付 超，蘇 晶，趙海萍，李清雪

(1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120)

隨著點(diǎn)源污染控制的不斷完善和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市非點(diǎn)源污染占比日益增加，已成為城市水環(huán)境保護(hù)面臨的最重要問題之一[1-4]。降雨是非點(diǎn)源污染形成的動力因素，徑流攜帶下墊面大量污染物進(jìn)入河流、湖泊等受納水體，造成了非點(diǎn)源污染[5]。非點(diǎn)源污染受地理氣候等多種因素的影響，具有隨機(jī)性強(qiáng)、分散性廣、潛伏滯后和控制復(fù)雜等特點(diǎn)[6]。在美國，城市非點(diǎn)源污染物占COD總量的73%、TN總量的89%[7]；在南非，Mgeni河流域污染物的85%來自城市非點(diǎn)源污染[8]。我國城市非點(diǎn)源污染問題也非常嚴(yán)重，在太湖、滇池等重要湖泊，非點(diǎn)源污染對水體污染的貢獻(xiàn)率超過60%[9]；在北京和上海，城市雨水徑流污染對中心城區(qū)水體污染的貢獻(xiàn)率高達(dá)50%，對其他水體污染的貢獻(xiàn)率分別是12%和20%[10]；天津城市非點(diǎn)源COD、NH3-N 入河負(fù)荷量占全市非點(diǎn)源污染總負(fù)荷量的60%左右[11]；錢鈞等[12]研究了管網(wǎng)分流制對秦淮河流域水體污染的貢獻(xiàn)，得出降雨類型為中雨時，非點(diǎn)源污染物COD和NH3-N入河負(fù)荷總量占水體污染負(fù)荷總量的51%和48%；王昭等[13]研究得到城市路面徑流非點(diǎn)源污染物中重金屬對水環(huán)境的污染貢獻(xiàn)率為35%～75%。研究城市降雨徑流對水質(zhì)的影響，估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷量，對城市水環(huán)境綜合管理和水體生態(tài)健康具有重要意義。

漳河流經(jīng)山西、河北、河南3省，是海河流域西南部的重要支流，上游流域面積為18 284 km2(圖1)。上游段為3省重要的工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和飲用水水源，但受人類干擾強(qiáng)烈，是我國水事矛盾尖銳地區(qū)之一。城鎮(zhèn)生活污水和工業(yè)廢水排放造成上游河流水質(zhì)惡化，嚴(yán)重制約流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展[14-15]。為全面了解漳河上游水環(huán)境污染情況，本研究以漳河上游城市——長治市為研究對象，在2017年選取不同典型功能區(qū)不同下墊面進(jìn)行降雨徑流污染監(jiān)測，采用平均濃度模型法估算上游城市非點(diǎn)源污染年負(fù)荷，并利用ArcGIS技術(shù)分析上游各市縣污染程度，以期為漳河流域非點(diǎn)源污染控制提供技術(shù)支持。

圖1 研究區(qū)示意圖

1 研究區(qū)概況與采樣

1.1 研究區(qū)概況

長治市位于山西省東南部，太行山南段，111°59′E～113°44′E，35°49′N～37°07′N，總面積 13 955 km2。長治市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，特點(diǎn)是冬長夏短，既無嚴(yán)寒也無酷暑，氣候溫和，雨熱同季，大陸性季風(fēng)相對持久，海洋性季風(fēng)較弱，年平均溫度為9.7 ℃，降雨多集中于6—8月，多年平均降水量在530 mm以上。

1.2 采樣與測定

依據(jù)長治市不同地區(qū)的土地利用類型和生產(chǎn)生活條件，將城區(qū)分為居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和工業(yè)區(qū)3種功能區(qū)，各功能區(qū)又分為屋面、路面兩種下墊面。分別在每種功能區(qū)選擇1塊典型區(qū)域作為研究對象：居民區(qū)選取梅輝坡小區(qū)(緊挨金威商城，周邊相對繁華)，商業(yè)區(qū)選取金威商城附近(車流量、人流量大，周邊商鋪眾多)，工業(yè)區(qū)選取高新工業(yè)園區(qū)(規(guī)模最大，主要是制造業(yè)、新材料和生物制藥業(yè))。

當(dāng)降雨發(fā)生并產(chǎn)生徑流時，屋面雨水徑流在雨落管出口處用1 000 mL潔凈聚乙烯瓶收集；路面雨水徑流利用自制專用工具收集路邊雨篦子處的雨水，并轉(zhuǎn)移到500 mL潔凈聚乙烯瓶中。采樣頻率按照“前密后疏”的原則，產(chǎn)生徑流的前10 min內(nèi)，每隔5 min采樣1次；10～30 min，每隔10 min采樣1次；30～60 min，每隔15 min采樣1次；60 min以后每隔30 min采樣1次，樣品采集后迅速帶回實(shí)驗(yàn)室分析。每場降雨因降雨歷時、降雨強(qiáng)度、采樣次數(shù)不同，每次采集水樣個數(shù)為5～8個。

選取監(jiān)測指標(biāo)為CODCr、TN、TP、SS和重金屬(Cd、Cu、Pb、Zn)，分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[16]。

1.3 降雨特征

2017年為平水年，共監(jiān)測了11場降雨，降雨事件的降雨特征見表1。

2 研究方法

采用次降雨徑流污染物平均濃度(event mean concentration，EMC)來評價降雨徑流過程對受納水體的影響，計算公式為

(1)

式中：EMC為EMC值，mg/L；ρj為隨時間變化的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Vj為隨時間變化的徑流量，L；k為降雨場次；M為整個降雨過程地表徑流釋放的污染物質(zhì)總質(zhì)量，mg；V為徑流總體積，L。

表1 2017年多場次降雨特征

采用綜合徑流系數(shù)法計算長治市各功能區(qū)不同下墊面徑流污染物的次降雨徑流加權(quán)平均質(zhì)量濃度，計算公式為

(2)

城市降雨徑流污染負(fù)荷是由單場或多次降雨沖刷地表后釋放的污染物總量，而排放到受納水體的徑流污染物的量有一定的隨機(jī)性，有很大的誤差，因此采用年徑流污染負(fù)荷進(jìn)行計算，公式為

Lx=CfPλ(ΨrArρr+ΨhAhρh+ΨgAgρg)

(3)

式中：Lx為降雨徑流污染物進(jìn)入河流的年負(fù)荷總量，t/a；Cf為不產(chǎn)生雨水徑流時的降雨修正系數(shù)，取0.9；P為年降水量，mm；λ為城市非點(diǎn)源污染物隨雨水徑流入河系數(shù)，取0.13[17-18]；Ψr、Ψh、Ψg分別為道路、屋頂、綠地的徑流系數(shù)，參考GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》取Ψr=Ψh=0.9、Ψg=0.15；Ar、Ah、Ag分別為道路、屋頂、綠地的面積，m2；ρr、ρh、ρg分別為道路、屋頂、綠地徑流污染物的加權(quán)平均質(zhì)量濃度，mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 長治市城區(qū)污染物的EMC

采用式(1)計算長治市城區(qū)典型功能區(qū)不同下墊面各場次降雨徑流污染物的EMC值，結(jié)果如圖2所示，圖中居屋代表居民區(qū)屋面，居路代表居民區(qū)路面，其他功能區(qū)和居民區(qū)表示類似。

從圖2可以看出，不同功能區(qū)不同下墊面各場次降雨徑流中SS的EMC值在2.074～666.87 mg/L之間，變化范圍較大，最大、最小值出現(xiàn)在20170714號降雨場次商業(yè)區(qū)路面、工業(yè)區(qū)屋面；多場降雨中不同功能區(qū)SS的EMC值商業(yè)區(qū)最大、工業(yè)區(qū)最小，不同下墊面SS的EMC值為路面大、屋面小。CODCr的EMC值在30.69～148.69 mg/L之間，除20170706號降雨場次居民區(qū)屋面、商業(yè)區(qū)屋面、商業(yè)區(qū)路面外，各場降雨不同功能區(qū)不同下墊面的EMC值均超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；20170706號降雨場次中居民區(qū)路面CODCr的EMC值達(dá)到148.69 mg/L，超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的3.72倍，最小值出現(xiàn)在商業(yè)區(qū)路面；各場次降雨不同功能區(qū)不同下墊面CODCr的EMC值波動不大，污染相對嚴(yán)重。TN的EMC值在0.509～6.273 mg/L之間，最大值出現(xiàn)在20170621號降雨場次居民區(qū)路面，其EMC值超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的3.14倍，最小值出現(xiàn)在20170904號降雨場次居民區(qū)屋面；居民區(qū)屋面、工業(yè)區(qū)屋面、工業(yè)區(qū)路面TN的EMC的最大值都出現(xiàn)在20170621號降雨場次，分別是5.000 mg/L、3.918 mg/L、4.827 mg/L，分別為Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的2.50、1.96、2.41倍；多場降雨監(jiān)測到的不同功能區(qū)不同下墊面TN的EMC值超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的接近半數(shù)，污染程度為商業(yè)區(qū)最大、居民區(qū)最小，不同下墊面的EMC值為路面大屋面小。TP的EMC值在0.029～0.624 mg/L 之間，最大值出現(xiàn)在20170714號降雨場次商業(yè)區(qū)路面，其EMC值超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的1.56倍，最小值出現(xiàn)在20170718號降雨場次商業(yè)區(qū)屋面；各場降雨不同功能區(qū)不同下墊面TP的EMC值大小順序?yàn)樯虡I(yè)區(qū)路面、居民區(qū)路面、工業(yè)區(qū)路面、商業(yè)區(qū)屋面、居民區(qū)屋面、工業(yè)區(qū)屋面，這與SS的EMC值規(guī)律相同；可見TP與SS具有一定的相關(guān)性，SS是污染物的載體，而TP吸附在顆粒的表面被雨水沖刷形成徑流匯入受納水體；在所監(jiān)測到的降雨中，只有少數(shù)幾場降雨TP的EMC值超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，總體水質(zhì)較好。

重金屬具有不可降解性和長期累積性。圖2中，Cd的EMC值范圍是9.65～44.27 μg/L，除20170727號降雨場次工業(yè)區(qū)路面外，各場降雨不同功能區(qū)路面、屋面徑流其EMC值均超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)；20170714號降雨場次工業(yè)區(qū)屋面Cd的EMC值最大，是Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的4.43倍，污染嚴(yán)重。Cu的EMC值的范圍是24.43～140.40 μg/L，除20170714號降雨場次商業(yè)區(qū)路面、工業(yè)區(qū)路面以及20170727號降雨場次工業(yè)區(qū)路面外，其余均在Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。Zn的EMC值范圍是67.00～290.43 μg/L，均超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，但是均在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)(≤1 000 μg/L)范圍內(nèi)。

(a) SS

(b) CODCr

(c) TN

(d) TP

(e) Cd

(f) Cu

(g) Zn

(h) Pb

Pb的EMC值范圍是0～32.41 μg/L，其中近一半的EMC值超過GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)限值。

總體來講，長治市城區(qū)降雨徑流非點(diǎn)源污染較為嚴(yán)重，主要污染源為SS、CODCr、TN和重金屬Cd。對于不同的功能區(qū)，商業(yè)區(qū)徑流水質(zhì)相對較差，其次是居民區(qū)和工業(yè)區(qū)，各功能區(qū)路面SS、CODCr、TN和TP的EMC值明顯高于屋面，這與王顯海等[19]在寧波城區(qū)和Lee等[20]在不同功能區(qū)的研究結(jié)果大致相同。長治市降雨徑流中TN的EMC值低于北京[21]、宜興[22]、太原[23]等地；長治市重金屬污染物Cd、Cu、Zn和Pb的EMC值均低于西安市[24]和東莞市[25]，其Cu的EMC值在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，Zn、Pb的EMC值在Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，與太原地區(qū)相似[23]。

長治市城區(qū)不同功能區(qū)以及不同下墊面的徑流污染程度不同，可能是因?yàn)閺搅魑廴疚锏膩碓床煌Ｎ菝娼涤陱搅魑廴疚镏饕獊碓从诖髿獬两?；路面污染物來源于輪胎磨損、汽車尾氣排放、污染物沉積、行人和攜帶物等[26]；商業(yè)區(qū)徑流水質(zhì)較差是因?yàn)樯虡I(yè)區(qū)位于繁華地帶，人流、車輛眾多，再加上道路清掃不及時等因素共同造成SS、CODCr等污染，而且汽車尾氣排放的NOx很容易造成降雨徑流中氮污染。Cd具有距離工業(yè)區(qū)越遠(yuǎn)濃度越低的特征，可能與市區(qū)、工業(yè)園區(qū)產(chǎn)生的大氣粉塵密切相關(guān)[27]。少數(shù)幾場降雨不同污染物濃度偏高，可能與降雨強(qiáng)度、前期晴天數(shù)和下墊面性質(zhì)有關(guān)。

3.2 長治市城區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷入河總量

采用式(2)(3)計算長治市城區(qū)2017年城市路面、屋面、綠地非點(diǎn)源污染物年負(fù)荷入河總量，結(jié)果見表2。其中綠地徑流污染物的EMC值參考與長治市污染程度類似城市的監(jiān)測結(jié)果[24,28]，長治市城區(qū)各類型下墊面面積來自2018年《長治市統(tǒng)計年鑒》，2017年降水量來自2018年《長治市水資源公報》。將長治市城區(qū)路面、屋面和綠地各污染物年負(fù)荷與相對應(yīng)的路面、屋面和綠地面積作比值，得到城市不同下墊面各污染物輸出系數(shù)，見表3。

表2 2017年長治市非點(diǎn)源污染物年負(fù)荷入河量

表3 2017年長治市不同下墊面各指標(biāo)的輸出系數(shù)

由表3可知，長治市城區(qū)綠地各污染物輸出系數(shù)最小，路面各污染物輸出系數(shù)最大，這與下墊面類型、地表污染程度以及雨水徑流特性有很大的關(guān)系。由于路面污染物累積較多，經(jīng)降雨沖刷后排放至河流，造成污染物濃度偏高；屋面污染物累積量較少，徑流攜帶的污染物較少；綠地徑流污染物濃度最低，是因?yàn)槲廴疚锉煌寥篮椭参锔档慕亓?、吸收和吸附作用去除了一部分。相比西安城區(qū)[29]、上海市[30]，2017年長治市城區(qū)不同下墊面非點(diǎn)源污染物輸出系數(shù)處于較低水平。

3.3 長治市城區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率

圖3為2017年長治市典型下墊面污染物年負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率。由圖3可知，2017年長治市城區(qū)同一下墊面不同污染物年負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率不同，相同污染物不同下墊面年負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率也不同。屋面徑流中各污染物貢獻(xiàn)率均較高，在46%～77%范圍內(nèi)，其中TN、CODCr、Cd貢獻(xiàn)率在76%左右；路面徑流各污染物貢獻(xiàn)率范圍為14%～35%；綠地徑流各污染物貢獻(xiàn)率偏小，均在2%～27%范圍內(nèi)。3種下墊面徑流污染物入河貢獻(xiàn)率趨勢為屋面>路面>綠地，說明在入河前，綠地過濾并吸附了一部分徑流污染物，使得入河污染物負(fù)荷量明顯消減，而屋面和路面受材質(zhì)的影響，入河污染物負(fù)荷偏高。

圖3 2017年長治市典型下墊面污染物年負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率

3.4 漳河上游城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷空間分布

圖4(a)(d)(e)(g)顯示，2017年漳河上游流域非點(diǎn)源TN、CODCr、Cd、Zn污染負(fù)荷年入河量從大到小的城市依次為：長治城區(qū)、涉縣、潞城市、襄垣縣、長治縣、和順縣、左權(quán)縣、屯留縣、長子縣、沁縣、榆社縣、平順縣、黎城縣、壺關(guān)縣、武鄉(xiāng)縣。圖4(c)顯示，SS污染負(fù)荷年入河量從大到小的城市依次為：長治城區(qū)、涉縣、潞城市、襄垣縣、長治縣、長子縣、左權(quán)縣、屯留縣、和順縣、壺關(guān)縣、沁縣、平順縣、黎城縣、榆社縣、武鄉(xiāng)縣。其他不再贅述?？梢?，2017年漳河上游流域各城市中長治市城區(qū)污染最為嚴(yán)重，主要原因是長治市城區(qū)是全市的政治經(jīng)濟(jì)文化中心，工業(yè)企業(yè)較多。而近些年由于長治市城鎮(zhèn)化率的快速增加，人為活動影響使得污染物排放量加大，因此污染較其他市縣嚴(yán)重。武鄉(xiāng)縣位于長治最北部，城市化進(jìn)程較慢，交通覆蓋率偏低，多以農(nóng)業(yè)為主，因此城市非點(diǎn)源污染較少。

(a) TN

(b) TP

(c) SS

(d) CODCr

(e) Cd

(f) Cu

(g) Zn

(h) Pb

4 結(jié) 論

a. 2017年長治市城區(qū)降雨徑流非點(diǎn)源污染較為嚴(yán)重，各場次降雨商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)、居民區(qū)徑流染物的EMC值路面總體高于屋面，主要污染源為SS、CODCr、TN和重金屬Cd。

b. 2017年長治市城區(qū)非點(diǎn)源污染物TN、TP、SS、CODCr、Cd、Cu、Zn和Pb年負(fù)荷入河總量分別為5.301 t/a、0.464 t/a、267.310 t/a、177.890 t/a、0.075 t/a、0.150 t/a、0.384 t/a和0.023 t/a。長治市城區(qū)綠地污染物輸出系數(shù)最小，路面污染物輸出系數(shù)最大，這與下墊面類型、地表污染程度以及雨水徑流特性有很大的關(guān)系。

c. 2017年長治市城區(qū)屋面徑流TN、CODCr、Cd的入河貢獻(xiàn)率偏高，均在76%左右。不同下墊面非點(diǎn)源污染物年負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率順序?yàn)槲菝妗⒙访?、綠地，同一下墊面不同污染物或相同污染物不同下墊面年負(fù)荷入河貢獻(xiàn)率都不同。

d. 漳河上游流域各城市中長治市城區(qū)各污染物入河量最大，污染最為嚴(yán)重，武鄉(xiāng)縣污染程度最低。