焦春蛟，呂謀，張士官,宋杰

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東青島266033)

非點(diǎn)源污染指在非特定的地點(diǎn)各類固態(tài)或可溶性污染物通過雨水沖刷進(jìn)入水體從而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、水體黑臭和飲用水源污染[1]。非點(diǎn)源污染主要包括城市、農(nóng)業(yè)、植被區(qū)及道路非點(diǎn)源污染[2]。依據(jù)國內(nèi)學(xué)者研究現(xiàn)狀，中國某些水域存在嚴(yán)重非點(diǎn)源污染，嚴(yán)重性甚至超過了點(diǎn)源污染[3]。 1971年美國國家環(huán)境保護(hù)局 (EPA) 推出城市動態(tài)降雨-徑流模型(SWMM)，該模型可模擬城市水文和水質(zhì)等多種方面[4]，自推出以來，在城市非點(diǎn)源污染研究方面應(yīng)用越來越廣泛。

1 城市非點(diǎn)源污染來源

1.1 城市地表徑流

非點(diǎn)源污染的形成主要是由于污染物的積累和沖刷致使水體收納污染水，而雨水徑流是最大元兇[5]。城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展引起土地利用/覆被變化，這對城市的水環(huán)境質(zhì)量造成消極影響[6]。其中一方面則表現(xiàn)為：降雨 時地表徑流流量增大，峰值提高，徑流歷時延長[7～8]。Rouge Project[9]研究中指出，1964—1995年間，Upper Rough流域的年均洪峰流量增加了數(shù)倍；Corbett等[10]的研究也表明，美國森林地區(qū)比城市地區(qū)的年平均徑流量小很多。城市人類活動頻繁導(dǎo)致地表污染物累積較多，雨水流經(jīng)城市地表，將地面積累的一些污染物質(zhì)沖刷匯聚在一起排入水體造成了水體非點(diǎn)源污染[11]。據(jù)美國官方研究，城市地表徑流已成為美國湖泊、河流三大污染來源中的一個[12]。

此外，初期沖刷效應(yīng)是城市徑流污染中的重要問題。降雨初期地表徑流沖刷地表累積污染物，沖刷前期污染物濃度較高，隨著時間的推移，后期徑流污染物濃度遠(yuǎn)小于前期，這種現(xiàn)象就叫做初期沖刷效應(yīng)，這種雨水叫做初期雨水。初期沖刷效應(yīng)和初期雨水是地表徑流污染的最大元兇，所以很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究：李治源等[13]研究了蘇州古城磷的初期沖刷效應(yīng)；付國楷等[14]對滇池流域某小區(qū)進(jìn)行了徑流水質(zhì)及初期沖刷規(guī)律研究；鐘登杰等[15]則對初期雨水污染及治理進(jìn)行了綜述，通過對比雨水棄流、綠色屋頂?shù)却胧?，給出了處理方案。

1.2 大氣的干濕沉降

干沉降是無降雨時，氣溶膠粒子沉降的過程。大氣氣溶膠體系中分散著各種大氣顆粒物[16]，包括沙塵、各種揚(yáng)塵；燃燒產(chǎn)生的碳黑；少量金屬元素及氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化生成的硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽等[17]?？諝庵械奈廴疚锿ㄟ^干沉降直接降落到地表，后經(jīng)雨水徑流進(jìn)入水體導(dǎo)致污染。濕沉降是大氣中的污染物通過雨水的淋洗作用直接或間接進(jìn)入水體造成非點(diǎn)源污染。酸雨就是濕沉降造成的最典型危害，中國已成為全球第三大重酸雨區(qū)[18]。

1.3 其他來源

城市非點(diǎn)源污染來源眾多，賀纏生[19]、宮瑩[20]等人認(rèn)為，人類活動或者廢棄物堆砌等原因造成城市原始下墊面遭到破壞，導(dǎo)致污染物不能留在原地，在沖刷作用下造成非點(diǎn)源污染。廖暉、隋軍[21]研究中提出，排水系統(tǒng)也是非點(diǎn)源污染的一個來源。Bacho[22]、Saget[23]等人對分流和合流制排水系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行對比，結(jié)果表明，雨污合流系統(tǒng)相對分流系統(tǒng)，徑流污染更為嚴(yán)重。車伍等人[24]對合流制改造及污染控制的研究表明中國合流制溢流污染還存在著巨大隱患。有許多研究證明[25-28]，農(nóng)藥和化肥的過度使用、農(nóng)業(yè)污水灌溉、畜牧及野生動物病原性排泄物，同樣是非點(diǎn)源污染的重要來源。

2 城市非點(diǎn)源污染影響因素

2.1氣候狀況

降雨強(qiáng)度、大氣污染狀況、干旱天數(shù)是3個影響城市非點(diǎn)源污染的主要因素。降雨強(qiáng)度決定著徑流對地表污染物沖刷的強(qiáng)度，國內(nèi)有研究者在西安[29-30]、重慶[31]等地的研究均可證明：降雨特征嚴(yán)重影響著徑流污染物濃度；初期雨水污染狀況與大氣中污染物種類和含量密切相關(guān)；晴天時，大氣污染物干沉降、路面磨損、地表侵蝕等引起地表積累，晴天天數(shù)越長污染物積累量越大。

2.2 降雨時空分布及下墊面狀態(tài)

非點(diǎn)源污染受到降雨時空分布、下墊面狀態(tài)等影響，不同時空分布可能影響降雨大小及地表沖刷情況，這使得非點(diǎn)源污染不確定性較強(qiáng)。張文婷等[32]對降雨徑流時空動態(tài)分布進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)不同時空，污染物濃度變化情況不同；侯立柱[33]等在關(guān)于北京城區(qū)不同下墊面的水質(zhì)比較中表明如果城區(qū)土地類型存在差異，雨水徑流水質(zhì)也會存在差異。

此外，污染物狀態(tài)、屬性、遷移等特征也同樣會對非點(diǎn)源污染產(chǎn)生影響。

3 基于SWMM模型的城市非點(diǎn)源污染研究進(jìn)展

3.1 模型介紹

非點(diǎn)源污染是一個比較寬泛的概念，涉及生成、遷移、轉(zhuǎn)化等一系列反應(yīng)，所以研究涉及諸多模型的使用。由圖1可知，研究非點(diǎn)源污染大致需要水文模型、土壤侵蝕模型、污染物遷移轉(zhuǎn)化模型這三類，其中水文模型是研究的重點(diǎn)，也是最重要的一個。

國外針對暴雨徑流引發(fā)非點(diǎn)源污染的情況，開發(fā)了SWMM、STORM、SLAMM、L-THIA、HSPF、DR3M-QUAL、MOUSE等模型，軟件對比見表1[34-35]。暴雨洪水管理模型(SWMM)是美國環(huán)保署(EPA)開發(fā)的一個動態(tài)降水-徑流模型，由計(jì)算繪圖等服務(wù)模塊和徑流、輸送、擴(kuò)展輸送和儲存4個計(jì)算模塊構(gòu)成[36]。SWMM 靈活性較好，可模擬短期單場和長期連續(xù)降雨，可模擬不同時間步長每個時刻的水質(zhì)水量；SWMM 不僅可以模擬各種管道、河流流動過程，也可模擬地表徑流及排水管網(wǎng)水質(zhì)[37]。另外，SWMM 模型免費(fèi)下載且代碼開源[38]，在國內(nèi)外均得到廣泛應(yīng)用[39-40]。綜上所述，SWMM 是當(dāng)前階段地表徑流污染研究最佳的模型選擇。

表1 城市非點(diǎn)源污染模型比較

3.2 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

通過在Web of Science 以“non point source pollution”為關(guān)鍵詞對1998—2018年文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，得到7 141篇檢索結(jié)果，將結(jié)果以國內(nèi)外數(shù)據(jù)發(fā)文量形式呈現(xiàn)并作圖，觀察圖2可以明顯發(fā)現(xiàn)中國非點(diǎn)源污染研究起步較晚于國外，所以基于SWMM的應(yīng)用也更晚。

現(xiàn)今階段，國外不僅限于對SWMM 模型的直接應(yīng)用，還有更多是關(guān)于模型耦合開發(fā)、模型參數(shù)校準(zhǔn)、模型應(yīng)用尺度和模型建立分辨率的研究。

非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算方面，Jang[41]、Tsihrintzis[42]、Temprano[43]等人都對某區(qū)域污染負(fù)荷進(jìn)行了評估，結(jié)果表明SWMM 模型提高了水文影響評估準(zhǔn)確性。Davis[44]、Hurley[45]等均對LID設(shè)施進(jìn)行了研究，結(jié)果表明 LID對雨水中的污染物有去除效果。Barco等[4]在南加州217 km2集水區(qū)對SWMM 模型進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析，將模型應(yīng)用于大尺度區(qū)域并校準(zhǔn)以得到更準(zhǔn)確的輸出結(jié)果。Lee等[46]比對HSPF和SWMM模型在小流域進(jìn)行非點(diǎn)源污染試驗(yàn)，結(jié)果表明，SWMM更適合小尺度區(qū)域。此外，國外對于SWMM模型與GIS等其他工具的耦合研究很是重視，眾多組織開發(fā)出了PCSWMM、Mike Urban、InfoSWMM、XPSWMM等衍生模型，見表2。Barco[4]研究中也提到SWMM與GIS耦合應(yīng)用對于大尺度區(qū)域非點(diǎn)源污染的研究效果更好。

表2 SWMM衍生模型

3.3 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，非點(diǎn)源污染在國內(nèi)得到重視，約1990年，中國才開始出對SWMM模型應(yīng)用?，F(xiàn)今階段，中國對于模型空間尺度及模型參數(shù)等方面的研究越來越多，但研究不夠精細(xì)、深入。鄧陳寧[47]在3種空間尺度下研究LID設(shè)施削減污染物負(fù)荷量效果，結(jié)果只給出了3種尺度區(qū)域的共性，并未提出存在的差異。趙冬泉等[48]在城市徑流污染模擬的參數(shù)靈敏度分析中運(yùn)用摩爾斯分類篩選法對模型水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行局部靈敏度分析，結(jié)果顯示不透水區(qū)域累積和沖刷參數(shù)靈敏度較高。同時國內(nèi)模型開發(fā)也處于一個起步階段。趙冬泉等[49]將GIS與SWMM 模型引擎聯(lián)用開發(fā)了城市排水系統(tǒng)數(shù)字化管理平臺(Digital Water)。

4 問題與展望

SWMM 模型經(jīng)過多次版本更新，功能已經(jīng)越來越完善，但仍然存在各種問題和不足。中國對SWMM 的應(yīng)用也存在諸多問題和難點(diǎn)，下面是對這些問題的總結(jié)及對未來的展望。

a) 國內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)缺乏。國內(nèi)SWMM 建模數(shù)據(jù)需要通過購買或者研究人員親自調(diào)查收集，需要大量資金、時間投入。相關(guān)部門應(yīng)積極建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫，完善信息公開制度；學(xué)者專家應(yīng)大力開發(fā)適應(yīng)數(shù)據(jù)不足的計(jì)算方法，從兩方面應(yīng)對中國當(dāng)前情況。

b) 模型不能對地表及管道內(nèi)發(fā)生的生化反應(yīng)和泥沙運(yùn)動準(zhǔn)確模擬。泥沙吸附污染物，轉(zhuǎn)移過程發(fā)生反應(yīng)，生化反應(yīng)嚴(yán)重影響著污染物負(fù)荷的估算，對泥沙運(yùn)動及地表和管道內(nèi)發(fā)生的生化反應(yīng)的研究是一個難點(diǎn)，也是污染物模擬的關(guān)鍵點(diǎn)。SWMM為開源模型，各專家學(xué)者可以對SWMM進(jìn)行二次開發(fā)，加入生化反應(yīng)或泥沙運(yùn)動模塊，亦或者與其他軟件進(jìn)行耦合，達(dá)到研究目的。

c) 與其他模型和軟件的耦合應(yīng)用有待研究?，F(xiàn)階段中國SWMM 模型與其他模型耦合更多應(yīng)用于城市內(nèi)澇等方面，關(guān)于城市非點(diǎn)源污染的模型耦合研究較少，且自主研發(fā)并能大面積推廣的模型較少。

隨著中國對非點(diǎn)源污染關(guān)注度越來越大，相關(guān)軟件的開發(fā)和耦合也會越來越多，要學(xué)習(xí)和吸取國外經(jīng)驗(yàn)，逐漸開發(fā)出適合本國情況的軟件，解決中國水環(huán)境污染問題。

5 結(jié)論

城市非點(diǎn)源污染對水環(huán)境的污染十分嚴(yán)重，計(jì)算機(jī)模型是研究非點(diǎn)源污染的重要工具，SWMM模型即為其中之一?，F(xiàn)今階段，中國對非點(diǎn)源污染的研究還落后于國外，中國建模數(shù)據(jù)難以獲得，研究者投入的時間和精力都比較多，隨著非點(diǎn)源污染越來越受到重視，相關(guān)單位建立數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)公開也成了可能。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，SWMM模型的二次開發(fā)和模型耦合會取得較大進(jìn)展，管道內(nèi)物質(zhì)生化反應(yīng)和運(yùn)動模擬也會逐步實(shí)現(xiàn)?？傊?，雖然現(xiàn)階段中國非點(diǎn)源污染還比較落后，但隨著政策完善、科技進(jìn)步，中國水環(huán)境治理研究將取得大發(fā)展。