随着城市化进程的快速发展, 城市水环境恶化、洪涝灾害频发、径流污染严重等一系列问题日益显现.人们逐渐认识到, 城市面源污染是导致城市水体水质退化的重要原因之一^[1].城市面源污染是指地表沉积物与大气沉降物等在降雨的淋溶和冲刷作用下, 以广域、扩散的形式通过输入(污染物累积)、转化(污染物冲刷)、输出(污染物输送)这3个过程最终进入受纳水体引发的水体污染^[2].与点源污染相比, 面源污染的时空范围更广, 不确定性更大, 成分、过程更复杂^[3].道路作为城市汇水面的重要组成部分, 始终与排水设施紧密联系, 是城市面源污染的关键源区^[4].为了有效解决城市化带来的道路雨水系统问题, 基于源头的分散式、小规模的低影响开发(LID)雨水控制措施在西方国家已得到广泛运用并且效果显著^[5~7].我国借鉴国外先进的雨水管理经验, 将低影响开发作为“海绵城市”建设的基本理念, 在全国各地纷纷开展试点^[8].

基于“源头-中途-末端”处理城市道路雨水的LID措施主要包括：透水铺装、雨水花园、生态树池、滞留槽、植被浅沟、湿塘等.透水路面和生物滞留池作为应用相对广泛的低影响开发措施, 不仅可以有效地削减径流和洪峰, 而且可以减少降雨径流造成的面源污染, 已成为城市道路径流雨水控制系统的核心技术^[9].如今透水路面和生物滞留池越来越多地开展组合应用.相比于生物滞留池, 透水路面具有较大的设施表面积, 但其滞蓄容积较小; 相对于单一的生物滞留池, 组合应用的生物滞留池进水来自透水路面下渗、过滤后的产流, 透水路面使其入流变得平缓, 间接提高设施的设计标准.因此, 透水路面-生物滞留组合应用可能对地表径流的调控效果更为明显.

目前, 国内外学者对道路径流水质及其控制效果开展了许多研究, 主要集中在：道路污染物的来源、径流中污染物的迁移过程、径流污染物对受纳水体的影响及城市道路径流污染控制措施等方面^[10~12], 而对于已经建成LID设施的海绵城市试点区域内城市面源污染形成过程及污染输出规律的研究少有报道.同时, 污染物通过在透水路面的累积、降雨冲刷, 经过透水路面-生物滞留池进行输送, 最终排入河道是一个连续的过程, 目前鲜见将以上过程作为一个整体进行定量化研究; 由于我国尚未建立全面的LID技术标准和完善的评价体系, 开展针对透水路面-生物滞留池组合应用的产汇流机制及其净化效果研究显得尤为迫切.

鉴于此, 本研究通过采集深圳市国际低碳城透水沥青路面晴天累积和降雨冲刷后的地表颗粒物, 并监测6场降雨事件下降雨径流中污染物的冲刷量, 分析不同LID设施的径流污染负荷削减量以及溢流的污染负荷量, 定量化表征地表污染物在透水路面-生物滞留池系统的“累积-冲刷-输送”过程, 以期为城市面源污染形成过程的污染负荷估算提供科学依据, 并为LID在国内的推广应用和海绵城市设计提供参考.

深圳市国际低碳城是“国家低碳产业发展示范园区”, 肩负着低碳实验的使命, 工程设计中采用多种低碳新技术, 如透水沥青路面、初期雨水处理设施、生物滞留池、绿色屋顶等.低碳城启动区采用双层透水沥青路面, 孔隙率约为20%, 相比普通道路明显提高排水量与排水速度.透水路面边缘采用聚树脂混凝土排水路缘石, 既可以排出透水沥青层的雨水, 又可以起到立道牙的作用.车行道透水沥青层的雨水经过横向排至路缘石中, 路缘石中的雨水纵向排至道路生物滞留池的初期雨水处理设施中, 初期雨水处理设施将雨水收集经过滤、吸油等处理后进行下渗, 超过截污能力的雨水通过处理池溢流口漫流进入生物滞留带中, 通过填料的吸附与过滤及植物根系吸收作用减少洪峰流量, 净化雨水.生物滞留池的雨水径流下渗后通过穿孔管排入设置在绿化带内的溢流井中, 继而进入市政雨水管道, 排入毗邻的丁山河.透水沥青道路与生物滞留池的结构横断面见图 1, 初期雨水处理设施的横断面见图 2.采样点选择在启动区内的塘桥西路, 全长330 m, 路宽20 m, 为双向车道, 平均车流量30辆·h^-1.透水沥青道路采样点汇水面积为35 m², 采样点具体情况见图 3.

图 1

Fig. 1

图 1 透水沥青道路与生物滞留池横断面 Fig. 1 Porous asphalt and bio-retention cross-sectional view

图 2

Fig. 2

图 2 初期雨水处理设施横断面 Fig. 2 Initial storm water treatment facility cross-sectional view

图 3

Fig. 3

图 3 研究区概化及采样点布设 Fig. 3 Study area overview and layout of sampling points

为研究地表污染物在透水路面-生物滞留池系统的“累积-冲刷-输送”过程, 采集的样品包括：透水沥青道路累积晴天数一周以上的地表颗粒物、降雨冲刷后的地表颗粒物; 降雨过程中产生的地表径流; 生物滞留池的进水及溢流口穿孔管的出水.

地表颗粒物采集：于2017年5月~2017年7月观测的6场降雨前、后在塘桥西路透水沥青道路距离边坎1 m以内各随机布设6个1×1 m²的采样点, 使用真空吸尘器(Philips FC8760)采集样方内全部地表颗粒物样品, 密封保存并记录.取约300 g采集好的样品通过粒径形态分析仪(Retsch AS200jet)筛分为：< 44、44~62、62~105、105~149、149~250、250~450、450~1000 μm这7个粒径段, 并将每个粒径段的样品进行称重记录, 以备检测各粒径段颗粒物对TN、TP的负荷量^[13].

降雨径流的采集：为了观测降雨量, 在采样点附近安装RG3-M型翻斗式雨量计(Onset Computer Corporation, 美国HOBO).降雨时采用自制的取样工具用聚乙烯瓶在透水沥青道路雨水篦子(采样点A)、生物滞留池进水口(采样点B)和出水口(采样点C)处收集径流样品.当透水沥青道路降雨径流产生时, 即开始采样, 地表径流按1、5、10、20、30、50、70 min分别采样, 生物滞留池进水口和出水口根据汇水量选择10、20、30 min为采样间隔进行采样, 各场次降雨特征如表 1所示.样品采集后, 检测径流中SS、TN、TP的浓度, 用以分析透水路面-生物滞留池组合系统“累积-冲刷-输送”过程中污染物的浓度变化.

表 1 (Table 1)

表 1 降雨事件基本特征 Table 1 Basic characteristics of rainfall events 监测编号 降雨事件类型1) 降雨量/mm 降雨时间/min 平均雨强/mm·h-1 干期长度/h 20170504 暴雨 35.4 205 10.36 30 20170506 小雨 4.9 35 8.40 24 20170515 中雨 8.2 87 5.66 48 20170620 大雨 21.4 230 5.58 72 20170702 中雨 6.2 96 3.88 200 20170703 暴雨 30.4 69 26.43 5 1)降雨事件类型参照中国气象局颁布的降水强度等级划分标准(12 h降水总量)：小雨≤4.9 mm; 中雨5.0~14.9 mm; 大雨15.0~29.9 mm; 暴雨30.0~69.9 mm; 大暴雨70.0~139.9 mm; 特大暴雨≥140.0 mm[14]

表 1 降雨事件基本特征 Table 1 Basic characteristics of rainfall events

由于降雨特征和污染物本身性质的影响, 一场降雨过程中地表径流污染物浓度随时间变化很大.借鉴美国环保署(EPA)的经验, 采用场次降雨径流的平均浓度EMC(event mean concentration)来表示一场降雨地表径流全过程排放的某污染物的平均浓度, 可用下式表示^[15]：

(2)

式中, EMC为场径流污染的平均浓度(mg ·L^-1); M为整个径流过程中污染物的量(mg); V为径流总量(L); c_t为t时刻污染物的浓度(mg ·L^-1); Q_t为t时刻径流流量(L ·min^-1); Δt为采样间隔时间(min).

城市降雨径流污染负荷是指一场降雨或多场降雨所引起的径流排放的污染物总量.某种污染物的单位面积径流污染负荷可用下式表示^[16]：

(3)

式中, L为某污染物单位面积径流污染负荷(g ·m^-2); 0.001为单位转换系数; m为采样次数; R_i为第i场降雨的径流系数, 根据经验透水路面径流系数取0.8^[17]; P_i为第i场降雨的降雨量(mm).

本研究使用OriginLab公司研发的Origin 9.0软件进行作图.

地表颗粒物是降雨径流中携带污染物的主要载体, 颗粒物的累积是形成地表径流污染的必要条件.粒径作为表征颗粒行为的参数, 对污染物的迁移、转化有重要影响.地表颗粒物的粒径分布是综合作用的结果, 与地面粗糙度、前期干旱天数、污染源分布、清扫频率、风速等因素有关^[18].经采样调查, 研究区域地表颗粒物平均累积量为(15.80±3.79)g ·m^-2, 各个粒径段地表颗粒物累积量及其所吸附的污染物TN、TP的含量如图 4所示.结果表明, 透水沥青路面粗粒径(>250 μm)颗粒物单位面积累积量为(10.29±2.25)g ·m^-2, 质量占比约为65.14%, 这与透水沥青路面的建造材料有关.透水沥青路面粗集料多采用单一粒径碎石, 具有足够的表面粗糙度及构造深度^[19], 导致地表粗粒径颗粒物占比较大.不同粒径颗粒物对污染物的吸附能力不同, 随着粒径的增加, 污染物的吸附能力逐渐降低.粒径 < 44 μm的颗粒物所吸附的污染物TN、TP的含量最高, 分别为1.35 mg ·g^-1、0.35 mg ·g^-1; 粒径 < 105 μm的颗粒物所吸附的TN、TP含量和分别是105~1000 μm颗粒物吸附污染物含量和的2.14、3.34倍.大部分污染物被小粒径颗粒物吸附, 主要与小粒径颗粒物具有较大的比表面积有关.

图 4

Fig. 4

图 4 地表颗粒物粒径分布及其吸附的污染物含量 Fig. 4 Size distribution of road deposited sediments and their pollutant content

降雨冲刷是地表径流污染发生的驱动力, 而地表颗粒物对城市面源污染产生的贡献取决于被径流冲刷进入水体的颗粒物所负载的污染物^[20].通过采集6场降雨前、后地表累积的颗粒物, 对比各个粒径段颗粒物的单位面积质量, 并计算降雨径流对各个粒径段颗粒物的平均冲刷率如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 降雨前后各个粒径段地表颗粒物累积量及冲刷率 Fig. 5 Comparison of build-up load and wash-off percentage of different sized road-deposited sediments before and after rainfall events

结果显示, 6场降雨径流对地表颗粒物的平均冲刷率为17.15%, 对于粒径 < 105 μm的颗粒物冲刷作用明显, 平均累积量从2.05 g ·m^-2减少至0.62 g ·m^-2, 冲刷率可达到62.71%~74.94%.随着粒径的增加, 颗粒物的冲刷率逐渐下降, 处于450~1000 μm粒径段颗粒物仅被冲刷3.29%, 由此可见, 不同粒径颗粒物在降雨径流冲刷作用下的迁移能力不同, 颗粒物粒径越小, 减少比率越大, 这与小粒径颗粒物比表面积较大, 吸附态较多, 在水化学条件下更易发生解析现象有关^[21].

透水沥青路面和生物滞留池是两种常见的低影响开发(LID)措施, 其中透水路面只接受降水, 而生物滞留池既接受降雨又接受客水.表 2对比了6场降雨事件下透水路面地表径流(采样点A)、经过透水路面下渗、过滤并汇集至生物滞留池入口的径流(采样点B)和生物滞留池出口的径流(采样点C)水质情况, 其中由于20170702降雨量较少, 透水路面径流下渗汇集至B口处无产流.结果表明：通过透水路面的一次净化和生物滞留池的二次净化, 径流水质改善效果显著, 3个采样点SS场地平均浓度分别为142.63、42.42、6.26 mg ·L^-1.由于透水沥青路面孔隙率高, 内部有较好的空间网络结构, 地表颗粒物通过滞留在孔隙中使得径流水体中的悬浮固体颗粒减少, 氮、磷、有机物等污染物因吸附在小颗粒上或直接吸附在结构层表面而被去除^[22], 透水路面对SS、TN、TP的平均去除率分别为70.26%、46.29%、19.27%, 其中, TP的去除率较低可能与研究区地表颗粒物所含TP浓度较低有关.

表 2 (Table 2)

表 2 透水路面-生物滞留池组合应用对径流水质的净化效果 Table 2 Combination of porous asphalt and bio-retention purification effect on runoff water quality 降雨编号 SS/mg·L-1 TN/mg·L-1 TP/mg·L-1 COD/mg·L-1 A B C A B C A B C A B C 20170504 230.20 56.83 9.80 2.07 0.89 0.63 0.15 0.12 0.03 80.30 47.44 29.67 20170506 64.60 34.62 10.42 1.35 1.04 0.99 0.12 0.09 0.04 59.80 50.00 25.73 20170515 150.70 38.87 2.26 1.09 0.89 0.70 0.09 0.08 0.01 70.40 37.80 30.71 20170620 190.60 33.42 4.67 2.23 0.87 0.75 0.07 0.05 0.01 60.90 34.73 19.76 20170702 130.50 —1) — 1.76 — — 0.07 — — 67.30 — — 20170703 89.20 48.34 4.13 1.89 0.96 0.64 0.05 0.03 0.02 77.80 37.35 15.87 平均EMC/mg·L-1 142.63 42.42 6.26 1.73 0.93 0.74 0.09 0.07 0.02 69.42 41.46 24.35 1)表示没测到相关数据

表 2 透水路面-生物滞留池组合应用对径流水质的净化效果 Table 2 Combination of porous asphalt and bio-retention purification effect on runoff water quality

通过透水路面的一次净化, 在进水浓度较低的情况下, 生物滞留池对径流污染物仍然具有良好的净化效果, 对SS、TN、TP的平均去除率分别为85.25%、20.22%、70.27%.由于生物滞留池中安装初期雨水处理设施, 可以过滤径流中的粗颗粒物或碎叶等, 对SS去除效果明显; 当降雨事件大于25 mm ·h^-1时, 初期雨水处理装置容易发生溢流现象, 溢流的径流污染物通过土壤的渗滤与植被的截留得以净化.生物滞留池对于TN的去除效果不太稳定, 这可能是由于雨水溢流渗入生物滞留带将填料中的营养物质冲出所导致的.对透水沥青道路雨水篦子(采样点A)、生物滞留池进水口(采样点B)和出水口(采样点C)这3个采样点的径流水质污染负荷进行比较, 结果如图 6所示.经过透水路面地表冲刷、透水路面下渗过滤汇集至生物滞留池入口、生物滞留池下渗过滤排入雨水管道最终排入河道这3个过程, 地表径流SS的污染负荷分别为2.02、0.60、0.08 g ·m^-2; TN的污染负荷分别为0.025、0.013、0.011 g ·m^-2; 总磷的污染负荷分别为0.0013、0.0011、0.0003 g ·m^-2.排入河道的SS、TN、TP径流污染负荷分别为地表冲刷污染负荷的4.05%、43.47%、24.39%.可见, 透水路面-生物滞留池二次净化对于地表径流水质的改善效果十分显著.

图 6

Fig. 6

图 6 3个采样点径流污染负荷比较 Fig. 6 Comparison of runoff pollution loads at three sampling points

LID作为我国海绵城市建设中最为重要的技术手段, 能够有效解决大概率小降雨事件带来的面源污染问题.目前, 国内外学者对单一LID设施的水质净化效果及其机制有了较为深入的研究. Hatt等^[23]在野外观测生物滞留池对径流污染负荷的去除效果, SS的去除率超过90%; Davis等^[24]在实验室观测生物滞留池对污染物的迁移能力, 揭示出其对磷的削减范围是70%~85%, 而对氮的削减能力不稳定, 去除率为15%~65%; Sansalone等^[22]对比不同类型路面对径流污染物的去除效果, 结果表明经过透水路面渗流后, 氮的浓度显著低于密实沥青道路.然而, 以往的研究主要集中在LID设施对径流水质的净化效果, 很少关注LID作用下污染物“累积-冲刷-输送”之间的关系; 当前不同LID串联组合在中国海绵城市建设中普遍存在^[25], 针对不同LID组合下城市面源污染全过程的研究更为罕见.本研究发现深圳国际低碳城LID已建成道路的干燥颗粒物累积量为12.01~19.59 g ·m^-2, 粒径分布以粗粒径(>250 μm)为主; 多场降雨冲刷地表径流污染物SS浓度为33.42~56.83 mg ·L^-1, 降雨对地表颗粒物的平均冲刷率约为17.15%;在进水浓度较低的情况下, 透水沥青-生物滞留池组合对径流污染物SS的去除效果明显, 可达到95.61%.国内学者对传统城市面源污染调查发现：不同土地利用类型地表颗粒物粒径分布均以小于250 μm为主^[26].受排水形式及下垫面条件差异的影响, 传统管道排水设施背景下的城市面源污染形成规律未必适用于以LID设施为主的海绵城市试点区域.海绵城市试点区域内地表颗粒物少是由于试点区域内车流量较少, 污染源少, 导致污染物累积量也少; 透水沥青路面采用粗粒径碎石建造, 细粒径大多嵌入结构深处, 表面累积以粗粒径为主.由于降雨对粗粒径的地表颗粒物冲刷迁移的能力较弱, 并且透水性对径流污染物的冲刷效应有直接影响, 当雨水下渗能力增强时, 产生的径流量减少, 污染物的削减能力减弱, 部分污染物被路面孔隙滞留, 因此, 污染物浓度远远低于传统道路.当前如何将试点区的LID设施推广应用到城市不同土地利用类型场地是海绵城市设计的重点与难点, 在LID设计时应结合场地降雨特点、污染物累积情况、下垫面类型等, 因地制宜地进行海绵城市推广.

在研究区域内, 根据下垫面的特点和使用功能添加多种LID设施, 既能最大限度发挥LID的功效, 又能节省空间资源, 是LID在城市使用中的最佳办法.由于实地监测海绵城市试点区域内多个LID组合作用下的径流污染物输送规律需要长期的降雨观测, 存在一定的难度, 目前国内对于多种LID设施组合应用的水质净化效果大多基于国外较成熟的模型模拟.表 3对部分模拟结果进行了总结归纳^[27~29], 结果表明多种LID设施组合布设对污染物的累积量削减效果明显.胡爱兵等^[30]使用SWMM模型优化模拟得出深圳国际低碳城示范区LID设施布局方案, 示范区总面积24 hm², 其中透水铺装面积3.6 hm², 道路生物滞留池面积0.12 hm², 分别占示范区总面积的15%和0.5%, LID模型输出总径流量为441.6 mm.若按照此方案进行LID组合布局, 且只考虑透水路面, 结合表 3所示的多场降雨事件监测结果可知, 深圳国际低碳城试点区每年道路径流总量可减少1.58×10⁴ m³, SS、TN、TP的年污染负荷至少可减少1583.3、12.65、0.27 kg; 若经过透水路面的径流全部下渗并汇流至生物滞留池, 同时生物滞留池不发生溢流现象, 则SS、TN、TP的年污染负荷分别减少2154.7、15.45、1.08 kg, 这势必将有效缓解丁山河的非点源污染负荷, 改善其水环境质量.

表 3 (Table 3)

表 3 多种LID设施组合应用的水质净化模拟效果 Table 3 Water purification simulation effects for multiple LID facilities 研究区域 LID布设方案 模型 降雨径流条件 污染物浓度削减率/% 文献 SS TN TP 天津市空港经济区, 面积: 1.92 km2 生物滞留池3%, 绿色屋顶10%, 透水路面5%, 植草沟1.5% SWMM 采用1年一遇设计暴雨降雨历时120 min, 降雨量42.20 mm 9.6 10.2 13.6 [27] 嘉兴市晴湾佳苑, 面积：8.3 hm2 雨水花园6.25%, 植被浅沟40.18%, 透水铺装53.57% SUSTAIN 采用2014年全年每日每小时降雨量1438 mm, 最大小时降雨量为125.4 mm 59 52 52 [28] 张家港市某住宅区, 面积：4.99 hm2 绿色屋顶48%, 渗透路面11%, 植被浅沟10% SWMM 采用5年一遇设计暴雨降雨历时120 min 36.5 33.7 35.6 [29]

表 3 多种LID设施组合应用的水质净化模拟效果 Table 3 Water purification simulation effects for multiple LID facilities

(1) 透水沥青路面地表颗粒物平均累积量为(15.80±3.79)g ·m^-2, 粗粒径(>250 μm)颗粒物质量占比大, 约为64.14%, 这与透水沥青路面构造和粗糙度有关.

(2) 随着粒径的增加, 降雨径流对地表颗粒物的冲刷率逐渐下降. 6场不同强度的降雨径流对地表颗粒物的平均冲刷率为17.5%, 对于细粒径(< 105 μm)颗粒物冲刷作用明显, 冲刷率为62.71%~74.94%.

(3) 透水路面-生物滞留池组合应用可有效削减径流中SS、TN、TP的污染负荷.透水沥青道路对地表径流中污染物SS、TN、TP的去除率分别为70.26%、46.29%、19.27%;生物滞留池对透水沥青道路汇集进水污染物SS、TN、TP的去除率分别为85.25%、20.22%、70.27%;排入河道的SS、TN、TP径流污染负荷分别为地表冲刷污染负荷的4.05%、43.47%、24.39%.