上海市高架道路降雨径流的水质特征与负荷估算

滕俊伟，尹秋晓，李飞鹏，张海平

（1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.上海东滩国际湿地有限公司，上海 202162）

上海作为城市高架道路发展最为迅速的城市之一，到2011年底高架道路总里程近200km，日吸引交通量超过146万车次，在城市交通系统中占据主导地位。由于频繁的交通活动和高密度的车流量，汽车尾气排放、轮胎和路面磨损、部件腐蚀以及油脂渗透等导致大量的悬浮固体颗粒、重金属、营养盐和有机物等污染物大量在路面积累，这些污染物大多经降雨径流冲刷直接排入受纳水体。研究表明由城市地表径流产生的突发性、冲击性强的城市面源污染已经成为城市水环境恶化的重要原因，对水生态系统产生潜在的安全风险［1－3］。

一些发达国家早在20世纪70年代便开展了针对路面径流的研究。在对径流的成因、过程、污染负荷特征及径流模型等研究的基础上，不同形式的最佳管理模式(best management practices，BMPs)相继被开发、示范并应用［4－7］。这些 BMPs在降低污染物的浓度及对受纳水体的生态影响上发挥了巨大的作用，由于缺乏对道路径流中污染物的水质特征及长期迁移转化规律的认识，使得BMPs的发展受到了很大的阻碍。自20世纪80年代以来，我国对城市路面降雨径流进行了监测研究，在城市路面径流水质特性、污染物排放特征以及管理方面取得了很多成果［8－10］。然而这其中大多数研究只关注城市道路，对高架道路径流方面研究相对较少［11，12］。由于受到诸多随机因素影响，不同地面径流污染特征，排污负荷差异较大，即使同一地点，不同场次径流污染效应也有较大差异，因此需要进行长期大量的实地测试研究，才能得到适合本地区的径流污染特征。本研究以上海市高架道路五洲大道某段为研究对象，对2008年10月～2010年4月的19场降雨径流进行了监测，分析了径流水质特征，并对污染物负荷进行了估算，以期为城市高架道路径流的治理与利用、改善城市水环境质量提供基础数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

上海位于北亚热带东亚季风盛行的地区，气候温暖、湿润，雨量充沛，四季分明，春秋较短，冬夏较长。年降雨量为1048～1138mm，年降水日为129～136 d，年降水季节性变化较大，全年60%左右的雨量集中在5月～9月的汛期。

五洲大道高架道路位于上海市浦东新区，西起翔殷路隧道出口，横穿浦东北部，与长江隧桥相连，全长7.09km，是上海“三环十射”城市高架道路交通骨架网络系统的重要一射。大道采用全封闭、全立交式的城市快速路标准建设，设有双向8车道，平均车流量约20000辆/d。路面材料采用沥青铺设，径流经道路两侧的落水管排入地面雨水管接口。此研究中采样点设置在五洲大道与镇南路的交叉口上，位于整条大路的中部。研究地区周边环境空旷，用地以绿化和居住用地为主，不存在大面积工业区。

1.2 采样与监测

在降雨径流发生期间，用聚乙烯瓶在落水水管口采集瞬时径流，采样间隔5～30min，视降雨历时和径流流量而定。样品采集后，贴上标签，并记录下采样地点、时间和相应时刻落水管流速值。采样点实景如图1所示。

水样的保存和水质参数的测定均依照标准方法［13］进行。测定的项目包括悬浮物(TSS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH3－N)、溶解性总氮(DTN)和溶解性总磷(DTP)。

图1 采样点实图Fig.1 Photo of Monitoring Site

2 结果与讨论

2.1 径流污染物强度

由于降雨特征、集水区特征和污染物本身性质的影响，一次降雨径流污染过程中污染物浓度变化范围大，随机性强，并且随着降雨过程持续变化。受纳水体对径流污染的响应滞后于径流污染物浓度的变化，因此为了表征一次径流污染事件的污染程度以及对受纳水体的影响，通常使用径流平均质量浓度(EMC)来评价径流水质标准。EMC系指一次径流污染过程中污染物的流量加权平均浓度，即总污染量与总径流量之比，计算公式如下。

其中EMC——径流污染物的平均浓度，mg/L；

M ——整个径流过程中污染物的量，g；

V ——径流总量，m3；

t ——时间，min；

Ci——i时刻污染物的浓度，mg/L；

Qi——i时刻径流流量，m3/min。

19场降雨径流污染指标的EMC统计值如表1所示。由表1可知上海市高架道路取样点径流水质参数COD，TSS，TN和TP的EMC平均值均超过了《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准。表明上海市高架道路径流污染比较严重，若不加处理排入城市水体必定对城市水环境造成严重污染。其中TSS和COD的EMC平均值超过了《上海市污水综合排放标准》(DB 31/199—2009)第二类污染物排放限值二级标准，其EMC最大值分别为二级标准排放限值的2.3倍和6.2倍，应予以重点关注。不同场次降雨的COD、TSS、TN和TP最大值分别为最小值的5.4倍、5.6倍、5.4倍和5.7倍，水质变化幅度较大，因此需要进行长期大量的监测分析才能得到适合本地区的路表径流水质特征。

表1 上海高架道路径流EMC的统计值Tab.1 EMC of Elevated Road Runoff in Shanghai

表2给出了部分国内外路面径流污染的研究结果。由表可知城市高架道路污染状况低于城市道路，这可能由于城市高架道路的空间位置特点受地面人为活动干扰较少造成的。上海高架道路径流污染物的TSS、TN与南京、夏洛特高架道路径流污染处于同一水平，略低于高速公路。而COD、TP明显高于南京、夏洛特高架道路的研究结果，和高速公路径流污染处于同一水平。

表2 上海高架道路径流EMC与其他地区道路的比较Tab.2 Comparison between EMC of Elevated Road in Shanghai and EMC of Roads in Other Areas

续表

2.2 营养盐输出的形态及来源

上海高架道路径流污染物颗粒态氮、颗粒态磷EMC占总氮、总磷EMC的百分数如图2和图3所示。径流中溶解态氮占总氮的54%～98%，说明径流中营养盐氮以溶解态氮为主。而颗粒态磷占总磷的56%～95%，说明颗粒态磷是城市高架道路径流TP的主要输出形式。

图2 径流中溶解态和颗粒态氮所占比例Fig.2 Proportion of Dissolved Nitrogen and Particulate Nitrogen in Runoff

图3 径流中溶解态和颗粒态磷所占比例Fig.3 Proportion of Dissolved and Particulate Phosphous in Runoff

径流中的氮主要源于大气的干湿沉降、肥料的施用、机动车的排放等［16］，由于高架道路受地面干扰较小，大气沉降是营养盐的主要来源。朱宜平［17］对上海市崇明县的降雨水质进行监测，14场降雨中NH3－N平均浓度为1.31mg/L、－N平均浓度为0.63mg/L、TN平均浓度为2.43mg/L，由此可得出天然雨水中所含的氮是径流中氮的重要来源，氮的另一部分来源于路表沉降的污染物，且在降雨发生时，含氮的污染物主要是通过溶解过程以溶解态的形式进入到雨水径流中。径流中磷则是较多以颗粒物为载体，当SS负荷增大时，磷的负荷也随之增大。因此车辆的排放物及大气的沉降可能为径流中磷的主要来源，当降雨发生时，在降雨的冲刷作用下，载磷颗粒物进入收纳水体中。

2.3 污染负荷估算

污染负荷相对于污染物浓度值更能体现道路径流对周围受纳水体的潜在危害，由一场降雨引起的路表径流排放的污染物的总量称为次降雨污染负荷，由于路表径流排放的随机性使得次降雨污染负荷的代表性较差，因此采用年污染负荷尤为重要。然而对于一年内每场降雨进行监测分析很难做到，可以采用以下公式［18］进行计算。

其中L ——一定面积排水区域的年污染负荷，kg/hm2·a；

CF——径流修正系数，一般取0.9；

Rv——径流系数；

P ——年降雨量，mm/a；

C ——事件平均浓度，mg/L。

按上海年均降雨量为1170mm，道路径流系数为0.9，利用式(2)根据表1中的EMC计算出年污染负荷，表3为本研究结果与国内外其他研究的年污染负荷的比较。可见上海高架道路年污染负荷远高于国内外研究成果，COD年污染负荷略低于上海市商业区和居民区的污染情况，而TSS年污染负荷则明显高于上海市商业区和居民区的污染情况。

表3 上海高架道路径流年污染负荷与其他地区道路的比较Tab.3 Comparison between Pollution Loadings of Elevated Road in Shanghai and Pollution Loadings in Other Areas

续表

近年来，上海高架道路发展迅速，已经拥有高架道路总长度近200km，平均路面宽18 m。由此推算上海高架道路年降雨径流每年可产生890.3 t TSS、475.1 t COD、8.0 t TN、3.7 t NH3－N 和 1.6 t TP。由于上海降雨充沛，全年60%的雨量集中在5月～9月，径流污染多集中排放，故如果未对降雨加以处理必定对受纳水体造成严重污染，因此加强对城市高架道路径流管理是非常必要的。

3 结论

(1)上海高架道路径流EMC变化较大，19场径流中COD、TSS、TN和TP的EMC平均值分别为139、261、2.35和0.46mg/L，均超过了《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准。其中TSS、COD的EMC最大值分别是《上海市污水综合排放标准》(DB 31/199—2009)第二类污染物排放限值二级标准的2.3倍和6.2倍。溶解态氮是路面径流TN的主要存在形式，TP则主要以颗粒态形式存在。

(2)上海市高架道路年降雨径流每年可产生890.3 t TSS、475.1 t COD、8.0 t TN、3.7 t NH3－N 和1.6 t TP，远高于国外的研究结果。因此加强对城市高架道路径流管理是非常必要的。

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