城市街区道路交通布局与降雨径流污染关系发展

一、研究背景
伴随着城镇化的快速发展，近十年来我国大(特大)城市的人口规模急剧膨胀。城市用地布局的不合理，尤其是各地盲目追求宽马路、大街坊的“新城”模式，加剧了个体机动化出行的趋势。越来越多的小汽车涌入中心城区挤压有限的道路空间，在加剧交通拥堵状况，造成整个城市运行的高成本和低效率的同时，也导致了严重的空气、水环境污染和公共健康危机。迄今为止，虽然国内外主流研究还没有给出道路交通布局结构与水环境污染之间的确切联系，但却给出了方向性的结论：道路表面尤其是交通活动复杂的城市道路表 面，能够通过机动车石油燃料的不完全燃烧、尾气排放、油脂的渗漏以及轮胎和路面磨损等过程累积大量的有机物、悬浮颗粒、营养盐、多环芳烃、重金属等污染物质[1]。由于城市路面的高度不透水性，这些污染物质在降雨初期会达到很高的浓度，并被雨水径流冲刷、溶解进而通过城市排水管网迁移进入城市水体，对受纳水体的水质造成明显破坏，从而影响水生生态环境[2]。由此，可以做出如下假设：(1)城市道路交通布局结构不合理是城市面源污染的重要原因之一；(2)城市道路径流主要污染物之间应具有一定的相关性；(3)合理的道路与交通布局结构可以有效减少面源污染，改善水环境。
作为非点源污染的主要组成部分，近年来道路降雨径流污染由于其程度不断加深、对受纳水体影响日益严重而逐渐形成一个相对独立的研究领域[3]。国外一些发达国家对道路径流已经开展了30多年的研究，进行了广泛的径流水质特征调查[4-5]，为评价道路雨水径流对环境的影响[6]，污染物在径流中的形态特征，径流中污染物累积、排放和迁移过程的模拟[7-8]，污染负荷估算[9]以及控制措施的设计和实施[10-11]提供了必要的数据和理论指导。国内对于径流水质的研究大致可以分成两类：一是宏观层面，通过遥感和GIS技术，集中于影响径流水质的景观类型水平、内在机理和外在机制等方面，侧重于区域层面的大尺度空间探讨[12-13]；二是微观层面，对不同类型下垫面(屋面、道路、绿地等)上雨水径流污染状况的研究，侧重于小区域的水质情况调查[14-16]。然而，基于现实可操作的中微观尺度的城市规划、设计与管控层面，并且能够将土地利用的田野调查数据(空间格局指数)与水环境的实验室数据(水质指数)进行关联分析的实证研究却实为少见。
杭州作为国际风景旅游城市，地处我国经济最发达的长三角地区，近年来随着城区截污干管网络的建设完善及城市“退二进三”的功能转型，点源污染已被有效控制，但由于不合理的道路交通与土地利用格局造成的面源污染正逐渐成为内河水体污染的主要来源。尤其是，随着主城区机动车数量的迅猛增长，城市道路雨水径流污染日益加剧，已成为杭州内河水质恶化的头号元凶。为此，深入探讨降雨径流污染特征，不同道路交通布局结构与径流水质之间的相关关系，对于控制和管理面源污染，改善城市内河水质具有十分重要的意义。
本研究选取杭州4个典型区域为研究对象，在中观尺度上分析不同街区道路交通布局结构对降雨径流水质的影响程度，揭示道路交通布局对水环境影响的机理与机制，探讨城市道路交通布局结构优化的可能途径与策略，为研究与治理路面径流污染提供决策依据。
二、研究设计及数据采集
以杭州市地形图为基础，结合最新版谷歌地图，通过实地踏勘校正，收集四个街区内相关的道路交通资料；借助AutoCAD和湘源控规5.0软件，绘制出4个街区的道路布局结构图并计算出相关数据。与此同时，用实验的方法得到4个街区内道路的降雨径流污染指标值。在道路交通结构数据和水质数据的基础上，利用统计学软件SPSS 19.0进行水质指标间的pearson相关性检验，以发现道路降雨径流污染物之间的内在关系；利用Matlab软件对水质指标与道路交通结构指数做拟合分析，在中观尺度上揭示不同的道路交通布局结构对降雨径流水质的影响机制。
(一)道路交通结构数据分析
道路交通结构与降雨径流水质之间的关系受到用地类型、道路布局形态与交通出行方式等因素的影响。本次研究结合已有的控规单元划分，选取杭州城西翠嘉区块、城东九堡区块、城北和睦区块以及城东北高教区块作为研究的对象区域(图1)。其中翠嘉区块位于杭州城市中心区边缘西部，由文一路、文二路、文三路、学院路、古翠路和丰潭路围成田字形骨架，建成于20世纪九十年代，约2.4平方公里，区内有杭州最后一批计划住房体制下建设的大型住宅区——翠苑社区，首批经济适用房住区——嘉绿苑社区，以及首批农民拆迁安置住区——五联社区。九堡区块位于德胜东路、艮山东路和九盛路之间，始建于21世纪初，约3.0平方公里，区内用地以物流商业为主，外来务工人员较多，人员货物流动性大，是杭州城市东扩战略中的首站区域。和睦区块位于杭州城市中心区边缘北部，登云路、莫干山路、大关路和丽水路围成区域，为和睦街道一部分，约1.6平方公里，是近十多年来城北大规模住宅开发的一部分，也是机动化出行导向最为典型的住宅区。城东北高教园区东临上塘高架，西接沈半路，南北由绍兴路和湖州街围成，约1.7平方公里，内有浙大城市学院、浙江树人大学、杭州艺术学校等大专院校及部分居民区，为杭州目前最贴近老城区的高教区块。
根据城市道路交通穿越性流量大小，把城市道路划分为交通性道路和非交通性道路两大类。交通性道路包括城市快速路、主干路和次干路，一般红线宽度在20m以上，以穿越区块的过境交通为主；非交通性道路主要为支路(包括最近几年建设的步行绿道，但不包括宅前小路)，红线宽度4-20m，以出入区块的内部交通为主，车流量较小。在分类基础上绘制4个研究区域的道路布局结构图(图2)，并选取道路网密度、交通性路网密度、非交通性路网密度和公交线网密度4个指标来表征研究区域的道路交通结构特征(表1)。
所选4个区块中，翠嘉区块是成熟的城市住宅区块，区块内交通性路网、非交通性路网和公交线网都比较发达；九堡区块为城市新开发区域，土地利用呈典型的“宽马路、大街坊”特征，区块内非交通性道路分布较少，公交系统发展不完善，整体道路网密度和公交线网密度低于其他区块。从建设时间和 发展程度来看，和睦区块介于翠嘉区块和九堡区块之间，区块内部交通性路网比较发达，非交通性道路分布较少；城东北高教区块四周由交通性路网围成，内部非交通性路网发达，交通性道路网密度较低，由于各个学校都实行了机动车进校收费制度，本区块成了事实上的城市“机动车限制区域”。总的来说，以翠嘉区块和高教区块为代表的老城区内部路网密度都比较大，区块内部非交通性路网发达，小区内部或学校周边公交线网密集，小区支路沿线各种设施齐全，客观上具备了较好的步行或公交出行环境；以九堡区块与和睦区块为代表的新开发区域内部道路等级不明显，交通性路网密度较大，非交通性路网密度较小，形成了以机动化为导向的出行特征。
(二)降雨径流样本数据采集
根据研究目的及实验要求布设降雨径流采样点(图1)，采样点均位于研究区域内的道路雨水口。每个区块布设四个采样点，其中两个位于交通性道路上，两个位于非交通性道路。在同一天于降雨10分钟径流形成后，用800ml聚乙烯采样瓶取样。根据已有研究对道路污染源及其主要成分的分析结果，本研究选取pH(酸碱度)、SS(悬浮固体浓度)、N2Z145.jpg(化学需氧量)、N2Z146.jpg-N(氨氮)、Pb(铅)等五个指标来表征降雨径流的污染状况。样品采集后，在规定的24h内按照国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》(第四版)的要求检测出4个不同街区对应的水质参数，具体数据见表2。
对照《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，从四个街区检测水质的平均数据来看，杭州市初期降雨径流的污染情况是非常严重的，如果直接通过道路雨水管道排入自然水体，会给水体造成很大危害。初期雨水的酸化程度(pH值)及NH3-N含量都很高，超过了Ⅴ类水标准，可能的原因在于大区域工业废气及杭州城市小汽车尾气的大量排放，石油燃料的不完全燃烧使得空气中硫氧化物含量与氮氧化物含量升高，随降雨进入径流中；CODCr高于国家地表水环境Ⅴ类标准6-16倍；SS也超出国家规定标准；重金属离子Pb含量除高教区块外全部超Ⅴ类水标准。总体来看，九堡区块与和睦区块的道路径流水质差于翠嘉区块和高教区块；CODCr和SS为城市道路降雨径流主要污染物。
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图1　研究区块及取水点分布图
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图2　研究区块道路布局结构图
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三、分析方法与结果
(一)道路雨水径流主要污染物之间的pearson相关性检验
对研究区域主要污染指标进行pearson相关性检验(表3)。从结果来看，主要污染物SS、CODCr、Pb含量高，相关性强，为汽车的主要污染产物，与本文假设基本一致；pH(SO2)和NH3-N受空气流动性影响较大，跟其他污染物相关性不强，但二者之间相关性较强。CODCr和SS为城市道路降雨径流主要污染物，降雨初期，两者含量都较高，且相关系数达0.923，说明道路雨水径流主要污染物为有机物，且大部分附着于SS上。通过对雨水中SS的去除，可以有效去除初期雨水中的有机物。初期雨水中的Pb重金属离子也和SS有很强的相关关系，表明金属离子在小的悬浮颗粒上也有很好的附着作用，去除SS可以有效降低径流中金属离子的含量。综上，SS浓度与金属离子和CODCr都有很强的相关性，可以用SS浓度来表征降雨径流主要污染物的污染情况；控制城市中的汽车数量，减少交通拥堵时间，改善路面状况，可以有效去除初期雨水中的SS浓度，以及与SS相关性很强的CODCr浓度和重金属离子浓度。
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(二)道路交通结构与水质的相关性拟合分析
在对降雨径流污染物之间person相关性检验的基础上，用SS变化来表征道路径流污染程度的整体变化趋势，并以其为因变量，以道路交通结构指数为自变量，用Matlab软件做道路网密度、交通性道路网密度、非交通性道路网密度、公交线网密度四个指标与SS的双曲线函数(N2Z147.jpg)、幂函数(N2Z148.jpg)和负指数函数(N2Z149.jpg)拟合，取N2Z150.jpg最大时对应的拟合函数作为最佳拟合函数(N2Z150.jpg越大，说明拟合程度越好)，分别得到各自的拟合曲线与方程(图3)。在此基础上，求出地表水环境Ⅴ类水标准(取SS=400 mg/l)下对应的各项道路交通结构指标值，并与现有规范(《城市道路交通规划设计规范》(GB50220-95))进行比较，整理得到道路交通结构指数与SS的拟合分析相关结果(表4)。
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a道路网密度与SS关系　b交通性路网密度与SS关系　c非交通性路网密度与SS关系　d公交线网密度与SS关系
图3　道路交通布局结构指标与SS拟合曲线
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从结果看，总体上，SS指数与4个道路交通结构指数都有较好的拟合关系，呈现出较强的相关性，但公交线网密度、非交通性路网密度比道路网密度的N2Z150.jpg值明显为大，说明二者与SS的相关性更强；交通性路网密度与SS呈正相关系。随着交通性路网密度的增加，SS的值显著增加；而道路网密度、非交通性路网密度、公交线网密度与SS呈反相关系，随着这些指标值的增加，SS随之减少但速度减缓并最终趋近于某个固定值；非交通性路网密度增加对水质改善的前期效应尤为显著。这些结论的可能推论是：交通性路网是造成城市道路径流污染的主要原因；道路网密度增加对道路径流水质改善的主要作用机理在于非交通性路网密度的增加；非交通性路网密度的增加及公共交通环境的改善能够引导优化居民出行方式，有效抑制个体机动化出行，避免道路雨水径流水质的持续恶化。
根据本次研究确定的最佳拟合曲线方程，要达到地表水Ⅴ类水标准，道路网密度至少要达到72.8米/公顷，高出现行规范标准的上限；公交线网密度至少要达到33.4米/公顷，处于现行规范标准区间之内。
(三)道路交通结构对水质影响的区域比较分析
不同的道路交通布局结构及街区土地利用模式导致不同的道路径流水质。根据四个研究区域的SS水平，污染程度由高到低排列依次为九堡区块、和睦区块、翠嘉区块、高教区块。以九堡与和睦为代表的新城区块污染程度明显高于以翠嘉和高教为代表的老城区块。换言之，从土地利用角度看，目前流行的大街坊、宽马路、低密度公交、高机动车化出行的“新城模式”对降雨径流的污染程度明显高于小街坊、窄马路、高密度公交、低机动化出行的“老城模式”。比较“新城模式”内 部，虽然九堡区块与和睦区块的道路网密度相当——区别在于九堡区块交通性路网密度大于和睦区块，非交通性路网密度则相反，但总体污染程度九堡区块明显更高，这与九堡区块常年车流密集、作为城市最大物流区域的功能属性相符。在“老城模式”内部，高教区块降雨径流污染要弱于翠嘉区块，究其原因主要在于，虽然翠嘉区块内部非交通性路网密集，商业设施齐全，公交线网发达，但由于小汽车使用不受限制，特别是在城市支路被普遍用于停车时，客观上助长了居民出行的小汽车选择概率；而高教区块内部教育用地所占比例较大，对交通出行，特别是校园内部交通进行了一定程度的管制，人为地减少了区块内部机动化使用的程度。比较同为住宅的和睦与翠嘉区块，虽然机动化程度和人口密度都很高，但翠嘉区块的“小坊窄路密网”与“通而不畅”的内部路网结构还是有效地抑制了大量的穿越性车流，这或许就是“老城住宅模式”对降雨径流污染程度低的原因所在。
四、结论与建议
城市街区土地利用过程中不合理的道路交通布局结构引致了机动化的快速发展，这已成为当前快速城市化进程中城市道路降雨径流污染的主要原因。本文研究认为，面向径流水质优化的城市街区道路交通布局结构应着重考虑以下一组策略建议：
1.加强非交通性路网的组织和建设，引导优化居民出行方式。大街坊、宽马路、单一封闭的土地区划模式不仅割裂了城市社区正常的交往空间，更诱发了大量“点对点”的机动化出行需求。可通过在街区层面加强连续街巷系统、网络化绿道步行系统的组织建设，有效改善“日常生活圈”环境，引导人们就近步行购物、游憩和休闲，减少不必要的远距离出行，自觉放弃机动化选择，从源头上改善城市道路径流的形成环境。
2.合理控制交通性路网建设，强化机动车交通需求管制。不停地拓宽马路，增加车道，挤占人行空间，不仅无益于交通治堵，而且会持续恶化径流水质。可以通过增设或提高小汽车的拥有和使用成本，如增加上牌环节的各种税费、征收固定车位的环境影响费用、控制减少路面停车、提高停车费用、增加中心城区车辆使用费等政策措施减少机动化出行的频率，遏制小汽车过快速增长势头，从源头上控制径流水质持续恶化的趋势。
3.建设和完善公共交通系统，切实提高公交分担率。优化公共交通的体系建设与环境设计，加快大容量公共交通系统的建设步伐，增加公共自行车的网络布点和新能源公交车的比例，关注街区连续步行系统、邻里中心与公交系统建设的耦合程度，提高人们乘坐公共交通出行的便捷性、舒适性和安全性，让公交化真正跑赢机动化，从源头上建立径流水质持续稳定的根本保障机制。唯如此，越来越多的人才会放弃轮子上的生活，城市才会变得清新、健康与安全。