城市非点源污染及其治理方法

城市水环境污染有3条主要途径：①工农业生产及居民生活排放到水体中的废水；②城市地表堆积物，如工业废渣、垃圾及交通工具的泄漏物；③工农业生产排放到大气中的污染物通过干、湿沉降返回到地面再经雨水冲刷进入地表水体的污染物。前者属于点源污染，后两者属非点源污染，其中暴雨径流造成的非点源污染是影响城市水环境的重要因素。

调查表明：城市暴雨与下水管道溢流是城市最主要的非点源污染源，城市暴雨径流携带的污染物主要通过城市地表径流和地下径流来传输。

城市暴雨径流产生的污染具有变化性，它因降雨量、径流量、径流持续时间、地表冲刷率、径流污染物累积量、地表下垫面性质（土地利用状况）、径流过程、受纳水体流量变化过程及径流污染物变化过程等因素影响。

降雨量的大小直接影响径流量和径流持续时间，同时进一步影响径流过程和地表冲刷率。特别是降雨强度和雨频是影响冲刷的两大重要因子，它们直接影响地表累积物的冲刷量和受纳水体污染程度。

城市下垫面性质（土地利用状况）因城市功能分区而变化，土地利用程度及土地覆盖有差异，因此也会产生地表产流方式和产流条件的差异。研究表明，同样的降水条件下，不同的下垫面具有完全不同的径流效应，同一流域，同一下垫面下，不同时期径流效应也会有变化，下垫面中土壤的湿润程度是变化的，前期是否有降雨等直接影响后期径流量的大小。

城市非点源污染经历降水—淋洗—径流—地表冲刷—受纳水体的一系列水文过程，并形成一个概念化系统。在城市水循环过程中，大气污染物会随降雨沉降到达地表，地表积累物也会随水流运动进入受纳水体，从而造成城市及下游河段地表水污染。进入受纳水体的污染物质通过吸附—解吸、溶解—沉淀、氧化—还原完成污染物的形态转化；并通过对流作用、挥发作用和沉积作用实现污染物的迁移；再通过生物降解、挥发作用、光解作用、水解作用及氧化还原作用实现污染物的转化。

2.6.2.1　非点源污染监测与地表径流计算

降雨径流是非点源污染的诱因，也是非点源负荷产生的动力和输移的载体，特别是暴雨径流是非点源污染产生过程的重要环节。

城市非点源污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面（如商业区、工业区、居住区、街道、公园绿地等），将地表下垫面累积的污染物（如原油、氮、磷、有毒有害物质及有机物）带入城市水体而造成水体的污染，地表径流污染是城区水环境非点源污染的关键因素，因此研究城市非点源污染首先要进行地表径流监测，并对不同土地利用类型进行主要污染物检测。

1.地表径流污染监测

（1）气象条件。美国《水质管理规划手册》指出，当降雨量大于12.7mm时，地表冲刷率大于或等于90%，说明不是所有降雨都对地表累积物产生冲刷，对于城市区来说，地表累积物是否被冲刷或冲刷程度与降雨强度和地表渗透能力有关，因此，在设计采样时必须有适宜的气象条件：降雨相对集中、降雨量达到要求。

（2）监测实验设计。主要包括污染物的确定和采样点的选取。根据环境监测站监测数据合理选择地表河流污染物种类。采样点需要在典型地点，由于城市土地利用类型的特殊性，不同的用地类型所产生的污染物成分，用地的透水、不透水以及半透水状况对地表污染物的贡献率会有很大不同，因此选择可以反映当地污水特点的区域进行采样。

2.地表径流计算

地表径流污染是暴雨径流携带与解吸沿程污染物并输送至受纳水体的现象，暴雨径流携带污染物的多寡与降雨量、径流量及降雨前地表污染物积累量等有关。前文已经谈及降雨对地表污染物的冲刷要求有一定的降雨积累。

（1）统计多年降水情况。根据多年降雨资料进行统计，了解当地的各月份各级别降雨日数。由于城市下垫面特征与农用地不同，使得其径流系数高于农用地，这样对地表累积物的冲刷要求的最小降雨量会明显降低。

（2）单场暴雨地表径流量的计算。根据美国水土保持局（SCS）提出的径流曲线数值方程（CNE），求出日地表径流量及年地表径流量。

SCS模型综合考虑了流域降雨、土壤类型、土地利用方式及管理水平、前期土壤湿润状况与径流间的关系。SCS模型以其结构简单、参数少、应用方便等特点被广泛采用，但需要重新率定CN值。

SCS径流曲线方程表述的是：

式中　S——潜在最大含水率；

P——一次暴雨降雨量，mm；

CN——径流曲线值，与渗透系数有关；

Q——实际径流量，mm。

尽管该方程要求有长期监测数据，用以计算当地的CN值。但是由于CN值的可以通过其他地区的实测数据来计算，对于研究地区可以通过土地利用类型的划分选择适当的经验值。CN值用与降水量、土地利用特征及径流深相关的经验方法建立，其取值范围为25～98，表示土地表面状况、土地利用功能、或土壤渗透率及先期土壤湿度（USDA1986）。

土壤含水饱和率S的确定是在美国水土保持局归纳了3000多种土壤类型的资料、按渗透性将其分类：A类（透水）、B类（较透水）、C类（较不透水）、D类（接近不透水）。并制作出径流曲线数值（CN）表，见表2.3。

SCS模型考虑前期降水对径流的影响，引入了前期降水指数API，其计算公式为：

式中　Pi——最近5d来的降水量，mm。

根据前期降水指数API，将土壤前期降水水分条件划分为Ⅰ（干燥）、Ⅱ（中等）、Ⅲ（湿润）3种类型见表2.2。前期干旱和湿润条件下的CN值可按图2.3对表2.2的数值进行修正。由于采样前期有较大的降水，我们采用Ⅲ（湿润）条件下的CN值进行径流量计算。

表2.2　先期湿度条件确定标准

表2.3　径流曲线数值（CN）

表2.4　径流系数取值参考

3.径流系数的选取

图2.3　前期干旱和湿润条件下对CN值的修正

由于土地利用方式的不同，城市地表径流量不同，径流量与土地利用的变线性关系，与地表的透水能力相关，一般透水性越小，产流量越大。

各种土地利用类型的下垫面差异存在，使其透水性也不同。城市下垫面的定了城市不透水区面积较大，渗透能力小的特点。岑国平等按城市下垫面特性城市分为透水区和不透水区。其中不透水区又可分为直接不透水区和间接区，地表透水性的差异使得不同土地利用方式下的径流系数不同。

4.城市地表年径流量计算

采用暴雨径流模型计算城市地表年径流量：

式中　Qf——年径流量，m3/a；

F'——土地利用面积，m2；

P——年降雨量，mm；

φ——径流系数。

2.6.2.2　非点源污染物负荷量计算

污染物负荷模型对流域的污染负荷计算有如下两种方法：输出系数法和简易法。

1.输出系数法

式中　LP——污染负荷，t；

LPU——土地利用类型为U的污染负荷率，t/（m2·a）；

AU——土地利用类型为U的土地面积，m2。

2.简易法

式中　φ——土地利用类型U的地表径流系数；

P——降雨量，mm/a；

PJ——降雨产流率；

CU——土地利用类型U下的污染物产出平均浓度，mg/L；

其他参数意义同上。

径流系数φ与雨强、土壤性质、土壤早期含水量、地表覆盖等因素有关，由于城市土地利用类型不同的下垫面有不同的透水率，其径流系数亦不同。

2.6.3　农业非点源污染

农业非点源污染是指在农业生产活动中，农田中的土粒、氮素和磷素等营养物质、农药以及其他有机或无机污染物质，在降水或灌溉过程中，通过农田的地表径流、农田排水和地下渗漏，使大量污染物质进入水体，造成的水环境污染，主要包括化肥污染、农药污染、集约化养殖场污染。其主要污染物质有硝酸盐、氨离子、有机磷、重金属、化学需氧量、病原微生物和塑料增塑剂等。

2.6.3.1　农业非点源污染的特点

农业非点源污染的形成过程受地理、气候、土壤等多种因素影响，因此，具有如下特点。

1.分散性和隐蔽性

与点源污染的集中性相反，农业非点源污染具有分散性的特征，它受流域内土地利用状况、水文特征、地形地貌、气候、天气等因素的影响，因而具有空间异质性和时间不均匀性。污染物排放的分散性导致其污染地理边界和空间位置不易识别，因此也具有隐蔽性。

2.随机性和模糊性

与大多数非点源污染一样，农业非点源污染也涉及随机变量和随机影响。由于农业非点源污染与区域的降水过程密切相关，并且受多种因素影响，因而其污染发生具有较大的随机性。同时，由于农业非点源污染的影响因素多，排放途径复杂，而各因素之间又相互影响，从而使其形成机理具有较大的模糊性。

3.潜伏性和滞后性

农田中农药和化肥施用造成的污染，在很大程度上与降雨和径流立即发生密切相关，同时也与农药和化肥的施用量有关。当施用农药、化肥之后，在无降水或灌溉时，形成的污染十分微弱，但在降水时，随着径流进入水体则会形成严重的污染。大多数情况下，农业非点源污染直接起因于降水和灌溉的时间。

4.污染负荷的时空差异性大

农业非点源污染过程与径流过程呈现大致相同的变化趋势，由于不同时间和地点径流的变化很大，因此，降雨径流的污染负荷也随之大幅度变化。

2.6.3.2　非点源污染估算模型(www.xing528.com)

1.降雨径流模型

农业非点源污染主要的研究内容是降雨径流与农田污染物流失的关系。其中降雨径流关系是非点源污染中的基础内容，农田径流一般具有汇水面积小、难以实行测试、研究统计分析的点位数量较大等特点。代表性的方法有美国水土保持局20世纪50年代提出的SCS法。美国水土保持局提出的降雨径流关系方法（SCS）已在上海郊区农田非点源污染研究中得到应用，实际上还可以应用到类似气候、土壤和土地利用条件下的农田，在非点源污染研究方面具有较大的实用性。目前在美国国内已普遍推广使用，其他国家和地区也在大量引用。

在一次暴雨过程发生后，流域的水量平衡方程式可以表示为：

式中　P——降雨量，mm；

Q——径流量，mm；

S——流域储水量，相当于降雨径流过程中的损失水量，包括截留、蒸发、填洼、下渗的水量，mm。

径流量（Q）取决于降雨量和流域储水量，在降雨初期有部分降雨量不会形成径流，这部分水量称为前期损失量（Ia）。降雨经过一段时间后，流域储水量达到饱和值S'。S'值与流域的土壤性质、地形和植被条件等因素有关。

一次暴雨过程径流量基本方程为：

式中　S'——流域饱和储水量，mm；

CN——径流曲线数，无量纲。

CN的确定分为2个步骤，即：①按照土壤水分的最小渗透速率将土壤分为4类，A（透水），B（较透水），C（较不透水），D（接近不透水）；②SCS在归纳了3000多种土壤资料的基础上，按照土地利用方式和4类土壤特征，提出了CN的具体数据。按照SCS确定CN的步骤，大部分水旱轮作的农田渗透速率刚超过下限数值，被归为C类；在旱作农田方式下CN值为78；在土壤水分饱和的稻田情况下，CN值为93。通常可CN可取值为60～78。

2.土壤侵蚀流失量模型

目前，国内外多采用土壤侵蚀方程进行土壤流失量计算。这类计算用改进的USLE方程完成，土壤流失量预测模型为：

式中　A——土壤侵蚀量，t/（hm2·a）；

R——降雨侵蚀因子；

K——土壤侵蚀度，t/（hm2·a）；

L——坡长；

S——坡度；

C——耕种管理因素；

P——土壤保持措施因素。

（1）降雨侵蚀因子。对于一年降雨来说，降雨侵蚀因子可采用Wischmeier的经验公式：

式中　Pi——流域各月平均降雨量，mm；

P——流域年平均降雨量，mm。

（2）土壤侵蚀因子。根据流域的土壤类型的机械组成、有机质含量等资料，按照国际土壤分类制换成图中的土壤类型、有机质含量，获得相应的K值，见表2.5。

（3）坡长系数和坡度系数。L、S值的确定是根据河流的地质地貌，并结合其他地区进行土壤流失试验的经验形成的非线性方程式：

表2.5　土壤侵蚀系数表

式中　当sinS＞5%，M=0.5；

当sinS=5%，M=0.4；

当sinS=3.5%，M=0.3；

当sinS＜1.0%，M=0.1；

L——平均坡长；

M——坡长指数；

S——坡度。

（4）耕种管理系数。耕种管理系数也称植被覆盖因子或作物种植系数，说明地表覆盖情况，以C表示。不同植被类型的C值见表2.6。（5）实际侵蚀控制系数。实际侵蚀控制系数也称水土保持因子，说明不同的土地管理技术或水土保持措施，如构筑梯田、平整、夯实土地对土壤侵蚀的影响。表2.7为不同管理技术对P值的影响。

表2.6　地面不同植被的C值表

表2.7　实际侵蚀控制系数

3.非点源污染物输出模型

（1）非点源污染物输出系数模型。非点源污染物是指某流域的氮、磷等营养物质。一般采用输出系数法，输出系数模型方程可表述为：

式中　L——营养物质的流失量；

Ei——第i种营养源的输出系数；

Ai——第i类土地利用类型的面积或禽畜数量或人口数量等；

Ii——第i种营养源的营养物质输入量；

P——降雨输入的营养物量。

Ei是流域内不同土地利用类型的营养物输出率。对于牲畜而言，它表示牲畜排泄物直接进入受纳水体的比例，中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中氨的挥发；对于人类而言，它反映了当地人群对含磷去污剂的使用状况、饮食营养状况和生活污水处理状况，用下式计算：

式中　Eh——人口的氮、磷年输出，kg/a；

DcA——每人营养物日输出量，kg/a；

H——流域内人口数量；

M——污染处理过程中机械去除营养物系数；

B——污水处理过程中生物去除营养物系数；

Rs——营养物滞留系数；

C——除磷系数。

降雨产生的营养物输入量P可表示为：

式中　c——雨水中营养物浓度，g/m3；

a——年降雨量，m3；

Q——径流系数。

（2）流域氮负荷与降雨量相关模型。从非点源污染物的形成过程来看，流域非点源污染负荷与降雨的多少密不可分，它们之间存在着良好的相关关系：

式中　L——河流断面的非点源总氮负荷，t；

P——流域年降雨量，mm。

4.农业污染物估算模型

（1）农田污染物估算。污染物排放总量=标准农田面积×排放系数，其中：排放系数取CODCr=10kg/（亩·a），氨氮=2kg/（亩·a）。

（2）畜禽养殖污染物估算。污染物排放总量=经验系数×猪的养殖数

标准猪的污水排放量为3m3/（100头·d），污染物浓度为CODCr400mg/L，氨氮80mg/L。根据GB 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》，其他禽畜污染物排放量折合为猪的头数计算，即30只蛋鸡折算成1头猪，1头奶牛折算成10头猪，1头肉牛折算成5头猪，3只羊换算成1头猪，鹿的折算比例按羊算。