分别为13~279、48~298、4~35、1.76~13.08和0.06~1.67 mg·L-1, 均值为(95±84)、(117±79)、(16±9)、(5.61±3.45)和(0.42±0.53) mg·L-1, 对应的颗粒物的事件平均丰度为40901~40160763个·mL-1, 平均为(4282931±7139817)个·mL-1.污染物的事件平均浓度与降雨量和降雨强度有关, 当降雨量和降雨强度过小和过大时, 污染物的事件平均浓度都会比较低.
2) 高速公路路面径流中有机物和营养盐主要以颗粒物结合态存在, 通过对颗粒物的控制可以起到有效的控污作用.由于生化需氧量在化学需氧量中的比重较小, 高速公路路面径流控制设施中的生物降解作用将不能对有机污染物起到明显的削减作用.
3) 污染物的峰值浓度主要出现在径流开始后的前10~30 min内, 导致初期冲刷效应频发, 前30%的径流可以携带50%左右的污染物.如果按照面源污染管理与控制的要求, 削减80%的悬浮物, 应截留70%的径流, 同时还可以减少84%的有机物、78%的氮和81%的磷排放.
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