随着点源污染治理率的持续提高，城市地表径流对水体污染的显著贡献不断被众多研究证实，地表径流污染成为最重要的城市环境问题之一^[1~4].路面径流作为城市地表径流中污染效应最强的部分，被国内外研究者广泛关注^[5].众多研究表明，路面径流污染受区域气候、环境空气质量、降雨特征、交通量、周围土地利用方式、城市管理水平等诸多因素影响，具有来源广泛、机制复杂、变异显著、治理困难等特征^[6~8].美国等发达国家基于几十年的系统监测研究，成功治理径流污染，经历从终端最佳管理措施(best management practices，BMPs)到源头低影响开发(low impact development，LID)控制污染的实践，以满足日益严格的最大日负荷(total maximum daily load，TMDL)污染减排要求^[9].实践证明，探明径流污染影响因素及排放特征是正确估算污染负荷的前提^{[10, 11]}，研究者试图建立各种数学模型描述径流污染排放过程^[12~15]，并关注负荷初期冲刷效应(first flush effect，FFE)以合理确定治理设施规模^{[9, 16]}.自二十世纪末起，国内研究者在西安^{[17, 18]}、北京^[19~21]、重庆^[22]、澳门^[23]、上海^[24]、南京^[25]、沈阳^[26]等地相继展开路面径流污染测试，探求各地的径流污染特征、污染负荷及初期冲刷效应，并就径流污染影响因素、污染机制展开探索，但截至目前，鲜见有关降雨特征及污染物赋存类型对路面径流污染质量浓度和负荷排放影响的研究报道.

以西安市南二环路太白立交高架段作为采样区域采集路面径流.该径流收集段为专供机动车行驶的单向3车道桥面，日均车流量大于5万辆，路拱横坡0.2%、纵坡0.5%、桥宽11 m，采样点汇流面积410 m².该段路面维护方式为每日定期洒水，真空吸尘车不定时清扫至少3次.

降雨期间采用人工时间间隔采样法在桥梁排水立管采样.采样原则为：径流开始30 min内，用聚乙烯瓶每5 min采样一次，30 min~1 h每10 min采样一次，1~2 h每20 min采样一次，2~3 h每30 min采样一次，此后每1 h采样一次直至径流终止，采样时若雨强变化较大则随机加密采样次数，每次采样500 mL，共获得样品207个.采样期间采用JFZ-01型数字雨量计同步观测降雨特征.

场次径流结束后将水样送至实验室分析水质.分析项目包括SS、COD、溶解性COD、4种重金属Cu、Pb、Cr、Cd总量及溶解态含量. SS采用重量法测定，COD采用快速密闭催化消解法测定，重金属采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定，溶解态污染物需将水样经0.45 μm滤膜过滤后再行测定.

本研究对2014年7月~2015年9月的13场径流事件实现了全程有效采样、测试，降雨事件的降雨特征见表 1.从中可见，根据美国地质勘探局(USGS)对降雨级别的划分标准，采样场次降雨类型以小到中雨为主，大雨、暴雨较少，且多数场次平均雨强不大，这与西安市作为我国西部降雨量相对较小的典型城市的地域降雨特征相吻合，表明采样降雨场次可有效代表西安市降雨特征.

表 1 (Table 1)

表 1 13场降雨事件的降雨特征 Table 1 Rainfall characteristics of 13 rainfall events

表 1 13场降雨事件的降雨特征 Table 1 Rainfall characteristics of 13 rainfall events

作者所在研究团队自上世纪九十年代开始对西安市上百场降雨径流事件进行了长时间序列的观测，基于对所监测径流事件降雨过程雨强变化情况的整理和统计，探明西安市降雨具有较明显的特征，基本可概化为3种类型，即降雨量小、降雨强度较平均的Ⅰ型降雨，初期雨强大的前峰型Ⅱ型降雨和多峰型Ⅲ型降雨，详见表 2.本研究所观测的13场降雨事件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型降雨分别为6场、5场和2场，可见西安市多见Ⅰ、Ⅱ型降雨.

表 2 (Table 2)

表 2 降雨类型分类 Table 2 Classification of rainfall types

表 2 降雨类型分类 Table 2 Classification of rainfall types

因条件限制，本研究未能实测径流量.因集水对象为内渗量与蒸发量很小的沥青路面，且采样时记录了降雨开始与径流形成时间，进而可计算消除径流的滞后性，各采样时段径流体积可用扣除产流时间的各时段的降雨量与集雨面积的乘积估算^[17].

根据事件平均浓度(event mean concentration，EMC)的定义，采用式(1) 近似估算场次径流EMC值.

(1)

式中，M为径流排放某污染物的总质量，g；V为径流体积，m³；c(t)为径流过程某污染物质量浓度随时间t的分布，mg ·L^-1；Q(t)为t时刻的径流量，m³ ·s^-1；T为径流总历时，s；n为时间分段数；C_i为第i时间段样品某污染物的质量浓度，mg ·L^-1；V_i为第i时间段的径流体积，m³.

(1) 判别方法

初期冲刷效应即初期径流不成比例的携带大部分污染负荷的现象，是相关学者研究污染负荷排放特征的常用指标.本研究采用Deletic^[27]对初期冲刷的严格定义，即初期30%的径流携带超过80%的污染物即认为初期冲刷效应强烈作为冲刷程度的判据，基于Bertrand^[28]提出的对实测所得无量纲M(v)曲线进行数据拟合，通过拟合指数b定量表征初期冲刷程度大小.不同b值将M(v)曲线分为6个区域，具体见图 1，拟合公式见式(2).

(2)

式中，Y为累积污染物排放率；X为累积径流率；b为拟合指数.

图 1

Fig. 1

图 1 M(v)曲线分区及其含义 Fig. 1 Partitions of M(v) curve and the meanings

(2) FF₃₀计算

FF₃₀指占径流体积30%的初期径流携带的污染负荷率，是表征初期冲刷程度的定量指标，计算见式(3).

(3)

式中，b同式(2).

(3) 数据处理方法

本研究实验数据采用SPSS 17.0进行分析和处理，拟合指数b采用曲线回归方法确定.

受篇幅限制，且因部分场次降雨特征及径流污染状况类似，本文选择7场径流事件污染测试结果进行径流污染水平分析，见表 3.从中可见，西安市城市道路径流SS、COD污染严重，变化显著，不仅表现为单场径流过程污染物质量浓度峰值、底值差异巨大，不同场次径流污染物质量浓度也呈宽幅变化，各场次径流SS、COD质量浓度峰值范围为1 608~5 260 mg ·L^-1、500.9~1 791.0 mg ·L^-1，均大于《污水综合排放标准》三级标准，最高超标13.15、3.58倍，多数场次径流SS的EMC大于《污水综合排放标准》三级标准，全部场次径流COD的EMC值大于《污水综合排放标准》二级标准.可见SS、COD是西安市路面径流的主要污染物，需重点关注；重金属污染也不容忽视，Pb、Cr污染水平较高，多数场次径流Pb的EMC值、全部场次Cr的质量浓度峰值均超过《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，不经处理直接排放对受纳水体环境质量造成较为严重的影响.

表 3 (Table 3)

表 3 西安市路面径流污染测试结果 Table 3 Determination results of pollutant concentrations in road runoff of Xi'an City

表 3 西安市路面径流污染测试结果 Table 3 Determination results of pollutant concentrations in road runoff of Xi'an City

尽管路面径流污染排放受前期路面污染物累积(与前期晴天时间、道路清扫水平、其他随机排污因素有关)和降雨径流冲刷(与降雨量、降雨强度变化、雨期交通等因素有关)影响，机制复杂，但本研究结果证明，降雨特征对不同类型污染物排放的影响非常明显，也即同类型的降雨事件具有相似的径流污染排放特征，包括污染物浓度变化趋势、浓度峰值出现的时间以及径流后期浓度的相对稳定等.限于篇幅，结合降雨特征分类，本文选择2014-09-16日降雨代表Ⅰ型小雨、2014-08-07日降雨代表Ⅱ型中雨、2014-08-12日降雨代表Ⅲ型大雨，就不同类型降雨径流事件各污染指标的质量浓度变化特征进行分析. 3场径流事件全程各污染指标质量浓度变化测试结果见图 2~4.

图 2

Fig. 2

图 2 Ⅰ型降雨径流事件降雨特征及污染物质量浓度变化(2014-09-16) Fig. 2 Rainfall characteristics and pollution variation during runoff of rainfall type Ⅰ(2014-09-16)

图 3

Fig. 3

图 3 Ⅱ型降雨径流事件降雨特征及污染物质量浓度变化(2014-08-07) Fig. 3 Rainfall characteristics and pollution variation during runoff of rainfall type Ⅱ(2014-08-07)

图 4

Fig. 4

图 4 Ⅲ型降雨径流事件降雨特征及污染物质量浓度变化(2014-08-12) Fig. 4 Rainfall characteristics and pollution variation during runoff of rainfall type Ⅲ(2014-08-12)

由图 2可见，2014-09-16日Ⅰ型小雨事件中，SS、COD、Cu、Pb、Cr、Cd的质量浓度随降雨强度波动明显，径流开始60 min左右达到峰值，滞后于雨强峰值约10 min后出现，此后质量浓度逐渐下降并在后段趋于平稳. Ⅰ型降雨事件因雨量小、降雨强度小，无法实现对路面沉积物的有效冲刷，出现雨强峰值时冲刷作用加强，较多污染物进入径流，整场径流各污染指标质量浓度相对较高，总体污染较为严重.溶解态污染物，包括溶解态COD及重金属，尽管雨强较小但质量浓度峰值均在径流初期10 min左右出现，此后逐渐降低直至径流结束，末期质量浓度约为峰值质量浓度的1/2~1/3，整场径流质量浓度均保持较高水平.

图 3所示2014-08-07日Ⅱ型降雨事件中，因初期雨强较大即对地面形成了有效冲刷，SS、COD、Cu、Pb、Cr、Cd的质量浓度均在径流开始15 min左右达到峰值，受初期高雨强径流强劲冲刷的影响，峰值后污染物质量浓度迅速下降达到底值，由于降雨强度大、径流量大使路面得到彻底冲刷，污染物质量浓度在末期处于较低水平，因该场降雨历时较长，雨期交通即时排放的污染物在后期被逐渐带入径流使得后期径流质量浓度有所升高；溶解态污染物质量浓度峰值均在径流初期10 min以内出现，此后迅速降低达到底值，中后期受雨期交通即时排污影响略有升高.

图 4所示2014-08-12日Ⅲ型降雨事件，该场降雨整体强度较大，平均雨强达0.093 mm ·min^-1.初期雨强即较大且在径流中期出现2次典型雨峰. SS、COD质量浓度随降雨强度呈现波动变化，重金属Cu、Pb、Cr、Cd呈现与降雨强度更好的相关性.因初期雨强较大，对地面形成有效冲刷，径流开始后较短时间各污染物质量浓度均达到峰值，此后在下降过程中受雨强变化导致的径流冲刷能力变化影响而呈锯齿形波动，两次典型雨峰过后质量浓度趋于平稳，因降雨历时长，中后期可能受雨期交通即时排污影响略有升高；溶解态污染物则呈现相似排放规律，即在初期质量浓度达到最大，其后随雨强变化呈轻微锯齿形波动，后期受雨期交通即时排污影响，污染物质量浓度略有升高.

综上可见，以降雨强度、降雨量、降雨历时等指标表征的降雨特征及污染物赋存类型均对径流过程污染物质量浓度变化产生影响.降雨强度表征着径流冲刷地表的能量，只有当雨强和径流流速超过地表物质的启动流速时，颗粒态污染物才会从地表剥离、被径流裹挟，所以足够大的雨强出现的时段影响着径流中颗粒态污染物的输出，显著表现为颗粒态污染物质量浓度峰值出现时间均略滞后于足够大的雨强峰值，但溶解态污染物均在径流初期达到峰值，不受雨强大小表征的径流冲刷能力大小的影响，表明溶解态污染物容易从路面剥离进入径流，其受降雨强度影响较小；降雨历时也对径流污染质量浓度具有一定影响，若降雨历时短，路面累积的污染物尚未被完全冲刷干净，则末期径流仍保持较高浓度，若降雨历时长且期间有较大雨峰出现，强劲的径流冲刷可将前期累积于地表的大部分污染物携带进入径流，浓度峰值过后迅速下降，中后期维持较低水平，表明前期累积的路面污染物被冲刷殆尽，此后若降雨过程继续，则雨期交通污染源即时排污产生的影响逐步显现，表现为径流后期污染物质量浓度略有增加；降雨量与降雨强度、降雨历时相关，其对径流污染的影响较为复杂，当降雨强度增大、降雨量增大时，一方面径流冲刷地表的能力增加，径流能够裹挟、夹带更多的污染物，但降雨量越大稀释作用愈明显，污染物质量浓度也可能降低.

基于3场典型径流事件全程污染物质量浓度和降雨量测试结果，绘制不同类型降雨事件同类污染物的M(v)曲线见图 5，以分析比较降雨特征对路面径流污染负荷排放的影响.

图 5

Fig. 5

图 5 不同雨型径流事件各污染指标的M(v)曲线 Fig. 5 The M(v) curves of different pollutants in the road runoff caused by different rainfall types

从图 5可见，Ⅰ、Ⅱ型降雨事件较之Ⅲ型降雨，SS、COD、Cu、Pb、Cr、Cd的负荷初期冲刷效应更明显，表明降雨特征对上述污染物负荷排放具有显著影响，也即上述污染物的污染负荷是否不成比例地由初期径流携带与降雨特征密切相关，初期雨强大的Ⅱ型降雨事件较雨量小、降雨强度小且平均的Ⅰ型径流事件初期冲刷效应更加明显.而溶解态污染物的出流受降雨特征的影响较小，均在径流初期达到浓度峰值而与雨强大小及降雨量大小无关，故图 5中溶解态污染物呈现出初期冲刷效应受雨型影响不大的规律.

基于13场径流事件各污染指标及降雨量测试结果，采用式(3) 计算各场次径流各污染物的FF₃₀，并对计算结果进行统计分析，分析结果见图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 13场路面径流事件各污染指标FF30分布 Fig. 6 Box-plots of pollutants'FF30 of 13 road runoff events

由图 6可见，路面径流污染初期冲刷效应并非普遍存在，同类污染物在不同径流事件中呈现截然不同的初期冲刷程度，表现为图中各箱体高度的宽幅变化.但测试的13场径流事件所有污染指标均未出现FF₃₀ > 0.8的强烈初期冲刷，部分污染物出现中等和微弱程度初期冲刷，多数溶解态污染物部分径流场次无初期冲刷现象出现.该研究结果与Lee“初期30%径流至少携带80%污染物发生的概率仅为1%”^[29]的研究结论吻合，表明尽管多数场次径流初期污染物质量浓度较高，但其并未不成比例的携带更多的污染负荷，故仅处理初期径流无法实现对路面径流污染的有效控制.此外，由图可见，SS、COD、溶解态COD的FF₃₀中值均大于0.45且明显高于其它污染物，表明上述污染物较易出现初期冲刷，也即在径流初期负荷比例较其他污染物高，各重金属总量的初期负荷率也高于其相应溶解态含量，总体而言，路面径流各污染物的初期冲刷程度排序依次为COD>SS>溶COD>Cu>Pb>Cr>溶Cu>Cd>溶Pb>溶Cr>溶Cd.

(1) 西安市城市道路径流污染严重，变化显著，SS、COD是主要污染物，其EMC远超《污水综合排放标准》二级标准，需重点关注；重金属污染也不容忽视，Pb、Cr污染水平较高，不经处理直接排放对受纳水体环境质量造成严重影响.

(2) 径流过程中污染物质量浓度变化与降雨特征及污染物的赋存状态密切相关.溶解态污染物排放不受雨强大小表征的径流冲刷能力大小影响，均在径流初期达到质量浓度峰值随即持续降低，而颗粒态污染物的质量浓度峰值出现在足够大的降雨强度峰值之后，径流过程中随降雨强度变化波动显著；降雨历时和降雨量也对径流过程污染物浓度变化产生影响.

(3) 降雨特征对溶解态污染物污染负荷排放的影响较小，但对颗粒态污染物污染负荷排放具有显著影响.较之Ⅲ型降雨，Ⅰ、Ⅱ型降雨事件SS、COD、Cu、Pb、Cr、Cd的负荷初期冲刷效应更明显.

(4) 路面径流负荷初期冲刷效应并非普遍存在，监测的13场径流所有监测指标均未出现强烈初期冲刷，各污染物的初期冲刷程度排序为COD>SS>溶COD>Cu>Pb>Cr>溶Cu>Cd>溶Pb>溶Cr>溶Cd.