我國面源污染治理理論和措施研究綜述

葛銘坤

(蘇州市水利建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

環(huán)境污染分為點(diǎn)源污染與面源污染，長期以來，我國面臨著極其嚴(yán)重的工業(yè)廢水和城市污水的污染問題，近年來隨著點(diǎn)源污染的治理逐見成效，面源污染的比重在日益提高，在美國甚至已經(jīng)達(dá)到總污染量的2/3[1]。因此，研究面源污染的特征、規(guī)律、計(jì)算方法及削減措施等，對(duì)改善水環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展有重大意義。

2 面源污染概念闡釋

2.1 概念闡釋

面源污染，即非點(diǎn)源污染，可定義為溶解的或固體的污染物從非特定地點(diǎn)通過徑流過程而匯入受納水體引起的水體污染[2]，不同于點(diǎn)源污染，其沒有固定的污染排放點(diǎn)。面源污染主要包括城市面源污染和農(nóng)業(yè)面源污染，典型的城市面源污染是指雨水徑流污染，具體表現(xiàn)為市政泵站的排江污染，農(nóng)業(yè)面源污染包括農(nóng)田徑流和滲漏、農(nóng)村地表徑流、農(nóng)村生活污水、農(nóng)村固體廢棄物、畜禽水產(chǎn)等養(yǎng)殖等造成的污染。

2.2 特征分析

2.2.1城市面源污染

城市面源污染主要是由降雨徑流的淋浴和沖刷作用產(chǎn)生的，城市降雨徑流主要以合流制形式，通過排水管網(wǎng)排放，徑流污染初期作用十分明顯，具體有如下一些特征[3]：

(1)硬質(zhì)化路面及屋頂占城市的下墊面比例很高，徑流系數(shù)較大，形成徑流的時(shí)間短，地下入滲量小，對(duì)污染物的沖刷強(qiáng)烈。

(2)城市面源雨水徑流主要分為屋面徑流和路面徑流。屋面徑流污染源主要為屋面沉積物，影響因素主要為屋面材料性質(zhì)；路面徑流主要污染源為路面沉積物。

(3)面源負(fù)荷來源主要為：屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城區(qū)雨水口的垃圾和污水、汽車產(chǎn)生的污染物、大氣干濕沉降等。其中產(chǎn)生負(fù)荷影響較大為雨水口的垃圾和污水。

2.2.2農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)業(yè)面源污染是最為重要且分布最為廣泛的面源污染，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的氮素和磷素等營養(yǎng)物、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無機(jī)污染物，通過農(nóng)田地表徑流和農(nóng)田滲漏形成地表和地下水環(huán)境污染，具有以下特征[4]：①污染來源的分散性、復(fù)雜性以及溯源的困難性；②污染物排放的不確定性和隨機(jī)性；③污染物以水為載體，其產(chǎn)流、匯流特征具備較大的空間異質(zhì)性；④污染物具有量大和低濃度特征，難治理，成本高，見效慢。

3 面源污染的計(jì)算方法

3.1 排污系數(shù)法計(jì)算

地表徑流污染負(fù)荷是指由一場降雨或一年中的多場降雨所引起地表徑流排放的污染物的總量。由一場降雨所引起地表徑流排放的污染物的總量稱為次降雨污染負(fù)荷，可采用排污系數(shù)法計(jì)算[5]。

3.1.1基于平均濃度法估算城市地表徑流污染負(fù)荷

徑流平均濃度EMC(event mean concentration)”定義為：任意一場降雨引起的地表徑流中排放的某污染物質(zhì)的質(zhì)量除以總的徑流體積。EMC可根據(jù)多次降雨求平均獲得，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Cj—j時(shí)刻污染物濃度，Vj—j時(shí)刻的徑流量。

因此，場次降雨的污染負(fù)荷可確定為：

Li=EMCi·Vi

(2)

式中，Li—場次降雨污染負(fù)荷產(chǎn)生量。

3.1.2基于Johnes輸出系數(shù)模型估算城市地表徑流污染負(fù)荷

Johnes(1996)經(jīng)長期實(shí)踐，基于以往的長期實(shí)踐和工作經(jīng)驗(yàn)提出了輸出系數(shù)模型。該模型可全面計(jì)算營養(yǎng)物質(zhì)流失量和收納水體污染負(fù)荷。即：

(3)

式中，L—營養(yǎng)物流失量；m—土地利用類型數(shù)目；n—營養(yǎng)源數(shù)目；Eij—i類型j營養(yǎng)源對(duì)應(yīng)的輸出系數(shù)；Ai—對(duì)應(yīng)的i土地利用類型面積或i牲畜或人口數(shù)量；Ii—營養(yǎng)物質(zhì)輸入量；P—降雨輸入的營養(yǎng)物質(zhì)。

Eij根據(jù)土地利用類型來分別處理，對(duì)于城市土地利用類型來說，應(yīng)考慮居民地人口密度等因素對(duì)污染物貢獻(xiàn)率的差異，可用下式計(jì)算：

Eh=365Dca×H×M×B×Rs×C

(4)

式中，Eh—人口的氮磷年輸出量；Dca—每人的營養(yǎng)物質(zhì)輸出量；H—流域的人口數(shù)量；M—污水處理過程中營養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)械去除系數(shù)；B—污水處理過程中營養(yǎng)物質(zhì)的生物去除系數(shù)；Rs—過濾層營養(yǎng)物質(zhì)滯留系數(shù)；C—有解吸情況發(fā)生的去除系數(shù)。

3.1.3公路路面徑流污染負(fù)荷估算

Chui等(1982)通過對(duì)美國華盛頓州9個(gè)不同情形的公路斷面徑流進(jìn)行測試，開發(fā)了用于預(yù)測公路路面徑流水質(zhì)的華盛頓州模型：

TSS=K×VDS×RC

(4)

SPL=P×TSSL

(5)

式中，TSSL—路面徑流總懸浮固體負(fù)荷，kg/km；VDS—降雨期間累計(jì)交通流量，輛；RC—平均徑流系數(shù)；SPL—除TSS的其他污染負(fù)荷，kg/km；K—TSS徑流產(chǎn)率，取經(jīng)驗(yàn)值1.8kg/(km/千輛)；P—某污染物與TSS比率。

由于雨天時(shí)的VDS為降雨歷時(shí)與降雨期間平均交通流量的乘積，說明K值一定時(shí)，公路排污負(fù)荷僅與年降雨量歷時(shí)有關(guān)。

對(duì)于汽車交通，TSS表現(xiàn)出與降雨過程交通流量較強(qiáng)相關(guān)性(趙劍強(qiáng)，2002)：

TCTSS=0.86VDS-649.9

(6)

r2=0.93

(7)

式中，TCTSS—汽車交通對(duì)TSS負(fù)荷的貢獻(xiàn)值，mg/m3。

3.2 水量水質(zhì)耦合模型計(jì)算

為模擬研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的時(shí)空分布，建立分布式的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算模型[6]。該模型包括污染負(fù)荷產(chǎn)生模塊和入河模塊兩部分。污染負(fù)荷產(chǎn)生模塊用于計(jì)算流域內(nèi)的水、泥沙以及各種污染物質(zhì)的產(chǎn)生量，其中污染物質(zhì)包括吸附態(tài)和溶解態(tài)等兩種類型。污染物入河模塊用于計(jì)算流域中的污染物在水動(dòng)力作用下進(jìn)入河道的徑流量和污染物濃度。

3.2.1污染物產(chǎn)生模塊

非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型中的污染物產(chǎn)生模塊包括降雨產(chǎn)流過程、土壤侵蝕產(chǎn)沙過程和污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過程的計(jì)算，模擬過程中的污染物質(zhì)主要考慮氮和磷。分布式模型以柵格為基本計(jì)算單元。

污染物產(chǎn)生模塊的計(jì)算過程分為三個(gè)部分，具體流程如圖1所示。

第一部分：根據(jù)研究流域的降雨、潛在蒸發(fā)、土地利用、土壤類型等地理自然資料，采用三水源新安江模型模擬網(wǎng)格單元中的土壤降雨產(chǎn)流過程，計(jì)算流出柵格單元的地表徑流深。

第二部分：利用流域土地利用、土壤類型、DEM等流域自然資料和計(jì)算得到的地表徑流深結(jié)果，采用修正的通用土壤侵蝕方程(MUSLE)估算泥沙流失量，并估計(jì)吸附態(tài)污染負(fù)荷；根據(jù)流域人口、畜禽養(yǎng)殖、施肥水平等社會(huì)狀況和土地利用、土壤類型等地理自然資料，采用累積-沖刷模式計(jì)算溶解態(tài)污染負(fù)荷。

第三部分：根據(jù)各網(wǎng)格的污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格溶解態(tài)和吸附態(tài)污染物負(fù)荷在不同時(shí)段的總量，得到各網(wǎng)格污染負(fù)荷的時(shí)間序列，然后進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)研究區(qū)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量的時(shí)間序列。

3.2.2污染物入河模塊

非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型中的入河模塊主要考慮土壤(地下水)匯流模塊和地表水匯流模塊，如圖2所示。降雨徑流過程中，地表徑流以地表水模塊進(jìn)行匯流，土壤徑流和地下徑流以土壤(地下水)模塊進(jìn)行匯流。

圖1 時(shí)間序列非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算原理

圖2 匯流模塊流程圖

流域匯流主要包含兩個(gè)部分：網(wǎng)格匯流和子流域出口匯流。網(wǎng)格本身的地表匯流采用簡單的無因次單位線方法。子流域出口匯流分地表和地下(土壤)兩部分，地表匯流采用山坡單元運(yùn)動(dòng)波方法計(jì)算匯流時(shí)間，地下(土壤)直接采用水箱模型的計(jì)算結(jié)果。

受到地形條件影響，以及自身的沉降和揮發(fā)等，匯流過程中污染物濃度會(huì)發(fā)生變化。在計(jì)算流域出口排污前，先計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的污染物濃度，然后再根據(jù)污染物匯流過程中的衰減比例來計(jì)算各自流域最終排入主干河道的污染負(fù)荷和濃度。原理示意如圖3所示。

圖3 污染物入河模塊示意圖

流域出口污染物濃度

污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中會(huì)發(fā)生沉降、揮發(fā)和降解等，可以將處理單元概化成污水處理廠、下水道、凈化槽、地表水和土壤(地下)水五種。本研究考慮地表水和地下(土壤)水兩種基本模式，并依照土地利用類型設(shè)定處理系數(shù)，即污染物的凈化率。

TN=〔(1-FNS)·CNS·qs+(1-FNG)·CNG·(q-qs)〕×3.6/area

(8)

TP=〔(1-FPS)·CPS·qs+(1-FPG)·CPG·(q-qs)〕×3.6/area

(9)

式中，TN、TP—出口處對(duì)應(yīng)的污染物負(fù)荷，t；FNS、FPS—地表水、地下水的處理系數(shù)，不同土地利用類型處理系數(shù)不同；FNG、FPG—地表水、地下水的處理系數(shù)，由于地下水流動(dòng)緩慢，分別設(shè)置為0.85和0.95。q、qs—總出流量和地表出流量，m3/s;area—對(duì)應(yīng)的子流域面積，km2

4 面源污染減排與水環(huán)境容量提升目標(biāo)確定

4.1 水環(huán)境容量分析計(jì)算

水環(huán)境容量是在水資源利用水域內(nèi)，在給定的水質(zhì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)流量和水質(zhì)條件的情況下，水體所能容納污染物的最大數(shù)量。水環(huán)境容量的確定是水污染物實(shí)施總量控制的依據(jù)，是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)。

水環(huán)境容量的計(jì)算方法有解析法、試錯(cuò)法、系統(tǒng)分析法和概率稀釋模型法，其中以解析法應(yīng)用最為廣泛和普及[7-10]。

4.2 面源污染負(fù)荷分析及源解析

對(duì)河道污染的來源進(jìn)行解析是制定水質(zhì)改善和提升計(jì)劃的基礎(chǔ)前提條件，也是制定各類污染防治工程的依據(jù)。通過解析城市河道特征污染物的主要來源及其負(fù)荷，重點(diǎn)分析漏排點(diǎn)源污染、城市下墊面地表徑流污染、污水截排系統(tǒng)溢流等污染源的排放規(guī)律，量化各污染源對(duì)總?cè)牒游廴矩?fù)荷的貢獻(xiàn)比率，建立河道控制斷面水質(zhì)對(duì)入河污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系，明確該區(qū)污染負(fù)荷削減是河道水質(zhì)改善關(guān)鍵策略[11]。

通過對(duì)降雨前后河道污染負(fù)荷的差值計(jì)算，可獲得城市地表徑流污染負(fù)荷通量變化，對(duì)河道本身在產(chǎn)污單元的輸入和輸出斷面污染負(fù)荷進(jìn)行比較，可獲得城市點(diǎn)源污染和面源污染負(fù)荷總量。

污染物量=流量×污染物濃度-降雨中污染物量

控制斷面2污染通量-控制斷面1污染通量=點(diǎn)源污染通量+面源污染通量

4.3 入河污染負(fù)荷目標(biāo)削減量計(jì)算

通過計(jì)算研究區(qū)的水環(huán)境容量和流域污染負(fù)荷現(xiàn)狀，確定研究區(qū)的污染承受能力，用于指導(dǎo)后期工程任務(wù)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)施。

入河污染負(fù)荷的目標(biāo)削減量按入河量與水環(huán)境容量之差來計(jì)算。具體的水體污染可能來源于生活污水排放、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水、農(nóng)田面源污染等方面，需要結(jié)合污染物入河分析對(duì)各河流進(jìn)行水環(huán)境容量核算，并對(duì)各條河流的各種污染源均提出相應(yīng)的削減量，用于指導(dǎo)后期面源污染工程的種類和規(guī)模的核算，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境提升。

5 面源污染削減措施

5.1 工程性措施

通過工程技術(shù)手段控制面源污染，包括三個(gè)方面：源頭控制、中途控制、末端控制。

一是源頭控制，指在雨水進(jìn)入溝道系統(tǒng)之前進(jìn)行的各種處理，包括各種控制污染物的措施。針對(duì)城市面源污染的如下沉式綠地、透水鋪裝、緩沖帶、生態(tài)護(hù)岸等；針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的如采用新型緩控釋肥、按需施肥技術(shù)、調(diào)整種植制度等措施減少化肥用量[12-14]。

二是中途控制，通過研究雨水徑流污染物輸送和擴(kuò)散機(jī)理，采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減少污染物排入地下或地表水體的數(shù)量。針對(duì)城市面源污染的如路邊的植被淺溝、植被截污帶、雨水截留、初期雨水棄流等；針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的如農(nóng)田內(nèi)部的攔截技術(shù)[15]、污染物離開農(nóng)田后的攔截阻斷技術(shù)[16]。

三是末端控制，通過自然生態(tài)技術(shù)或人工凈化技術(shù)來降解帶入水體的徑流污染物。針對(duì)城市面源污染的如雨水沉淀池、氧化塘、濕地系統(tǒng)等[17]；針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的如污染物中養(yǎng)分的循環(huán)利用技術(shù)等。

通過多級(jí)治理，逐級(jí)控制，將面源污染通過綠色結(jié)構(gòu)或灰色結(jié)構(gòu)每一級(jí)處理后排放入河，基于源頭控制、中途控制、末端控制的治理路徑對(duì)雨水徑流污染進(jìn)行層層削減，如圖4所示。

5.2 非工程性措施

制度建立、法規(guī)教育和污染物預(yù)防措施等非工程措施對(duì)源頭污染物控制具有十分重要的作用，如法律法規(guī)建設(shè)、公眾教育、清理雨污混接、泵站運(yùn)行管理、無害化農(nóng)藥使用、加強(qiáng)路面清掃、衛(wèi)生監(jiān)管到位等措施[18]均可有效地從源頭上大大減少污染物的產(chǎn)生和累積，從而減少后續(xù)治理的難度和費(fèi)用支出。

圖4 基于源頭控制、中途控制、末端控制的逐級(jí)治理路徑

6 結(jié)論

我國對(duì)面源污染的關(guān)注與治理起步較晚，目前缺乏對(duì)面源污染的系統(tǒng)研究，但面源污染占總污染源的比重在日益提高，需要引起人們的高度重視。在技術(shù)上進(jìn)一步開展面源污染的機(jī)理研究，探索更加經(jīng)濟(jì)、有效、適應(yīng)于不同地域的削減措施，在政策上完善優(yōu)化排水體制，加強(qiáng)法律法規(guī)和民眾教育建設(shè)，從源頭上減少污染的產(chǎn)生。