道路徑流差異性對(duì)面源污染控制的影響
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李敦柱 劉安 李思遠(yuǎn) 管運(yùn)濤
(1．清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京100084：2．清華大學(xué)深圳研究生院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境微生物利用與安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518055：3．京都大學(xué)一清華大學(xué)環(huán)境教育與研究中心，廣東深圳518055)
摘要：不同材料道路徑流污染規(guī)律差異顯著，基于PROMETHEE多變量決策分析軟件對(duì)2013年深圳市同一道路瀝青和水泥2種典型材料路段4場(chǎng)降雨徑流水質(zhì)指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，瀝青道路徑流水質(zhì)總體上劣于水泥道路，說(shuō)明城市道路面源污染控制設(shè)施應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)瀝青道路布設(shè)；2種道路徑流具有不同類型優(yōu)勢(shì)污染物，故不同道路徑流污染控制設(shè)施選擇須有針對(duì)性；與水泥道路相比，瀝青道路徑流水質(zhì)更易隨著降雨類型的變化而變化，因此選擇合適的降雨類型是瀝青道路徑流污染控制措施設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟；電導(dǎo)率EC與瀝青道路徑流中DOC、S042--S和TN等溶解態(tài)指標(biāo)相關(guān)性很高，其相關(guān)系數(shù)均高于0.95，是瀝青道路徑流溶解態(tài)污染物理想的指示性指標(biāo)，可為面源污染控制設(shè)施設(shè)計(jì)與評(píng)估提供支撐。
關(guān)鍵詞：道路徑流；面源污染控制；瀝青；水泥；多變量決策分析；電導(dǎo)率
道路徑流是城市地表徑流中污染程度最高的部分，嚴(yán)重影響著城市水體水質(zhì)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)道路徑流污染開(kāi)展了大量研究，主要涉及道路徑流特征、道路徑流水質(zhì)與降雨強(qiáng)度、雨前干期天數(shù)、交通流量和土地利用類型等的關(guān)系以及城市道路徑流污染控制技術(shù)。但是，針對(duì)不同材料道路雨水徑流的差異性關(guān)注較少。目前，中國(guó)的機(jī)動(dòng)車道材料主要為瀝青和水泥，統(tǒng)計(jì)顯示我國(guó)二級(jí)道路中水泥道路約占67%，而高速公路則主要采用瀝青道路。選擇瀝青和水泥道路開(kāi)展道路徑流研究，具有很高的代表性。
道路徑流污染控制設(shè)施設(shè)計(jì)過(guò)程中，降雨類型的選擇是關(guān)鍵。雨型選擇失當(dāng)會(huì)導(dǎo)致雨水處理裝置的浪費(fèi)或效能不足。目前，降雨類型與不同材料道路徑流水質(zhì)的響應(yīng)關(guān)系尚不明確，因此在面源污染研究中，有必要探究雨型與典型材料道路的響應(yīng)關(guān)系，合理確定面源污染處理裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)該選用的降雨類型，進(jìn)而提高雨水處理實(shí)施的利用效率。
道路徑流污染治理中，需控制的污染物種類多樣，來(lái)源復(fù)雜。利用污染物之間的相關(guān)性可解析不同材料道路徑流各污染物來(lái)源與賦存形態(tài)，進(jìn)而將多種污染物合理分類，有效提高污染物控制的針對(duì)性。此外，利用相關(guān)性還可以明確降雨徑流污染的形成過(guò)程，解析其沖刷規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化道路徑流污染控制措施。目前，瀝青路道路中部分污染物的相關(guān)關(guān)系已得到關(guān)注，Liu等和任玉芬等研究發(fā)現(xiàn)，COD和TP的濃度與SS的含量相關(guān)性較好，尹澄清研究指出SS是TP、COD等污染物的載體，他們具有相似的沖刷過(guò)程。但是水泥道路徑流污染物的相關(guān)性尚未得到關(guān)注，瀝青道路溶解態(tài)污染物的相關(guān)關(guān)系研究也較少。針對(duì)瀝青與水泥道路徑流各污染物相關(guān)性開(kāi)展研究，可增強(qiáng)典型材料道路不同類型污染治理的針對(duì)性，進(jìn)而提升道路徑流污染控制效率。
本文通過(guò)研究同一道路的瀝青和水泥道路降雨徑流污染特征，重點(diǎn)利用多變量決策分析法比較研究?jī)煞N典型材料道路徑流水質(zhì)與降雨類型的響應(yīng)關(guān)系，明確各污染物指標(biāo)之間的相關(guān)性，力求明確道路徑流差異性對(duì)面源污染控制的影響，旨在為城市道路面源污染評(píng)估、監(jiān)測(cè)與治理提供理論支持。
1材料與方法
1.1樣品采集
采樣點(diǎn)共設(shè)2個(gè)，分別位于深圳市某路瀝青與水泥道路結(jié)合部?jī)蓚?cè)的排水口，如圖l所示。本研究選擇同一條道路不同材料路段，保證了交通流量、干濕沉降、道路清掃等多種因素的一致性，此外結(jié)合部位突起的地形有效避免了2種道路徑流的混合，有利于研究的展開(kāi)。調(diào)查區(qū)域內(nèi)瀝青道路雨水口匯水面積是150m2，瀝青道路構(gòu)造深度是0.78 mm(構(gòu)造深度是指一定面積的路表面凹凸不平的開(kāi)口孔隙的平均深度）；水泥道路的匯水面積是110 m2，構(gòu)造深度是0.37 mm。周圍主要土地利用類型為校園和交通用地。道路為雙向2車道。日交通流量約為1500輛。道路清掃方式為人工打掃，清掃頻率為1次／d。
徑流樣品采集采用聚四氟乙烯塑料瓶，自降雨產(chǎn)流開(kāi)始采樣。初始30 min內(nèi)，間隔5min采樣1次；30—60 min內(nèi)，間隔10 min采樣1次；60 min后，間隔20 min采樣1次。共監(jiān)測(cè)到4場(chǎng)降雨事件，表1給出了4場(chǎng)降雨事件的降雨特征。可以看出，4場(chǎng)降雨的平均降雨強(qiáng)度分別為28.8、16.1、5.4、2.4 mm/h，符合暴雨、大雨、中雨、小雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明本研究4場(chǎng)降雨事件具有很好的代表性，為研究結(jié)果提供了可靠性保證。
1.2水樣分析方法
水樣分析項(xiàng)目包括pH值、電導(dǎo)率(EC)、懸浮顆粒物懸浮顆粒物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮( NH4+-N)、硝態(tài)氮(N03- -N)、總氮(TN)、總磷(TP)、硫酸鹽硫（S 042--S）、溶解性有機(jī)碳(DOC)。各個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)方法為：pH和電導(dǎo)率(EC)（采用便攜式水質(zhì)參數(shù)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定）；N03 -N、S 042--S（離子色譜法）；SS(干燥稱重法)；COD(重鉻酸鉀快速消解法)；NH4+-N（納氏試劑比色法）；TN（過(guò)硫酸鉀氧化一紫外分光光度法）；TP(鉬酸銨分光光度法)；DOC(TOC測(cè)定儀)。
1.3數(shù)據(jù)分析方法
EMC( event mean concentration)有利于評(píng)價(jià)降雨徑流總體特性，本文使用EMC對(duì)瀝青道路與水泥道路徑流水質(zhì)進(jìn)行總體分析。EMC值計(jì)算公式見(jiàn)式(1):
式(1)中：EMC為場(chǎng)次降雨徑流污染物平均濃度，mg/L;V為徑流總體積，m3;M為產(chǎn)物量，g；Ct為間隔時(shí)間內(nèi)污染物濃度，mg/L；Ft為間隔時(shí)間內(nèi)降雨量，mm/h；At為間隔時(shí)間，min。
同時(shí)，文中重點(diǎn)引入PROMETHEE研究2種道路徑流水質(zhì)與降雨類型的響應(yīng)關(guān)系、分析徑流中不同污染物之間的相關(guān)性。GAIA是PROMETHEE的重要呈現(xiàn)形式之一，在GAIA圖中，Quality值代表該GAIA圖所解釋數(shù)據(jù)信息量的百分比，當(dāng)Quality值超過(guò)60%說(shuō)明數(shù)據(jù)信息可靠。本研究中矢量軸代表徑流水質(zhì)指標(biāo)（如EC和SS），散點(diǎn)代表樣品。矢量軸之間夾角為銳角表示指標(biāo)間有較強(qiáng)的正相關(guān)性，直角代表無(wú)相關(guān)性，而鈍角代表負(fù)相關(guān)；當(dāng)散點(diǎn)與某些指標(biāo)矢量軸的方向一致時(shí)，說(shuō)明這些樣品與該指標(biāo)有強(qiáng)相關(guān)性，反之則弱；當(dāng)樣品散點(diǎn)聚集，說(shuō)明這些樣品的特性相似，當(dāng)它們分散時(shí)，說(shuō)明其特性有差異。GAIA圖的詳細(xì)解釋可參考Espinasse等的研究。本文中應(yīng)用Visual PROMETHEE l.3作為多變量決策分析軟件。
2結(jié)果與討論
2.1徑流水質(zhì)總體特征及其對(duì)雨水設(shè)施選擇的影響
表2給出了4場(chǎng)降雨9種水質(zhì)指標(biāo)的EMC值、4場(chǎng)降雨EMC平均值、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差以及國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)分析各水質(zhì)參數(shù)EMC值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差可知，水泥道路徑流pH值略高于瀝青道路，但二者均介于6—9之間，不會(huì)對(duì)受納水體構(gòu)成威脅。本研究采集的4場(chǎng)天然降雨pH值均低于5.6，但2種材料道路徑流均呈現(xiàn)中性，說(shuō)明道路對(duì)酸性降雨具有較強(qiáng)的緩沖作用。比較其他指標(biāo)，可以發(fā)現(xiàn)，除pH值外，所有水質(zhì)參數(shù)的RSD均大于10%，說(shuō)明隨著降雨類型的不同，2種道路徑流水質(zhì)變化幅度均較大。比較發(fā)現(xiàn)，瀝青和水泥道路徑流中COD及瀝青道路徑流中TN的EMC值均超過(guò)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)，需要在面源污染控制中得到特別關(guān)注。
對(duì)比2種材料道路徑流發(fā)現(xiàn)，瀝青道路徑流中COD、TP、TN、NH4+-N和DOC的EMC平均值分別為水泥道路的1.67倍、1.29倍、2.33倍、2.59倍和1.48倍，說(shuō)明瀝青道路徑流水質(zhì)總體上劣于水泥道路，基于此，城市道路面源污染控制措施應(yīng)該主要針對(duì)瀝青道路，相關(guān)設(shè)施布放位置應(yīng)盡量靠近瀝青道路。但水泥道路徑流中SS的EMC均值為瀝青道路的1.35倍，說(shuō)明水泥道路中優(yōu)勢(shì)污染物(SS)也不容忽視�；诖�，在面源污染控制措施的選擇中必須對(duì)不同材料道路徑流差異性加以考慮。由于COD有較大比例為顆粒態(tài)，且顆粒物(SS)為水泥道路徑流首要控制污染物，因此針對(duì)水泥道路徑流控制時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇可有效去除顆粒物的雨水設(shè)施（如快速過(guò)濾、旋流技術(shù)等）；瀝青道路徑流中嚴(yán)重超標(biāo)的氮類污染物多以溶解態(tài)形式存在，初步的過(guò)濾攔截不足以有效去除此類污染物，故含有生物脫氮（如人工濕地）、物理吸氮（如沸石）功能的雨水設(shè)施比較適用于瀝青道路。
2.2 2種道路徑流水質(zhì)與降雨類型的關(guān)系及其對(duì)雨水處理設(shè)施設(shè)計(jì)的影響
圖2是所有徑流樣品的GAIA圖，Quality值分析結(jié)果是89.3%，說(shuō)明該圖解釋了絕大部分的數(shù)據(jù)信息，因此分析結(jié)果可靠。
從圖2降雨場(chǎng)次分布狀況來(lái)看，水泥道路散點(diǎn)聚集，而瀝青道路散點(diǎn)分散，這說(shuō)明與水泥道路相比，瀝青道路徑流水質(zhì)隨著降雨類型的改變變化更為明顯，即瀝青道路徑流水質(zhì)與降雨類型關(guān)系密切，而水泥道路徑流水質(zhì)與降雨類型關(guān)系相對(duì)較弱。其差異的根本原因是2種道路結(jié)構(gòu)和材料的不同。本研究中，瀝青道路的構(gòu)造深度是0.78 mm，水泥道路的構(gòu)造深度是0.37 mm，瀝青道路的構(gòu)造深度是水泥道路的2.1倍，說(shuō)明瀝青道路的坑槽遠(yuǎn)多于水泥道路。這些坑槽會(huì)增加輪胎等的磨損，便于顆粒物蓄積，同時(shí)增大清掃的難度。加之瀝青道路材料是由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌溲苌锝M成的黑褐色復(fù)雜混合物，在高溫和雨水的雙重作用下，瀝青的粘結(jié)力降低，最終老化分解，使瀝青與混合料剝離。這些因素促使瀝青道路累積的污染物遠(yuǎn)多與水泥道路，容易在降雨徑流中形成高濃度污染物進(jìn)而使瀝青與水泥道路在不同降雨條件下表現(xiàn)出不同的沖刷規(guī)律。
結(jié)合箱線圖（圖3）可以進(jìn)一步明確2種道路各水質(zhì)指標(biāo)與降雨類型之間的關(guān)系。圖3(a)~(i)是不同降雨類型9種水質(zhì)指標(biāo)的箱線圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水泥道路徑流主要水質(zhì)指標(biāo)在不同降雨條件下的最大值與均值變化幅度均不明顯，即水泥道路徑流水質(zhì)與降雨響應(yīng)關(guān)系較弱。而瀝青道路徑流水質(zhì)在不同雨型條件下則存在顯著差異。小雨時(shí)，瀝青道路徑流9種水質(zhì)指標(biāo)的最大值與變化幅度均遠(yuǎn)低于其他3種類型降雨，說(shuō)明小雨時(shí)，瀝青道路徑流水質(zhì)差異較小，而其他3種降雨條件下，瀝青道路徑流水質(zhì)則存在差異顯著。據(jù)此，在較大強(qiáng)度降雨條件下，根據(jù)徑流水質(zhì)的差異進(jìn)行分質(zhì)截留可以提高道路徑流處理效率；中雨條件下，瀝青道路徑流水質(zhì)的最大值與變化幅度均與大雨、暴雨時(shí)大致相當(dāng)，但中雨時(shí)瀝青道路徑流9種水質(zhì)指標(biāo)的中值卻明顯高于其它3種類型降雨，以TN為例，中雨時(shí)瀝青道路徑流的TN中值分別是暴雨、大雨和小雨時(shí)的1.7倍、2.1倍和2.2倍，可以推測(cè)，中雨條件下瀝青道路徑流對(duì)受納水體的短期沖擊效應(yīng)更加顯著；從污染負(fù)荷總量來(lái)看，大雨和暴雨時(shí)道路徑流污染負(fù)荷明顯高于其他雨型，以TN、TP和COD計(jì)算，大雨和暴雨時(shí)道路徑流產(chǎn)污負(fù)荷均超過(guò)中雨和小雨產(chǎn)污負(fù)荷的1.5倍，即從污染物總量控制角度出發(fā)，大雨和暴雨更值得關(guān)注。從瀝青道路徑流對(duì)降雨類型的響應(yīng)關(guān)系來(lái)看，在針對(duì)瀝青道路設(shè)計(jì)相關(guān)的城市道路面源污染控制措施時(shí)，必須重點(diǎn)考慮降雨類型對(duì)道路徑流水質(zhì)、污染物負(fù)荷的影響。因此基于不同的控制目標(biāo)，合理的選擇降雨類型，就成為設(shè)計(jì)城市瀝青道路面源污染控制措施的關(guān)鍵步驟。
2.3 2種材料道路不同水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性研究
如圖2所示，水質(zhì)指標(biāo)矢量軸明顯分為Gl、G2兩部分。其中，Gl部分包含COD、SS和TP 3種水質(zhì)指標(biāo)，G2部分包含EC、TN、NH4+-N、N03- -N、S042--S和DOC 6種水質(zhì)指標(biāo)。Gl和G2部分內(nèi)部各水質(zhì)指標(biāo)矢量軸夾角很小，說(shuō)明兩部分各水質(zhì)指標(biāo)之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性。Gl部分COD，SS和TP之間顯著的正相關(guān)性說(shuō)明顆粒物(SS)是營(yíng)養(yǎng)元素(P)和耗氧物質(zhì)(COD)的重要載體，這與蔣沂孜等研究結(jié)果一致。這說(shuō)明在COD、TP等污染物的控制過(guò)程中，有效去除SS是關(guān)鍵步驟；Nandika[舯1研究顯示，TN雖有多種賦存形態(tài)，但其主要以溶解態(tài)形式存在，而EC、NH4+-N、N03- -N、S042--S和DOC均為溶解態(tài)指標(biāo)，即G2區(qū)域內(nèi)指標(biāo)均為溶解態(tài)污染物。G2區(qū)域內(nèi)各指標(biāo)的正相關(guān)性說(shuō)明6種污染物存在相似的沖刷過(guò)程；Gl和G2分居PC1軸兩端，顯示溶解態(tài)與顆粒態(tài)污染物沖刷過(guò)程存在顯著差異。
基于2類不同形態(tài)污染物的相關(guān)性，結(jié)合SPSS18.0軟件，可定量研究2種道路徑流各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，發(fā)掘潛在指示性水質(zhì)指標(biāo)，簡(jiǎn)化道路徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)過(guò)程。
表3給出了2種材料道路9種主要水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)。從表中可以看出，以顆粒態(tài)為主要存在形式的COD，TP與SS的相關(guān)系數(shù)均介于0.7～0.73，說(shuō)明3種水質(zhì)指標(biāo)中度相關(guān)。COD、TP同時(shí)存在溶解態(tài)組成部分，這導(dǎo)致3種指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)低于0.73，不能較好地相互表征；以溶解態(tài)為主要存在形式的EC、TN、NI-Li+-N、N03_ -N、DOC、S042--S指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，說(shuō)明各溶解態(tài)水質(zhì)指標(biāo)之間高度相關(guān)。值得關(guān)注的是，最大的相關(guān)系數(shù)總出現(xiàn)在EC與幾種溶解性水質(zhì)指標(biāo)之間，EC與DOC、S042--S、TN的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.928、0.923、0.917。電導(dǎo)率EC是水分析化學(xué)的重要指標(biāo)之一，其檢測(cè)過(guò)程廉價(jià)快捷，
基于上述原因，EC可能是溶解性污染物較好的間接指示指標(biāo)。
表3顯示，DOC與EC相關(guān)性最高。相關(guān)研究表明當(dāng)有機(jī)質(zhì)越多，相應(yīng)的膠體也越多，也越有利于膠體對(duì)離子的吸附，相應(yīng)的電導(dǎo)率也越高。Monteiro等的研究顯示，在河水中利用EC來(lái)表征DOC是可行的。圖4(a)、(b)給出了2種道路徑流中EC與DOC相關(guān)關(guān)系的擬合結(jié)果。從圖中可以看出，2種道路徑流DOC與EC的相關(guān)系數(shù)均在0.94以上，這表明利用EC來(lái)表征DOC是可行的。
EC與S042--S、TN高度相關(guān)的原因可用全鹽量與EC之間的關(guān)系來(lái)說(shuō)明。溶液EC主要受含鹽量影響，道路徑流可以看作混合鹽類溶液，以溶解態(tài)為主要存在形式的TN可以近似看作NH4+-N和N03- -N之和，當(dāng)S042--S、TN含量增加時(shí)，道路徑流的鹽濃度隨之增加。王偉等的研究顯示，對(duì)于同一類型水樣，當(dāng)其鹽濃度升高時(shí)，EC也隨之升高，可以推測(cè)EC與S042--S、TN存在正相關(guān)性。圖4(c)~(f)給出EC與S042--S、TN相關(guān)關(guān)系的擬合結(jié)果，從圖中可以看出，瀝青道路徑流EC與S042--S、TN的關(guān)系相關(guān)系數(shù)均為0.95，而水泥道路徑流相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)均低于0.80，2種道路徑流擬合結(jié)果存在顯著差異。這是由于鹽溶液濃度越高時(shí)，其與EC的相關(guān)性越好，瀝青道路徑流污染物濃度遠(yuǎn)高于水泥道路，從而導(dǎo)致其擬合結(jié)果優(yōu)于水泥道路。因此，EC可以作為瀝青道路徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)中溶解態(tài)污染物理想的指示性指標(biāo)，而不宜作為水泥道路徑流監(jiān)測(cè)的指示性指標(biāo)。
3結(jié)論
通過(guò)對(duì)比研究瀝青和水泥道路降雨徑流水質(zhì)特點(diǎn)，針對(duì)降雨類型與道路徑流的響應(yīng)關(guān)系及各水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性展開(kāi)分析討論，并尋找不同材料道路溶解性污染物的指示性指標(biāo)。
(1)瀝青道路徑流水質(zhì)與水泥道路存在明顯差異，前者傾向于產(chǎn)生較高污染的徑流水質(zhì)，說(shuō)明城市道路面源污染控制設(shè)施應(yīng)該主要針對(duì)瀝青道路布設(shè)；2種道路徑流優(yōu)勢(shì)污染物存在顯著差異，在面源污染控制措施的選擇中必須對(duì)此加以考慮。
(2)與水泥道路相比，瀝青道路徑流水質(zhì)更易隨著降雨類型的變化而變化，因此如何選擇合適的降雨類型，尤其是針對(duì)瀝青道路，就成為設(shè)計(jì)城市道路面源污染控制措施的關(guān)鍵步驟。
(3)電導(dǎo)率EC與2種材料道路徑流各溶解態(tài)污染物均具有一定的相關(guān)性，其中EC與瀝青道路徑流中DOC、S 042--S、TN等指標(biāo)高度相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)均高于0.95，是城市瀝青道路徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)中理想的指示性指標(biāo)，可為面源污染控制設(shè)施設(shè)計(jì)與評(píng)估提供支撐。
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