（市政工程专业论文）高速公路路面雨水径流沉降特性研究.pdf

摘要 摘要 以南京机场高速公路令桥段采样点，对2 0 0 8 年2 月2 0 0 9 年4 月间降雨事件的路面初期径流进 行沉降试验，考查了路面初期径流污染物沉降去除效果，分析了路面初期径流沉降过程中颗粒物粒 径分布，探讨了路面初期径流沉降特性的影响因素 对高速公路路面初期径流沉降去除效果分析的结果表明：蝴径流雨水中c o d 颗粒态含量较 高；皿溶解态和颗粒态含量相差不大；p b 多数以颗粒态存在，z n 、c u s f a c d 溶解态较多；在沉降过程 开始的3 0 m i n 内，s s 沉降去除效果较明显，平均去除率达到1 9 5 2 ，占沉降2 h 平均去除率的6 4 4 2 经过2 h f l 由沉降后。c o d 、卯平均去除率分别为1 8 2 2 、1 8 1 4 ；p b 平均去除率可达2 2 3 7 ， c u 、z n 和c d 沉降2 h 平均去除率分别达到1 8 4 l 、1 6 5 7 和1 7 5 5 ，而t n 平均去除率不到1 0 ； c u 、z n 、c d 、p b4 种重金属去除率每提高1 0 ，截留沉速范围就减小近5 倍。c o d 与s s 沉降2 h 去除率之间的相关性较好，相关系数为o 6 6 4 1 ；c u 、z n 、c d 、p b4 种重金属去除率与s s 去除率之间 的相关系数r 2 分别为0 5 9 2 1 、0 6 1 4 5 、o 6 1 0 8 、o 7 0 7 8 。 对高速公路路面初期径流沉降过程中颗粒粒径研究的结果表明：沉降i 立程开始的3 0 m i n 内去除 的颗粒体积占2 h 沉降颗粒总体积的7 5 8 6 ：自由沉降2 h 后，2 0 7 卸m 粒径段颗粒沉降体积在颗粒总 沉降体积中所占比例最高，为3 6 8 9 路面径流中以沙粒为主、沉降体积量较大的7 5 - - 3 0 0 呻a 粒 径段颗粒与s s 去除率的相关性最好。在沉降过程中0 4 5 7 5 岬l 粒径段颗粒对污染物去除的影响 较大；其中0 4 5 - 2 0 p m 粒径段颗粒与c u 沉降去除率最相关，相关系数达到o 8 8 6 ( p - - = 0 0 0 1 ) ；2 0 7 5 m 粒径段颗粒与p b 沉降去除率相关系数为0 8 6 9 ( p = 0 0 0 1 ) 对高速公路路面初期径流沉降特性影响因素探讨的结果表明：由聚类分析定义可知，降羼量 与s s 、c o d 的沉降2 h 去除率间的相关系数距离最短，对s s 、c o d 沉降效果的影响最大；平均降雨 强度与粒径小于3 0 0 1 u n 的颗粒沉降体积间的相关距离最短，对颗粒沉降的影响最大；1 0 - 1 5 0 肛m c z 径 段颗粒沉降体积间距离最短，存在良好的共沉关系。在夏季。s s 、t p 、t n 以及四种重金属的沉降 2 h 去除率均最高：s s 、t n 沉降效果受季节变化的影响较大，去除率变化幅度接近1 0 ，而c o d 、耶i 和 四种重金属沉降去除率季节变化不大。初始s s 质量浓度与s s 沉降2 h 去除率的相关系数r 2 可达 o 6 6 7 4 ，对s s 沉降效果的影响较大；温度与s s 、p b 沉降去除率分别在0 0 1 和0 0 5 水平上显著相关； 溶解态含量较高的z n 受p h 值的影响较大。 关键词：路面径流：沉淀：聚类分析：重金属 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h ef r e es e t t l e m e n tt e s tr e s u l t so nt h ei n i t i a lr o a ds u r f a c er u n o f fc a u s e db yt h er a i n f a l le v e n t s h a p p e n e d 舶mf e b r u a r y2 0 0 8t oa p r i l2 0 0 9o nt h el i n g q i a os e c t i o no fn a n j i n ga i r p o r te x p r e s s w a y , t h e s e t t l e m e n tr e m o v a lo fp o l l u t a n t si i lr o a di n i t i a lr u n o f fw e l ed i s c u s s e di nt h ep 印e r t h ed i s t i l b u t i o no f p a r t i c l e s i z ed u r i n gt h ep r o c e s so ff l e es e t t l i n ga n dt h ee f f e c t so fr o a d - r u n o f fs e t t l e m e n tf e a t u r e sw o r e a n a l y z e d 1 1 1 er e s u l t so ft h es e t t l e m e n tr e m o v a le f f e c to nh i g h w a yi n i t i a lr u n o f fi n d i c a t e dt h a t ：t b c c o n c e n t r a t i o no f p a r t i c u l a t ec o di nt h ei n i t i a lr a n o f f w a sh i g h e r , a n d 缸et h ec o n c e n t r a d o no f p 枷妇pw a s d o s et od i s s o l v a b l epm o s to f p be x i s t e da sp a r t i c l e s ，a n dz n , c ua n dc dw f j i ef i 盈i l l kd i s s o l v e d a tt h ei n i t i a l 3 0 m i n , t h es e t t l e m e n tr e m o v a lo fs sw a si ne v i d e n c e , a n dt h ea v e r a g er a t ew a s1 9 5 2 w i t h6 4 4 2 o ft w o - h o u r s e t t l i n g 佗m o v a l a f t e rt w oh o u r s , t h es e t t l e m e n tr e m o v a lr a t e so f c o d a n dt pw a l ei ne v i d e n c ew i t h1 8 2 2 ， 1 8 1 4 o f a v e r a g er e m o v a l w l ，i l et h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo f p bw a s2 2 。3 7 t h ea v e r a g er e d u c er a t eo f c u , z n a n d c d w e r e1 8 4 1 、1 6 5 7 a n d1 7 5 5 r e s p e c t i v e l y a n d t h e a v e r a g e r e a n o v a l r a t e o f t n w a s l e s s t h a n l o w i t l le v e r y1 0 i n c r e a s eo fs e t t l i n gr e m o v a lr a t eo ft h es a m eh e a v ym e t a l 。t h er a n g ea n dl i m i tv a l u eo f i n t e r c e p t i o ns e t t l i n gv e l o c i t yd e c r e a s e db ya r o u n d5t i m e s 1 1 1 er e l a t i v i t y = t w e c nc o da n ds sw a s w i t hac o r r e l m i o no o e 伍c i e n to f0 6 6 4 1 a n dt h ec o r r e l a t i o nt o e 伍c i e n t so fs e t a m gr e m o v a lr a t eb e t w e e n c u ，z n ，c d , p ba n ds sw e 佗0 5 9 2l ，0 6 1 4 5 ，o 6 1 0 8a n d0 7 0 7 8r e s p e c t i v e l y 1 1 豫a n a l y s i sw a sp l a c e do nt h ed i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e - s i z ed u r i n gt h ep r o c e s so f f r e es e t t l i n g ，a n dt h e r e s u l t sw e a sf o l l o w s ：1 h cp a r t i c l es e n 正n gv o l u m eo f t h ei n i t i a l3 0r a i nh e l d7 5 8 6 0 f t b ew h o l et w oh o t l r s s e t t l e m e n tv o l u m e a f t e rt w o - h o u rf l e es e d i m e n t a t i o n 2 0 - 7 5 p md i a m e t e rp a r t i c l e sh a st h eh i g h e s tp r o p o r t i o n o fs e t t l e m e n tv o l u m e ，a n dt h ea v e r a g er a t i ow a s3 6 8 9 1 1 1 ep a r t i c l e ss e t t l e m e n tv o l u m eo f7 5 - - 3 0 0 b u n s a n d - b a s e da l et h eh i g h e r , a n dt h ec o r r e l a t i o no fs sr e m o v a lr a t eo fs e t t l e m e n ti sn o t i c e a b l e i nt h e p r o c e s so fs e t t l e m e n t , t h ec o r r e l a t i o no fp a r t i c l es e t t l e m e n tv o l u m eo ft h es i z eo f0 4 5 1 0 r aa n dc u r e 。r i l l o v a lw a st h em o s tr e l e v a n t t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tr e a c h e d0 8 8 6 ( p = 0 0 0 1 9a n dt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to fp a r t i c l es e t t l e m e n tv o l u m eo ft h es i z eo f2 0 - 7 5 ) t ma n dr e m o v a lr a t eo fp bw a s 0 8 6 9 ( p - - 0 0 0 1 ) n ee f f e c t so fr o a d - n m o f fs e t t l e m e n tf e a t u r e sw a l ea n a l y z e d i ts h o w e dt h a t b yc l u s t e ra n a l y s i s , i t c a l lb es nt h a tt h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n td i s t a n c eo ft h er a i n f a l lt ot h es s ，c o dr e m o v a le f f i c i e n c yw e r e t h es h o r t e s t ，a n dt h ee f f e c to nt h es e t t l e m e n tw a st h eg r e a t e s t t h ea v e r a g er a i n f a l li n t e n s i t ya n dp a r t i c l e so f s i z el e s st h a n3 0 0 p r os e t t l e m e n th a st h es h o r t e s td i s t a n c eo ft h ec o r r e l a t i o nt o e 历c i e n t sw i t ht h el a r g e s t e f f e c t so np a r t i c l es e t t l i n g p a r t i c l e sr a n g ei ns i z ef r o m1 0 15 0 ) m ah a sab c t t e rt o g e t h e rs e t t l e m e n t r e l a f o n s h i pd u r i n gs e t t l e m e n t , 勰t h er e s u l to ft h e i rc o r r e l a t i o n0 0 e 伍c i e n t ss h o r t e s td i s t a n c e ( 爹t h e s e t t l i n gr e m o v a lo fs s ，t p , t na n dh e a v ym e t a l sw e l eh i g h e s ti ns u m l l l o r s sr e m o v a le f f i c i e n c yw a s g r e a t e ri m p a c t e db ys e a s o n a l ，a n dr e m o v a lc h a n g e sb ym o r et h a n1 o ；b u tt h er e t n o v a lr a t eo fc o da n d h e a v ym e t a l sw o r en o ts e a s o n a lv a r i a t i o n c o r r e l a t i t o e 伍c i e n t o ft h es si n i t i a lc o n c e n t r a t i o n w i t ht h es sr 睨n o v a lr a t er e a c h e d0 6 8 6 4 i n f l u e n c e ds sr e m o v a le f f i c i e n c yg r e a t l y n cs i g n i f i c a n tl e v e lo f t e m p e r a t u r ea n ds s 、p br e m o v a le f f i c i e n c yw o r ea t0 0 1a n do 0 5 ，r e s p e c t i v e l y ，a n dh i g h e rl e v e l so f d i s s o l v e dz nw a sg r e a t e ri m p a c t e db yp hv a l u e k e y w o r d ：r o a dr u n o f f , s e d i m e n t a t i o n ；c l u s t e ra n a l y s i s gh e a v ym e t a l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：相影象一日 期：了口彦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：左璺塾墨生导师签名：垒孽叠效 期：! 哆邙 第一章绪论 第一章绪论 经过数十年的努力，我国点源污染的控制程度已达到相对较高的水平，而面源污染 的问题却日渐凸显。特别是我国日益发达的高速公路污染源，频繁的交通活动使得路面 雨水径流污染越来越严重，已严重影响到高速公路周边水环境体系。 降雨引发的高速公路路面雨水径流含有相当数量的悬浮颗粒物、有机物、营养盐和 重金属等污染物【，且可生化性较差、水量较大1 2 1 。由于高速公路一般远离市区，范围 较广，路面雨水径流往往不经任何处理直接排入公路周边江河湖泊水体或者农田，易引 起水质恶化和水生生态系统的破坏并危害人类健康。高速公路路面径流的污染是面源污 染的一个重要组成部分，具有区域广泛、治理困难等特点，其中含有的一些难以降解的 污染物( 如重金属等) 可以通过饮用水和食物链等途径进入人体，并在人体内积累，当 其达到一定浓度后将对人体产生毒害作用，更加引起了社会和民众的关注。 截止2 0 0 8 年底，我国高速公路通车里程已达6 0 3 万公里【3 i ，到2 0 1 0 年规划建成高 速公路6 5 万公里1 4 1 。随着国内公路交通事业的不断发展及各省市公路网的陆续形成， 跨越对水质要求较高的敏感水体的公路越来越多，频繁的交通活动使路面径流污染十分 严重，成为影响我国生态安全的重要问题。 设置雨水沉淀池为解决我国高速公路路面雨水径流对公路周边的生态污染问题提 供了有效的处理方法。而目前，国内有学者对城市径流雨水以及排水泵站雨天出流雨水 的沉降特性进行过研究：国外学者则主要对沉降速率、沉淀池模型以及与沉降相关的径 流过程中颗粒粒径和重金属的关系进行过研究，而鲜见有关于高速公路径流雨水沉降特 性的研究。 本章将对高速公路路面径流污染现状、雨水径流污染治理方法以及国内外雨水径流 沉降特性研究现状予以介绍。 1 1 高速公路路面径流污染现状 1 1 1 径流污染特征 作为面源污染的主要形式之一，高速公路路面雨水径流与生活污水、工业废水等点 源污染的特征不同，高速公路路面径流时空范围更广，不确定性更大，成份及变化过程 也更复杂，因而加剧了对径流污染的研究、治理和管理政策制定的难度。高速公路路面 径流污染有以下主要特征： ( 1 ) 污染物种类多 高速公路路面雨水径流中污染物种类繁多、成分复杂，主要为悬浮固体( s s ) 、化学 需氧量( c o d ) 、五日生化需氧量( b o d s ) 、总氮( t n ) 、总磷( t p ) 、重金属以及多环芳烃( p a h s ) 和油等【5 】其中悬浮固体( s s ) 是高速公路径流污染中的主要污染指标之一，重金属污染 物主要包括镉( c d ) 、铜( c u ) 、铅( p b ) 和锌( z n ) ，还有铬( c r ) 和镍m i ) 等，是高速公路路面 雨水径流难降解污染指标之一，其毒性和生物体富集的危害很大。 ( 2 ) 污染物浓度高 高速公路路面径流污染物含量较高，尤其是初期雨水。k a n g 研究发现高速公路2 0 东南大学硕士学位论文 初期路面径流量就含有大部分径流污染物1 引。在降雨初期，s s 、c o d 等污染物浓度较高， 随着降雨历时的延续，s s 浓度迅速降低，具有明显的初期效应。此外，径流中重金属含 量也具有初期效应。黄金良对澳门路面径流重金属初期效应的分析表明，路面径流中重 金属的初期效应显著f 7 l ，而y o u s e f 对高速公路路面径流重金属的初期效应深入分析表明， 溶解态污染物的初期效应比颗粒态污染物更明显，而颗粒态污染物的初期效应与降雨特 性奇孽关系密切【3 j 。除此之外，整个降雨过程中污染物含量也较高。车流量为3 0 0 0 0 辆硒 的一条郊区高速公路所产生的路面径流可以直接破坏周围河流的功能f 9 1 。赵剑强等【2 1 研 究了沪河桥面径流对泸河水质的影响，得出沪河水质在晴天时满足l ：地表水环境质量标 准( g h z b l 1 9 9 9 ) 1 1 i 类水质的要求，而在降雨期间s s 及c o d 是晴天时的4 倍多，大大 超过类水质标准阈值。c l a r k 1 0 1 和赵剑强1 2 l 等人分别对美国华盛顿西雅图市的州际公路 i 5 和西临高速公路路面径流水质进行了监测，其结果如表1 1 所示。 表l - 1 典型路面径流浓度值和浓度范围单位：m g l 西临高速公路 美国华盛顿西雅图市州 际公路i - 5 典型生活污承水质 污水综合捧放标准 ：三曩； ：；：嚣 0 7 2 一_ 10 0 9 , g b 9 9 7 919 9 6 苫裂 ；j ；赫 从表1 1 国内外研究径流污染的事件平均浓度( e m c ) 与典型生活污水水质浓度比较 可知，高速公路路面径流中s s 和c o d 等污染物浓度较高，特别是s s ，其e m c 远大于 典型生活污水的污染浓度和污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 19 9 6 ) 的二级标准，而其初 期污染浓度约为污水综合排放标准三级标准的1 6 倍由此可见，路面径流污染物浓度 高，具有较强的污染强度。 ( 3 污染物浓度变化范围大 就单次降雨事件而言，径流过程中污染物浓度一般随降雨时间延续呈波浪式递减， 当累计降雨量达到一定数量后趋于稳定；就不同场次降雨事件而言，同一地点各次降雨 事件径流污染浓度随降雨量、降雨强度、空气污染指数、前期晴天数和交通量的变化有 明显的不同。从空间角度来说，同一次降雨事件不同地点的径流污染物浓度也会因交通 量等不同有较大的差异。赵剑强等【2 1 对西临高速公路径流进行监测，结果显示各污染指 标值e m c 范围分别为：s s1 2 6 8 1 3 m g l ，c o d5 8 , - 4 1 2 m g l ，p bo 0 5 - - - 0 7 7 m g l 。c l a r k 等【1 0 1 对美国华盛顿西雅图市的州际公路i 5 径流水质进行监测，结果显示各污染指标值 e m c 范围分别为s s4 3 3 2 0 m g l ，c o d7 5 2 1 l m g l ，p b0 2 1 5 m g l ， i n0 6 4 一1 9 6 m g l ， t po 2 加5 5 m g l 。就浓度大小而言，同一采样地点的不同时刻污染物浓度变化范围都在 1 0 1 数量级左右，说明径流污染物浓度随时间变化波动性较大此外，通过上述数据可 以看出西临高速径流污染浓度值约为西雅图市的2 倍，表明了径流污染物浓度随空间不 同范围有较大的差异。由此可见，路面径流污染是一个随时空变化幅度较大的面源污染， 必须要因地制宜地采取合理有效的控制措施。 2 2 一 一 m洲一m一蝴m一m一蝴 抛一一m一一啦一 抛一一m一一啦一 围一 旧一 围 眦一一一一黻一 第一章绪论 ( 4 ) 初期径流污染严重 表1 2 径流污染物c o d 和s s 的始末浓度 地点指标所采集的样品 取样时刻2 ：4 0 2 ：5 53 ：1 04 ：4 0 西安市南二环路 c o d ( m g l ) 5 1 78 3 53 5 71 4 6 墨兰i 受墨生21 q 2 j垫丝! ：! ! ! 韩国k o n o o - 市 产流时间( r n i n ) 2 51 0 0 2 0 03 0 0 一停车路段 c s s ( o d m ( r a f ! l g l ) )篙 嚣 篓：； 经过晴天较长时间的沉降和累积，路面污染物较多，雨天时易被径流雨水携带迁移， 因而初期径流雨水中往往包含了大部分路面污染物质，直接导致初期径流污染十分严 重。据韩国l e e 1 1 i 研究，前5 0 的径流中所携带t n 、c o d 等污染物占整场径流的比例可 以高达8 0 、对于s s 甚至可以涵盖到9 0 。另外，根据长安大学赵剑强【1 2 l 的研究( 见表 1 2 ) ，表明径流开始时的s s 和c o d 浓度约为径流结束时的5 倍；韩国k i m l l 3 】研究也显示， 径流开始时的c o d 浓度约为径流结束时的8 倍，开始时的s s 为结束时的l o 倍左右。这 些充分说明了初期径流污染最为严重，同时也为路面径流最优化控制措施的选择提供了 依据。 ( 5 ) 径流污染物影响因素多 路面径流污染分布范围广，污染负荷时空差异显著。径流过程中污染物浓度一般会 随降雨量、降雨强度、空气污染指数、用地类型、路面清扫方式和交通量的不同有较大 的波动。关于径流污染物影响因素，国内外学者做了大量的研究：p a t r i c k 等1 1 4 】通过多元 线性回归发现，径流污染物排放负荷最主要的影响因子为降雨量、降雨强度与排水区域 面积：o b e r t s t l 5 】对包含1 7 个不同用地类型采样点的调查后发现，径流污染负荷最主要的 影响因素为降雨的总径流量；v a z e 等人【1 6 1 分析了道路清扫方式对路面径流污染的影响， 提出路面的清扫会加重路面径流的污染程度；车伍等人【1 7 1 研究认为，除了空气质量的影 响外，路面材料、道路类型及路面污染状况、气温、降雨强度、降雨量和降雨历时等也 对雨水径流水质有着较为重要的影响。由此可见，路面径流水质的影响因素多、关系复 杂。 ( 6 ) 排放规律性差 径流污染只在雨天产生，其排放具有间歇性、突然性、随机性较强。由于每场降雨 的降雨量大小不一，降雨强度不尽相同，前期晴天数差别显著，空气污染状况和气温无 法控制，车流量不能恒定，使得径流规律变得十分复杂，不易很好的把握。同时径流的 瞬时排放量变化较大，也导致了路面径流量变化的复杂性。径流量、径流污染物浓度复 杂变化和径流排放规律不易把握，为后期的处理控制带来难题。 1 1 2 径流污染来源 路面径流污染问题是由多种污染源共同作用的结果，通常路面径流主要来源于大气 沉降、降雨本身以及路面的累积污染物。 ( 1 ) 大气沉降 大气沉降包括晴天时的干沉降和降雨时雨水淋洗作用引起的湿沉降。晴天时，大气 中的n 、p 、重金属等污染物可以通过沉降的方式累积在公路路面，成为路面上的污染物； 东南大学硕士学位论文 雨天时，大气中的污染物通过降雨的淋洗作用而被带入雨水径流中。t s a i 等人f l8 】研究表 明美国旧金山地区每年由大气沉降所带来的c u 、n i 、c d 三种重金属污染物负荷分别为 l1 0 0i t g m 2 、6 0 0g g m 2 、1 3 0 0l ，t g m 2 ；s a b i n 等人1 1 9 l 对美国洛杉矶某高度不透水区域的大 气干湿沉降物和路面径流进行了监测，估算出该区域大气沉降所含带的重金属污染负荷 占径流重金属总负荷的5 7 1 0 0 ，其中湿沉降含带重金属负荷所占比重较小，约为大 气总沉降的1 l o ( 2 ) 路面累积污染物 表1 - 3 路面径流污染物来源( - 主要来源口次要来源) 车体燃料及混凝沥青除冰 制动器轮胎杂物 结构润滑油土路面路面撒盐 c d 口 c r c u f e p b 口口口口 n i v z n 氯化物 有机固体 无机固体 口口 p i a h s口 酚 路面污染物累积是雨水径流污染的主要来源，累积污染物的种类及其来源比较复 杂。当降雨发生时，由于雨水的溶解和冲刷等作用将路面累积的污染物载入径流之中带 来污染。路面累积污染物包括表层土壤的自然风化迁移、机动车燃油、尾气排放、轮胎 磨损、工业排放、路面垃圾、路面施工和路面建设等作用吸附在路面沉积物上的众多污 染物。表1 3 列出了路面径流主要污染物的来源1 2 0 1 ，公路路面污染物的来源与其大致相 同。由该表可以明显看出公路路面累积污染物种类多、来源较复杂。 ( 3 ) 降雨背景值 降雨背景值即降雨本身对路面径流污染物负荷的贡献。m i t t o n 等【2 1 1 在美国明尼苏达 州东部地区径流污染的调查研究中发现，降雨本身是某些污染物的主要来源，其中降雨 本身所携带硝酸盐与氨的含量占道路雨水径流总量的一半以上在空气质量较好的地 方，降雨本身所占路面径流污染物负荷一般比较稳定，在径流污染中所占权重较小。 1 1 3 径流污染的影响因素 影响路面径流污染物浓度的因素较多且作用机理复杂，不同地区和同一地区不同场 次降雨所产生的路面径流水质差异也较大。影响径流水质的主要因素包括以下几个方 面： ( 1 ) 路面材料 目前路面材料主要有水泥混凝土路面和沥青混合料路面两种，由于二者粗糙度和入 渗率的不同直接影响到径流的产、汇流过程、雨水对路面污染物冲刷和传输，直接影响 径流污染的排放。同时，由于两种材料的组成成分差异，也影响了径流中污染物种类的 不同。赵剑强【”】在收集路面沉积物时发现，在日常清扫中，与沥青路面相比，混凝土路 4 第一章绪论 面因其粗糙度较低，颗粒较大的污染物更容易清除。在降雨过程中，混凝土路面的沉积 物比沥青路面的沉积物也更容易被冲刷进入受纳水体【1 7 i 。 ( 2 ) 用地类型 公路周围的用地类型是路面污染物累积上限的重要决定因素之一，直接影响了路面 径流传输污染物的能力。一般认为，城市商业区、工业区与高密度居住区等受径流污染 的程度要高于城市绿地、公园与低密度居民区等区域f 2 2 1 。公路周围的用地类型也将影响 其径流的污染种类和污染程度。 ( 3 ) 交通量 交通量是影响颗粒传输的主要因素之一【2 们，交通活动也是公路路面径流污染的重要 来源，如s s 的较大部分来源于汽车轮胎的磨损、刹车连接装置的磨损、运输物品的泄露 等，重金属c u 、z n 、p b 、c d ，毒性有机物汽油烃( p h c ) 和p a h s 均与汽车的活动有关。 w u 等研究表明1 2 孙，径流中的s s 与交通量具有很强的相关性。西欧国家路面污染物状况 的资料表明【2 4 1 ，公路交通造成的路面沉积物主要是灰尘、p b 、z n 和碳氢化合物，每公里 累积量详见表l - 4 。以上研究表明，交通量的大小将直接影响径流污染的程度。 表1 4 公路交通路面污染物累积量 z n ( g d k i n ) 4 4 0 灰尘( k g d k i n ) 5 , - - , 1 05 0 1 0 0 呈竖鲤：! 型 墨= ! 兰! 垒= ! 兰竺 ( 4 ) 大气沉降 从t s a i 等人【1 3 】的研究中可见，大气沉降对径流污染中的重金属污染具有贡献作用。 s t o t z l 2 5 1 对德国的三条国家公路路面径流研究表明，大气沉降对固体污染物、c o d 、t p 、 n i l 3 - n 均具有很大的贡献作用，尤其对径流中的n h 3 - n 的贡献作用更大。 ( 5 ) 降雨特征 降雨量、降雨强度、降雨历时和降雨前期晴天数都直接影响地表污染物的累积和冲 刷。降雨的冲刷和溶解作用是地表污染物迁移的动力，径流则是污染物迁移的载体。一 般地，污染物浓度随着累计降雨量的增加而逐渐下降；降雨强度的大小决定了冲刷力的 大小，同时也存在稀释作用，因此其对径流水质的影响是两者作用的叠加；降雨前期晴 天数对路面降雨径流的影响较大【2 1 矧，而降雨频率越高或者前期晴天数越小，则径流水 质会相对较好。不同降雨特征对径流污染的作用不同，而同一降雨特征对于不同污染物 成分的作用也各不相同。 ( 6 ) 路面清扫 道路清扫情况也是路面径流水质的影响因素。人为的道路清扫可以去除一些大颗粒 的污染物，降低污染物浓度。b e n d e r 和t e r s 仃i e p 【2 7 1 的研究表明机械清扫可以去除2 5 0 9 m 的悬浮固体，c o l l i n s t 2 8 1 等人研究认为一般的道路清扫设备主要用于去除粒径在2 0 0 0 1 a m 左右的颗粒态污染物，而对于粒径较小颗粒的清除效果不好。由此可见，道路清扫可以 有效降低污染物的浓度，但仅靠机械清扫减少径流污染是不够的。 由以上分析可知，要有效控制路面径流污染，必须对当地路面材料、交通状况、降 东南大学硕士学位论文 雨特性、空气污染状况等影响因素进行充分的调研。 1 2 雨水径流污染的治理方法 根据国内外研究结果可知，目前高速公路雨水径流污染治理方法主要有植被控制 ( v e g e t a t i o nc o n t r 0 1 ) 、滞留池( d e t e n t i o np o n d ) 、渗滤系统( i n f i l t r a t i o nb a s i n s ) 、氧化塘 ( o x i d a t i o np o n d ) 、湿地系统( w e t l a n d ) 等。 ( 1 ) 植被控制 植物控制是一种利用地表密植的植物对地表径流中的污染物进行截留的方法，它能 够在径流输送过程中将污染物从径流中分离出来，使到达受纳水体的径流水质获得观显 改善，从而达到保护受纳水体的目的。美国学者y o u s e f 对弗罗里达州两座立交桥的植草 渠道进行了研究，表明植草渠道对重金属，尤其对离子态和溶解态重金属有较好的去除 效果，其中z n 、p b 、n i 和c d 的去除率分另| j 为6 2 、5 7 、5 1 和4 3 ，同时对p 和n 也 有较好的去除效果【2 9 1 。澳大利亚的d e l e t i c 和f l e t c h e r 对植草过滤污染物能力的研究表明植 草对污染物的去除效率主要跟径流的流速有关，径流速度越小，s s 的去除效率越高1 3 0 1 。 可见，该方法是路面雨水径流污染一种较好的控制方法，但是由于植被覆盖的地表面积 将影响污染物去除的效率及下渗量，因而在治理雨水径流的效果上存在局限性。 ( 2 ) 滞留池 滞留池是一种经济有效控制路面径流污染的措施，常见的有湿式、干式和双重滞留池 几种形式。国外对滞留池的研究较多。p e t t e r s s o n l 3 1 1 对瑞典j a m b r o 鼓一个湿式滞留池研究 表明，该湿式滞留池对t s s 、z n 和p b 的去除率分别为1 4 - - 8 2 、7 4 和1 0 - 8 2 。 h o s s a i n 等【3 2 j 对华盛顿s p o k a n e 地区一个湿式滞留池的研究表明，其对t s s 去除率可达 6 8 1 - 9 9 4 ，平均达8 3 9 ，对重金属的平均去除率为5 4 7 - - 6 4 6 。加拿大 k r i s h n a p p a n 和m a r s a l e k i ”l 对滞留池絮凝沉淀性能及污染物去除能力进行了研究，建立了 反映滞留池颗粒沉降性能的数学模型。英国h a r e s 和w a r d l 3 4 i 对伦敦m 2 5 高速公路路边一 个干式滞留池的重金属去除效果进行了研究，结果表明干式滞留池对重金属的去除效果 较好，去除率在8 5 0 , - - - 9 5 之间。也有学者发现滞留池在控制公路路面径流时尚且存在 着一些问题，如法国l e e 和o u r a y 【3 5 】对法国a 7 1 公路边滞留池内沉淀颗粒的重金属污染 状况进行的研究表明：8 5 的沉淀颗粒粒径都小于2 0 p r o ，大部分的重金属都吸附在这 些细颗粒上。此外，由于汽车所造成的重金属只有5 一1 l 能够传到滞留池，大部分被 路面的黏土所吸附，所以要想改善滞留池总的去除效果，就必须改用混凝土渠道，同时 采用碳酸盐缓冲溶液来减少溶解性重金属的形成。瑞典研究人员k a r ml u n d b e r g 对瑞典 南部运行超过一年的三个滞留池进行了调查研究1 3 3 1 ，发现该三个滞留池对c o d 没有去除 效果，对s s 、t n 和大部分的重金属有一定的处理效果却未达到设计要求。 ( 3 ) 渗滤系统 渗滤系统是使地表径流雨水暂时存储起来，并渗透到地下的一种暴雨径流管理方 法。渗滤系统通常包括渗坑、渗渠、渗井等，它主要用以去除溶解性污染物，对污染物 的去除机理主要是过滤、颗粒吸收或离子交换等。德国和日本渗滤系统处理雨水普遍被 用于城市雨水径流资源化，并制定了相关规范。s a n s a l o n e l 3 6 i 等的研究表i 韭j p e t 系统可以 笙二兰堑丝 有效去除公路路面径流中的s s 、p a h s 及重金属等污染物质，并指出p e t 系统中的渗坑最 为有效。渗滤系统的最大难点为渗滤系统的堵塞问题，当处理雨水径流中的s s 含量较高 时，渗滤系统便容易堵塞。澳大利亚s i r i 伽u l d e n e i j7 j 等对渗滤系统的堵塞问题进行了研究 并建立了相关模型表明：以恒水头方式供水，且供水水头高于滤料层与其下端土壤层间 的分界层( 滤料，土壤界面) 4 5 c m 时，渗滤系统的堵塞速度最慢；交水头供水方式很容易引 起渗滤系统的堵塞。 ( 4 ) 氧化塘 氧化塘，又称为稳定塘或者是生物塘。稳定塘是经过人工适当休整的土地，设围堤 和防渗层的污水池塘，主要依靠自然生物净化功能，使污水得到净化的一种污水生物处理 技术【3 3 i 。根据出水方式的不同，可将氧化塘分为连续出水塘、控制出水塘和贮存塘三类 用氧化塘来处理雨水的优点是，可以调节雨洪峰量、工程简单、造价低廉、雨水处理能 耗较低、处理效果好，同时易实现雨水的资源化。缺点是，处理效率随季节性变化明显， 处理效果不够稳定，防渗要求较高，同时占地面积较大。影响氧化塘处理效率的因素主 要是水力停留时间，水力停留时间越长，处理效果越好。国内早在上世纪5 0 年代就开 始进行氧化塘处理污水的研究，但到目前为止，利用氧化塘处理雨水的研究实例较少 刘珊等研究水力停留时间对氧化塘处理雨水效果的影响表明【3 9 j ：氧化塘的最佳水力停留 时间为1 4 天，之后，氧化塘内的污染物浓度几乎不再变化，此时的c o d 去除率为7 3 ， 石油类去除率为8 0 。 ( 5 ) 湿地系统 地下水位在地表或接近地表，或土地被一层潜水淹没，或种植水生植物的土地均称 之为湿地。饱和浸润是湿地演化过程的主导因素。湿地是一种复杂的生态系统，通常出 现在陆地与水体的交界处，其特征通常是：植物生长茂盛，对营养需求量大，分解速率 高，沉积物及生化基质具有大的吸附作用。湿地是一种高效的控制地表径流污染的措施， 它可以同化入流中大量的悬浮物或溶解态物质。湿地的处理效率与其地理位置、气候、 水力参数、湿地类型等有关。湿地处理系统去除地表径流污染物的主要机理是沉淀截留 和植被吸收。湿地不同于滞留系统的特征有：水层浅，利用植物作为污染物去除的机制， 强调水流缓慢，强调面流。该系统可分为人工湿地及天然湿地。地下水位于地表或接近 地表的滞留池，或有充足空间形成一浅水层的洼地，都可以人工建筑成湿地系统。在路 面径流的污染控制方面，人工湿地在国内外得到广泛应用。在美国佛罗里达州，处理暴 雨径流的人工湿地，在控制暴雨径流污染方面起到十分重要的作用1 2 9 1 英国学者 s h u t e s l 4 0 j 对如何设计潜流式人工湿地控制路面雨水径流进行了研究，认为湿地进水流速 要满足0 3i i l 匹v 郢5 m s ，当v 7 m s 时，湿地内的植物就会因受到水力破坏而使处理效 果变差；当水力停留时间在1 0 1 5 脏右时，湿地去除效果很好，但湿地最佳的水力停留 时间为2 4 h ；人工湿地的最小池深为0 6m ，砂砾层厚度为0 4 5m ，覆土厚度为0 1 5m ； 底部坡度一般为1 ，不宜大于2 ；另外，湿地的最佳水力负荷为l m 3 ( m z - d ) 。美国学 者r e i n e l t t 4 1 i 的研究表明，湿地去除郊区高速公路径流负荷的效率分别为：t s s5 6 ，t p 8 2 ，z n2 3 ，f c ( 大肠杆菌) 2 9 。s h u t e s t 4 0 j 的研究表明：湿地对氮、磷污染物的去除 7 东南大学硕士学位论文 率一般低于6 0 ，而对致病菌和有机物质的去除率可以分别达到9 0 和8 0 。但是，暴 雨径流中含有大量的悬浮固体，仅利用人工湿地对其进行处理，往往会导致湿地系统的 堵塞，影响湿地的处理效果。 综上所述，这些方法在雨水径流污染治理方面虽然具有一定的理论和实用意义，但 在实践应用上往往都存在技术或经济上的局限，不能完全满足要求。综合考虑高速公路 路面径流污染的特征和现状，本研究采用沉降的技术方法处理高速公路路面雨水径流， 并为后续处理工艺减轻负荷。沉降是径流雨水污染控制和雨水集蓄利用中普遍采用的手 段，该处理方法在处理高速公路雨水径流污染方面的主要优点是：不仅能够有效去除 s s ，同时也能去除部分颗粒态的有机物、磷和重金属等其它污