乔建刚 张雪洁

(河北工业大学土木工程学院，天津 300401)

近年来，为带动经济发展，提高公路运输效率，高速交通网络及道路运输量快速发展，使高速径流污染问题日益突出，道路径流污染成为城市受纳水体非点源污染的主要污染源之一[1]。路面径流研究也越来越受到学者们的重视，其中北京、上海、重庆等重点城市道路雨水径流已有一定的研究规模，分别对径流影响因素、污染特性、指标相关性等方面进行研究，发现径流污染会受到地域、道路运行状况、晴天累计天数、降雨量、气温、交通量等因素的影响[2-6]。相关研究表明，道路径流污染主要来源于交通活动，但并没有具体交通活动与污染指标内在关系的研究。本研究在对天津城区以外的高速公路进行持续监测分析的基础上，结合交通流参数调查与污染检测结果，探讨了污染指标和交通流特性的相互关系，以期为高速公路雨水径流污染控制提供一些借鉴与参考。

1 实验部分

1.1 采样方法

采样点选取津保高速天津北辰段距收费口1 km的出高速路段的雨水排水口，从径流产生开始取样，采用方口容器取水后放入采样瓶。小雨和中雨时，前60 min每20 min取样1次，>60～120 min每30 min取样1次，120 min后每120 min取样1次；大雨和暴雨时，前15 min每5 min取样1次，>15～60 min每15 min取样1次，>60～150 min每30 min取样1次，150 min后每60 min取样1次。

1.2 检测项目与方法

检测项目主要包括SS、COD、BOD5、TN、TP、氨氮、Pb、Zn、Cu、Cd、Mn。SS采用重量法；COD采用重铬酸钾法；BOD5采用稀释与接种法；TN采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法；TP采用钼酸铵分光光度法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；Pb、Zn、Cu、Cd、Mn均采用火焰原子吸收分光光谱法。

1.3 交通特性调查

选用雷达测速仪(BUSHNEL101911)、交通检测器(MC5600)等对雨水采集路段进行交通流调查，交通流参数主要包括交通量、车速与交通密度，其中交通量选取折合交通量，车速选用平均车速。

2 结果与讨论

2.1 检测结果

选取两场有代表性的降雨监测结果，高速公路雨水径流污染物时域图具体见图1。由图1(a)可见，与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)相比可知，高速公路雨水径流初期污染较严重，COD、BOD5、TN、TP、氨氮最高值分别达到了GB 3838—2002中Ⅴ类限值(40、10、2.0、0.4、2.0 mg/L)的15.6、5.0、5.3、2.1、6.5倍，对周围水环境的污染较严重。随着降雨时间的延长，污染物浓度逐渐变小，后期污染物浓度波动不大。这种污染物变化趋势的形成主要由于晴天累计天数的增加导致初期污染物浓度较大，在较大雨型的冲刷下，初期效应较明显[7]。由图1(b)可见，第2场降雨降雨量在30 mm左右，降雨时间较长，没有显著的初期效应，污染物浓度变化也较慢，污染持续时间较长。这主要是由于降雨冲刷强度不大导致。

重金属质量浓度与《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)、GB 3838—2002进行比较，结果见表1。Pb、Cd超出了GB 3838—2002中Ⅴ类限值，Mn超出了GB 3838—2002中标准值，而Zn与Cu浓度较低。这与张娜等[8]对天津城区路面径流重金属污染特性研究中Pb与Cd含量超标的结果相吻合；但在Zn含量上存在出入，其可能是道路交通量、清扫频率、大气沉降等不同而造成的。

2.2 污染相关性与时变关系

2.2.1 污染指标相关性

由图1可见，污染物在雨水径流初期污染严重，后期污染物浓度逐渐降低，主要集中于SS。本研究进一步分析了SS与各污染指标的相关性，结果如表2所示。由表2可以看出，SS与各污染指标间存在较好相关性。通过控制SS能有效控制高速公路雨水径流污染。

图1 高速公路雨水径流污染物时域图Fig.1 Time domain diagram of high speed runoff pollutant

Table 1 Comparison among heavy metal concentrations,water quality standard and discharge standard mg/L

表2 SS与其他污染指标的相关性

注：1)x为SS质量浓度，mg/L；y为除SS外其他污染指标的质量浓度，mg/L。

2.2.2 污染指标时变关系

污染物在雨水冲刷下浓度随时间呈下降趋势，通过对相关数据统计分析，得到时变关系模型结果，具体如表3所示。从表3可以看出，污染指标多数与时间成负指数或对数关系，即污染指标先快速减少到一定程度后变化减缓甚至趋于稳定。公路路面沉积物沉积并不是时间的线性函数，而与交通频率、车辆运行习惯、路况、路面清扫频率等有关[9]。这表明，污染物存在一定的波动性，并非随时间一直降低，而是在一个污染物浓度范围内波动，因此高速公路雨水径流污染并不会在雨水冲刷下彻底清除，而会受到交通活动的影响，并需要后期处理。

表3 污染指标时变关系模型

注：1)X为时间，min；Y为所有污染指标的质量浓度，mg/L。

2.3 交通特性与污染指标的关系

2.3.1 交通量

道路污染主要来源于道路交通活动、路面磨损等[10-11]。为探究其与雨水径流污染的内在联系，减少因晴天累积产生的杂质影响结果，将雨水径流污染的初期冲刷部分去除，针对后期雨水径流污染与交通流参数进行研究，分别对4个监测点选取主要指标SS、COD进行分析，结果见图2。从图2(a)可以看出，随着交通量的增加，COD呈现上升趋势，只是上升的趋势从点4到点3趋缓。交通量增大但车速总体下降(点1处车速低于80 km/h(见图3))，车速降低会带来一定污染，所以COD的增加不仅受到交通量影响，也会受到车速的影响。从图2(b)可以看出，SS随交通量增加呈现上升趋势，从点4到点3上升趋势较缓。同样，SS的产生不仅受到交通量的影响，也受车速影响。

2.3.2 车 速

车速不同会产生不同的油耗，导致不同程度的污染，因此车速对污染指标会产生一定影响，分析其影响规律，结果如图3所示。结合图2和图3可见，随着交通量减少，从点1到点3车速增加到80 km/h左右，COD和SS呈下降趋势；从点3到点4车速减小，COD和SS却呈下降趋势，可能因此处交通量减少时降低的污染量高于车速减小时增加的污染量，导致从点3到点4污染继续下降。可见，交通量对污染的影响大于车速。

注：pcu为标准车当量数，也称当量交通量，根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2003)中规定的车辆折算系数得出，代表标准小汽车数量。图4同。图2 交通量与污染指标的关系Fig.2 Relationship between traffic volume and pollution index

图3 车速与污染指标的关系Fig.3 Relationship between speed and pollution index

图4 交通密度与污染指标的关系Fig.4 Relationship between density and pollution index

2.3.3 交通密度

交通密度由交通量与车速共同决定，交通密度与污染指标的关系如图4所示。从图4可以看出，当交通密度增大时，COD和SS从点3到点1呈现上升趋势，但从点3到点4虽然交通密度上升，污染却呈现下降趋势，可能因交通量在此处呈下降趋势(见图2)，此时交通密度上升产生的污染量小于交通量下降减少的污染量。可见，交通量对污染的影响大于交通密度。

2.3.4 交通特性与SS拟合曲线

对SS与交通量、车速、交通密度进行拟合，结果如表4所示。从表4可以看出，SS与交通流参数均有较好的拟合关系，但SS与交通量和交通密度拟合得到的R明显比SS与车速拟合得到的R大，说明交通量和交通密度与SS的相关性更显著；交通量和交通密度与SS呈正相关，随着交通量和交通密度的增加，SS呈上升趋势；车速与SS呈二次抛物线型关系，随着车速的增加，SS先减少到一定程度后再增加，存在一个最优的车速范围。这些结论可以推论出交通量及交通密度是造成高速公路雨水径流污染的主要原因，车速存在着一个污染较少的最优段，但总体影响效果较小。

表4 SS和交通流参数的拟合1)

注：1)a为交通量(或车速、交通密度)，pcu/h(或km/h、pcu/km)。

3 结 论

(1) 高速公路雨水径流初期污染较严重，COD、BOD5、TN、TP、氨氮最高值分别达到了GB 3838—2002中Ⅴ类限值的15.6、5.0、5.3、2.1、6.5倍。SS是污染的主要因素。

(2) 污染指标多数与时间成负指数或对数关系，即污染指标先快速减少到一定程度后变化减缓甚至趋于稳定。

(3) 交通量及交通密度是造成高速公路雨水径流污染的主要原因，车速存在着一个污染较少的最优段，但对雨水径流污染的总体影响效果较小。

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