基于交通流特性的高速公路雨水徑流污染研究*

喬建剛 張雪潔

(河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401)

近年來，為帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高公路運(yùn)輸效率，高速交通網(wǎng)絡(luò)及道路運(yùn)輸量快速發(fā)展，使高速徑流污染問題日益突出，道路徑流污染成為城市受納水體非點(diǎn)源污染的主要污染源之一[1]。路面徑流研究也越來越受到學(xué)者們的重視，其中北京、上海、重慶等重點(diǎn)城市道路雨水徑流已有一定的研究規(guī)模，分別對(duì)徑流影響因素、污染特性、指標(biāo)相關(guān)性等方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)徑流污染會(huì)受到地域、道路運(yùn)行狀況、晴天累計(jì)天數(shù)、降雨量、氣溫、交通量等因素的影響[2-6]。相關(guān)研究表明，道路徑流污染主要來源于交通活動(dòng)，但并沒有具體交通活動(dòng)與污染指標(biāo)內(nèi)在關(guān)系的研究。本研究在對(duì)天津城區(qū)以外的高速公路進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通流參數(shù)調(diào)查與污染檢測(cè)結(jié)果，探討了污染指標(biāo)和交通流特性的相互關(guān)系，以期為高速公路雨水徑流污染控制提供一些借鑒與參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 采樣方法

采樣點(diǎn)選取津保高速天津北辰段距收費(fèi)口1 km的出高速路段的雨水排水口，從徑流產(chǎn)生開始取樣，采用方口容器取水后放入采樣瓶。小雨和中雨時(shí)，前60 min每20 min取樣1次，>60～120 min每30 min取樣1次，120 min后每120 min取樣1次；大雨和暴雨時(shí)，前15 min每5 min取樣1次，>15～60 min每15 min取樣1次，>60～150 min每30 min取樣1次，150 min后每60 min取樣1次。

1.2 檢測(cè)項(xiàng)目與方法

檢測(cè)項(xiàng)目主要包括SS、COD、BOD5、TN、TP、氨氮、Pb、Zn、Cu、Cd、Mn。SS采用重量法；COD采用重鉻酸鉀法；BOD5采用稀釋與接種法；TN采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法；TP采用鉬酸銨分光光度法；氨氮采用納氏試劑分光光度法；Pb、Zn、Cu、Cd、Mn均采用火焰原子吸收分光光譜法。

1.3 交通特性調(diào)查

選用雷達(dá)測(cè)速儀(BUSHNEL101911)、交通檢測(cè)器(MC5600)等對(duì)雨水采集路段進(jìn)行交通流調(diào)查，交通流參數(shù)主要包括交通量、車速與交通密度，其中交通量選取折合交通量，車速選用平均車速。

2 結(jié)果與討論

2.1 檢測(cè)結(jié)果

選取兩場(chǎng)有代表性的降雨監(jiān)測(cè)結(jié)果，高速公路雨水徑流污染物時(shí)域圖具體見圖1。由圖1(a)可見，與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)相比可知，高速公路雨水徑流初期污染較嚴(yán)重，COD、BOD5、TN、TP、氨氮最高值分別達(dá)到了GB 3838—2002中Ⅴ類限值(40、10、2.0、0.4、2.0 mg/L)的15.6、5.0、5.3、2.1、6.5倍，對(duì)周圍水環(huán)境的污染較嚴(yán)重。隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，污染物濃度逐漸變小，后期污染物濃度波動(dòng)不大。這種污染物變化趨勢(shì)的形成主要由于晴天累計(jì)天數(shù)的增加導(dǎo)致初期污染物濃度較大，在較大雨型的沖刷下，初期效應(yīng)較明顯[7]。由圖1(b)可見，第2場(chǎng)降雨降雨量在30 mm左右，降雨時(shí)間較長(zhǎng)，沒有顯著的初期效應(yīng)，污染物濃度變化也較慢，污染持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。這主要是由于降雨沖刷強(qiáng)度不大導(dǎo)致。

重金屬質(zhì)量濃度與《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)、GB 3838—2002進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。Pb、Cd超出了GB 3838—2002中Ⅴ類限值，Mn超出了GB 3838—2002中標(biāo)準(zhǔn)值，而Zn與Cu濃度較低。這與張娜等[8]對(duì)天津城區(qū)路面徑流重金屬污染特性研究中Pb與Cd含量超標(biāo)的結(jié)果相吻合；但在Zn含量上存在出入，其可能是道路交通量、清掃頻率、大氣沉降等不同而造成的。

2.2 污染相關(guān)性與時(shí)變關(guān)系

2.2.1 污染指標(biāo)相關(guān)性

由圖1可見，污染物在雨水徑流初期污染嚴(yán)重，后期污染物濃度逐漸降低，主要集中于SS。本研究進(jìn)一步分析了SS與各污染指標(biāo)的相關(guān)性，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，SS與各污染指標(biāo)間存在較好相關(guān)性。通過控制SS能有效控制高速公路雨水徑流污染。

圖1 高速公路雨水徑流污染物時(shí)域圖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與其他污染指標(biāo)的相關(guān)性

注：1)x為SS質(zhì)量濃度，mg/L；y為除SS外其他污染指標(biāo)的質(zhì)量濃度，mg/L。

2.2.2 污染指標(biāo)時(shí)變關(guān)系

污染物在雨水沖刷下濃度隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到時(shí)變關(guān)系模型結(jié)果，具體如表3所示。從表3可以看出，污染指標(biāo)多數(shù)與時(shí)間成負(fù)指數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系，即污染指標(biāo)先快速減少到一定程度后變化減緩甚至趨于穩(wěn)定。公路路面沉積物沉積并不是時(shí)間的線性函數(shù)，而與交通頻率、車輛運(yùn)行習(xí)慣、路況、路面清掃頻率等有關(guān)[9]。這表明，污染物存在一定的波動(dòng)性，并非隨時(shí)間一直降低，而是在一個(gè)污染物濃度范圍內(nèi)波動(dòng)，因此高速公路雨水徑流污染并不會(huì)在雨水沖刷下徹底清除，而會(huì)受到交通活動(dòng)的影響，并需要后期處理。

表3 污染指標(biāo)時(shí)變關(guān)系模型

注：1)X為時(shí)間，min；Y為所有污染指標(biāo)的質(zhì)量濃度，mg/L。

2.3 交通特性與污染指標(biāo)的關(guān)系

2.3.1 交通量

道路污染主要來源于道路交通活動(dòng)、路面磨損等[10-11]。為探究其與雨水徑流污染的內(nèi)在聯(lián)系，減少因晴天累積產(chǎn)生的雜質(zhì)影響結(jié)果，將雨水徑流污染的初期沖刷部分去除，針對(duì)后期雨水徑流污染與交通流參數(shù)進(jìn)行研究，分別對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取主要指標(biāo)SS、COD進(jìn)行分析，結(jié)果見圖2。從圖2(a)可以看出，隨著交通量的增加，COD呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，只是上升的趨勢(shì)從點(diǎn)4到點(diǎn)3趨緩。交通量增大但車速總體下降(點(diǎn)1處車速低于80 km/h(見圖3))，車速降低會(huì)帶來一定污染，所以COD的增加不僅受到交通量影響，也會(huì)受到車速的影響。從圖2(b)可以看出，SS隨交通量增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從點(diǎn)4到點(diǎn)3上升趨勢(shì)較緩。同樣，SS的產(chǎn)生不僅受到交通量的影響，也受車速影響。

2.3.2 車 速

車速不同會(huì)產(chǎn)生不同的油耗，導(dǎo)致不同程度的污染，因此車速對(duì)污染指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生一定影響，分析其影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。結(jié)合圖2和圖3可見，隨著交通量減少，從點(diǎn)1到點(diǎn)3車速增加到80 km/h左右，COD和SS呈下降趨勢(shì)；從點(diǎn)3到點(diǎn)4車速減小，COD和SS卻呈下降趨勢(shì)，可能因此處交通量減少時(shí)降低的污染量高于車速減小時(shí)增加的污染量，導(dǎo)致從點(diǎn)3到點(diǎn)4污染繼續(xù)下降?？梢?，交通量對(duì)污染的影響大于車速。

注：pcu為標(biāo)準(zhǔn)車當(dāng)量數(shù)，也稱當(dāng)量交通量，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2003)中規(guī)定的車輛折算系數(shù)得出，代表標(biāo)準(zhǔn)小汽車數(shù)量。圖4同。圖2 交通量與污染指標(biāo)的關(guān)系Fig.2 Relationship between traffic volume and pollution index

圖3 車速與污染指標(biāo)的關(guān)系Fig.3 Relationship between speed and pollution index

圖4 交通密度與污染指標(biāo)的關(guān)系Fig.4 Relationship between density and pollution index

2.3.3 交通密度

交通密度由交通量與車速共同決定，交通密度與污染指標(biāo)的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)交通密度增大時(shí)，COD和SS從點(diǎn)3到點(diǎn)1呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但從點(diǎn)3到點(diǎn)4雖然交通密度上升，污染卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能因交通量在此處呈下降趨勢(shì)(見圖2)，此時(shí)交通密度上升產(chǎn)生的污染量小于交通量下降減少的污染量?？梢姡煌繉?duì)污染的影響大于交通密度。

2.3.4 交通特性與SS擬合曲線

對(duì)SS與交通量、車速、交通密度進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，SS與交通流參數(shù)均有較好的擬合關(guān)系，但SS與交通量和交通密度擬合得到的R明顯比SS與車速擬合得到的R大，說明交通量和交通密度與SS的相關(guān)性更顯著；交通量和交通密度與SS呈正相關(guān)，隨著交通量和交通密度的增加，SS呈上升趨勢(shì)；車速與SS呈二次拋物線型關(guān)系，隨著車速的增加，SS先減少到一定程度后再增加，存在一個(gè)最優(yōu)的車速范圍。這些結(jié)論可以推論出交通量及交通密度是造成高速公路雨水徑流污染的主要原因，車速存在著一個(gè)污染較少的最優(yōu)段，但總體影響效果較小。

表4 SS和交通流參數(shù)的擬合1)

注：1)a為交通量(或車速、交通密度)，pcu/h(或km/h、pcu/km)。

3 結(jié) 論

(1) 高速公路雨水徑流初期污染較嚴(yán)重，COD、BOD5、TN、TP、氨氮最高值分別達(dá)到了GB 3838—2002中Ⅴ類限值的15.6、5.0、5.3、2.1、6.5倍。SS是污染的主要因素。

(2) 污染指標(biāo)多數(shù)與時(shí)間成負(fù)指數(shù)或?qū)?shù)關(guān)系，即污染指標(biāo)先快速減少到一定程度后變化減緩甚至趨于穩(wěn)定。

(3) 交通量及交通密度是造成高速公路雨水徑流污染的主要原因，車速存在著一個(gè)污染較少的最優(yōu)段，但對(duì)雨水徑流污染的總體影響效果較小。

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