張千千，李向全，王效科*，萬五星,，歐陽志云

城市路面降雨徑流污染特征及源解析的研究進展

張千千1,2，李向全1，王效科2*，萬五星2,3，歐陽志云2

1. 中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，河北 石家莊 050061；2. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085；3. 河北師范大學生命科學學院，河北 石家莊 050016

城市路面徑流是城市地表徑流的重要組成部分，因其污染強度大、對地表水體的影響嚴重而被予以格外的關注。通過對國內外關于路面徑流水質的研究進行總結發(fā)現(xiàn)：我國城市道路徑流中COD、TP、TN和Pb的平均質量濃度分別為239.59、0.46、6.29和0.14 mg·L-1，超過了國家地表水環(huán)境質量Ⅴ類標準，TSS的質量濃度高達552.86 mg·L-1。因此，COD、TP、TN、Pb和TSS是我國路面徑流的主要污染物。高速路徑流污染物Pb、Cu和Zn的濃度明顯高于普通道路，而普通道路徑流污染物中COD和TSS要高于高速路。與其他國家相比，我國城市道路雨水徑流污染物濃度偏高。多數(shù)研究表明：污染物的質量濃度與降雨量呈負相關關系，路面坡度增加了車輛與路面的摩擦力和燃料的消耗，進而導致路面徑流污染物的濃度較高，路面清掃或許對污染物的濃度有不利的影響，主要由于道路清掃將路面中部分大顆粒破碎，釋放出了細小的顆粒物（粒徑＜43 μm）并且不能將其清除的緣故。但是，降雨強度、干期、降雨歷時和車流量對徑流水質的影響存在一定的爭議。通過對現(xiàn)有的研究總結發(fā)現(xiàn)：車流量≥30 000的路面徑流中COD、TSS、Pb和Cu的濃度是車流量＜30 000的路面徑流中的2.5、4.3、1.4和5.1倍；路面徑流中的重金屬主要來源于車輛的交通損耗，有機污染物來源于車輛的交通活動和路面材質，營養(yǎng)污染物來源于大氣干濕沉降。今后應從以下幾方面開展研究：將多環(huán)芳烴、大腸桿菌等水質指標列入研究計劃；深入分析影響降雨徑流水質的因素及各影響因子間的交互作用；運用同位素溯源技術識別道路徑流污染物來源。

道路徑流；水質；影響因素；污染物來源

面源污染是指溶解的或固體污染物從非特定的地點，通過徑流過程而匯入受納水體，引起的水體污染（賀纏生等，1998；陳利頂和傅伯杰，2000）。近年來，隨著科學技術的發(fā)展，點源污染已得到一定的控制，而非點源污染卻因其分布范圍廣、潛伏周期長、不確定性、隨機性、滯后性等特點而難以控制。從世界范圍來看，非點源污染已成為影響水體的重要污染源（鮑全盛和王華東，1996；Loen等，2001）。在美國，60%的水資源污染起源于非點源污染，非點源污染已經成為環(huán)境污染的第一因素。在北美和西歐，非點源污染的研究和防治受到高度重視，為此已進行了多年的研究工作。荷蘭農業(yè)非點源提供的總氮和總磷分別占水環(huán)境污染總量的60%和40%～50%（馬立珊等，1997）。而我國也存在著嚴重的非點源污染（李俊然等，2000；劉瑞民等，2006；莢德安等，2007；趙俊麗等，2009），并呈現(xiàn)逐漸惡化的趨勢。

城市路面徑流是城市地表徑流的重要組成部分。道路包括公路及城市道路，公路是指連接城市與城市的道路。路面徑流因其污染強度大、對地表水體的影響嚴重而被予以格外的關注，近年來在國外已逐步發(fā)展成為一門獨立的研究領域。

道路表面尤其是交通活動頻繁的城市道路表面，能夠通過汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損以及油脂的滲漏等累積大量的懸浮顆粒、營養(yǎng)鹽、重金屬和多環(huán)芳烴(PAHs)等污染物質（DEletic和Orr，2005）。由于城市道路的高度不透水性，這些污染物質在降雨期間會被道路表面產生的雨水徑流溶解、沖刷并通過城市排水管網遷移進入水體，對受納水體的水質造成明顯的破壞（Perdikaki和Mason，1999）。

因此，20世紀70年代以來，許多國家相繼開展了城市路面暴雨徑流測，Butcher（2003）研究了場次降雨路面徑流的污染物平均濃度(EMC)。Taeb和Droste（2004）和Lee等（2002）研究了路面徑流污染物的初始沖刷現(xiàn)象，分析了初始沖刷與降雨強度和2次降雨間隔之間關系。Shinya等（2003）探討了路面徑流水質與交通強度、暴雨強度、干期長度等的關系。我國在面源污染監(jiān)測方面起步相對較晚，近年來，在北京、西安、武漢，上海，重慶等城市相繼開展了路面徑流水質的監(jiān)測分析（趙劍強和孫奇溥，2002；韓冰等，2005；黃金良等，2006；李立青等，2007；林莉峰等，2007；Ren等，2008；Wang和Xie，2009；張千千等，2012）。并取得了大量的研究成果。

我國的城市路面徑流污染問題應比發(fā)達國家更為突出。隨著城市化進程的加快，以及汽車擁有量的迅速增大，路面徑流污染問題必將更為突出。所以，通過對路面徑流污染物的調查研究，了解路面徑流雨水的污染狀況及水質特性，分析影響路面徑流水質的因素，探討路面徑流中污染物排放規(guī)律及來源，研究路面徑流污染防治措施，對防止水污染、保護水資源、保護人類健康生存具有重要的社會意義。

筆者在查閱國內外大量文獻的基礎上，綜述了當前城市路面降雨徑流污染的研究進展。主要包括以下幾方面：1）路面徑流水質的污染特征；2）影響路面徑流水質的因素；3）路面徑流污染物來源解析；4）研究展望。

1 路面徑流水質的污染特征

國內外對路面雨水徑流進行了大量研究，主要監(jiān)測水質指標有：pH、EC、TN、TP、NH4+-N、NO3--N、TSS、COD、BOD5和重金屬(Cu、Zn和Pb)等污染物。侯培強等（2012）研究發(fā)現(xiàn)城市道路徑流中主要的污染物為TN和NH4+-N。張千千等（2012）研究發(fā)現(xiàn)城市道路徑流中主要的污染物是：COD、TP和TN。Lee等（2011）對韓國城市高速路的降雨徑流特征進行研究，發(fā)現(xiàn)城市高速路徑流主要污染物是TSS和COD。Zhang等（2013）對山地城市降雨徑流特征進行研究，發(fā)現(xiàn)山地城市道路徑流中主要污染物是：COD、TN和TP。

筆者通過對國內外近年來關于道路徑流水質的一些研究進行歸納總結（表1）發(fā)現(xiàn)：我國城市道路徑流中COD、TP、TN和Pb的平均質量濃度分別為239.59、0.46、6.29和0.14 mg·L-1，超過了國家地表水環(huán)境質量Ⅴ類標準（GB 3838—2002），TSS的質量濃度達到552.86 mg·L-1，它們是道路雨水徑流的主要污染物。與其他國家相比，我國城市道路雨水徑流污染物濃度偏高，這可能由于我國大氣質量和路面衛(wèi)生情況比國外差的緣故（Ren等，2008；Zhang等，2013）。高速路徑流水質與普通道路徑流水質相比，高速路徑流污染物Pb、Cu和Zn的濃度明顯高于普通道路（G?bel等，2007），這主要因為重金屬主要來源于車輛的交通耗損（Sansalone和Buchberger，1997；Ball等，1998；Huang等，2007；Mangani等，2005），而高速路的車速快，車輛的磨損大于普通道路，所以，在高速路徑流污染物中Pb，Cu和Zn的濃度要高于普通道路。而普通道路徑流污染物中COD和TSS要高于高速路，這主要由于普通道路受人類活動影響較大緣故。

表1 國內外城市道路雨水徑流污染物質量濃度值EMCTable 1 pollutants concentration of urban road rainfall runoff in the worldwide mg·L-1

2 影響路面徑流水質的因素

影響路面雨水徑流的因素主要包括降雨特征（降雨量，降雨歷時，徑流量，降雨強度和2次降雨間隔時間（干期）等），路面情況（路面的交通情況，路面材質，路面的清掃情況和周圍土地使用類型等）和氣候因素（風向、風速、季節(jié)降雨的特點和溫度等）。本研究重點探討了降雨特征和交通量對路面徑流水質的影響。

2.1 降雨特征對路面徑流水質的影響

2.1.1 降雨量對路面徑流水質的影響

降雨量決定著稀釋污染物的水量。通常情況，污染物的濃度與降雨量呈負相關關系，即降雨量越大，污染物的濃度越低。這主要是因為一場降雨事件中，道路累計的污染物的量是固定的，由于雨水的稀釋作用，所以降雨量越大，污染物的濃度就越低。多數(shù)學者研究發(fā)現(xiàn)污染物的濃度與降雨量呈負相關關系，如Gan等（2008）在廣州市區(qū)和農村地區(qū)高速公路徑流的研究中發(fā)現(xiàn)，公路徑流中的污染物濃度與降雨量呈負相關關系。Kayhanian等（2007）對加利福尼亞34條高速路研究發(fā)現(xiàn)，徑流中的污染物濃度與降雨量呈顯著負相關關系，并且對于一個具體的降雨事件來說，污染物濃度隨著降雨量的增加而下降。Ren等（2008）對北京環(huán)路徑流研究得到了類似的結果，發(fā)現(xiàn)污染物濃度與降雨量呈負相關關系，并且在相同的污染物累積量條件下，降雨量越大，徑流中污染物濃度越低。但是有個別研究沒有發(fā)現(xiàn)這種結果，如Crabtree等（2006）研究發(fā)現(xiàn)污染物的濃度與降雨量沒有相關關系。

2.1.2 降雨強度對路面徑流水質的影響

降雨強度決定著淋洗、沖刷地表污染物的能量大小。降雨強度對路面徑流中污染物的種類和數(shù)量有顯著的影響，這主要由于有些污染物主要以微粒態(tài)形式存在，這些污染物只有在高的降雨強度下才能被沖刷。降雨強度與路面徑流污染物濃度的關系，文獻中存在一些爭議。一些研究發(fā)現(xiàn)污染物的濃度與降雨強度之間存在正相關關系（Crabtree等2008），有些研究發(fā)現(xiàn)污染物的濃度與降雨強度之間存在負相關關系（陳瑩等，2011；Kim等，2005）。一些研究發(fā)現(xiàn)，不同形態(tài)的污染物與降雨強度之間相關關系不同。李賀等（2008）對南京機場高速路研究發(fā)現(xiàn)，降雨強度對以顆粒態(tài)存在的污染物(SS、COD、TP等)影響較大。Kayhanian等（2003）對加利福尼亞高速路研究發(fā)現(xiàn)，最大降雨強度與以顆粒態(tài)存在的污染物(TSS、TZn、TP和油和油脂等)有正相關關系，而與溶解態(tài)的污染物(溶解態(tài)Cu、Zn、總溶解性固體等)存在負相關關系。

2.1.3 降雨歷時對路面徑流水質的影響

降雨歷時既決定著污染物被沖刷的時間也決定著降雨期間的污染物向地表輸送的時間。通常情況下，降雨歷時越長，污染物的負荷就越大，因為，降雨期間會有一定量的污染物輸入地表，如車輛攜帶的污染物。但是，由于污染物濃度受多種因素的影響，這種關系并不能總被識別（Crabtree等，2006），有時甚至得到相反的關系。如Kim等（2005）研究發(fā)現(xiàn)，污染物的EMC與降雨持續(xù)時間存在負相關關系。

2.1.4 干期對路面徑流水質的影響

雨前干燥期的長短，決定地表污染物累積的數(shù)量，進而影響到可被降雨徑流沖刷、攜帶污染物的數(shù)量。通常情況下，干期的長短與降雨徑流污染物的負荷存在的顯著的正相關關系（李立青等，2007）。但是，關于干期長短與路面徑流水質的關系，研究者沒有得到一致的結果。如Kayhanian等（2007）研究發(fā)現(xiàn)干期與污染物的EMC有顯著的正相關關系；Han等（2006）發(fā)現(xiàn)干期與EC、hardness、COD、DOC和TKN的EMC有很好的正相關關系。然而，Crabtree等（2006）和Desta等（2007）研究發(fā)現(xiàn)干期和污染物的EMC沒有顯著的正相關關系。Helmreich等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，前期干期長度對污染物的濃度沒有顯著影響，可能由于街道清掃和有交通引起的風和空氣流動的緣故。

2.2 路面情況對路面徑流水質的影響

2.2.1 平均日交通量對路面徑流水質的影響

公路交通活動是道路徑流污染物的主要來源。關于交通量與路面徑流污染物濃度的關系，文獻中沒有得到一致的結果。Crabtree等（2006）和Desta等（2007）研究發(fā)現(xiàn)污染物的濃度與交通量不存在明顯的相關關系。有些研究得出相反的結果，Kayhanian等（2007）發(fā)現(xiàn)平均日交通量對高速路徑流組分EMC有顯著影響。Crabtree等（2008）研究發(fā)現(xiàn)年平均日交通量對污染物的濃度有極大的影響。本文通過總結現(xiàn)有研究結果（表1），得出相似的結論即車流量≥30000的路面徑流中COD、TSS、Pb和Cu的濃度是車流量＜30000的路面徑流中的2.5、4.3、1.4和5.1倍。因此，筆者認為車流量對污染物的濃度有顯著的影響。

2.2.2 路面的清掃情況對路面徑流水質的影響

城市路面清掃的頻率及效果影響著晴天時在地表累積的污染物數(shù)量。污染物較容易吸附在細顆粒上，Ball等（1998）發(fā)現(xiàn)多于50%的重金屬吸附在粒徑＜43 μm的顆粒物上，盡管這些顆粒物只貢獻5.9%的懸浮物。一般道路清掃設備主要用于去除較大粒徑(2000 μm)的顆粒，對小粒徑的顆粒物去除效果不好（Collins和Ridgway，1980），但由于城市地表沉積物是城市降雨徑流污染物的主要來源，高頻率和高效率的道路清掃仍可去除道路徑流中的大部分污染物。Helmreich等（2010）經過研究德國一交通干道的徑流特征發(fā)現(xiàn)，由于頻繁的道路清掃，使得道路徑流中的TSS，TOC和Zn等污染物并沒有隨著干期時間的增加而明顯增加。一些研究者也發(fā)現(xiàn)，道路的清掃增加了徑流中的污染物總量（Vaze和Chiw，2002），這主要是由于道路清掃將路面中部分大顆粒破碎，釋放出了細小的顆粒物（粒徑＜43 μm）并且不能將其清除，這些細小顆粒物含有較多的污染物，導致污染物的濃度增加。因此，應該進一步優(yōu)化道路清掃方式，以便可以移除較小粒徑的顆粒物，降低徑流中污染物的濃度。

2.2.3 路面坡度對降雨徑流水質的影響

路面的坡度也是影響徑流水質的一個重要因素。隨著路面坡度的增加，車輛輪胎與路面的摩擦力也相應增大，并且會消耗更多燃料，這或許導致產生更多的污染物。Lau等（2005）研究發(fā)現(xiàn)徑流中多環(huán)芳烴的濃度在坡度站點顯著高于無坡度站點，這可能由于車輛在上坡是會消耗比較多燃料的緣故。Zhang等（2013）研究了山地城市（重慶）道路徑流的特征，發(fā)現(xiàn)山地城市道路徑流中TSS、TP、TN和COD的濃度要顯著高于其他城市，這主要由于山地城市道路具有較高的坡度，導致車輛消耗更多的燃料，并且車輛與路面的摩擦力很大，進而產生更多污染物的緣故。

3 路面徑流污染物來源解析

城市地表徑流中的污染物主要來自于降雨對城市地表的沖刷，所以，城市地表沉積物是城市地表徑流中污染物的主要來源。城市地表沉積物的組成決定著城市地表徑流污染的性質。城市地表沉積物包含許多污染物質，有固態(tài)廢物碎屑(城市垃圾、動物糞便和城市建筑施工場地堆積物)、化學藥品(草坪施用的化肥農藥)、空氣沉降物和車輛排放物等。

目前，關于路面徑流污染物來源做了大量研究。Davis等（2001）研究發(fā)現(xiàn)，城市道路地表中，車輛輪胎和制動器的磨損貢獻了Cu污染負荷47%和其他重金屬污染負荷的1%～10%。Hung和Hsu（2004）研究發(fā)現(xiàn)，路面徑流中的重金屬主要來自于車輛的交通損耗。近年來，研究者運用多元統(tǒng)計技術，對路面徑流中污染物來源做進一步識別。Huang等（2007）運用主成分分析區(qū)分路面徑流的污染物來源，發(fā)現(xiàn)重金屬Pb，Zn和Cu來源于車輛的交通損耗；TOC和COD來源于車輛的交通活動；TP來源于土壤的流失。張千千等（2012）運用主成分分析區(qū)分路面徑流的污染物來源，也得到相似的結論，發(fā)現(xiàn)TN、NH4+-N和NO3--N等營養(yǎng)污染物主要來源于大氣的干濕沉降；COD、Cu、Cd、Zn和Pb主要來源于車輛的交通損耗，而TP和TSS主要來源于城市垃圾。侯培強等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，TP、COD、SS和TOC主要來源于機動車輛和路面材質；Cu、NH4+-N、NO3--N、BOD5、Pb、Zn和TN主要來源于大氣干濕沉降和機動車尾氣。Kojima等（2011）運用硝酸鹽中15N同位素技術識別路面徑流中硝酸鹽的污染來源，發(fā)現(xiàn)路面徑流中氮可能來源于地表沉積物。

4 研究展望

關于城市路面降雨徑流污染的已有近50年的歷史，并得到了大量的研究結果，針對近年來的研究現(xiàn)狀，筆者認為今后應從以下幾方面深入研究。第1，近年來，學者們主要關注了道路徑流水質的常規(guī)污染物，如物理指標、營養(yǎng)元素、重金屬等，而對于道路徑流中有機污染物（如多環(huán)芳烴）（張巍等，2008）、大腸桿菌等關注相對較少。由于多環(huán)芳烴具有較高的毒性，對人體健康危害很大，因此，今后的研究應將有機污染物、大腸桿菌等水質指標列入其中。第2，由于影響道路徑流水質的因素很多，每種影響因素的異同，都可能導致研究結果的差異，如降雨強度、干期和降雨歷時對徑流水質的影響都存在一定的爭議。因此，深入分析各種影響因子對徑流水質的影響程度，探索各個影響因子之間的交互作用，還需要進一步深入研究。第3，近年來，隨著穩(wěn)定同位素技術的進一步完善，同位素識別技術已得到大量的應用。如研究者已經運用穩(wěn)定同位素技術識別了地下水和地表水中硝酸鹽的污染來源（Katz等，2004；Liu等，2006；Lee等，2008；Nestler等，2011）。但是，在降雨徑流污染源解析中應用同位素識別技術相對較少。由于不同地區(qū)污染物的來源可能不同，并且污染物同位素的比值會有一定的變化，所以，應將同位素溯源技術應用到道路徑流污染中，為更準確的識別污染源提供科學的依據(jù)。

5 結論

1）我國城市道路徑流中主要污染物是COD、TP、TN、Pb和TSS；高速路徑流污染物Pb，Cu和Zn的濃度明顯高于普通道路；而普通道路徑流污染物中COD和TSS要高于高速路；與其他國家相比，我國城市道路雨水徑流污染物濃度偏高。

2）研究者發(fā)現(xiàn)污染物的濃度與降雨量呈負相關關系，路面坡度嚴重影響了路面徑流水質，路面清掃或許對污染物的濃度有不利的影響，但是，降雨強度、干期、降雨歷時和交通量對徑流水質的影響存在一定的爭議；筆者通過總結現(xiàn)有文獻中數(shù)據(jù)，得出車流量對污染物的濃度有顯著的影響。

3）研究者普遍認為路面徑流中的重金屬來源于車輛的交通損耗，有機污染物來源于車輛的交通活動和路面材質，營養(yǎng)污染物來源于大氣的干濕沉降。

4）今后應從以下幾方面開展研究：關注多環(huán)芳烴、大腸桿菌等水質指標、深入分析影響降雨徑流水質的因素及各影響因子間的交互作用、運用同位素溯源技術識別道路徑流污染物來源。

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Research advance in the characterization and source apportionment of pollutants in urban roadway runoff

ZHANG Qianqian1,2, LI Xiangquan1,WANG Xiaoke2, WAN Wuxing2,3, OUYANG Zhiyun2
1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Science, Shijiazhuang 050061, China; 2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China; 3. College of Life Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050016, China

As a major part of urban surface runoff, urban road runoff has drawn extraordinary attention due to its large magnitude of pollution and severe influence on surface water bodies. By summarizing the results of previous studies on water quality of road rainfall runoff, it can be found that the concentration of COD, TP, TN and Pb were 239.59, 0.46, 6.29 and 0.14 mg·L-1, respectively, and exceeded the Ⅴ class of surface water. The concentration of TSS was 552.86 mg·L-1. Therefore, the COD, TP, TN, Pb and TSS were the main pollutants of urban road runoff. The concentration of Pb, Cu and Zn are higher in the highway than the other road. But, the concentration of TSS and COD are lower in the highway than the other road. When Comparing domestic studies with the other countries’, the pollutants concentration of road rainfall runoff are higher in China. The most researchers found that the concentration of pollutants and rainfall volume have negative correlation. The steeper slope of the road could produce higher runoff concentrations of pollutants due to the greater friction between vehicle tire and road and more burnt fuel. The road sweeping could have adverselyaffected to the concentration of pollutants mainly due to releasing the fine material from the fixed load but not having enough suction to remove them. However, there are contradicting reports in the literature as to the correlation of the concentration of pollutants with rainfall intensity, antecedent dry period, rainfall duration and average daily traffic. By summarizing the data in existing studies, it is found that the concentration of COD, TSS, Pb and Cu in road runoff at the traffic volume ≥30 000 were 2.5, 4.3, 1.4 and 5.1 times respectively, compared with the concentration at the traffic volume ＜30 000. In the road runoff, the heavy metals were mainly come from vehicle’s exhaust, the organic pollutants mainly sourced from vehicles activities and road material and the nutrition-related pollutants mainly sourced from atmospheric dry and wet deposition. The following aspects should be carried out in future research: To take the polycyclic aromatic hydrocarbons and Escherichia coli into the research program; Deep analysis of the factors affecting rainfall runoff water quality and the interaction between factors, and to utilize the isotope tracing techniques to indentify the pollution source of the urban road runoff.

road runoff; water quality; influencing factors; pollution source

X143

A

1674-5906（2014）02-0352-07

張千千，李向全，王效科，萬五星，歐陽志云. 城市路面降雨徑流污染特征及源解析的研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2014, 23(2): 352-358.

ZHANG Qianqian, LI Xiangquan, WANG Xiaoke, WAN Wuxing, OUYANG Zhiyun. Research advance in the characterization and Source apportionment of pollutants in urban roadway runoff [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 352-358.

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07307）；國家科技支撐計劃項目（2011BAJ07B05和2012BAC13B00）

張千千（1983年生），男，博士研究生，主要研究方向為城市面源污染。E-mail：z_qqian@163.com

*通信聯(lián)系人：王效科，男，研究員，博士生導師。E-mail：wangxk@rcees.ac.cn

2013-08-22