道路径流差异性对面源污染控制的影响

李敦柱  刘安  李思远  管运涛

(1．清华大学环境学院，北京100084：2．清华大学深圳研究生院，国家环境保护环境微生物利用与安全控制重点实验室，广东深圳518055：3．京都大学一清华大学环境教育与研究中心，广东深圳518055)

  摘要：不同材料道路径流污染规律差异显著，基于PROMETHEE多变量决策分析软件对2013年深圳市同一道路沥青和水泥2种典型材料路段4场降雨径流水质指标的分析发现，沥青道路径流水质总体上劣于水泥道路，说明城市道路面源污染控制设施应重点针对沥青道路布设；2种道路径流具有不同类型优势污染物，故不同道路径流污染控制设施选择须有针对性；与水泥道路相比，沥青道路径流水质更易随着降雨类型的变化而变化，因此选择合适的降雨类型是沥青道路径流污染控制措施设计的关键步骤；电导率EC与沥青道路径流中DOC、S042--S和TN等溶解态指标相关性很高，其相关系数均高于0.95，是沥青道路径流溶解态污染物理想的指示性指标，可为面源污染控制设施设计与评估提供支撑。

  关键词：道路径流；面源污染控制；沥青；水泥；多变量决策分析；电导率

  道路径流是城市地表径流中污染程度最高的部分，严重影响着城市水体水质。自20世纪70年代以来，国内外已经对道路径流污染开展了大量研究，主要涉及道路径流特征、道路径流水质与降雨强度、雨前干期天数、交通流量和土地利用类型等的关系以及城市道路径流污染控制技术。但是，针对不同材料道路雨水径流的差异性关注较少。目前，中国的机动车道材料主要为沥青和水泥，统计显示我国二级道路中水泥道路约占67%，而高速公路则主要采用沥青道路。选择沥青和水泥道路开展道路径流研究，具有很高的代表性。

  道路径流污染控制设施设计过程中，降雨类型的选择是关键。雨型选择失当会导致雨水处理装置的浪费或效能不足。目前，降雨类型与不同材料道路径流水质的响应关系尚不明确，因此在面源污染研究中，有必要探究雨型与典型材料道路的响应关系，合理确定面源污染处理装置设计中应该选用的降雨类型，进而提高雨水处理实施的利用效率。

  道路径流污染治理中，需控制的污染物种类多样，来源复杂。利用污染物之间的相关性可解析不同材料道路径流各污染物来源与赋存形态，进而将多种污染物合理分类，有效提高污染物控制的针对性。此外，利用相关性还可以明确降雨径流污染的形成过程，解析其冲刷规律，进而优化道路径流污染控制措施。目前，沥青路道路中部分污染物的相关关系已得到关注，Liu等和任玉芬等研究发现，COD和TP的浓度与SS的含量相关性较好，尹澄清研究指出SS是TP、COD等污染物的载体，他们具有相似的冲刷过程。但是水泥道路径流污染物的相关性尚未得到关注，沥青道路溶解态污染物的相关关系研究也较少。针对沥青与水泥道路径流各污染物相关性开展研究，可增强典型材料道路不同类型污染治理的针对性，进而提升道路径流污染控制效率。

  本文通过研究同一道路的沥青和水泥道路降雨径流污染特征，重点利用多变量决策分析法比较研究两种典型材料道路径流水质与降雨类型的响应关系，明确各污染物指标之间的相关性，力求明确道路径流差异性对面源污染控制的影响，旨在为城市道路面源污染评估、监测与治理提供理论支持。

1材料与方法

1.1样品采集

采样点共设2个，分别位于深圳市某路沥青与水泥道路结合部两侧的排水口，如图l所示。本研究选择同一条道路不同材料路段，保证了交通流量、干湿沉降、道路清扫等多种因素的一致性，此外结合部位突起的地形有效避免了2种道路径流的混合，有利于研究的展开。调查区域内沥青道路雨水口汇水面积是150m2，沥青道路构造深度是0.78 mm(构造深度是指一定面积的路表面凹凸不平的开口孔隙的平均深度）；水泥道路的汇水面积是110 m2，构造深度是0.37 mm。周围主要土地利用类型为校园和交通用地。道路为双向2车道。日交通流量约为1500辆。道路清扫方式为人工打扫，清扫频率为1次／d。

径流样品采集采用聚四氟乙烯塑料瓶，自降雨产流开始采样。初始30 min内，间隔5min采样1次；30—60 min内，间隔10 min采样1次；60 min后，间隔20 min采样1次。共监测到4场降雨事件，表1给出了4场降雨事件的降雨特征。可以看出，4场降雨的平均降雨强度分别为28.8、16.1、5.4、2.4 mm/h，符合暴雨、大雨、中雨、小雨的划分标准，说明本研究4场降雨事件具有很好的代表性，为研究结果提供了可靠性保证。

1.2水样分析方法

  水样分析项目包括pH值、电导率(EC)、悬浮颗粒物悬浮颗粒物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮( NH4+-N)、硝态氮(N03- -N)、总氮(TN)、总磷(TP)、硫酸盐硫（S 042--S）、溶解性有机碳(DOC)。各个指标的检测方法为：pH和电导率(EC)（采用便携式水质参数仪现场测定）；N03 -N、S 042--S（离子色谱法）；SS(干燥称重法)；COD(重铬酸钾快速消解法)；NH4+-N（纳氏试剂比色法）；TN（过硫酸钾氧化一紫外分光光度法）；TP(钼酸铵分光光度法)；DOC(TOC测定仪)。

1.3数据分析方法

EMC( event mean concentration)有利于评价降雨径流总体特性，本文使用EMC对沥青道路与水泥道路径流水质进行总体分析。EMC值计算公式见式(1):

  式(1)中：EMC为场次降雨径流污染物平均浓度，mg/L;V为径流总体积，m3;M为产物量，g；Ct为间隔时间内污染物浓度，mg/L；Ft为间隔时间内降雨量，mm/h；At为间隔时间，min。

  同时，文中重点引入PROMETHEE研究2种道路径流水质与降雨类型的响应关系、分析径流中不同污染物之间的相关性。GAIA是PROMETHEE的重要呈现形式之一，在GAIA图中，Quality值代表该GAIA图所解释数据信息量的百分比，当Quality值超过60%说明数据信息可靠。本研究中矢量轴代表径流水质指标（如EC和SS），散点代表样品。矢量轴之间夹角为锐角表示指标间有较强的正相关性，直角代表无相关性，而钝角代表负相关；当散点与某些指标矢量轴的方向一致时，说明这些样品与该指标有强相关性，反之则弱；当样品散点聚集，说明这些样品的特性相似，当它们分散时，说明其特性有差异。GAIA图的详细解释可参考Espinasse等的研究。本文中应用Visual PROMETHEE l.3作为多变量决策分析软件。

2结果与讨论

2.1径流水质总体特征及其对雨水设施选择的影响

表2给出了4场降雨9种水质指标的EMC值、4场降雨EMC平均值、相对标准方差以及国家地表水环境质量V类标准。通过分析各水质参数EMC值的相对标准方差可知，水泥道路径流pH值略高于沥青道路，但二者均介于6—9之间，不会对受纳水体构成威胁。本研究采集的4场天然降雨pH值均低于5.6，但2种材料道路径流均呈现中性，说明道路对酸性降雨具有较强的缓冲作用。比较其他指标，可以发现，除pH值外，所有水质参数的RSD均大于10%，说明随着降雨类型的不同，2种道路径流水质变化幅度均较大。比较发现，沥青和水泥道路径流中COD及沥青道路径流中TN的EMC值均超过国家地表水环境质量V类标准，需要在面源污染控制中得到特别关注。

  对比2种材料道路径流发现，沥青道路径流中COD、TP、TN、NH4+-N和DOC的EMC平均值分别为水泥道路的1.67倍、1.29倍、2.33倍、2.59倍和1.48倍，说明沥青道路径流水质总体上劣于水泥道路，基于此，城市道路面源污染控制措施应该主要针对沥青道路，相关设施布放位置应尽量靠近沥青道路。但水泥道路径流中SS的EMC均值为沥青道路的1.35倍，说明水泥道路中优势污染物(SS)也不容忽视。基于此，在面源污染控制措施的选择中必须对不同材料道路径流差异性加以考虑。由于COD有较大比例为颗粒态，且颗粒物(SS)为水泥道路径流首要控制污染物，因此针对水泥道路径流控制时，应优先选择可有效去除颗粒物的雨水设施（如快速过滤、旋流技术等）；沥青道路径流中严重超标的氮类污染物多以溶解态形式存在，初步的过滤拦截不足以有效去除此类污染物，故含有生物脱氮（如人工湿地）、物理吸氮（如沸石）功能的雨水设施比较适用于沥青道路。

2.2 2种道路径流水质与降雨类型的关系及其对雨水处理设施设计的影响

图2是所有径流样品的GAIA图，Quality值分析结果是89.3%，说明该图解释了绝大部分的数据信息，因此分析结果可靠。

  从图2降雨场次分布状况来看，水泥道路散点聚集，而沥青道路散点分散，这说明与水泥道路相比，沥青道路径流水质随着降雨类型的改变变化更为明显，即沥青道路径流水质与降雨类型关系密切，而水泥道路径流水质与降雨类型关系相对较弱。其差异的根本原因是2种道路结构和材料的不同。本研究中，沥青道路的构造深度是0.78 mm，水泥道路的构造深度是0.37 mm，沥青道路的构造深度是水泥道路的2.1倍，说明沥青道路的坑槽远多于水泥道路。这些坑槽会增加轮胎等的磨损，便于颗粒物蓄积，同时增大清扫的难度。加之沥青道路材料是由不同分子量的碳氢化合物及其衍生物组成的黑褐色复杂混合物，在高温和雨水的双重作用下，沥青的粘结力降低，最终老化分解，使沥青与混合料剥离。这些因素促使沥青道路累积的污染物远多与水泥道路，容易在降雨径流中形成高浓度污染物进而使沥青与水泥道路在不同降雨条件下表现出不同的冲刷规律。

结合箱线图（图3）可以进一步明确2种道路各水质指标与降雨类型之间的关系。图3(a)~(i)是不同降雨类型9种水质指标的箱线图。对比发现，水泥道路径流主要水质指标在不同降雨条件下的最大值与均值变化幅度均不明显，即水泥道路径流水质与降雨响应关系较弱。而沥青道路径流水质在不同雨型条件下则存在显著差异。小雨时，沥青道路径流9种水质指标的最大值与变化幅度均远低于其他3种类型降雨，说明小雨时，沥青道路径流水质差异较小，而其他3种降雨条件下，沥青道路径流水质则存在差异显著。据此，在较大强度降雨条件下，根据径流水质的差异进行分质截留可以提高道路径流处理效率；中雨条件下，沥青道路径流水质的最大值与变化幅度均与大雨、暴雨时大致相当，但中雨时沥青道路径流9种水质指标的中值却明显高于其它3种类型降雨，以TN为例，中雨时沥青道路径流的TN中值分别是暴雨、大雨和小雨时的1.7倍、2.1倍和2.2倍，可以推测，中雨条件下沥青道路径流对受纳水体的短期冲击效应更加显著；从污染负荷总量来看，大雨和暴雨时道路径流污染负荷明显高于其他雨型，以TN、TP和COD计算，大雨和暴雨时道路径流产污负荷均超过中雨和小雨产污负荷的1.5倍，即从污染物总量控制角度出发，大雨和暴雨更值得关注。从沥青道路径流对降雨类型的响应关系来看，在针对沥青道路设计相关的城市道路面源污染控制措施时，必须重点考虑降雨类型对道路径流水质、污染物负荷的影响。因此基于不同的控制目标，合理的选择降雨类型，就成为设计城市沥青道路面源污染控制措施的关键步骤。

2.3 2种材料道路不同水质指标的相关性研究

  如图2所示，水质指标矢量轴明显分为Gl、G2两部分。其中，Gl部分包含COD、SS和TP 3种水质指标，G2部分包含EC、TN、NH4+-N、N03- -N、S042--S和DOC 6种水质指标。Gl和G2部分内部各水质指标矢量轴夹角很小，说明两部分各水质指标之间存在较强的正相关性。Gl部分COD，SS和TP之间显著的正相关性说明颗粒物(SS)是营养元素(P)和耗氧物质(COD)的重要载体，这与蒋沂孜等研究结果一致。这说明在COD、TP等污染物的控制过程中，有效去除SS是关键步骤；Nandika[舯1研究显示，TN虽有多种赋存形态，但其主要以溶解态形式存在，而EC、NH4+-N、N03- -N、S042--S和DOC均为溶解态指标，即G2区域内指标均为溶解态污染物。G2区域内各指标的正相关性说明6种污染物存在相似的冲刷过程；Gl和G2分居PC1轴两端，显示溶解态与颗粒态污染物冲刷过程存在显著差异。

  基于2类不同形态污染物的相关性，结合SPSS18.0软件，可定量研究2种道路径流各水质指标的相关性，发掘潜在指示性水质指标，简化道路径流水质监测过程。

  表3给出了2种材料道路9种主要水质指标的相关系数。从表中可以看出，以颗粒态为主要存在形式的COD，TP与SS的相关系数均介于0.7～0.73，说明3种水质指标中度相关。COD、TP同时存在溶解态组成部分，这导致3种指标的相关系数低于0.73，不能较好地相互表征；以溶解态为主要存在形式的EC、TN、NI-Li+-N、N03_ -N、DOC、S042--S指标之间相关系数均在0.84以上，说明各溶解态水质指标之间高度相关。值得关注的是，最大的相关系数总出现在EC与几种溶解性水质指标之间，EC与DOC、S042--S、TN的相关系数分别高达0.928、0.923、0.917。电导率EC是水分析化学的重要指标之一，其检测过程廉价快捷，

基于上述原因，EC可能是溶解性污染物较好的间接指示指标。

  表3显示，DOC与EC相关性最高。相关研究表明当有机质越多，相应的胶体也越多，也越有利于胶体对离子的吸附，相应的电导率也越高。Monteiro等的研究显示，在河水中利用EC来表征DOC是可行的。图4(a)、(b)给出了2种道路径流中EC与DOC相关关系的拟合结果。从图中可以看出，2种道路径流DOC与EC的相关系数均在0.94以上，这表明利用EC来表征DOC是可行的。

EC与S042--S、TN高度相关的原因可用全盐量与EC之间的关系来说明。溶液EC主要受含盐量影响，道路径流可以看作混合盐类溶液，以溶解态为主要存在形式的TN可以近似看作NH4+-N和N03- -N之和，当S042--S、TN含量增加时，道路径流的盐浓度随之增加。王伟等的研究显示，对于同一类型水样，当其盐浓度升高时，EC也随之升高，可以推测EC与S042--S、TN存在正相关性。图4(c)~(f)给出EC与S042--S、TN相关关系的拟合结果，从图中可以看出，沥青道路径流EC与S042--S、TN的关系相关系数均为0.95，而水泥道路径流相应的相关系数均低于0.80，2种道路径流拟合结果存在显著差异。这是由于盐溶液浓度越高时，其与EC的相关性越好，沥青道路径流污染物浓度远高于水泥道路，从而导致其拟合结果优于水泥道路。因此，EC可以作为沥青道路径流水质监测中溶解态污染物理想的指示性指标，而不宜作为水泥道路径流监测的指示性指标。

3结论

  通过对比研究沥青和水泥道路降雨径流水质特点，针对降雨类型与道路径流的响应关系及各水质指标的相关性展开分析讨论，并寻找不同材料道路溶解性污染物的指示性指标。

  (1)沥青道路径流水质与水泥道路存在明显差异，前者倾向于产生较高污染的径流水质，说明城市道路面源污染控制设施应该主要针对沥青道路布设；2种道路径流优势污染物存在显著差异，在面源污染控制措施的选择中必须对此加以考虑。

  (2)与水泥道路相比，沥青道路径流水质更易随着降雨类型的变化而变化，因此如何选择合适的降雨类型，尤其是针对沥青道路，就成为设计城市道路面源污染控制措施的关键步骤。

  (3)电导率EC与2种材料道路径流各溶解态污染物均具有一定的相关性，其中EC与沥青道路径流中DOC、S 042--S、TN等指标高度相关，其相关系数均高于0.95，是城市沥青道路径流水质监测中理想的指示性指标，可为面源污染控制设施设计与评估提供支撑。