0 引 言
水体热污染是指由于人类活动向城市水体排入大量废热，使水体温度升高，从而导致水生态系统遭受破坏的现象。水体热污染会直接影响鳟鱼和其他鲑类等冷水性生物的生存，研究表明，虹鳟鱼和褐鳟鱼适宜生存温度为10～18 ℃，当温度超过20 ℃时，其捕食和繁殖能力显著降低，24 ℃以上则会造成死亡[1-4]。水体热污染还会导致水中溶解氧浓度降低，水温增加6～10 ℃，ρ(DO)将会降低0.5～3.0 mg/L[5]，进而导致鱼类缺氧死亡，对渔业资源造成严重破坏。此外，水中氮磷含量也会随着温度升高而增加，从而加速藻类等浮游生物的繁殖，造成水体富营养化[6,7]，破坏水生态平衡。因此，如何实现对环境水体热污染的有效控制，对于保护水体中的敏感生物和实现区域水环境的健康可持续发展具有重要意义。
水体热污染产生的原因主要有2种：一种是由于火力发电厂、核电站以及地表水源热泵等高温余热废水排入受纳水体，导致受纳水体温度升高而引起的热污染，例如，一座火电厂或核电厂有70～400 m3/s并高于受纳水体6～11 ℃的温排水排入水体[8,9]；另一种是由于城市高温雨水径流引起的热污染。例如，城市道路、停车场、屋面等不透水下垫面吸收储存太阳光辐射热量，降雨时与径流进行热交换，进而造成雨水径流温度升高，排入受纳水体后造成热污染[10]。Kertesz等[11]通过对某城市建成区的研究发现，与未开发区域相比，城市化会导致河流温度升高5.1 ℃。
发达国家针对城市雨水径流热污染已开展了大量研究，并借助实验、监测和模型对城市雨水径流热污染特征及控制方法做了大量分析，对区域径流热污染负荷也提出了相对成熟的评估方法。美国在1972年颁布的《清洁水法》中已经明确把“热”规定为污染物，并提出可通过一些渗透型设施或绿色设施削减雨水径流的热污染[12]。目前，国内对于环境水体热污染的研究主要围绕核电站、水源热泵系统等温排水对水体的热污染[13-14]，而对于城市雨水径流热污染的研究尚未引起足够重视。因此，本文通过对国内外雨水径流热污染研究成果的综述，系统分析城市雨水径流热污染的来源与危害、热负荷的评估方法及其控制对策，以期为环境水体水质改善和雨水径流热污染问题的进一步研究提供借鉴。
1 城市雨水径流热污染特征
1.1 城市雨水径流热污染来源
城市雨水径流热污染主要来自降雨与屋面、路面等硬化下垫面的热交换，以及雨水湿塘、湿式植草沟、调蓄景观水体等部分雨水调蓄设施，其中屋面、广场、露天停车场、城市道路等是造成雨水径流热污染的主要下垫面。有研究表明，夏季沥青路面温度可达65 ℃[15]，比绿地多释放130 W/m2的红外辐射和200 W/m2的感热[11]，屋面温度也可达到55 ℃[16]，雨水径流流经道路、屋面等不透水区域会吸收热量，使径流温度升高，造成雨水径流热污染。 Wardynski等[17]通过对夏季沥青路面径流温度监测得出，沥青路面雨水径流温度最高可达39.2 ℃，平均径流温度为22 ℃，该温度雨水径流如果直接排入河流，将会对受纳水体水质和水生态系统造成严重威胁。此外，城市下垫面的类型、不透水面积比例、雨前光照条件、降雨特征等也是影响雨水径流热污染的主要影响因素。Sabouri等[18]研究表明，城市不透水面积比例由20%增加到50%，雨水径流温度可升高3 ℃。Herb等[19]采用6年的降雨数据，对1 hm2的沥青停车场的径流温度进行研究，结果表明不透水表面径流温度与降雨期间的平均面层温度(无遮阴区域)、降雨之前的空气温度和降雨之前的太阳辐射这3个参数相关，并且以下3种情况时径流热污染影响相对严重：1)空气温度和不透水下垫面温度高于受纳水体温度；2)降雨强度较大、降雨历时较短的降雨事件，并且降雨之前不透水区域光照充足；3)区域不透水面积比例较高。
一些具有常水位的雨水控制利用设施也会带来一定程度的热污染，比如，雨水湿塘、湿式植草沟、调蓄景观水体等，上述水体在非降雨期间一般为静止水面，由于吸收大量太阳辐射，温度会显著升高，降雨时温度较高的水体通过溢流排入受纳水体，从而对城市受纳水体造成热污染。Jones等[20]研究发现，雨水湿塘的最高出水温度为29.2 ℃，如果直接溢流排入受纳水体将导致热污染。Sabouri 等[21]利用基因表达式编程算法(GEP)和人工神经网络建模技术(ANN)，研究了影响雨水塘热富集效应的关键因素，发现影响湿塘出口径流温度的关键因素包括：1)汇水区域面积和流入雨水湿塘的平均径流温度；2)水文气象参数(降雨量、降雨时平均空气温度、雨水塘初始水温)；3)雨水湿塘出口位置等设计参数。通过模型分析得出，雨水湿塘出口深度越浅、汇入湿塘的径流温度越高，其出水的热污染负荷越大。
综上所述，雨水径流热污染主要来源于城市不透水下垫面降雨期间的热交换过程，热污染负荷受下垫面类型、不透水面积比例、降雨特征、光照条件等多种因素的影响。因此，在城镇化建设过程中合理控制土地类型和开发强度，以及合理选择雨水控制利用设施类型和设计参数对于雨水径流热污染控制具有重要意义。
1.2 雨水径流热污染输出规律和热交换机理
雨水径流热污染输出过程存在初期冲刷现象，即一般情况下在降雨初期温度较高，之后随着降雨量的增大而逐渐下降，且由于雨水径流和高温不透水下垫面的热量交换主要发生在降雨初期，与雨水径流中SS、COD等其他污染物相比，热污染初期冲刷现象更显著，结果常常导致受纳水体温度在降雨初期短时间内急剧升高，甚至使河道温度高达28 ℃(相对升高3.2 ℃)[11]。城市不透水下垫面累积的热量主要来自太阳辐射，降雨期间一部分热量以对流换热的形式传递到雨水径流中，另一部分通过蒸发散热形式进入大气中，城市路面与径流之间热量传递规律可用式(1)、(2)表示[11]：
qt=qrad-qv-qc
(1)
qc=hc(Ts-Tr)
(2)
式中：qt为单位面积路面热量，W/m2；qrad为净太阳辐射量，W/m2；qv为蒸发散热量，W/m2；qc为对流换热量，W/m2；hc为沥青路面传热系数，W/(m2·K)；Ts为路面温度，K；Tr为径流温度，K。
由式(1)可看出：降雨期间路面热量为净太阳辐射热量减去径流蒸发带走的热量，再减去传递到雨水径流中的热量，即对流换热量。但当路面径流达到一定深度时，降落的雨水将不再和路面直接发生对流换热，而是和径流进行对流换热，此时降雨-径流之间的对流换热值可用式(3)表示：
(3)
式中：ρw为径流密度，kg/m3；Cpw为径流比热，J/(kg·K)；Qr为径流流量，m3/s；As为汇水面积，m2；Td为降雨温度，K。
由式(3)可看出：径流与降雨的对流传热量与径流流量存在动态相关性，随着降雨量的增加，径流温度会越来越接近，并最终趋近于降雨温度。
从上述分析可知：1)雨水径流热污染一般存在初期冲刷效应，即初期雨水径流温度较高，在工程实践中应有效控制初期雨水径流热污染。2)雨水径流热量传递可用对流传热规律描述，降雨期间热量传递可以分为2个阶段，降雨初期主要是降雨与不透水下垫面直接发生对流传热，当不透水表面雨水径流达到一定深度后，降雨-径流、径流-不透水下垫面之间的对流传热同时存在。
2 城市雨水径流热污染负荷评估方法
近年来随着城市化的快速发展，不透水区域面积急剧增加，加剧了城市水体热污染的风险[27]。因此，如何系统评估区域、城市、流域等不同尺度的热污染负荷对于受纳水体热污染控制和治理至关重要。发达国家在城市雨水径流热污染负荷的评估方法方面已开展了大量研究，并提出了多个传热模型，各模型的特点如表1所示。可知：不同类型模型使用条件不同，例如Thompson等[10]提出的TURM模型是基于不同下垫面类型的物理特性、气象条件(气温、湿度、降雨前后太阳辐射)、降雨强度和降雨温度等影响因素以及径流和地表的传热作用，该模型用来预测不透水区域和透水区域的径流温度，其采用该模型模拟沥青路面径流温度和草地径流温度取得了较好的模拟效果，但TURM模型只适用于降雨强度恒定的降雨事件。为了弥补TURM模型的不足，Janke等[23]建立了水热数值模型，主要用于评估非均匀降雨强度条件下道路表面雨水径流的流量和温度，该模型的原理主要基于水量平衡方程和地表径流热量平衡方程，其表达式分别为式(4)、(5)，根据地表辐射、对流、蒸发和传热通量的大小，建立了径流流量和温度沿着路面距离变化和时间变化的函数。研究团队将该模型应用于模拟停车场的径流流量和温度，并将模拟结果与实际监测数据进行比较，取得了较好的模拟效果。
(4)
式中：z(t)为有效降雨强度，m/s；q为单位宽度径流流量，m2/s；y为径流深度，
为坡面流量变化量，
为蓄水变化量，m/s；p(t)为降雨速率，m/s；e(t)为蒸发速率，m/s；f(t)为渗透速率，m/s，对于不透水铺装，f(t)可以忽略不计。
hcond+hrad+hevap+hconv
(5)
式中：Tro为径流雨水温度，℃；hrain为降雨热量，J；hf为渗透损失的热量，J；hcond为路面传导到径流中的热量，J；hrad为净辐射量，J；hevap为蒸发散热量，J；hconv为水面与大气的对流换热量，J；ρ为水的密度，kg/m3；Cp为比热容，J/(kg·℃)。
表1 城市雨水径流传热模型
Table 1 Urban stormwater runoff thermal transfer model
模型名称模型功能文献TURM模型可模拟不透水和透水区域的径流温度,但局限于恒定的降雨强度[2,10]水热数值模型可用于评估非恒定降雨强度道路表面雨水径流的流量和温度[23]MINUHET水文传热模型评估城市小流域中雨水径流分别流经不透水和透水表面的流量和温度以及流域总排口的径流流量和温度[24]SNTEMP河流网络温度模型和HSPF水文模型相结合评估城市中导致受纳水体温度升高的因素,预测径流温度对水体温度的影响值[25]MINUHET水文传热模型和SWMM水文模型相结合评估城市受纳水体的流量、水温和热负荷以及热污染对水生生物的影响[26]
在评估片区尺度雨水径流热污染负荷方面，Janke等[29]提出了MINUHET水文传热模型，该模型可用于评估城市片区的降雨径流热污染负荷，具体模拟内容为：不透水表面径流流量和温度；雨水径流通过明渠、雨水管道等传输的热量；雨水径流与下凹式绿地、植草沟、蓄水池等最佳管理措施(BMPs)的热交换量以及流域总排口径流的流量和热量。MINUHET水文传热模型以雨水径流的产汇流过程为主线，可系统评估城市雨水径流温度对城市受纳水体的影响。研究人员采用MINUHET模型模拟了美国明尼苏达州一个住宅小区的热污染输出负荷，并取得了较好的模拟效果。
为了评估一个流域的城市化程度对受纳水体产生的热污染，可采用将水文模型和温度模型相结合的方法。例如，Krause等[25]通过将河流网络温度模型SNTEMP和水文模型HSPF相结合，评估了城市化对受纳水体造成的热污染，结果表明，如果河道拓宽、遮蔽减少、流域不透水面积增加将导致水体温度升高，遮阴减少25%将导致河流平均温度增加0.7 ℃，径流温度增加2 ℃将导致水体平均温度增加0.8 ℃。此外，Ketabchy等[26]将SWMM水文模型和MINUHET传热模型相结合对美国弗吉尼亚州某一流域进行模拟，分析了该流域受纳水体的流量、水温和热污染负荷，并以鳟鱼适宜生存温度为标准，预测了热污染对水生生物的影响。因此，采用的温度模型和水文模型不同，组合模拟的功能和模拟精度也会有所差异。
综上所述，目前雨水径流热污染评估模型，主要基于热量平衡方程，并通过传热模型与水文模型的结合来提高雨水径流热污染负荷评估模型的使用范围和模拟精度，但雨水热污染负荷受下垫面、气象条件、降雨条件等多种因素影响，为保证热污染负荷评估模型模拟结果的准确性，需要大量的气象数据，如太阳辐射量、降雨量、露点温度、不同下垫面类型的传热参数等。所以，基础数据的收集和整理对于建立传热模型和提高模拟精度至关重要。
3 城市雨水径流热污染控制对策
城市雨水径流热污染对水环境质量和水生态系统具有重要影响，因此，在城市化建设过程中应有效控制和减少城市雨水径流热污染。发达国家在雨水径流热污染控制对策方面已开展了大量研究。在法律法规方面，2007年美国国会发布的《能源独立与安全法》中已明确规定要将城市雨水径流温度恢复至城市开发前的径流温度[27]。
合理选择下垫面类型可降低雨水径流热污染，例如，Flower等[28]监测了透水混凝土和沥青路面的温度，通过对比发现，在正午温度峰值，透水混凝土表面温度比沥青表面温度低8 ℃左右，表面温度直接影响雨水径流温度，从而使透水混凝土表面的径流温度比传统沥青路面的低，减少雨水径流热污染。此外，与不透水沥青路面相比，透水铺装雨水径流可以通过渗透进入下面的基层，基层不受太阳辐射的影响通常比径流温度低，从而降低出水温度。Barbis等[29]对透水铺装路面进行了监测，结果表明，通过透水铺装的渗透作用，雨水径流温度平均下降了5.7 ℃，出水平均温度为15.9 ℃。Wardynski等[17]通过对透水铺装的温度研究得出，透水铺装可控制78%～100%的径流流量，并且出水温度可降低4.4～5.2 ℃。
此外，合理选择雨水控制利用技术措施也可降低雨水径流热污染。绿色屋顶对雨水径流热污染有显著的削减作用，例如，Heusinger等[30]利用EnergyPlus模拟软件模拟了3种情形下绿色屋顶对热量削减的效果。模拟结果表明，与普通黑色沥青卷材屋顶相比，绿色屋顶通过可持续灌溉(指通过水箱对绿色屋顶进行灌溉且灌溉量为水箱中储存的水量)可将城市多余热量减少15%～51%，通过无限制的灌溉(指不间断地对绿色屋顶进行灌溉)可减少48%～75%，不灌溉的情况下只可以减少3%。所以，在夏季降雨量较多的地区，绿色屋顶可有效降低雨水径流温度及周围环境热量，缓解雨水径流热污染和城市热岛效应。此外，雨水花园、植草沟等生物滞留技术也可有效控制雨水径流热污染，例如，Jones等[31，32]通过对4个生物滞留池的监测发现，生物滞留出水温度比进水可降低3～6 ℃，生物滞留出水平均温度为20～23 ℃，并且在土壤越深的位置出水温度越低，因此，提出生物滞留池最佳排水深度为90～120 cm。国内近几年也展开了生物滞留技术对雨水径流热污染控制效果的研究，例如，户园凌[33]通过监测雨水花园、植被缓冲带的雨水径流温度，得出雨水经过雨水花园和植被缓冲带的出水温度明显低于进水温度，温度可削减3～8 ℃；郭娉婷[34]通过柱状模拟实验表明，生物滞留池对雨水径流热污染有显著的缓解作用，进水温度为20～35 ℃的雨水经过生物滞留池后，出水温度基本保持在14～18 ℃；李小静等[35]在2012年对深圳市光明新区的雨水径流温度进行监测，结果表明，生物滞留槽可将径流温度削减至26.4 ℃。此外，也有研究发现，雨水径流在地下管道传输过程中温度能够显著降低，例如，Sabouri等[18]研究发现将雨水径流在管道内经过621 m的传输后，径流温度下降2.5 ℃。
综上所述，在区域开发建设过程中，应优先考虑采用源头分散式雨水控制利用措施控制雨水径流热污染，如透水铺装、生物滞留池、绿色屋顶等，一方面这些源头处理措施可有效控制温度较高的初期雨水，雨水通过渗透到达温度较低的结构层，与填料层充分接触发生热交换后温度降低，削减雨水径流热污染；另一方面，这些源头处理措施可以减少雨水外排，从而直接降低雨水径流热污染负荷。近年来发达国家提出的“低影响开发(LID)”[36]“最佳管理实践(BMPs)”[37]“可持续排水系统(SUDS)”[38]“水敏感性城市(WSUD)”[39]“绿色基础设施(GI)”[40]，以及我国提出的“海绵城市”[41]，均强调在场地源头采用分散式雨水控制利用措施实现雨水径流的多目标控制，上述雨水管理理念对雨水径流热污染控制也具有显著效果。
4 结论与展望
雨水径流热污染受下垫面组成、不透水面积比例、降雨特征、光照、气温等多种因素影响，具有一定随机性和不确定性，所以应对不同下垫面的雨水径流热污染进行长期跟踪监测，并将监测数据和气象条件、下垫面类型、土地开发强度等结合起来统筹分析。此外，为了控制城市雨水径流热污染，在海绵城市建设过程中应合理选择技术措施，宜优先考虑采用雨水花园、植草沟、绿色屋顶、透水铺装等对雨水径流热污染控制效果较好的源头滞渗设施，在对温度变化比较敏感的受纳水体区域，可探索将雨水径流热污染控制指标纳入相关规范标准和管控制度中，以维持水体生态平衡。
随着城市化快速发展和不透水区域面积的急剧增加，城市雨水径流热污染负荷逐渐增加，对环境水体的污染风险也日益加剧。但雨水径流热污染问题与洪涝和SS、COD、重金属等污染物相比尚未引起足够重视。因此，我们应借鉴发达国家雨水径流热污染管理经验，系统开展雨水径流热污染评估和控制策略研究，具体包括城市不同下垫面雨水径流热污染规律的研究、对不同尺度热污染负荷的评估方法的研究以及雨水径流传热模型的应用研究等，同时探讨在城市土地开发管控和规划设计层面纳入雨水径流热污染控制的相关内容，为城市雨水径流热污染控制和受纳水体保护提供科技支撑。
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