（环境工程专业论文）公路路面径流污染特性及其对受纳水体水质影响的探讨.pdf

摘要 国外对地表径流近三十多年的研究表明，地表径流这一面污染源对地 表水体造成了十分严重的影响，在点源污染得到有效控制后，这一影响将 更加突出。历来作为地表径流的一部分加以研究的公路路面径流因其污染 强度大、对地表水体的影响严重而被予以格外的关注，并在近年来逐步发 展成为一门独立的研究领域。r 本文旨在研究公路路面径流这一具有单一地表使用功能的、具有面源 污染特征的地表径流。通过对西安临潼高速公路的地表沉积物和历时两年 多的数次降雨、降雪所引起的路面径流的采样，经实验分析、数据整理、 理论概括和规律总结，初探公路路面沉积物和路面径流水的污染特性以及 公路路面径流对受纳水体的水质影响。分析测试了径流水中主要污染物的 种类和浓度范围，各种水质指标的相关关系，并对公路路面径流的可生化 性进行分析研究。结合国外研究资料，探讨了交通量、路面类型等因素对 径流污染物浓度的影响，径流污染物的输出量和径流率之间的相关关系， 分析了公路路面径流中污染物的排放规律以及冲刷模型的适用性。经过理 论分析，认为污染负荷法和数学模型计算法是研究路面径流对受纳水体水 质影响的有效方法，并对某些复杂模型编制出相应的计算程序。总结国外 研究资料，指出路面清扫、控制除冰盐的应用等非工程措施和植被控制、 湿式滞留池、渗滤系统、湿地等工程措施的合理选用和适当结合是有效的 控制径流污染的径流管理控制措施。 这些结论可对环境管理部门搞好环境保护和环境规划、作好公路建设 项目对水环境的影响评价、控制面源污染提供一些基础性的资料和依据。 关键词 ：面源污染地表径流公路路面径流地表水体 数学模型 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha b o u tt h i r t yy e a r so v e r s e a sh a ss h o w e dt h ee a m r ss u r f a c e r u n o f f h a s p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l eo ns u r f a c ew a t e r p o l l u t i o n a f t e rt h ee f f e c t i v e c o n t r o l l i n go f t h ep o i n ts o u r c e sp o l l u t i o n ，t h es i g n i f i c a n c eo ft h i si m p a c tw i l lb e m o r eo b v i o u s i nt h e p a s t ，h i g h w a y r o a ds u r f a c er u n o f fi su s u a l l yc o n s i d e r e dt ob e p a r to f t h ee a r t h ss u r f a c er u n o f f h o w e v e r , i th a sb e c o m ea ni n d i v i d u a ln o n p o i n t s o u r c ec l a s sb e c a u s eo fi t sh i 曲p o l l u t i o ni n t e n s i t ya n ds e v e r ei m p a c tb r i n g st o r e c e i v i n g s u r f a c ew a t e rb o d i e s h i g h w a yr o a ds u r f a c er u n o f f ，o n eo f t h ei m p o r t a n tc o n s t i t u t i o n so ft h e e a r t h ss u r f a c er u n o f f w h i c hb e a r st h ec h a r a c t e r i s t i co f n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n h a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s t h ec o n s t i t u t i o n sa n dc o n c e n t r a t i o n so f p o l l u t a n t s t h ec o r r e l a t i o n so ft h e s ec o n s t i t u t i o n sh a v eb e e ng i v e n c o m b i n e dw i t l ls o m e o v e r s e a ss t u d i e s ，t h ec o r r e l a t i o no fp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nt ot r a f f i cv o l u m ea n d p a v e m e n ts u r f a c et y p e ，t h ec o r r e l a t i o n so fd i s c h a r g e dp o l l u t a n tl o a dt or u n o f f - p r e c i p i t a t i o n h a v ea l s ob e e ns t u d i e d t h r o u g hc a r e f u l a n a l y s i s i th a sb e e n a c c e p t e dt h a ta n n u a lp o l l u t a n tl o a dm e t h o da n dm a t h e m a t i c sm o d e lm e t h o da r e t w ou s e f u lw a y st os t u d yt h ei m p a c to fr u n o f fo nr e c e i v i n gw a t e rb o d i e s i ta l s o p r o v i d es o m ee f f e c t i v er u n o f fm a n a g e m e n tm e t h o d ss u c ha sm a dc l e a n i n g ， c o n t r o l l i n gt h eu s eo fd e i c e r , v e g e t a t i o nc o n t r o l ，w e td e t e n t i o np o n d , i n f i l t r a t i o n s y s t e ma n dw e t l a n d t h e s es t u d yr e s u l t sc a np r o v i d es o m ef u n d a m e n t a lm a t e r i a la n dm e t h o d st o e n v i r o n m e n t a la d m i n i s t r a t e dd e p a r t m e n ti no r d e rt oc o n t r o l n o n - p o i n ts o u r c e p o l l u t i o na n dp r o t e c to u re n v i r o n m e n tm o r ee f f e c t i v e l y i ta l s op r o v i d e sm e t h o d s f o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nd e p a r t m e n t t oa s s e s st h e i m p a c tt h a th i g h w a y c o n s t r u c t i o nb r i n g st ow a t e re n v i r o n m e n t i k e y w o r d s ：n o n - p o i n t s o u r c e p o l l u t i o n t h ee a r t h ss u r f a c er u n o f f h i g h w a y s u r f a c er u n o f fs u r f a c ew a t e r b o d i e sm a t h e m a t i c sm o d e l ： i ， 、 ； 长安大掌硕士掌位论文 第一章概述 1 1 面源污染概述 1 1 1 面源污染的概念和特性 ( 1 ) 面源污染的概念和分类 面源( 也称非点污染源) 是一种分散的污染源，它包括由农业、养殖 业、矿业与大型工程设施、地表径流、大气降尘与降雨以及造林带来的污 染物虬 非点源污染过程，主要是大量的污染物质如泥砂、氮磷营养元素、重 金属、农药和有机物( 有机毒物) 等在降雨产生的径流的淋溶和冲刷作用 下，从地表面到达受纳水体的迁移过程，从而造成江、河、湖泊等水体的 污染。 农业面源和城市地表径流是两大面污染源，其中公路路面径流是具有 单一地表使用功能的地表径流。以前，公路路面径流一直作为城市地表径 流的一部分加以研究，但近年来，公路路面径流因其污染强度大、对受纳 水体的影响严重而逐渐发展成为一门相对独立的研究领域【2 2 】。 本文旨在研究公路路面径流这一面污染源。 ( 2 ) 面源污染的特征 a 面源排放的污染物分布在整个集水面积上，且排放随天气变化呈间 歇性，变化性大、随机性强、偶然影响因素多、缺少规律性，所以较难控 制： b 面源污染进入水体的流量与降雨量、降雨强度等气象条件及所用的 排水体制有关，污染物质的成分和数量与径流流经地区的气象条件、地形 条件、土地使用类型、交通状况等因素有关，污染负荷的时间和空间变化 大； c 面源污染的实地监测、调查情况复杂，且费时、费工，故尽可能通 过搜集现有资料和现场踏勘，用模型估算，一般不可能进行直接、准确的 监测； 长安大掌硕士掌位论文 d 面源污染不便通过统一收集、集中处理等方式进行控制，只能对污 染的来源及其排放的途径采取控制措施，以减少其危害。 1 1 2 面源污染研究的历史背景t 对面源污染的研究起始于七十年代的美国m 】。在此之前，人们一直认 为点源污染是造成水体污染的主要原因。为保护水资源，美国国会于1 9 7 2 年通过了水污染法案，规定1 9 8 5 年达到零排放，即要求排入江河的污水 必须经过处理，使水体达到当地地表水原有的水质标准，不得增加江河的 污染物负荷，并期望以此达到完全控制污染的目的。在经过花费大量资金、 人力建设许多污水处理厂后，实际上却没能达到目标。在俄亥俄河、五大湖， i 当把所有工业废水和城镇生活污水全都处理之后，水体污染问题并未得到解 决。究其原因，发现是由于暴雨径流把广大地面上的各种污染物都带入了 水体( 仅生物化学需氧量b o d 就占年污染总量的4 0 8 0 ) 。于是，美国国 家环保局( u s e p a ) 1 9 7 7 1 9 8 1 年的科研计划中，正式提出了面源污染控制的研 究课题，开始了对面源污染的研究。其研究范围既包括广大农村地区地表 雨水径流引起的水体污染，也包括城镇地表雨水径流引起的水体污染。1 9 8 7 年美国国会重新修订了水污染法案，加入了对来自工厂和城市的地表径 流进行控制的条文。之后不久，u s e p a 颁布了相关限制径流排放的法规， 迄今为止，城市地表径流这一面污染源越来越受到重视。 除美国之外，英国、德国、荷兰等发达国家自上个世纪七十年代起也 开始对城市地表径流开展了大量的测试及研究工作，业已得到了很多珍贵 的监测数据和理论研究成果。 1 1 3 面源污染研究现状 近年来，国外在城市地表径流方面开展了很多研究工作。这些研究工作 主要有以下四个方面： 确定路面径流中污染物的成分、含量及影响其含量的因素 路面径流中可能携带有固体物质、重金属、营养物质、油和脂、细菌 及其它污染物。已开展的这方面的研究很多，如德国专家g s t o t z m 对德国 f r g 地区从1 9 7 8 年到1 9 8 1 年的1 4 5 场降雨所产生径流的8 5 0 个水样进行 了分析，分析项目有重金属、矿物油类、氯化物、化学需氧量( c o d ) 、悬 i 长妻大掌硕士掌位论文 浮固体( s s ) 、b o d 、多环芳烃( p a h s ) 等，并指出影响各成分含量的因 素；挪威专家e g j e s s i n g t 3 1 等人测定了公路路面径流中p a h s 和重金属的含 量，并指出各种污染物的来源及其在受纳水体中的分布情况； m a r i a v i k l a n d e r ( 1 9 9 8 ) t 4 1 n i 试了沉积于s w e d e n 街道上的沉积物的颗粒级配及颗粒 中重金属的含量，研究了其与交通流量及周围区域环境的关系；c h a r a c k l i s p l 等j k ( 1 9 9 7 ) 通过对晴天和雨天时市政排水系统排水口处的水质监测，研究了 地表径流中溶解态及胶体态金属含量的分布；m a w h g r e e n 利用一种依 据降雨强度大小按比例采样的仪器w a r r e nj o n e sw - j 2 2 对城市机动车道路 面径流进行采样分析，分析了径流中s s 、氯化物、b o d 、金属等污染物的 含量，并分析了汽车交通、大气降尘、风况、冬季除冰撤盐、路面清扫等 因素对径流水质的影响：d a r r e nd r a p p e r t 3 铂等人对澳大利亚b r i s b a n e 市周围 公路的2 1 个测点的1 2 场降雨引起的路面径流进行了为期1 8 个月的测试研 究，分析了径流中s s 、凯氏氮( t n k ) 、总磷( t p ) 、重金属等污染物的浓 度，并研究了径流中污染物的浓度与交通量、路面类型、测点特征之间的 关系。 确定污染源及污染物从路面到受纳水体的迁移过程 大量的研究结果表明，引起路藏径流污染的污染源很多，其中，机动 车辆的运行被认为是最重要的污染源依据交通量、运行习惯、路况和车 况的不同，排放的污染物质有：轮胎颗粒、筑路材料颗粒、燃料燃烧排放 物、发动机油料和所运送物资的泄漏物、燃料和其它与车辆相关的液体、 刹车连接装置产生的颗粒物等。这些物质晴天累积于路面，雨天即被径流 冲刷随径流进入水体。国外对污染物由路面迁移到受纳水体的过程也进行 了大量的研究，如h u b e r 和d i c k e n s o n ( 6 1 于1 9 8 8 年发表了污染物在晴天时的 累积模式，该模式认为污染物在晴天的累积量是时间的指数函数；m e t e a l f 和 e d d y m 等人于1 9 7 1 年提出地表污染物的冲刷模型，该模型认为径流过程中 不透水地表表层沉积物的冲刷速率与沉积的污染物量成正比；d e l e t i c 等人 ( 1 9 9 8 ) 1 3 】采用自动监测设备对城市她表雨水口处径流雨水水质的p h 、温度、 浊度及电导率进行了连续测定，获得了大量的数据，并给出了固体排放速率 与地表径流量的相关式；s a n s a l o n e 等人( 1 9 9 7 ) t g l 报导了城市道路路面径流 长安大掌硕士掌位论文 中重金属污染物的测试研究结果，分析了溶解态及非溶解态金属的径流排放 特征。目前，国外许多国家通过对多年暴雨径流监测数据进行统计分析和 计算机模拟，建立了很多用于描述径流过程的数学模型，常见的有s w m m 、。 n p s 、m o s q i t o 、f l u p o l 等。 分析这些污染物质对受纳水体水质的影响。 上述污染物质随径流进入水体后对水体水质的影响很大，水体的许多 物理、化学性质随之改变，受纳水体的化学性质有时被排入的路面径流所 主导i “1 。据j b e l l i s t l 0 1 的研究，受纳水体中金属含量的3 5 7 5 来自于公 路路面径流，其中来自公路路面径流的c d 、c u 、p b 、z n 的含量分别占水 ， 体总含量的4 6 、7 8 、4 7 、1 3 ；g s t o t z 2 】的研究认为，公路路面径 流中p a i l 。的含量是未受污染的河水或湖泊水的5 0 , - 6 0 倍；香港环保部门已 经认定路面径流是维多利亚港的潜在污染源，在b o d d e n 河中检测到的c 也 和n ，o 与来自p e e n e 地区的路面径流有关。 针对路面径流中的污染物，研究必要的污染控制措施 b m a e s t r i 和b n l o r d t ”1 按照联邦公路管理委员会f h w a ( t h ef e d e r a l h i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ) 的要求，以减少路面径流带入受纳水体的污染负 荷为目的，研究了几种暴雨径流管理控制措施，认为植被控制、湿式滞留 池、渗滤系统和湿地是几种有效的公路路面径流污染控制措掩：j j s a n s a l o n e a n ds g b u c h b e r g e r i ”1 等人的研究表明，渗滤系统p e t ( p a r t i a le x f i l t r a t i o n t r e n c h ) 可以有效去除公路路面径流中的重金属、s s 和p a h 。等污染物质； y a y o u s e f 和t h v i t v e d - j a e o b s e n ! ”】等人在弗罗里达州o r l a n d o 地区的某公 路上就植草渠道对公路径流中营养物质和重金属的去除效率的问题进行了 为期9 个月的研究，结果表明植草渠道对重金属、尤其是里离子状态的重 。 金属有很好的截留效果，其对z n 、p b 、n i 、c r 的去除效率分别为6 2 、5 7 、 5 l 、4 3 ；a l e x a n d r eg o r d i n e 和b a r r yj a d a m s t “】研究了渗滤系统、干。 式滞留池、湿式滞留池、沉淀池等径流控制措施，分析了各种措施对污染 物的去除机理、设计方法及处理效率，并认为渗滤系统中的渗坑是一种最 有效的径流污染控制方法，设计合理、维护良好的渗坑对污染物的去除效 。 率可达9 8 ：j d s a r t e r 和d r g a b o u r y t ”1 的研究表明，尽管路面清扫对小 4 、 长安大掌硕女掣啦论x 粒径污染颗粒的去除效果较差，但在某些特殊情况下的路面清扫工作对控 制径流污染仍有很大的意义；此外，在冰雪季节控制除冰剂的使用，对控 制路面径流对受纳水体的污染也具有重要的意义。 国内对此类课题的研究，除了长安大学环境工程研究所的老师对西安 市南二环路机动车道路面雨水径流和西安 | 临潼高速公路路面径流做过的一 些测试e 1 6 l 、中国环境科学研究所的夏青啪i 等人运用系统分析的方法对北京 地区城市径流的污染进行了概化的研究外，其余尚未见有开展对城市径流 深入研究的报导。 1 2 面源污染的危害和课题的提出 1 2 1 面源污染的危害 面污染源对地袁水的影响已被证明不小于点污染源。据美国国家水质 委员会在8 0 年代初估算”】，美国来自点源和面源的悬浮物总量为3 4 8 x 1 0 3 们，其中面源总量为3 1 9 1 0 3t d ，占9 2 ；氮负荷总量为7 8 6 1 0 3t d ， 其中面源总量为6 2 3 1 0 3 们，占7 9 ；磷负荷总量为8 0 x1 0 3f f d ，其中来 自面源的有4 2 5 1 0 3 t d ，占5 3 ；大肠杆菌的数目9 8 以上来自面源。1 9 9 0 年关于水体污染的调查表明i ”，约3 0 的水体超标是由面源污染所造成的。 在一些点源污水已作二级处理的城市，受纳水体中b o d 年负荷的4 0 - - 8 0 来自路面径流，在强暴雨期，9 4 - - - 9 5 的b o d 直接来自路面径流【1 8 】。据英 国的研究报道，来自中等城市住宅区的地表径流中，s s 最大值为8 8 0 m g 1 ， b o d ，最大值达4 5m g l o 在城镇地区，暴雨径流将城镇地面上的有毒污染 物带入水体，这些有毒污染物种类多，数量大，根据国外资料一个中等城市 废弃的铅约为3 7 9 3 吨，汞约为2 2 0 0 - - 1 1 0 0 0 公斤m 1 。u s e p a 于1 9 7 3 年公 布的由伊利斯诺大学进行的对p b 的研究结果表明，美国每年由地表径流迸 入水环境的p b 量高达5 0 0 吨【”i 。而英国的研究表明l ，由汽车交通排放的 p b 约有一半散布在农村地区，英国农村每年的p b 负荷为3 4 0 0 吨，年。研究 广大的农业耕作区，雨洪会冲刷泥沙以及化肥、农药和各类饲养场的废物， 这些物质都将进入水体。 根据美国资料6 l 美国每年消耗化肥约3 7 0 0 万吨， 估计约1 0 - - - 1 5 的氮肥流失进入水体，来自面源的总磷量估计每年约7 3 0 长j r - 大掌司e b 掣啦 毫曙乞 1 0 6 公斤，而全美矿区每天排放酸性废水约1 0 0 0 x 1 0 6 公斤。f i n n e m o r e 2 0 l ( 1 9 8 2 ) 的调查认为，在美国马里兰州m o n t g o m e r y 郡，5 7 5 0 公顷的w a t t s b r a n c h 流域里，每年的暴雨排污量为s s ：2 6 0 k g h a y r ，b o d 5 ：1 9k g h a y r , 占每年总 s s 和总b o d 负荷的8 7 。s o o k r l u n d 和l e h t i n e n d 2 0 】于1 9 7 3 年在瑞典斯德 哥尔摩市对3 3 公顷的公路路面、2 5 公顷的商业区和2 5 公顷的居住区的路 。 面径流的年污染物负荷率进行了研究，结果表明，三种不同土地使用类型 路面的b o d 5 负荷率分别为1 0 0k g h a y r 、4 3k g h a y r 、1 4k g h a y r ，s s 负荷、 率分别为1 1 8 5k g h a y r 、6 2 0k g h a y r 、1 7 3k g h a y r ，由此可见，公路径流 较之其它地表径流，b o d 负荷和s s 负荷要大很多。h e d l e y 和l o k y | e y p 0 1 等 人对位于英国伯明翰市的某3 6 公顷的公路的调查结果也表明，公路路面 径流b o d 和s s 的年污染负荷率是很大的，分别为1 7 2k g h a y r 和6 2 8 9 k g m a y r ，这些污染物随径流直接排放，势必对受纳水体造成较为严重的影 响。 在我国，滇池湖泊流域的大青河，暴雨期悬浮物浓度比平时均值高2 2 倍，亚硝酸盐氮则高1 6 3 倍，宝象河暴雨期最大悬浮物浓度是非暴雨期的1 0 6 倍l l “。近年来，我国对滇池污染、太湖污染、淮河流域污染等重大河流湖 泊污染问题的调查研究结果都表明，面源污染在其中起着十分重要的作用。 1 2 2 课题的提出 在面源污染中，城市地表径流是仅次子农业面源的第二大面污染源”6 1 。 h e a n e y 和h u b e e r ( 1 9 8 4 ) t 2 1 l 的研究认为，每年由城市地表径流造成的污染负 荷相当于城市污水处理厂排放的污染负荷，城市地表径流水中污染物s s 、 重金属及碳氢化合物的浓度在数量级上与未经处理的城市污水基本相同， 有些地区路面径流中悬浮固体的浓度甚至远远大于未经处理的城市污水。 ， 可见，城市地表径流的污染危害是相当大的。 公路路面径流是一种具有单一地表使用功能的地表径流，由于其污染 强度大，近年来被给予重视，对其进行了许多研究。t h o n 2 3 1 等人在对公路 路面径流进行水质分析时发现存在7 7 种环境优先污染物( 共1 2 0 种) ，包 括1 4 种无机物和6 3 种有机物，其中p b 、z n 的含量很高；z n 主要来自于 汽车轮胎的磨损颗粒，p b 是从汽车尾气中以0 0 6 - - 0 0 2g k i n 的排放率排出 6 长安大掌硕士掌位沦文 【2 0 1 ，在公路路面径流中的平均含量为2 4 m g 1 t 2 4 1 ( 由于无铅汽油的广泛使用， 使得近期的测试结果远远低于此值) 。另据英国学者研究报道【2 “，由于冬季 撒盐除冰的缘故，公路路面径流中氯化物的含量很高，其峰值可以达到6 5 0 0 0 m g ，1 ，f e 的峰值可达4 4 0m g 1 。德国专家s t o z e t 2 1 的研究发现，公路路面 径流中p a h 。的浓度是河水或湖泊水中的5 0 - - 6 0 倍，其中有1 4 是可溶性的， 这必然会给地表水环境造成十分严重的毒性污染。可见，公路路面径流是 一个污染潜力很大的面污染源，其对地表水体的影响是十分严重的。 长期以来，我国由于一直面l 临着极其严重的工业点源污染，所以政府 的主要工作放在了点源污染控制方面，对于面源污染尚未给予足够的重视， 对路面径流污染源的情况及其对地表水体的影响也就不了解，系统的研究 尚是一空白。国外虽已对此进行了近三十年的研究，但由于各国在汽车交 通、地理环境、气候条件、环境监测与管理方式上存在着较大的差异，如 我国汽车排放的碳氢类化合物是发达国家的1 8 2 8 倍1 1 6 】，因此我国的公路 路面径流污染问题应比发达国家更为严峻和突出，而且路面径流污染问题 是受多种随机因素综合作用的一个十分复杂的问题，国外的一些研究结果 未必适合我国的情况。目前我国正不断加大公路建设项目的投资规模，对 公路建设项目与环境的协调发展也已提出了更高更新的要求，所以，本论 文拟以西安一临潼高速公路为研究对象，研究公路路面径流这一面污染源， 希望能为环境管理部门搞好环境保护和环境规划、控制面源污染，做好公 路建设项目的环境影响评价、实现公路建设与环境的协调发展提供一些基 础性的资料和依据。 1 3 存在问题及本研究的主要内容及意义 1 3 1 存在的问题 前已述及，由于我国一直面临着极其严重的工业点源污染，所以，政 府的主要工作放在了点源污染控制方面，对于面源污染尚未给予足够的重 视。但近期对许多昔日水质良好、但近年来被污染水体的调查研究结果表 明，面源污染在其中起了十分重要的作用，所以对面源污染进行研究已经 成为环保工作者的一项艰巨任务。虽然美国和欧洲的一些国家对公路路面 长安大掌硕士掌位论文 径流和总路面径流已经进行了历时3 0 多年的研究，也取得了一些研究成果， 但至今仍未找到彻底控制面源污染的办法，对径流中有机污染物的测定及研 究工作至今开展的还很少，反映公路路面径流的资料还很有限，路面径流 的研究尚需进行大量的工作。国外进行了较多的研究，但有些结果差别很 大，有的研究甚至得到了相反的结论。如在研究影响城市地表径流污染物 浓度的因素时，w i l k i n s o n ( 1 9 5 6 ) t 2 0 j 发现前期干旱时间愈长径流中污染物浓度 愈高，h e d l e y 和弛n g ( 1 9 7 1 ) 在英国中部地区的观测结果支持w i l k i n s o n 的结论，然而w r i l e l ( 1 9 6 4 ) 、b i y o n ( 1 9 7 2 ) 、w h i p p l e ( 1 9 7 7 ) 和b e d i e n t ( 1 9 8 0 ) 等人在美国的调查中却没有得到类似的结果。英国水研究中心对斯蒂夫尼 奇新城地区的分流制排水系统排除的城市地表径流的研究结果表明，历来 被认为优于合流制的分流制排水系统产生的年污染负荷与合流制的雨天溢 流负荷相当，所以，分流制的优越性也越来越受到质疑。面源污染的水质 模拟等预测预报方法，由于对污染物在城市地表径流过程中的输送、扩散规 律未得到清晰的认识，经统计分析提出的一些描述径流污染负荷的数学模型 在对影响因素的认识方面存在本质的差别，以u s e p a 的s w m m 模型为代 表的一些模型将睛天累计天数作为其模型中最主要的参数，而英国 m o s q i t o 模型则认为该因素没有明显的影响，认为降雨量是影响地表径流 排污的主要因素等等 6 l 。 这些重要的研究成果和珍贵的数据资料对进一步开展路面径流的研究 无疑具有重要的指导意义，但由于各国具体情况的不同，国内与国外在汽 车污染及公路路面径流污染方面存在着较大的差异，直接将别国的研究成果 套用在我国是不适宜的啪】，何况我国是一个幅员辽阔、气候多样的国家， 不同地区的路面径流应具有不同的污染特性，所以在我国广泛开展这方面 的基础研究就显得尤为必要。随着国家对环境保护的逐渐重视，随着点源 污染逐步得到有效的控制，面源污染的严重性将愈来愈突出，研究路面径 流污染将成为环保工作者的一项重要任务。所以，本论文拟以西安临潼高 速公路为主要研究对象，研究西北地区公路路面径流的污染特性，拟为国 内广泛开展面源污染的研究提供一些基础性的资料和方法。 一 长安大学硕士掌位论文 1 3 2 研究的主要内容 本研究以西安市主要过境公路西安l 临潼高速公路为主要研究对 象，采用晴天时对公路路面沉积物进行采样、实验分析，降雨时对路面径 流过程进行实地监测、采样、水质分析，降雪时对雪样进行采样分析，并 结合国外相关研究资料，对下列问题进行研究探讨： 公路路面径流污染物与汽车交通的关系。了解公路路面径流污染物 的来源及其对路面径流污染的贡献： 公路路面径流水的污染特性。了解公路路面径流水中污染物的成分、 主要污染物浓度的大小、各污染指标的相关性、径流水的可生化性、径流 排放规律、影响径流中各种污染物浓度和污染物排放负荷的因素； 公路路面径流对受纳水体的影响。计算公路路面径流的年污染负荷， 并针对公路路面径流的不同排放方式和受纳水体的特点，探讨其适宜的、 用于计算受纳水体水质影响的数学模型，并编制出相应的计算程序。 公路路面径流污染控制措施。探讨适合于公路建设特点和径流排放 特点的各种径流管理控制措施，探讨其对污染物的去除机理、去除效率及 各种方法的适用条件。 1 3 3 研究的意义 通过本研究，预期在公路路面污染物的污染特性、公路路面径流水的 水质特性等方面获得一些基础性的研究资料，探讨公路路面径流对地表水 体的影响，建立其对受纳水体影响的数学模型，并提出可行的公路路面径 流污染控制措施，以便为今后进一步研究公路路面径流污染提供资料，为 环保部门实现对面源污染的控制管理决策提供科学依据和方法，为迸一步 实现公路建设项目与环境的协调发展、作好公路建设项目对水环境的环境 影响评价提供基础性的研究资料和依据。 9 长安大掌司e 士掌位论文 第二章公路路面径流污染特性研究 2 1 公路路面径流污染物 2 1 1 污染物的来源 公路路面径流作为一种具有较大污染潜力的污染源已经得到了各发达 国家的广泛关注f “】。公路路面径流污染物的来源很多，包括机动车辆的运 行、雨水本身的污染和大气降尘等等。s t o t z 啪等人( 1 9 8 7 ) 在德国三条交 通量很大的公路上对1 4 5 场降雨的8 5 0 个径流水样进行了连续监测和分析 研究，结果表明，公路路面径流中的污染物有s s 、c o d 、重金属如p b 、 z n 、c u 、c r 、n i 、f e 、c d 等、p 、n 营养物、氯化物、油和脂、农药和p a h 。 等，并且雨水在与路面接触形成路面径流后其污染物含量较之雨水本身大 大增加，雨水中各种污染物的含量与公路路面径流相比，大致如下：f e 为 6 ，矿物油6 一1 6 ，c d 和p b 为1 3 一1 8 ，c u 为1 0 1 2 ，c r 为 1 0 3 8 ，z n 为1 9 ，3 3 ，c o d 为1 5 一2 6 ，p 为4 0 5 4 ，只有n h + 一n 的浓度比路面径流中高。可见，路面径流的污染是在雨水与路面接触 后，亦即降雨产生径流将路面沉积的污染物冲刷而产生的。因此由于交通 活动而形成的路面沉积物是公路路面径流最重要的污染源。 根据k o b r i i l g e 一”】和j b e l l i s 1 q 等人的研究，路面沉积物中各种污染物 的来源如下： 1 s s ：s s 是公路路面最主要的污染物，其它污染物如重金属及有毒 化合物灿，等多是粘附在其表面上。其主要来源有轮胎磨损颗粒、筑路材 料磨损颗粒、运输物品的泄露、刹车连接装置产生的颗粒及其它与车辆运 行有关的颗粒物、大气降尘及除冰剂等。 2 重金属：公路路面沉积物中含量最大的重金属的是p b 和z n ，p b 主要来自于汽车尾气的排放，也有部分来自于燃料或润滑油的泄漏及除冰 剂的撒播( 使用除冰剂的公路路面) ；z n 主要来自于轮胎的磨损。 3 氯化物：路面沉积物中的氯化物主要来自于除冰盐。 4 油和脂：路面沉积物中的油和脂主要来源于燃料及润滑油的泄漏。 1 0 长安大掌硕士掌位论文 5 毒性有机物：路面沉积物中汽油烃( p h c ) 和多环芳烃( p a h s ) 一 部分来自汽油的不完全燃烧产物，但其最主要的来源是润滑油的泄漏口“， 这些毒性有机物的溶解性很小，绝大部分粘附于固体颗粒之上。 6 n 、p 营养物：公路路面沉积物中的n 和p 主要来自于晴天或雨天 时的大气降尘，对公路两边所种植物进行施肥等日常维护工作也是营养物 的主要来源( 故位于农村地区的公路，其路面沉积物中n 、p 营养物的含量 远远高于城市公路) 。 7 农药：空气中漂浮的农药颗粒在沉降和降雨淋洗的作用下会进入路 面径流，目前公路路面径流中已发现的农药成分有氯丹、甲氧基氯化物和 重氮基氯化物。 可见，公路交通活动是这些污染物质的主要来源。这些物质部分直 接沉积在路面或公路附近，其它部分则飘散在空气中或随降尘或降雨进入 路面或土壤表面。公路路面可沉污染物的沉积并不是时间的线性函数，而 与交通频率、车辆运行习惯、路况和车况、路面清扫频率有关。路面污染 物随路面径流排放，其数量并不直接与交通频率有关，而与地理特征、风 况、降雨量、降雨强度、降雨历时、晴天累计天数、路面清扫情况等因素 有关。经统计，当累积径流深度约为1 2 m m h r ，会产生大于或等于9 0 的 冲刷率，地表沉积物中粒径大于2 m m 的固体，一般不易被径流冲刷携带， 所以约有5 也o 来自机动车辆的污染物随径流排放f 2 l 。可见，要研究公路 路面径流的污染，首先研究路面沉积物的污染特性是十分必要和有意义的。 2 1 2 路面沉积物的研究 ( 1 ) 研究方法 本项研究采用的方法为：晴天时，在西安临潼高速公路上选一块2 平方米的采样点，对其路面沉积物进行人工清扫取样，用南京土壤仪器厂 生产的孔径为o 0 7 4 m m 、o 2 5 m m 、o 5 m m 、l m m 、2 m m 的标准分离筛进 行筛分称重，计算其颗粒级配，然后取一定量不同粒径的颗粒分别溶于蒸 馏水中，分析不同粒径颗粒的p b 、z n 和c o d 的含量，再将其折算成单位 重量颗粒所含污染物的量。p b 和z l l 的分析方法为原子吸收分光光度法 ( g b 7 4 7 5 8 7 ) ，c o d 的分析方法为重铬酸钾法( o b l l 9 1 4 8 9 ) 。 长安大掣口页士掌位就? 文 ( 2 ) 实验结果 所得实验结果列入表2 1 1 、图2 - 1 1 显示了各粒径颗粒占总颗粒的百 分比，图2 1 2 显示了各不同粒径颗粒的重金属污染潜力。 表2 - 1 1 西安i 胤奎高速公路路面沉积物分析表 项目粒径百分比总p b总z n c o d 鳙号 m m m g 爪gm g 他gm g 1d 21 6 73 3 8 26 5 0 51 0 1 7 3 2d 15 8 91 5 2 7 51 0 2 9 72 0 1 l 3d o 51 6 9 97 1 8 1 21 4 7 0 11 9 2 5 4 d o 2 52 7 4 15 1 0 5 11 5 4 3 54 2 6 5 5d o 0 7 43 2 1 24 4 9 2 32 6 0 1 26 7 5 5 6d 0 0 7 41 5 9 25 2 6 0 l2 0 6 5 57 8 0 6 图2 一1 2 各粒径颗粒的重金属污染潜力 长安大学司r 士掌位论： ( 3 ) 国外相关研究结果 j d ，s a r t e r 和d r g a b o u r y t ”1 在研究路面清扫对路面沉积物的去除效率 时，总结了s h a h e e n 对路面沉积物污染特性的研究结果。其研究结果列于 表2 1 2 。其研究方法与本项研究所用方法相同。 表2 1 2 不同粒径颗粒的污染潜力( s h a h e e n ) 粒径 重量百分挥发性固 b o dc o dp bz n um 比 体m g gm g gm g gm g k gm e , k g 3 3 8 m v 8 5 01 57 63 66 88 0 02 0 0 8 5 0 4 2 01 94 33 05 63 2 0 01 0 0 0 4 2 0 五5 02 43 43 15 1 3 4 0 01 6 0 0 2 5 0 7 53 25 93 8 1 0 65 9 0 01 8 0 0 7 5l o1 2 66 92 1 l 6 4 0 01 6 0 0 德国学者a n d r e a sk r e i n t 4 6 1 等人研究了公路路面沉积物的累积过程，发 现某些污染物如依附于颗粒上的重金属p b 、z n 及总p a i l s 的累积与晴天累 积天数存在较好的对数关系，c u 与晴天累积天数存在较好的指数关系。这 些污染物在降雨径流的作用下能被较为完全的冲刷，在接下来的晴天里， 又开始累积，如图2 1 3 所示。其中p b 、总p a i l s 和c u 与晴天累积天数的 回归方程如下： c ( p b ) ( m g k g ) = 9 7 l n ( x ) + 2 4 9 r 2 - o 9 8 c ( p a h x m g k g ) = 4 5 2 l n ( x ) + 4 5 r 2 - - 0 9 8 长安大掌司| 士掌位毹! 文 2 1 3 公路路面沉积物的污染特性分析 对比西安刈缶潼高速公路路面沉积物污染特性表2 1 - l 与国外相关研究 结果表2 1 2 可见，公路路面沉积物有如下污染特性： 。 1 粒径较大的颗粒较少。西安临潼高速公路路面沉积物中粒径大于 l m m 的颗粒约占总颗粒的8 ，而国外研究结果中粒径大于0 8 5 m m 的颗。 粒占总颗粒的1 5 ，可见公路路面沉积物以小粒径颗粒为主，大的颗粒可 能在日常清扫中得以去除。 二 2 路面沉积物中，不同粒径颗粒的p b 含量变化较大，且较小颗粒p b 含量较大。西安临潼高速公路路面沉积物p b 的含量范围为 3 3 8 2 m g j k g 7 1 8 1 2 m g k g ，远远大于当地土壤环境背景值的p b 含量( 其值 为2 0 5 m g k g ) 【5 ”。其中粒径大于i m m 的颗粒p b 含量较小，而粒径小于i r n m 的颗粒含p b 量较大，其中以粒径在o 5 m m i m m 之间的颗粒含p b 量最大， 达7 1 8 1 2 m g k g 。国外研究资料中p b 的含量范围为8 0 0 m g k g - 6 4 0 0 m g k g ， 其中粒径大于0 8 5 m m 的颗粒p b 含量较小，而粒径小于o 8 5 r n m 的颗粒含 p b 量较大，其p b 含量的最大值达到6 4 0 0 m g k g 。可见，公路路面沉积物的 p b 污染潜力是很大的。对比国内外研究结果发现，国外的监测结果远远高 于国内。分析其原因，可能有两点，其一，国外的汽车拥有量比国内大， 故从汽车尾气中排出的p b 量要大于国内的值：其二，国外的监测结果是1 9 7 5 年得到的，那对汽油中p b 的含量较高，无p b 汽油还未广泛使用，而本项 研究的结果是近年得到的，此时，无p b 汽油已得到广泛的应用，所以其值 远远低于国外的结果。可见无p b 汽油的使用可以大大改善汽车交通所带来 的重金属p b 污染。 3 路面沉积物中，z n 的含量呈随颗粒粒径减小而增大的趋势。西安一 一 临潼高速公路路面沉积物中z n 的含量范围为6 5 0 5m g k g 一2 6 0 1 2 m g k g ，其 高值远远高于当地土壤环境背景值的z n 含量( 其值为6 5 8 m g k g ) 1 5 2 ，国外 二 研究资料中z n 的含量范围为2 0 0m 鲈【g - 1 6 0 0m g 瓜g 。、国外的测试值高于本 次研究的结果可能是国外的汽车拥有量多、交通量大的结果。 4 西安临潼高速公路路面沉积物中c o d 的范围为1 9 2 5 r a g g - 1 0 1 7 3 。 m e ) g ，颗粒中c o d 的重量加权平均含量为5 1 9 7 m g g ，国外资料中c o d 的 4 长安大掌硕士学位说? 文 范围为5 1 m g g - 2 1 1 m g g ，可见，公路路面沉积物具有一定的有机污染潜力。 综上所述，公路路面沉积物所造成的污染主要是重金属污染，而这些 重金属污染物均来自于与汽车交通有关的活动，如p