影響大氣沉降對地表徑流污染有效貢獻(xiàn)的關(guān)鍵問題及研究趨勢

周文睿 杜紅云

摘 要：隨著城市化進(jìn)程的加快，城市不透水面積在整個下墊面中的比例越來越高，由此導(dǎo)致的城市面源污染日益嚴(yán)重，對整個城市水環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。大氣沉降作為城市地表徑流污染的重要來源，其對城市面源水環(huán)境的污染貢獻(xiàn)不可小視。針對大氣環(huán)境污染與水環(huán)境污染，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量研究工作。然而對于大氣污染對地表水環(huán)境的交叉污染特征及機(jī)理目前尚不明確。該文圍繞大氣污染在地表徑流水環(huán)境中的污染貢獻(xiàn)這一科學(xué)問題，詳細(xì)探討了該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，進(jìn)而分析了今后的研究重點及可能的研究方向。以期為我國城市面源水環(huán)境保護(hù)及相關(guān)處理措施的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：大氣沉降 ?地表徑流 ?貢獻(xiàn)

中圖分類號：P951 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0168-02

1 研究背景

當(dāng)點源污染得到有效控制后，非點源污染日益突出，成為城市水環(huán)境污染的重要原因之一。隨著城市化的快速增長，城市地表徑流量迅速增加，約是相同面積自然區(qū)域的16倍。城市地表徑流含有大量的污染物質(zhì)，可以對受納水體造成嚴(yán)重污染。由城市地表徑流引起的水環(huán)境污染已引起國際社會的高度重視，尤其是在中國這樣的發(fā)展中國家，由于城市化的快速發(fā)展，使得城市非點源污染已成為水環(huán)境綜合治理中亟待解決的主要問題之一[1]。

而大氣沉降作為地表徑流污染的主要來源之一，對城市地表水環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。大氣中的重金屬、多環(huán)芳烴等污染物質(zhì)通過干濕沉降持續(xù)大量地輸入到地表水環(huán)境中，對生態(tài)系統(tǒng)中的生物地球化學(xué)循環(huán)造成持久性的負(fù)面影響。由大氣沉降-地表徑流導(dǎo)致的城市面源交叉污染問題日益嚴(yán)重。因此，對大氣沉降在地表徑流污染中“源”的特征研究在城市水環(huán)境環(huán)境保護(hù)、雨水收集利用以及污染風(fēng)險評估中顯得越來越重要。

由國際全球環(huán)境變化人文因素計劃（IHDP）發(fā)起的“城市化與全球環(huán)境變化”（U-GEC）科學(xué)計劃指出，開展城市地表環(huán)境系統(tǒng)研究，應(yīng)在單要素研究的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)系統(tǒng)的耦合作用研究。我國著名生態(tài)學(xué)家王如松院士以及環(huán)保部副部長吳曉青都曾公開強(qiáng)調(diào)關(guān)于加強(qiáng)水汽交叉污染的重要性。因此，對于城市非點源污染的控制與管理，應(yīng)加強(qiáng)污染物質(zhì)在“大氣環(huán)境-地表水環(huán)境”系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化研究。

2 城市面源水汽交叉污染

國外對于城市面源污染的管理與研究開始的比較早，美國、英國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)對城市地表徑流開展了大量的測試及研究工作。其研究主要集中在單次降雨事件中污染物的濃度負(fù)荷、污染物質(zhì)在地表的初期沖刷效應(yīng)以及不同下墊面地表徑流污染的特征及影響因素、模型研究以及管理控制等方面。我國對城市地表徑流污染的研究起步于20世紀(jì)80年代，研究狀態(tài)比較零散，而且研究的時空連續(xù)性和系統(tǒng)性較差。研究內(nèi)容主要集中在模型研究、徑流污染特征研究以管理控制措施等方面。但對于城市地表徑流尤其是屋面徑流污染來源的分析研究很少。尤其是對于大氣環(huán)境與地表徑流水環(huán)境的交叉污染研究非常薄弱。

城市徑流污染源主要有交通、大氣沉降、土壤侵蝕、建筑與拆遷活動、工業(yè)與商業(yè)活動、下墊面腐蝕等。大氣沉降作為一種污染物質(zhì)由大氣遷移到地表的輸移方式，是地表徑流污染的重要來源[2]。尤其是在高度發(fā)展的城市地區(qū)，大氣沉降（尤其是重金屬、多環(huán)芳烴等）通量與污染負(fù)荷明顯高于農(nóng)業(yè)地區(qū)，由其導(dǎo)致的地表徑流污染也較為嚴(yán)重。由于其對地表徑流水環(huán)境的多重影響，一直是世界范圍內(nèi)普遍關(guān)注的環(huán)境問題。影響污染物質(zhì)在地表下墊面-徑流水體系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的因素有下墊面類型（材質(zhì)、粗糙度、坡度）、雨水性質(zhì)（EC、pH）、降雨條件（降雨強(qiáng)度、降雨量、持續(xù)時間、前期無雨天數(shù)）、污染物特征（種類、形態(tài)）等。對累積于地表的污染物質(zhì)，許多科研工作者基于污染物質(zhì)的“累積-沖刷”模式對其行為特征進(jìn)行了研究。根據(jù)地表累積污染物質(zhì)被沖刷出的特征不同，可以將其分為可沖刷（free load）和固著（fixed load）兩部分。其中可沖刷部分可在無刷擦條件下通過真空抽吸作用收集，而固著部分只有在刷擦后才能通過真空作用收集。由此可推斷，不同類型地表累積污染物質(zhì)在降雨沖刷過程中進(jìn)入徑流水體的程度也不同。一般情況下，小規(guī)模降雨只能將可沖刷部分?jǐn)y帶進(jìn)入徑流水體，而中-大規(guī)模降雨即可沖刷部分也可將部分固著態(tài)污染物質(zhì)沖刷出來。

地表累積物的降雨沖刷過程是污染物質(zhì)在地表徑流系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵過程。該過程與降雨條件（降雨強(qiáng)度、持續(xù)時間等）、下墊面類型（材質(zhì)、粗糙度）等因素密切相關(guān)。而在運移過程中，大氣濕沉降及部分被沖出的累積干沉降物質(zhì)在下墊面表層-徑流水體固液界面發(fā)生形態(tài)變換及輸送轉(zhuǎn)移。該過程對有效評估大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻(xiàn)有著很大的影響，而目前仍然缺乏對該系統(tǒng)過程中污染物質(zhì)遷移行為及響因素的研究。

3 大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻(xiàn)

大氣干沉降在無雨期累計于地表，從而在雨水沖刷過程中成為地表徑流污染的“源”。對于大氣沉降污染物質(zhì)在地表徑流中貢獻(xiàn)特征及影響因素，國內(nèi)外科研工作者都進(jìn)行了相關(guān)探討。但已有研究均在假設(shè)無雨期累積于地表的污染物質(zhì)能夠全部隨徑流流出的前提下進(jìn)行，這在一定程度上過高估計了大氣干沉降的貢獻(xiàn)量。地表累積污染物質(zhì)在降雨過程中的流出特征受到降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時間及下墊面類型等因素的影響。部分累積污染物質(zhì)在降雨沖刷下進(jìn)入徑流，另一部分則在附著于下墊面表層，在隨后下墊面-徑流界面過程中發(fā)生系列物化變化。因此，明確累積污染物質(zhì)在徑流沖刷過程中的流出百分?jǐn)?shù)對評價大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻(xiàn)具有重要意義。

而濕沉降可直接體現(xiàn)在降雨徑流中，且濕沉降是地表徑流中溶解態(tài)污染物質(zhì)的重要來源。污染物質(zhì)本身的化學(xué)性質(zhì)是其在“大氣沉降-地表徑流”系統(tǒng)中遷移轉(zhuǎn)化的主導(dǎo)機(jī)制，不同種類污染物質(zhì)表現(xiàn)出不同的行為特征。在地表徑流過程中（尤其是降雨持續(xù)時間長且雨強(qiáng)低的降雨事件中），不同種類污染物質(zhì)與下墊面材料或前期附著在下墊面材料表面的物質(zhì)發(fā)生著不同程度物化反應(yīng)過程（如吸附-解析，離子交換等）[3]，這在一定程度上影響著大氣濕沉降對地表徑流污染的貢獻(xiàn)量。

綜上，兩個關(guān)鍵過程影響著大氣沉降污染物質(zhì)對地表徑流污染的貢獻(xiàn)程度（見圖1）：一是降雨對地表累積干沉降污染物質(zhì)的沖刷;二是地表徑流過程中污染物質(zhì)在下墊面-徑流水體界面的系列物化反應(yīng)。這兩個過程的發(fā)生受到多種因素的制約，如降雨條件（降雨量、降雨持續(xù)時間、降雨強(qiáng)度、前期無雨天數(shù)）、下墊面類型（材質(zhì)、坡度等）及雨水的理化性質(zhì)（pH、EC）等[4]。

總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)大氣沉降與地表徑流的研究，申請者認(rèn)為主要存在以下不足：（1）從城市環(huán)境污染物質(zhì)循環(huán)角度來看，大部分研究只針對單個空間要素，缺乏對污染物在不同空間中的交叉污染研究，如污染物質(zhì)在“大氣沉降-地表徑流”系統(tǒng)中的分布遷移特征等，地表徑流和大氣沉降目前仍處于兩個較為獨立的研究體系;（2）已有關(guān)于城市地表污染物質(zhì)累積-沖刷的研究多是從宏觀角度探討污染物質(zhì)的累積與沖刷特征及影響因素，而從微觀角度探討累積-沖刷過程中污染物質(zhì)在“下墊面-徑流水體-徑流攜帶顆粒物”體系中的遷移與轉(zhuǎn)化特征的研究較少。而該微觀過程是合理評價大氣沉降對地表徑流水環(huán)境的污染貢獻(xiàn)的關(guān)鍵;（3）圍繞“大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻(xiàn)”這一科學(xué)問題時，已有研究多在假設(shè)無雨期累積于地表的污染物質(zhì)能夠全部隨徑流流出的前提下進(jìn)行，且未考慮到地表輸運過程的界面變化（如吸附-解析，離子交換等）的影響，故所得貢獻(xiàn)率與實際發(fā)生偏差。

合理評價大氣沉降對地表徑流污染有效貢獻(xiàn)需要監(jiān)測、模型及其他分析技術(shù)的綜合運用。而對大氣沉降污染負(fù)荷的估算目前還存在諸多不確定因素，如氣象條件等。探討大氣沉降對城市地表徑流污染有效貢獻(xiàn)問題屬于大氣環(huán)境、水環(huán)境等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，與界面污染物質(zhì)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，陸地表層系統(tǒng)微量元素遷移，水體污染的環(huán)境過程、機(jī)制與效應(yīng)等熱點問題密切相關(guān)。在今后的科學(xué)研究中應(yīng)該給與足夠的重視。

參考文獻(xiàn)

[1] Jia H， Lu Y， Yu S， et al. Planning of LID-BMPs for urban runoff control：The case of Beijing Olympic Village[J].Separation and Purification Technology，2012，84：112-119.

[2] Sabin L，Lim J，Stolzenbach K，et al. Contribution of trace metals from atmospheric deposition to stormwater runoff in a small impervious urban catchment[J].Water Research，2005，39：3929-3937.

[3] 常靜.城市地表灰塵-降雨徑流系統(tǒng)污染物遷移過程與環(huán)境效應(yīng)[D].上海：華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

[4] Morselli L，Olivieri P，Brusori B，et al.Soluble and insoluble fractions of heavy metals in wet and dry atmospheric depositions in Bologna，Italy[J].Environmental Pollution， 2003，124（3）：457-469.