高速公路路面雨水径流污染特征分析

中国环境科学2008,28(11)：1037~1041ChinaEnvironmentalScience高速公路路面雨水径流污染特征分析李贺,张雪,高海鹰,傅大放*(东南大学市政工程系,江苏南京210096)摘要：在对南京机场高速公路禄口高架桥降雨径流水质进行监测的基础上,探讨了高速公路路面雨水径流污染物的出流规律、径流中污染物的事件平均浓度(EMC)及其影响因素.结果表明,对于降雨量大、初期降雨强度大的降雨事件,初期径流污染物浓度较高,初期效应显著,整个污染物的出流浓度随降雨历时呈前高后低的变化趋势;对于降雨量小、降雨强度小的降雨事件污染物浓度没有明显的降低趋势;SS、COD、BOD5、NH3-N、TN和TP的EMC中值浓度分别为126,127,19.50,1.59,4.44,0.28mg/L.SS与COD为主要污染物.高速公路路面降雨径流中污染物受前期晴天数影响昀大,SS、COD、TP受降雨强度的影响显著,而降雨量对BOD5、NH3-N、TN影响仅次于前期晴天数.关键词：高速公路；雨水径流；事件平均浓度；影响因素中图分类号：X522文献标识码：A文章编号：1000-6923(2008)11-1037-05Characterizationofcontaminatedrunoffonfreewaysurface.LIHe,ZhANGXue,GAOHai-ying,FUDa-fang*(DepartmentofMunicipalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China).ChinaEnvironmentalScience,2008,28(11)：1037~1041Abstract：Basedonmonitoringtherunoffwaterqualityonthesurfaceoffree-waybesidesLuKou,whichleadtoNanJingaerodrome,thevariations,EvenMeanConcentrations(EMCs)andtheimpactfactorsofpollutantsconcentrationswereanalyzed.Theconcentrationsofpollutantsintheinitialrunoffwerehigher,andwerelowerinthelaterrunoff,whentherainfallandrainfallintensitywasheavy;otherwise,theconcentrationsofpollutantsintherunoffwerearoundavalueanddecreasedslightly,whentherainfallandrainfallintensitywaslow.ThemedianEMCsofSS,COD,BOD5,NH3-N,TNandTPwasabout126,127,19.50,1.59,4.44and0.28mg/Linturn,inwhichSSandCODwereprimarypollutants.Thecontaminatedrunoffqualitywasmainlyinfluencedbydryweatherdeposits,andtheinfluenceofrainfallintensitytotheconcentrationsofSS,COD,TPwasonlylessthandryweatherdeposits,buttotheconcentrationsofBOD5,NH3-N,TN,theinfluenceofrainfallamountswereonlylessthandryweatherdeposits.Keywords：freeway；runoff；EMC；factor截止2006年底,我国高速公路通车里程已达4.53万km[1].随着公路交通事业的不断发展及各省市公路网的陆续形成,频繁的交通活动使路面径流污染十分严重[2].路面降雨径流含有相当数量的悬浮颗粒物、营养盐和有机污染物,其未经处理排入受纳水体,易引发水体富营养化和水生生态系统破坏等.掌握高速公路路面降雨径流的污染特征是对其进行有效控制与管理的基础.国外学者先后开展了路面径流污染及其影响因素等方面的深入研究[2-7],而国内在此方面的研究起步较晚[8].因此,本研究选取了具有代表性的南京机场高速公路禄口高架桥段进行径流监测,旨在获取降雨径流中污染物的出流规律、事件平均浓度(EMCs)以及影响污染物出流浓度变化的影响因素,为路面降雨径流污染物预测、控制和整治提供理论依据.1研究方法1.1研究区域概况选取南京机场高速公路禄口高架桥段进行取样监测.南京属于北亚热带湿润性气候,年平均气温15.3,7~8℃月极端昀高气温高达40,℃一般在35℃左右.年降水量1106.5mm,6月中旬至7月初为梅雨季节,降雨主要集中在6~9月份.研究路段为禄口高架桥东侧桥的一段,东侧桥为单向2收稿日期：2008-04-21基金项目：江苏省交通科技计划重大项目(TZ0761-010)*责任作者,教授,[e-mail]1038中国环境科学28卷车道的沥青高速桥,单向车流量为270辆/h,汇水面积为960m2,周围以居住用地为主,结合部分交通道路和耕地.径流经落水管汇集排放,所取样品为落水管出流水,取样区域与雨量计位置见图1.取样区域雨量计位置建筑物北禄口镇雨量计图例：图1取样区域与雨量计位置示意Fig.1Themapofmonitoringsiteandombrometer1.2采样与测定1.2.1样品采集形成径流的前30min,用聚乙烯瓶(1L)每隔5min取水样1次;在形成径流的0~60min,每10min采水样1次;此后每隔30~60min采样1次,直至降雨事件的结束[9-10].在取样的同时,由JS-2型虹吸式雨量计(天津气象仪器厂)同步记录降雨特征.1.2.2指标测定径流样品及时送至实验室进行水质分析.COD、BOD5、SS、NH3-N、TP和TN,均采用标准方法进行测定[11].1.3降雨特性表1监测降雨事件的降雨特征Table1Thecharacteristicsofmonitoringrainfall事件日期降雨量(mm)昀大降雨强度(mm/min)2007-06-013.850.2402007-06-020.900.1602007-07-017.700.0702007-07-0220.800.4002007-07-0331.000.2502007-07-0713.201.5202007-09-011.800.4002007-09-0314.100.1102007-10-0710.000.2002007-10-291.350.0202007年共监测降雨事件17次,获得10场降雨事件的有效数据,其降雨特性见表1.由表1可见,6月2日、9月1日以及10月29日的降雨量较小,6月1日、7月1日的降雨量中等,7月2日、7月3日、7月7日、9月3日以及10月7日的降雨量较大.10场降雨事件对大、中、小强度降雨具有较好的代表性.2结果与讨论2.1出流规律分析010020030040018:2118:2818:3518:4218:4918:56012243648CODSS降雨历时COD,SS(mg/L)BOD5(mg/L)BOD5A2.55.07.510.018:2118:2818:3518:4218:490.000.250.500.751.00TNNH3-NTN,NH3-N(mg/L)TP(mg/L)降雨历时TPB18:5618:2118:2818:3518:4218:4918:560.000.050.100.150.200.250.300.35C降雨强度(mm/min)降雨历时图22007-07-03各污染物指标出流变化过程Fig.2VariationsofcontaminationsonJul.3,2007图2,图3给出了典型降雨事件中SS、COD、NH3-N、TN与TP随时间的出流变化过程.11期李贺等：高速公路路面雨水径流污染特征分析103915020025030018:4319:1219:4020:0920:3821:0721:36101520253035COD,SS(mg/L)CODSSBOD5(mg/L)BOD5A0510152018:4319:1219:4020:0920:3821:0721:360.30.60.91.2NH3-NTPTN,NH3-N(mg/L)TP(mg/L)TNB18:4319:1219:4020:0920:3821:0721:360.0000.0050.0100.0150.020(mm/min)C图32007-10-29各污染物指标出流变化过程Fig.3VariationsofcontaminationsonOct.29,2007由图2可见,2007-07-03降雨事件中SS、COD、BOD5、NH3-N、TN和TP浓度昀大值均出现在径流的开始阶段,分别达到435,355.6,45.3,3.07,9.46,0.57mg/L,均超过Ⅴ类地表水标准[12];COD和BOD5分别超出二级排放标准[13]的2.4和1.5倍;SS甚至超过三级排放标准[13].污染物浓度在径流产生后10min内急剧下降,经过一段波动后逐渐降低并趋于稳定.稳定后SS、COD、BOD5、NH3-N、TN、TP分别为42,30,9,0.54,1.74,0.17mg/L,径流初期时的浓度分别为后期稳定时的10.6,11.9,5.1,5.7,5.4,3.6倍,初期效应显著.由表1可见,2007-07-03属于强降雨事件,其降雨量达到了31.00mm,昀大降雨强度达到了0.250mm/min,初期降雨强度较大,地表冲刷强烈,污染物被冲刷带走,因而后期浓度较低,初期效应显著.这种类型的出流过程经常发生在降雨量大、初期降雨强度大的降雨事件中.由图3可见,2007-10-29径流事件,SS、COD、BOD5、NH3-N、TN和TP浓度分别集中在250,270,30,6.45,20和0.8mg/L左右,超过Ⅴ类地表水标准[12],浓度一直保持平稳的微小波动,没有降低的趋势,不存在初期效应现象.由表1可见,2007-10-29降雨属于小降雨事件,其降雨量仅有1.35mm,昀大降雨强度只有0.020mm/min,冲刷作用不显著,整个径流过程的污染物直至降雨结束尚未冲刷干净,污染物出流主要由污染物的溶解作用产生.这种出流过程经常出现在降雨量小、平均降雨强度弱的降雨事件中.2.2路面降雨径流事件平均浓度降雨特征、区域特征等影响因素的不确定性导致了不同地区同一降雨事件或同一区域不同降雨事件中,污染物浓度差别很大;且降雨过程不同导致污染物浓度变化差异很大.因此,美国城市径流计划(NURP)建议[14]对污染物浓度及其污染程度采用EMC进行评估.EMC是以降雨事件总污染物负荷与总径流体积比值来表征径流污染[14].数学表达式为:()()()d()EMC()()dCtQttCtQtMVQtQtt==≈∫∑∑∫式中:C(t)、Q(t)分别为一次径流期间测得的随时间变化的浓度和流量;M为污染物的质量;V为径流体积.受实验设备等客观条件的限制,本研究未能实测路面降雨径流流量,但采样时记录了降雨开始和径流形成的时间,进而消除了路面径流和降雨之间的滞后性,另外研究对象为沥青路面,由于沥青路面在降雨时段内渗量与蒸发量很少,可以忽略不计,因此结果分析中扣除产流时间后,以降雨量权重代替路面径流量来计算桥面径流水质的EMC.表2给出了桥面雨水径流事件平均浓度计算结果.由表3可见,在SS、COD、BOD5、NH3-N、1040中国环境科学28卷TN和TP的EMC中值浓度中,SS与COD浓度较高,污染贡献率大,为主要污染物.表3列出了部分国内外路面径流中EMC值的研究结果.由表3可见,研究所得SS