基于人口當量法的非滲透地表徑流污染負荷評估與對策

盧興超，趙樹旗，周玉文，張 靜，3，吳獻平，婁富豪,劉 原

(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124； 2.北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京 100124； 3.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院,河北石家莊 050018)

基于人口當量法的非滲透地表徑流污染負荷評估與對策

盧興超1,2，趙樹旗1,2，周玉文1,2，張 靜1,2，3，吳獻平1,2，婁富豪1,2,劉 原1,2

(1.北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124； 2.北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京 100124； 3.河北科技大學環(huán)境科學與工程學院,河北石家莊 050018)

水污染防治工程；人口當量；生活污水；北京市；SCS模型；非滲透地表污染

城市水環(huán)境污染包括點源污染和面源污染，隨著點源污染逐步得到治理，城市發(fā)展所帶來的面源污染問題日益突出。西方國家研究發(fā)現(xiàn)，在點源污染得到控制，且其全部實現(xiàn)零排放時，河流、湖泊、水庫的達標率分別僅為65%，42%，42%，因此面源污染已成為湖泊、水庫、河口富營養(yǎng)化的主要因素[1-2]。城市非滲透地表污染是城市面源污染的主要污染源之一，城市非滲透地表中非固定的溶解或難溶物質在降雨作用下經(jīng)非滲透地表徑流排入受納水體造成的面源污染，其污染物主要包含懸浮物、有機物、營養(yǎng)物質、微生物、重金屬和酸類等[3]，給城市環(huán)境帶來嚴重的威脅。

人口當量污染負荷是指降雨沖刷非滲透地表形成的徑流污染負荷總量，采用相當量的生活污水的常駐人口數(shù)量來表示。一場降雨產(chǎn)生的人口當量污染負荷越大，越能夠客觀體現(xiàn)非滲透地表徑流污染的嚴重性。目前中國許多學者以污染物負荷來評估降雨產(chǎn)生的污染物的量，如齊苑儒等[4]、王吉蘋等[5]分別對西安和廈門非點源污染負荷進行估算。但采用人口當量污染負荷的形式反映非滲透地表徑流污染程度的研究目前未見報道。本文以北京市“城六區(qū)”為研究對象，采用SCS模型，基于人口當量法評估2010年北京城區(qū)非點源污染負荷，客觀反映北京市城區(qū)年降雨徑流的污染狀況，并從低影響開發(fā)措施和政府管理的角度探討控制人口當量污染負荷的建議和措施。

1 研究區(qū)域概況

1.1 自然條件

北京市中心位于北緯39°，東經(jīng)116°，地處亞洲大陸東岸、華北平原西北端，城區(qū)平原海拔高度為20～60 m，山地一般海拔1 000～1 500 m。北京四季明顯：冬季寒冷干燥、秋季天高氣爽、夏季濕潤炎熱、春季比較干旱，屬于北半球溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量為549.5 mm，其中每年6—9月降水較多，其余月份降水較少。

1.2 行政區(qū)域概況

北京市的行政區(qū)域劃分共經(jīng)過5次調整，北京市區(qū)現(xiàn)包括東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽區(qū)、海淀區(qū)、豐臺區(qū)、石景山區(qū)，“城六區(qū)”的分布見圖1。根據(jù)北京市城區(qū)規(guī)劃及發(fā)展特點，由城中心向外擴展可分為首都功能核心區(qū)和城區(qū)功能拓展區(qū)，首都功能核心區(qū)包括東城區(qū)和西城區(qū)，其面積為93 km2；城區(qū)功能拓展區(qū)包括海淀區(qū)、朝陽區(qū)、豐臺區(qū)和石景山區(qū)，面積約為1 288 km2，詳見圖1。

圖1 北京市行政區(qū)域劃分Fig.1 Administrative division of Beijing

根據(jù)對北京市6個主城區(qū)的土地利用類型現(xiàn)狀進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結果顯示各區(qū)主要土地利用類型均為城市建設用地。其中東城區(qū)與西城區(qū)城市建設用地分別為36.40 km2和46.47 km2，達到區(qū)域面積的87.25%和94.76%，其他各區(qū)的城市建設用地比例均已達到45%以上，農(nóng)村居民點非滲透地表面積達55%。據(jù)統(tǒng)計，2010年北京市城區(qū)非滲透地表面積已達839.06 km2，詳見表1[6]。

表1 北京市主城區(qū)土地利用結構

2 污染負荷估算

2.1 SCS-CN模型

1954年美國農(nóng)業(yè)部水土保持局(Soil Conservation Service, SCS)開發(fā)SCS徑流曲線模型，其數(shù)值方程(curve number equation)可較好地進行小型集水區(qū)徑流計算，是目前應用最為廣泛的流域水文模型之一。SCS模型結構簡單、輸入?yún)?shù)較少，能夠客觀反映土地利用方式和前期土壤含水量對降雨徑流的影響。

SCS模型的建立基于水量平衡方程以及2個基本假設。水量平衡方程的原理是以水循環(huán)理論為基礎，主要用于描述各水文要素間的定量關系，即地表徑流深度等于降雨量扣除初損量和累積下滲量之后得到：

q=P-Ia-f，

(1)

式中：q為1次降雨地表徑流深度， mm；P為1次降雨量， mm；Ia為初損量， mm；f為累積下滲量， mm。

假設1 比例相等假設，即

(2)

式中：S為當時可能最大滯留量， mm。

假設2 初損值與當時可能最大滯留量關系假設，即

Ia=λS，

(3)

式中：λ為區(qū)域參數(shù)，影響因素為地理和氣候因子。

根據(jù)經(jīng)驗公式：Ia=0.2S[7]，得到徑流方程：

(4)

(5)

式中：CN為徑流曲線數(shù)值，無量綱參數(shù)，與土壤植被有關，理論取值范圍為0～100，實際應用中非滲透地表條件下的取值范圍為87～98。

CN值是反映區(qū)域特征的綜合參數(shù)，與土壤的濕潤程度、土壤類型、植被類型以及非滲透層的比例等因素有關。根據(jù)特性，土壤可分為A，B，C，D四大類，其中A類土壤為滲透性很強的土壤，如具有良好透水性能的砂土和礫石土；B類土壤為滲透性較強的土壤，主要是一些砂壤土；C類土壤為中等透水性土壤，主要為壤土；D類土壤為弱透水性土壤，主要為黏土等。同時，根據(jù)最近5天的降雨指數(shù)將地表的濕潤程度分為Ⅰ(干燥)，Ⅱ(中等)， Ⅲ(濕潤)3種類型。

2.2 每場降雨形成的徑流量

根據(jù)北京市氣象局監(jiān)測的城區(qū)降雨資料得到2010年的降雨量及其土地濕潤情況，結合土地利用狀況，采用式(4)和式(5)確定各場降雨的地表徑流深度(見表2)，從而得出年地表徑流總量。

表2 不同場次降雨的下墊面CN和S

采用式(6)計算北京市2010年城區(qū)地表徑流總量：

(6)

由式(6)計算可知，2010年北京市城區(qū)非滲透地表徑流總量約為133.15×106m3。

2.3 污染物平均濃度的計算

通過動態(tài)監(jiān)測降雨期間集水區(qū)出口斷面的水質和流量，來獲取不同時段污染物的濃度及徑流量。本研究采用AEMC代表降雨污染物的平均質量濃度(mg/L)，即降雨徑流全過程污染物質量濃度的加權平均值，具體公式如式(7)所示：

(7)

式中：M為整場降雨徑流過程中污染物總量，mg；V為相對應的徑流總量，L；n為徑流取樣次數(shù)；Qij為第i次取樣時徑流流量，L/min；Cij為第j次取樣時污染物的質量濃度，mg/L。

選取研究區(qū)域2010年的一場降雨為例，通過加權平均求出各污染物的平均質量濃度(見表3)。

表3 2010年北京市城區(qū)某場降雨水質特征

根據(jù)北京市常年典型觀測值和研究區(qū)域的監(jiān)測值，可得到不同地表的徑流污染物濃度(見表4)[8-9]。

表4 研究區(qū)域不同地表徑流污染物濃度

2.4 污染物指標負荷估算

地表徑流污染物的濃度隨著時間的推移越來越小，最后趨于平衡。由于水質監(jiān)測的過程不是連續(xù)的，所以污染物的負荷總量采用式(8)進行計算：

Wt=Ct×Vt。

(8)

式中：Ct為表4中污染物的平均質量濃度， mg/L；Vt為年徑流總量，m3。

3 與人口當量污染負荷的比較

3.1 城市人均及居民家庭平均產(chǎn)污系數(shù)

3.2 單位面積污染負荷的人口當量

由于家庭所排污水的污染負荷主要受家庭收入、規(guī)模以及家庭飲食結構等因素的影響，導致家庭產(chǎn)污系數(shù)差異較大，所以在考慮單位面積污染負荷的人口當量方面以居民個體為參考依據(jù)更為恰當。

3.3 “城六區(qū)”污染總負荷對應人口當量天數(shù)

4 非滲透地表徑流污染的防治對策

非滲透地表徑流污染是造成城市面源污染的主要來源，在降雨初期5～15 min地表產(chǎn)生的徑流污染最為嚴重，部分常見污染指標(如COD，SS等)濃度已接近CJ 343—2010《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質標準》中污水排入城市下水道水質標準的上限，初期徑流污染負荷量可占整個徑流污染負荷總量的80%[12]，當?shù)乇韽搅髦苯优湃胩烊缓拥罆r給環(huán)境承載負荷造成嚴重的威脅。

基于源頭控制削減徑流污染的理念， 20世紀90年代末有專家提出了“低影響開發(fā)”技術，經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展已形成了相應的設計標準，并在工程中取得了良好的效果。近幾年，中國提出了“海綿城市”的建設理念，它與“低影響開發(fā)”有著很多相似性：1)在雨水水質方面都強調通過“自然凈化”達到保護水體的目的，主要措施包括透水鋪裝、生物滯留池、雨水濕地、濕塘、植草溝、植被緩沖帶等。在國外，這些措施取得了良好的效果，DAVID等[13]通過對雨水花園的效果研究，發(fā)現(xiàn)雨水花園對凱氏氮的去除率為55%～65%，總磷的去除率可達70%～85%；其他學者發(fā)現(xiàn)雨水花園對徑流中的TSS去除效果也非常有效[14]；2)在植草溝研究方面，BARRETT等[15]發(fā)現(xiàn)植草溝對NO3-N，TN的去除率達到37%和39%；3)在透水性路面方面，BRATTEBO等[16]對改造的透水磚進行連續(xù)6年的跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)透水性路面對金屬污染物Zn，Pb，Cu的去除效果可達到81%以上；法國的PAGOTTO在1997年研究發(fā)現(xiàn)，多孔瀝青路面對重金屬的去除率明顯高于一般的瀝青路面。所以，海綿城市建設對去除城市非滲透地表徑流污染具有明顯的效果。

除了推進“海綿城市”在新建城區(qū)和舊城區(qū)改造中的應用，還需要對非滲透地表進行定期處理。張光岳等[17]通過對地表徑流SS與其他污染物的相關性分析研究發(fā)現(xiàn)，SS的質量濃度與COD，TP，TN，Zn的質量濃度存在較好的相關性(均超過0.8)，說明加大路面清掃力度、清掃范圍和改進清掃措施對減少地表污染負荷具有重要作用[18]。一方面，政府相關部門出臺相關法規(guī)條例，禁止使用排污量較大的交通工具，同時，利用經(jīng)濟手段鼓勵城市居民使用新能源交通工具；另外，在建材方面要逐漸使用環(huán)保材料替代污染性較大的材料。另一方面，要加強群眾宣傳教育工作，使廣大民眾認識到城市面源污染的危害，從而調動起城市居民的環(huán)保意識。

5 結 語

基于源頭控制理念的“海綿城市”建設是解決城市非滲透地表徑流污染的重要防治手段，可采取禁用排污量較大的交通工具、鼓勵使用新能源交通工具、采用環(huán)保材料替代現(xiàn)有污染性較大的材料、進一步加強群眾宣傳工作等措施，來防治城市的水環(huán)境污染。

/References：

[1] 楊愛玲，朱顏明．地表水環(huán)境非點源污染研究[J]．環(huán)境科學進展，1999，7(5)：60-67． YANG Ailing, ZHU Yanming. The study of nonpoint source pollution of surface water environment[J]. Advances in Environmental Science, 1999, 7(5): 60-67.

[2] ARHONDITSIS G, TSIRTSIS G, ANGELIDIS M O, et al. Quantification of the effects of non-point nutrient sources to coastal marine eutrophication: Application to a semi-enclosed gulf in the Mediterranean Sea[J]. Ecological Modelling, 2000, 129(2): 209-227.

[3] ZOPPOU C. Review of urban storm water models[J]. Envi- ronmental Modeling & Software, 2001,16(3): 195-231.

[4] 齊苑儒，李懷恩，李家科，等．西安市非點源污染負荷估算[J]．水資源保護，2010，26(1)：9-12． QI Yuanru, LI Huaien, LI Jiake, et al. Estimation of Xi’an urban non-point source pollution load[J]. Water Resources Protection, 2010, 26(1): 9-12.

[5] 王吉蘋，朱木蘭．廈門城市降雨徑流氮磷非點源污染負荷分布探討[J]．廈門理工學院學報，2009，17(2)：57-61． WANG Jiping, ZHU Mulan. Nitrogen and phosphorus non-point pollution for urban stormwater runoff in Xiamen[J]. Journal of Xiamen University of Technology, 2009, 17(2): 57-61.

[6] 王靜．北京市土地利用空間格局對城市熱島強度的影響研究[D]．呼和浩特：內蒙古師范大學，2014． WANG Jing. Impact of Spatial Pattern of Land Use on Urban Heat Island Intensity in Beijing[D].Hohhot:Inner Mongolia Normal University, 2014.

[7] 賀寶根，周乃晟，高效江，等．農(nóng)田非點源污染研究中的降雨徑流關系——SCS法的修正[J]．環(huán)境科學研究，2001，14(3)：49-51． HE Baogen, ZHOU Naisheng, GAO Xiaojiang, et al. Precipitation-runoff relationship in farmland nonpoint source pollution research: Amending coeffcient of SCS hydrologic method[J]. Research of Environmental Sciences, 2001, 14(3): 49-51.

[8] 郭婧，馬琳，史鑫源，等．北京城市道路降雨徑流監(jiān)測與分析[J]．環(huán)境化學，2011，30(10)：1814-1815． GUO Jing, MA Lin, SHI Xinyuan, et al. Monitoring and analysis of urban road rainfall runoff in Beijing[J]. Environmental Chemistry, 2011, 30(10): 1814-1815.

[9] 荊紅衛(wèi)，華蕾，郭婧，等．北京市水環(huán)境非點源污染監(jiān)測與負荷估算研究[J]．中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28(6)：106-111． JING Hongwei, HUA Lei, GUO Jing, et al. Non-point source pollution monitoring and its loads estimation study on surface water environment in Beijing[J]. Environmental Monitoring in China, 2012, 28(6): 106-111.

[10]GB 50014—2006，室外排水設計規(guī)范[S]．

[11]吳彩霞．典型城市居民家庭排泄物污染特征分析及規(guī)律研究[D]．北京：北京師范大學，2009． WU Caixia. Typical Urban Household Fecal Contamination Characteristics and Regular Patterns[D]. Beijing: Beijing Normal University, 2009.

[12]SANSALONE J J, BUCHBERGER S G. Partitioning and first flush of metals in urban roadway storm water[J]. Journal Environmental Engineering, 1997, 123(2): 134-143.

[13]DAVID D,SZENTAGOTAI A. Cognitions in cognitivebehavioral psychotherapies: Toward an integrative model[J]. Clinical Psychology Review, 2006, 26(3): 284-298.

[14]DAVIS A P, HUNT W F, TRAVER R G, et al. Bioretention technology: Overview of current practice and future needs[J]. Journal of Environmental Engineering, 2009, 135 (3): 109-117.

[15]BARRETT M E,WALSH P M, MALINA J F, et al. Performance of vegetative controls for treating highway runoff[J]. Journal of Environmental Engineering, 1998, 124(11): 1121-1128.

[16]BRATTEBO B O, BOOTH D B. Long-term stormwater quantity and quality performance of permeable pavement systems[J]. Water Research, 2003, 37(18): 4369-4376.

[17]張光岳，張紅，楊長軍，等．成都市道路地表徑流污染及對策[J]．城市環(huán)境與城市生態(tài)，2008，21(4)：19-20． ZHANG Guangyue, ZHANG Hong, YANG Changjun， et al. Pollution of urban-road runoff and its counter measure in Chengdu[J]. Urban Environment & Urban Ecology, 2008, 21(4): 19-20.

[18]王曉峰，王曉燕．國外降雨徑流污染過程及控制管理研究進展[J]．首都師范大學學報(自然科學版)，2002，23(1)：91-95． WANG Xiaofeng, WANG Xiaoyan. Recent progress of diffuse pollution on loading, control and management[J]. Journal of Capital Normal University (Natural Science Edition), 2002, 23(1): 91-95.

Evaluation and countermeasures of impervious surface runoff pollution load based on population equivalent

LU Xingchao1,2, ZHAO Shuqi1,2, ZHOU Yuwen1,2, ZHANG Jing1,2,3, WU Xianping1,2, LOU Fuhao1,2, LIU Yuan1,2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China； 2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing 100124, China； 3.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

water pollution control engineering; population equivalent； domestic sewage； Beijing City； SCS model； impervious surface pollution

1008-1534(2017)02-0135-07

2016-10-26;

2017-03-08；責任編輯：王海云

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07304-001-2, 2013ZX07304-001-3)

盧興超(1989—)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事城市非點源污染和海綿城市規(guī)劃方面的研究。

趙樹旗副教授。 E-mail: 1194088013@qq.com

X832

A

10.7535/hbgykj.2017yx02011

盧興超，趙樹旗，周玉文，等.基于人口當量法的非滲透地表徑流污染負荷評估與對策[J].河北工業(yè)科技,2017,34(2):135-141. LU Xingchao, ZHAO Shuqi, ZHOU Yuwen,et al.Evaluation and countermeasures of impervious surface runoff pollution load based on population equivalent[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):135-141.