0 引 言
城市化过程中下垫面改变带来诸多雨洪问题，其中，在很多地区，径流雨水对受纳水体的热污染也是突出问题之一。雨水径流携带不透水下垫面富集的热量流入受纳水体，从而使其温度升高，水环境和水生态破坏的潜在风险加大。目前我国已对化学性污染形成相应的监控管理体系，然而对雨水径流引起的短时水温骤升带来的污染问题缺乏充分的认识，对雨水径流热污染的评价参数和排放标准缺乏，管控体系尚不完善。在分析雨水径流热污染温度负荷参数和评价指标的基础上，分析了部分发达国家典型雨水径流热污染的防治策略，针对我国雨水径流热污染的突出问题提出防治对策。
1 雨水径流热污染的产生及其危害
1.1 雨水径流热污染的产生
城市化发展过程中不透水下垫面面积增加，雨水径流入渗量减少，汇入受纳水体的径流量加大。与此同时，大量硬化地面特别是以沥青、混凝土类材料铺设的道路、停车场、广场、屋面等不透水下垫面的导热率和反射率低，其表面蓄集大量的太阳辐射热，降雨过程中雨水径流在短时间内吸热导致温度迅速升高。升温径流一旦在短时间排入受纳水体，尤其是在夏季气温较高时，会使受纳水体温度骤升(图1)，这种现象在分流制排水系统和截留倍数较小的截流式合流制排水系统中均会出现。
图1 受纳水体温度升高过程示意
Figure 1 The temperature rise process of receiving waters
同样地，当地表温度偏低时，直接排放至受纳水体的雨水会降低水体温度。此外，地下水回补、对流与蒸发也会使受纳水体温度降低。
1.2 雨水径流热污染的危害
水温升高对水体的物理性质、化学性质和水生生物有直接影响(图2)。热污染是破坏水生态系统的重要因素。含有热量的雨污水进入自然水体后，短期内的水温波动会干扰水生生态系统，引起水密度的变化，造成热分层现象。此外，温度升高使水体溶解氧减少，同时加速水中的耗氧反应，鱼类因缺氧而死亡；同时，温度升高会改变物质的溶解度，改变水质，影响水生生物的生长，导致藻类群落的转变，破坏水生生物食物链和大型无脊椎动物的多样性[1]。
图2 水体温度升高带来的危害
Figure 2 The hazard caused by rising water temperature
水温变化会影响水生生物的生命活动。长期缓慢的环境温度变化对鱼类和无脊椎动物的生理进化和行为反应影响相对较小，但许多生物缺乏调节体温的能力，温度骤变对鱼类来说是致命的[2]，影响其生存、繁殖和发育。水温在5 h内升高2.8 ℃，水域内绝大部分生物会产生应激反应，导致大量冷水鱼类死亡；对有迁徙行为的生物来说，如溯河鱼类，其溯至水温升高的城市淡水区后死亡概率明显增大[3]。水温超过20 ℃，鳟鱼和鲑鱼的正常生命活动会受到影响，如果水温超过22 ℃，则会引起其死亡[4]。对鲤鱼来说，温度升至25～29 ℃时，鲤鱼肝细胞内线粒体和内质网出现增生状态[5]；对鲫鱼来说，水温升高加强了铜离子对其肝脏过氧化氢酶活性的影响，进而对鲫鱼产生毒害作用[6]。
水温升高也会导致合流制溢流中的氨氮浓度增加[7]。氨氮的溶解度与温度呈负相关，沿水流垂直方向，水深越小氨氮浓度越高，水温升高，会使管道内部的氨溢出，更多溶解在表层溢流污水中。在小雨强降雨事件中，溶解性氨氮浓度较大，温热且少量的雨水径流直接排放会导致合流制溢流的氨氮浓度超标，进而加剧水体富营养化，并危及鱼类健康[8]。
城市雨水径流的热污染还能引起河道退化。大量超温雨水径流冲刷引起河岸侵蚀，使河道断面面积增大，从而改变自然水体流态。
水体温度降低会给水生生物生存带来一定冲击，一般来讲，与温度升高相比，其危害程度较弱。
2 雨水径流热污染的评价参数
2.1 降雨径流与受纳水体温度
2.1.1 场降雨径流平均温度
场降雨径流平均温度(event mean temperature，EMT)是目前最常用的径流温度指标，与场降雨径流平均污染物浓度均可描述雨水径流的水质特征[9]，见式(1)：
(1)
式中：EMT为场降雨径流平均温度，℃；Qt为场降雨径流流量，m3/s；Tt为场降雨径流温度，℃；δt为时间增量，min；Td为径流总历时，min。
EMT考虑了一场降雨中径流温度受降雨强度、降雨历时、径流体积等的影响，使计算结果更接近实际。Kieser等[10]提出用温度当量(temperature equivalent，TE)来表示每个热污染源的污染效力，其计算原理和方法与EMT相似。
在EMT计算过程中还可获得场降雨的峰值温度和最终温度，都是研究下垫面或雨水设施径流热污染的有效参数。此外，如果长期连续监测某区域的径流温度，利用连续的径流温度监测数据绘制出某汇流面积在一场降雨事件中的实时温度分布，从中筛选出某一温度出现时间占整场降雨事件时长的比例，统计出小于某一温度的雨水径流温度占全年场径流平均温度的比例，可衡量该汇水面积内的热污染程度，作为评价区域性热污染的依据。EMT不仅可用于衡量不同降雨事件的径流温度，还可通过月或季的全部降雨事件，计算当月或当季的平均径流温度。
2.1.2 受纳水体月平均温度
Roseen等[11]的研究表明，雨水源头减排设施的场降雨径流平均温度与其受纳水体的月平均温度具有相关性。通过大量径流温度监测数据发现，生物滞留等源头减排设施的场降雨径流平均温度与受纳水体7月平均温度之间温差较小且具有相关性。因此，可以将受纳水体7月平均温度作为雨水控制设施对径流雨水热污染控制效果的评价指标。
场降雨径流平均温度以降雨事件为对象，比较直观，可以用于项目或片区下垫面本底径流的监测评估，也可用于绿色雨水基础设施等海绵城市建设后径流的监测评估，但不能直接反映热污染负荷的量值，也无法评估对受纳水体的影响。水体月平均温度只能间接反映径流温度变化，也不能衡量雨水设施或项目整体对径流热污染的削减效果。2个指标均存在一定的局限性。
为进一步衡量雨水绿色基础设施对径流热污染的控制效能，本文提出用雨水径流热污染负荷削减率系列指标，根据不同用途分为场雨水径流热污染负荷削减率和年雨水径流热污染负荷削减率，既可用于对单项设施雨水径流热污染负荷控制效能的评估，也可用于项目或片区对雨水径流热污染的控制效能和对受纳水体的热污染削减负荷的计算。
2.2 雨水径流热污染负荷削减率
2.2.1 设施场雨水径流热污染负荷削减率
绿色雨水基础设施对径流热污染削减主要表现在2个方面：1)径流外排体积的减少；2)通过介质等热量交换使设施的出水温度降低。设施的场降雨热污染削减率可按式(2)计算：
γ场
(2)
式中：γ场为单项设施的场雨水径流热污染负荷削减率，%；C为水的比热容，4.2 kJ/(kg·℃)；ρ为水的密度，1×103 kg/m3；V排为雨水设施实施后的外排场降雨雨水径流体积，m3；V汇为汇入设施的场降雨雨水径流体积，m3；EMT排为雨水径流热污染控制设施实施后的外排场降雨雨水径流平均温度，℃；EMT汇为雨水设施所服务的汇水下垫面地表径流的场降雨径流平均温度，℃。
2.2.2 设施年均雨水径流热污染负荷削减率
为评估雨水设施对径流热污染的削减效果，可以用年均雨水径流热污染负荷削减率来表达，见式(3)：
γ年
(3)
式中：γ年为雨水设施年平均径流热污染负荷削减率，%；V排i为某设施实施的第i场降雨外排径流体积，m3；V汇i为汇入设施的第i场降雨雨水径流体积，m3；EMT排i为某设施的第i场降雨外排径流平均温度，℃；EMT汇i为汇入设施的第i场降雨径流平均温度，℃；n为年累计降雨场次数。
2.2.3 项目或片区年均雨水径流热污染削减率
当项目或片区含有多个设施组合使用时，可通过各个设施场雨水径流热污染负荷削减率或年均雨水径流热污染负荷削减率与各设施服务面积内的径流体积加权计算。
3 雨水径流热污染管控分析
3.1 雨水径流热污染管控政策
美国、加拿大、瑞士等国家很早就重视城市雨水径流热污染对水环境的影响，在法律中对径流温度进行了规定，制定一系列相关政策。以美国为例，20世纪60年代颁布的《清洁水法》(Clean Water Act)第502(6)条将热视为污染物，第101(a)条将温度作为一项水生生物的生存条件。20世纪90年代，美国环保署(EPA)将温度作为污染指标纳入每日最大负荷总量(total maximum daily loads，TMDLs)，州政府通过调研确定受到热污染的水体，并制定水体热污染治理方案。
美国国会2007年通过的《能源独立和安全法案》(Energy Independence and Security Act，EISA)第438条要求：“所有建筑面积大于465 m2的联邦建设项目，维持和恢复开发后水文条件，使其在径流温度、流速、流量和时间上与开发前一致”。值得注意的是，除了水量还明确提出了要维持及恢复场地开发前雨水的径流温度。
美国《联邦法规》(Code of Federal Regulations)第40篇第130章第7节规定，每个州应估算已确定的TMDLs，以确保不超过日最大热负荷。21世纪初，为保护以鳟鱼、鲑鱼为主的冷水栖息生物，全美共有298个已批准的TMDLs与温度有关，其中273个(占91.6%，多数是美国太平洋西北部地区)将温度列为污染指标[10]。
随着城市化的发展，保护现有或待开发城市区域的自然水体免受热污染已经成为一项重要责任。EPA按地理位置将美国分为10个区，截至2019年，全美已批准的与温度有关的TMDLs共有453项，分布情况如表1所示。除EPA已批准或实施的温度TMDLs指标以外，各州还有若干与温度有关的TMDLs指标，如爱达荷州有290个经EPA批准的温度TMDLs项目，同时州立与温度有关的TMDLs项目还有336项，是全美与温度有关的TMDLs项目最多的州。
表1 EPA已批准的各州与温度有关的TMDLs项目数目统计
Table 1 Number of EPA approved temperature-related TMDLs
1区2区3区4区5区州名称项目数州名称项目数州名称项目数州名称项目数州名称项目数康涅狄格、马萨诸塞、缅因、新罕布什尔、佛蒙特、罗德岛0新泽西3纽约0西弗吉尼亚、马里兰0特拉华2弗吉尼亚7宾夕法尼亚10阿拉巴马、佛罗里达、肯塔基、密西西比、北卡罗来纳、南卡罗来纳、田纳西0伊利诺伊、印第安纳、密歇根、明尼苏达、俄亥俄0佐治亚1威斯康星76区7区8区9区10区州名称项目数州名称项目数州名称项目数州名称项目数州名称项目数阿肯色、路易斯安那、俄克拉荷马、得克萨斯0爱荷华、堪萨斯、内布拉斯加0科罗拉多、北达科他、南达科他、怀俄明0亚利桑那、夏威夷内华达02蒙大拿66加利福利亚5阿拉斯加、俄勒冈、华盛顿0爱达荷290新墨西哥53密苏里3犹他4
全美范围内，有敏感水域的州均推行了TMDLs治理行动。华盛顿州发布了控制非点源污染的水质管理计划(Washington’s Water Quality Management Plan to Control Nonpoint Sources of Pollution)，该计划将温度归入TMDLs指标[12]。蒙大拿州推行“干旱休渔政策(Drought Fishing Closure Policy)”，该政策规定，包含保护物种的水域每日最高温度不应超过22.8 ℃，且任意60 d的平均温度不应超过12℃[13]。
树木遮阴能够有效减少下垫面吸附太阳辐射热能，从而降低其产生的径流温度，因此EPA建议通过种植树木增加遮荫面积来降低径流和水体的温度。波特兰市2014年通过并实施了“气候变化准备战略(Climate Change Preparation Strategy)”，强调了城市森林和自然系统的关键作用，自该战略实施以来，波特兰市已经种植了43.9万棵树[14]。
美国《控制城市非点源污染的国家管理办法》(National Management Measures to Control Nonpoint Source Pollution from Urban Areas)要求地方对径流和基流作长期水质监测，监测指标中也包括温度[15]。
3.2 雨水径流热污染控制标准
美国《水质标准手册》(Quality Criteria for Water)明确规定：“水体水温要符合水生群落生存与繁殖等过程的要求”[16]。由于注意到受纳水体温度易受外排雨水径流温度的影响，联邦政府在国家水质标准中制定了径流雨水排放温度标准，规定：“人为活动不得使AA级的水体温度超过16.0 ℃，A级的水体温度超过18.0 ℃。当水体温度超过标准时，将不再允许超温径流排入水体中，因为这会使受纳水体水温升高0.3 ℃以上。”同时，人类活动排放的废水温度最高不应超过33 ℃，以避免在入流区域造成瞬时致死的现象[17]。
除了国家层面的水质标准之外，美国各州在《清洁水法》的基础上制定的本州水质标准均考虑了温度的影响。在内华达州，所有水体在夏季温度不得高于25 ℃，冬季水温不得高于14 ℃；在鳟鱼等冷水鱼栖息的自然水体，水温需严格保持不变。《蒙大拿州行政规则》(Administrative Rules of Montana)规定，“水体自然温度为0～18.9 ℃时，水体允许最大温度增量为0.6 ℃；水体自然温度为18.9～19.2 ℃时，不允许人为热排放；水体自然温度为19.2 ℃或更高时，水体允许最大温度增量为0.3 ℃”。佐治亚州规定，水体温度增长量不超过2.8 ℃，在河口水域，温度增长量不超过0.8 ℃。
3.3 基于绿色雨水基础设施的雨水径流热污染控制策略
绿色雨水基础设施是EPA推行的缓解雨水径流热污染的主要方法。生物滞留等工程性措施能有效削减径流体积，并且通过下渗减少热负荷，是很好的缓解雨水径流热污染的途径。Li等[18]的监测结果表明，多孔透水路面(OGFC)、生物滞留设施和植草沟均能有效地降低雨水径流温度。Jones等[19]提出并证实了经有植被覆盖的雨水湿地处理后，径流出流温度降低。Long等[20]的研究表明，生物滞留设施可通过控制雨水径流体积和速率来减少总热量输出。但也有部分敞口式雨水调蓄设施，往往受到太阳辐射而使水温升高。此类设施在将雨水排放到温度敏感的水体之前应先使其降温，如在调蓄池(塘)后设置生物滞留、植草沟等设施给外排雨水降温[21]。
针对我国《海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建(试行)》中所推荐的雨水源头减排设施，对其径流体积削减与热交换效率进行综合分析，得出设施对雨水径流热污染的控制效能，结果见表2[22]。
表2 典型雨水源头减排设施对雨水径流热污染控制效能的适用性分析
Table 2 Applicability analysis on runoff thermal pollution control efficiency of typical stormwater source reduction facilities
技术类型(按主要功能)单项设施温度削减效果评估渗透技术透水砖铺装●透水水泥混凝土◎透水沥青混凝土◎绿色屋顶◎下沉式绿地◎简易型生物滞留设施◎复杂型生物滞留设施●渗透塘●渗井●储存技术湿塘#干塘#蓄水#雨水罐#雨水湿地*调节技术调节塘○调节池○转输技术转输型植草沟○干式植草沟◎湿式植草沟◎渗管/渠●截污净化技术植被缓冲带◎初期雨水弃流设施◎人工土壤渗滤●
注：1)●—宜选用，◎—可选用，○—不宜选用；2)#表示该源头减排设施无法削减雨水径流温度，反而使径流升温，但其能削减雨水径流体积，从而削减进入受纳水体的总热量；3)*表示在有植被覆盖时，该源头减排设施对雨水径流有降温作用；若无植被覆盖，该设施会使径流升温。
4 我国近期雨水径流热污染的突出问题与防治对策分析
我国针对雨水径流热污染的研究和防治措施仍处于起步阶段，关于雨水径流热污染的研究较少，在水环境和水生态治理的法律和标准规范中尚未考虑城镇化后雨水径流热污染的影响与控制，其理论研究、相关法规政策和排放标准均存在不同程度的缺失。在雨水径流热污染防治过程中，需结合各地实际情况，分类调研本地生物群落，长期监测径流和流域水质，根据调研结果和监测数据，制定地方性法规，确定治理方案。
1)建立健全雨水径流热污染控制和地表水体温度控制的标准体系。
我国至今针对雨水径流热污染控制的规范、法律和指标仍非常薄弱，仅GB 3838—2002《地表水环境质量标准》规定了人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温升不超过1 ℃，周平均最大温降不超过2 ℃[23]。此标准主要针对工业废水排放造成的点源热污染，但传统快排模式下城市雨水径流短时间内对受纳水体带来的热污染更易造成环境水温突然升高，对生态环境的破坏程度更甚，在此却没有体现。地方标准中针对热水排放，仅有北京市地方标准DB 11/307—2013《水污染物综合排放标准》对污水排放温度有规定：直接排入北京市Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水体及其汇水范围的污水和排入公共污水处理系统的污水水温不得超过35 ℃[24]。事实上，35 ℃已经超过大部分水生生物的致死极限温度，会对水生生态系统造成巨大伤害。
我国应对雨水径流热污染问题予以重视，将“径流雨水控温排放”写入法律，明确规定不同类别水体允许排放的热量，再建立各项温度指标如温度排放指标和水环境温度指标等；各省、市和区域应结合本地生态实情，基于国家法律，量化环境所能承受的温度负荷，制定地方温度排放标准和温度控制政策；各部门如林业、渔业、农业、城市规划建设和环保等部门应加强协作，在前述基础上制定水温控制标准。
2)长期监测并建立模型，开展全面深入的研究。
我国水系众多，物种丰富，存在的水生态、水环境问题也较突出。建议对水体进行长期、持续的水质监测，并将温度作为一项重要指标，同时收集栖息生物群落信息，建立流域水质数据库，绘制水质地图，不仅可为环境治理提供资料，也能在评估水体水质和制定水质标准、污染物排放标准时作为参考。我国目前缺少城市径流温度模型和河流水温模型，对水温变化无法预判，建议以地形和水文资料为依托建立包括水温和雨水径流热污染负荷在内的模型，使用各地监测数据率定模型参数，得到因地制宜的水温模型。
我国在雨水径流热污染领域研究不足，当前研究以零星监测现有源头减排设施对雨水径流热量削减为主，缺少系统的理论研究。例如，缺少对雨水径流和下垫面、径流和受纳水体之间传热机理研究，缺少对水体热负荷承载力、河流流态和河道断面形态等对其水温的影响研究。未来应着重开展针对前述内容的研究，为雨水径流热污染控制提供理论支撑。
3)完善雨水径流控制技术体系，持续推进海绵城市建设。
雨水径流热污染控制应包含于源头、过程和末端控制的全过程雨水径流控制技术体系。
海绵城市建设将国内雨洪管理带入一个新阶段。经验表明，绿色雨水基础设施能有效控制雨水径流热污染，建议将控温排放纳入海绵城市建设的要求中，利用绿色雨水基础设施控制雨水径流的温度。但不同绿色雨水基础设施控制径流雨水热污染的能力，设施构造变化对其热污染处理效果的影响，以及如何避免雨水池等设施让雨水升温等问题，均值得深入探讨。
建议新建城区“抓源头”，利用源头绿色设施削减雨水径流热污染；在旧城区，由于建设条件有限，则应优先考虑使用过程控制和末端控制设施，例如，可用生态过流净化等技术在雨水排放过程中同步降低径流温度，在市政雨水管网末端建设调蓄设施，削减雨水排放体积的同时，达到削减排放热量的效果。
5 结束语
雨水径流热污染是城市雨水系列突出问题之一。热污染危害水生生物生命健康，改变水体生态环境，增加合流制溢流中的氨氮浓度，导致水体富营养化。控制雨水径流热污染作为雨水管理的关键环节不容忽视。径流平均温度只能评价降雨事件引起的温度变化，故为衡量雨水绿色基础设施对不同尺度下的径流热污染的控制效能，应选用雨水径流热污染负荷削减率。雨水径流热污染控制应当融入海绵城市建设中，做到“源头-过程-末端”全过程、全方位管控，灰绿结合，绿色优先；在技术体系完善的同时，深入研究，构建相应的标准体系和理论体系。
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