重庆大学博士学位论文
西部地区城市化前后降雨规律的研究发现，城市化后比城市化前降雨量平均增幅达12%-14%，可能是由于下垫面性质的改变，或者城市地形相互作用的缘故[6]。国内对长江三角洲地区城市化前后降雨规律的研究也发现了类似的结论，即在相同的气象条件、下垫面属性等因素的影响下，城市化程度较高发展速度较快的城区，其降雨增幅大于郊区[7]。李娜等[8]以苏州为例，进一步研究了城市化对降雨雨情的影响，研究指出城市化对汛期雨量、年雨量、最大日雨量和不同雨型降雨的发生次数都有不同程度的促增作用，而对最大日降雨量的影响最为显著。
1.1.2 城市降雨径流水质研究
① 城市道路暴雨径流水质特性研究 1）城市道路暴雨径流污染物赋存形态研究
了解城市道路暴雨径流污染物的赋存形态是进行污染控制的首要依据。多数研究认为，有机物、重金属、磷等污染物主要以固体形式存在，如李立青等[9]在武汉汉阳城区的调查发现城市地表径流颗粒态TN、COD和TP 分别占其总浓度的65%、58%和92%；Zhao等在武汉动物园进行的降雨径流研究发现约61%的总氮以颗粒态存在[10]；王书敏等在重庆的研究发现有机污染物主要以固态形式存在[11]。然而，对城市道路暴雨径流中氮素赋存形态的研究则尚有差异，Wei等在中国厦门的研究发现60%的总氮以溶解态存在[12]，何强等在重庆的研究也发现氮素主要以溶解态存在[13]，这与Zhao等的研究结果不同[10]。土地利用方式、不透水地表功能、卫生管理水平、交通流量以及人口密度等都可能导致城市道路暴雨径流污染物的赋存形态差异[9]，还需要通过长期的研究积累，总结归纳城市用地格局与道路暴雨径流污染物赋存形态的耦合关系。
2）城市道路暴雨径流污染物浓度研究
城市道路暴雨径流污染物浓度与交通负荷、周围环境背景、环境卫生管理水平等密切相关，不同研究地点得出的研究结果差异显著。有研究表明，后期道路暴雨径流水质较初期径流显著改善，尤其是道路坡度较大的情况[11]，也有研究发现，城市道路暴雨径流水质甚至劣于生活污水，如陈莹等对西安城市主干道南二环路暴雨径流的研究发现，其COD、SS浓度远高于生活污水，COD平均浓度为
[14]651mg/L（240-1640 mg/L），SS平均浓度为2128 mg/L（421- 7380 mg/L）；Balloa
等在上海的研究发现径流中氨氮浓度远超出地表水环境质量Ⅴ类标准[15]。本文总结了不同学者在不同环境背景下得出的城市道路暴雨径流污染物浓度水平（表1.1）。同时，关于城市道路暴雨径流水质的研究大多属于宏观观测范畴，而对于降雨过程中污染物随径流迁移转化的微观过程研究还较少。
2
1 绪 论
表1.1 城市道路暴雨径流水质统计（mg/L，重金属浓度单位为μg/L）
Tab. 1.1 Summary of water quality of urban stormwater runoff from urban road（mg/L，heavy
metal concentration is indicated in μg/L）
地 点
NH
3-N
NO3-N
TP
Cu
Zn
Pb
Cd
Ni
TSS COD TN
韩国江原道
[16]
0-2.
10-360
10-300
54 (TKN)
57.5-159
156.5-634.8 847
56
0.5
55
9.2-88
-
-
-
0-1.1
0-0.19
0-130.4
0-220.5
0-42.5
0-2
0-24.5
悉尼
[17]
- - - - - -
慕尼黑
[18]
355
71(TOC)
- - - - 191
G?bel等 总结结果
[19]
66-937
63-1 46
0.5-
-2.3
0-16
0.23-0.34
97-104
12-2000
11-525 3-13 4-70
G?bel等 研究结果
[19]
163 105 - 0.9 5.0 0.29 97 407 170 1.9 11
415.7
308
7.32
-
3.49
0.39
140
1760
118.2
1.6
22.6
广州
[20]
广州 某校园[21]
42.45 -1487.46 394.6
350.9
11.74
- - 0.45 - - - - -
北京
[22]
29.07 0.94-1014.55
-21.18
1.16 -19.85
3
0.03-0.56
- 10-55 3-90 - -
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地 点
TSS COD TN
NH
3-N
NO3-N 4.4 -30.6 -
0.37-6.5 0.18-0.42 0.4
540-1540 111-222 200-500 120-2000 81
TP
Cu
Zn
Pb
Cd
Ni
北京
[23]
-
122-643 48-130 85-100 63-146 129
3.7-
-18.4 - 2.0-3.0 -
-
30-90 4-30 - -
美国
[24]
59-215 100-150 66-937
15-43 50-100 97-104 19
13-234 - -
挪威
[24]
- - 15-70 - -
德国
[24]
- - - 11-525 - -
意大利
[24]
140 - - - - 13 - -
巴黎（中值）
[25]
92.5 131 - - - - 61 550 133 0.6 -
3）城市道路暴雨径流水质影响因素研究
大气污染状况、气候特征、风速以及人类活动强度等的区域差异，使得城市暴雨径流污染物浓度水平的影响因素非常复杂[26]，针对城市暴雨径流水质影响因素的研究主要有以下几个方面。
a. 降雨雨情因素
降雨雨情因素包括降雨强度、降雨持续时间、前期干旱期、降雨雨型分布等。降雨强度越大，对地表累积污染物的冲刷强度也越大，可能导致污染物浓度的升高，也可能出现过大的暴雨径流稀释污染物浓度使得污染物浓度降低的现象。前期干旱期越长，地表累积污染物越多，可能引起暴雨径流污染物浓度的升高。Lee 等在韩国江原道研究了高速公路暴雨径流的水质特性，结果发现，降雨强度和前期干旱期是影响污染物浓度的主要因素[27]。Huang 等在澳门雅廉访流域的调查结果表明，前期干旱期越长、降雨强度越大污染物浓度越高[28]。马英等调查了东莞市同沙水库集水区降雨径流的水质特性，结果发现，雨前干旱期、最大雨强、不透水率对污染负荷的影响程度最大[29]。颜文涛等研究了山地城市暴雨径流水质特性，结果发现，降雨强度对污染物浓度具有显著影响，降雨强度越大，暴雨径流
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1 绪 论
的污染物浓度越高，其中，大坡度路面暴雨径流的污染物浓度受降雨强度的影响最为显著，可能是道路坡度和降雨强度双重影响的结果，这也说明了山地城市暴雨径流可能蕴含有更为突出的污染强度[30]。边博研究认为，前期晴天时间是影响城市径流污染物浓度和赋存形态的主要因子[31]。欧阳威等发现污染物浓度与前期晴天数、降雨历时均呈正相关关系，而与降雨量、降雨强度呈负相关关系[23] 。然而，也有研究指出前期干旱时间与污染物浓度并不存在相关关系[14]，Helmreich 等对慕尼黑高负荷交通道路暴雨径流的研究表明，前期干旱期对污染物浓度没有显著影响，并把这种现象归结于街道清扫、风吹或交通引起的空气扰动流失等因素
[32]
。
b. 大气干湿沉降
有研究表明，大气沉降是暴雨径流镉铜铅的重要来源[30]，且大气湿沉降占痕
量重金属总沉降的1-10%，总沉降重金属负荷占流域降雨径流重金属总负荷的57-100%[33]。此外，也有研究表明，大气沉降是居民区暴雨径流重金属污染的主要来源[34]。
表1.2 城市道路暴雨径流污染物来源[14,21]
Tab. 1.2 Sources of pollutants in urban stormwater runoff from urban traffic road 污染物 颗粒物
污染物来源
人行道、大气沉降、路面磨损、建筑工地、道路养护、车辆、道路周边土壤
侵蚀
铁 镉 铅 镍 钠、钙、氯化物
硫酸盐 铬 氰化物 锌 石油类 铜 氮、磷 烃类 COD
道路及车辆钢结构生锈 轮胎磨损、杀虫剂 轮胎磨损、含铅汽油、润滑油
柴油、汽油、润滑油、沥青路面、轴衬磨损、金属电镀、制动部件磨损
除冰剂 燃料、除冰剂、路基 电镀金属、制动部件磨损 防止除冰剂结块化合物的使用 发动机润滑油、轮胎磨损 沥青表面沥出物、泄露、溢流、防冻剂 金属电镀、制动及轴承部件磨损、杀虫剂及杀菌剂
肥料使用、大气沉降、地表累积物
沥青路面、油类燃料 地表累积物、动物活动
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c. 其他因素
车伍等对北京城区道路雨水径流水质的研究发现，影响道路径流水质的最重要的因素有道路类型、降雨强度、路面污染状况、气温、降雨间隔时间和降雨量等[35]。此外，污染物释放源也是影响道路暴雨径流水质的重要因素。有研究表明，交通工具刹车磨损是铜的来源，建筑墙板是铜锌铅镉的来源，轮胎磨损是锌的来源，材料种类、建筑密度和交通强度[30]，建筑物喷漆、地表表层渗沥是居民区暴雨径流重金属的主要来源，而交通尾气和金属侵蚀是工业区暴雨径流重金属的主要来源。Lee 等[16]和申丽勤等[24]总结了城市道路暴雨径流污染物的主要来源，如表1.2所示。
② 城市道路暴雨径流控制对策 1）初期暴雨径流控制量的确定
初期径流污染物浓度较高，携带了场次降雨径流一半以上的污染负荷，科学确定初期径流量并加以重点控制意义重大。初期径流控制量识别的主流方法目前以M（V）曲线法为主，即对次降雨中的污染物，把累积污染负荷占整个次降雨过程总污染负荷的比值做为纵坐标、把累积径流量占整个次降雨过程总径流量的比值做为横坐标，进而建立M（V）无量纲曲线表示的，曲线偏离对角线越多，则初期冲刷现象越明显[36]。由于该方法具有一定的可操作性，并可以给出初期径流体积比例，在城市暴雨径流管理中得到了广泛应用。
Li等在武汉的研究指出，初期30%的暴雨径流可以携带了TSS、COD、TN和TP负荷的52.2%-72.1%、53.0%-65.3%、40.4%-50.6%和45.8%-63.2%[37]。Luo 等在深圳福田河流域的研究也建议将30%的初期径流做为控制标准[38]。Kim等在韩国大田市合流制排水系统的研究推荐初期径流控制量为5毫米降雨[39]。Zhang 等对郑州不同用地类型暴雨径流的研究指出，居民区屋面、商业区屋面、工业区屋面的初期径流控制量分别为初期2mm降雨、初期5mm降雨、初期10mm降雨，居民区道路为初期4mm降雨，而商业区、工业区道路的暴雨径流应全部收集处理
[40]
。然而，应用该方法也有未发现初期冲刷现象的案例。Sollera等对美国圣何塞8
场降雨过程中的调查研究发现初期冲刷现象并不总是存在[41]。Barrett 等的研究发现高速公路暴雨径流只有微弱的初期冲刷现象[42]，Saget等调查了雨季初期冲刷现象对分流制和合流制排放水质的影响，结果表明初期冲刷现象的发生频率较低，不足以支撑雨季排放污染物处理设计需求[43]。
由此可以看出，M（V）曲线的应用研究结果差异较大，这可能与初期冲刷现象的定义差异有关。有研究认为占总径流量20％的初期径流携带总污染负荷的80％时，初始冲刷现象发生；也有研究认为占总径流量25％的初期径流容纳总污染负荷的50％时，存在初始冲刷现象；大多情况下，以30%的初期径流携带80%
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