基于一次典型降雨過程形成的地面徑流污染負荷研究——以內江城區為例

周貴堯，謝賢健，黃 安，謝建平，李 瑞

（內江師范學院 地理與資源科學學院，四川 內江641110）

城市土地利用方式影響到地表污染物的負荷狀況，城市地面已成為非點源污染的重要污染來源［1］；同時，城市土地利用改變了自然水文過程，暴雨徑流沖刷地表攜帶大量污染物進入水體，直接造成水體污染。因此，土地利用變化不但影響區域水循環環境，也成為控制城市非點源污染的關鍵［2－4］。在城市化地區，不斷增加的非透水性地面和地下排水系統，不僅加速了地表徑流的形成，增加其流量，提高了洪水峰值，而且也降低了受納水體的水質，引發了水供給問題［5］，城市暴雨徑流中含有諸如營養物、殺蟲劑、病菌、石油、油脂、沉淀物以及重金屬等許許多多的污染物，已經成為水質破環的主要原因［6］。

內江城區地表堆積物中含有大量污染物質，特別是化學需氧量（COD），氨氮，溶解氧，銅，鉻等污染物質。降雨時，這些污染物質在地表徑流的沖刷下，通過城市地表排放到河道湖泊及河口，使受納水體的水質受到嚴重污染［7］。筆者以內江城區為例，研究在一次典型降雨中內江城區不同土地利用方式產生的污染負荷指數。對類似中等城市不同土地利用方式在典型降雨過程中產生的污染負荷指數進行分析探討。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

內江市位于四川盆地東南部，居沱江流域中游，地理位置位于東經104°15′—105°26′，北緯29°11′—30°02′，東西長121.5km，南北寬94.7km，全市幅員面積4 386km2，耕地面積16.36萬km2，下轄市中區、東興區、隆昌縣、資中縣、威遠縣五個區縣，2010年年末全市總人口425.6萬人，主城區人口141.7萬人，全市GDP總產值5 609 631萬元，主城區GDP總產值2 068 845萬元。區內位于國務院重點規劃建設的“成渝經濟圈”腹心地帶，是四川省“十二五”規劃建設的特大城市之一，同時也是西南各省交通的重要交匯點，境內有成渝高速、內宜高速，成渝鐵路、內昆鐵路和沱江航道相互交錯貫通的交通網絡，素有“川中樞紐，川南咽喉”之稱。

1.2 研究材料和方法

（1）典型降雨。通常情況下，降雨量達到5mm時僅能將地表完全濕潤，降雨量為5～10mm時可形成街道降水徑流，一次性降水達到20～25mm（降雨歷時1h）則可將街道地表物質完全沖刷干凈。因此，將歷時1h左右，累計降水量為25mm左右的降水定義為一次典型降水。通常，在一次典型降雨48 h后街道地表物質恢復原狀［8］。

（2）徑流量。根據美國土壤保持局提出的降雨徑流SCS［9］模型計算徑流量，該模型是根據降水過程中水量平衡原理以及降雨徑流之間的基本關系推出的徑流曲線數值模型。

式中：Q——徑流深（mm）；P——一次典型降雨量（mm）；S——徑流開始后，流域內形成的最大持水量；CN——徑流曲線值，是反映降雨前流域特征的一個綜合參數，它與土壤的濕潤程度、坡度、植被、土壤類型和土壤利用現狀等相關。CN值是一個無量綱參數，理論取值范圍是0～100，實際應用中取值范圍是40～98［10］。只要確定CN值，就可由降雨量求得徑流深；再將徑流深乘以研究區域的面積（A），即可求出該次暴雨的徑流量。

該模型的導出過程［11］是基于實際入滲量（F）與實際徑流量（Q）之比等于集水區該場降雨前的最大可能入滲量（或潛在入滲量S）與最大可能徑流量（或潛在徑流量Qm）之比的假定基礎上建立的，即

式中，假定潛在徑流量（Qm）為降雨量（P）與由徑流量產生的植物截留，出滲和田洼蓄水構成的出損Ia的差值，即：

實際入滲量為降雨量減去出損量和徑流量，即：

將（4）式和（5）式代入（3）式，可以推出：

進而推知：

為了簡化運算，通常假定集水區該場降雨的初虧損Ia為該場降雨前潛在入滲量的0.2倍，即Ia＝0.2S，由此可以推出（1）式。

1.3 不同土地利用區面積的確定

為了調查在一次典型降雨中，內江城區不同下墊面所產生的降雨徑流污染負荷總量，必須事先查清該地區的各種土地利用類型。本次研究所涉及的行政范圍主要是樂賢和東興兩鎮。利用收集到的土地利用資料和圖集，在ArcGIS 9.1軟件技術的支持下對土地利用圖進行數字化，得到內江城區土地利用分布圖，獲取有關該區域有關土地利用類型面積資料［12］。

1.4 野外樣品采樣

根據不同城市功能區有其特定的地表堆積物的分布特點，地表堆積物累積量與土地利用狀況和性質、綠化條件、交通狀況以及土地裸露程度有直接關系的原則［13］，依據一次典型降水48h后街道恢復原狀理論，以典型性和代表性為原則，在木材加工廠、污水處理廠、汽車零配件生產廠、廢舊金屬回收處理廠附近，選擇工礦用地；在日均人流量大，人口經濟活動頻繁、商業繁華地帶選擇商業用地；在距離市中心相對較遠，綠化條件相對較好，公共基礎設施健全，空氣質量較好，市區居民居住較多的地區選擇住宅用地；在內江市區城市交通主干道大洲路和東桐路分別選取一個點作為交通用地采樣點；將內江師范學院第五和第八教學樓選為建筑用地。記錄下采樣樣品編號、采樣地類型、采樣時間以及采樣地點，將樣品做技術處理，妥善保存帶回實驗室做進一步分析測試，同時在位于內江師范學院校內的氣象監測站內測出內江城區當日降雨量。

1.5 室內污染濃度測試

將野外采集回來的樣品分別進行COD、氨氮、溶解氧、鉻、銅的污染負荷濃度測試。其中，COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用鈉氏試劑光度法測定，溶解氧采用碘量法測定，重金屬鉻和銅采用直接吸入火焰原子法進行測定。

2 結果與分析

2.1 內江城區降雨徑流模擬SCS計算結果

利用SCS模型，計算一次典型降雨內江城區不同土地利用方式即，工礦用地、商業用地、住宅用地、交通用地和建筑用地所形成的徑流深。其中CN值根據美國國家工程手冊所列的各種土地利用方式的徑流曲線值結合實地調研結果將工礦用地、商業用地、住宅用地、交通用地和建筑用地的取值分別確定為93.00，95.00，90.00，95.00，92.00。測得內江城區當日實際降水量為28.00mm，與典型降水相差0.12個百分點，可近似看成一次典型降水，計算結果如表1所示。

由表1可知，一次典型降雨中，內江城區不同土地利用方式產生的徑流深不同，工礦用地、商業用地、住宅用地、交通用地、建筑用地所產生的徑流深分別是13.50，16.58，9.88，16.58，12.18。徑流系數分別為0.48，0.59，0.35，0.59，0.44。

表1 內江城區降雨徑流模擬SCS計算結果

2.2 一次典型降雨徑流的污染物濃度模擬結果

2.2.1 地表堆積物污染物產生量 結合不同的土地利用方式下地表堆積物的粒級分布特征、污染物浸出濃度［14］，選取COD、氨氮、溶解氧、鉻和銅5個衡量指標計算出試驗區單位面積污染物產生量（表2）。

表2 不同土地利用方式下單位面積地表堆積物污染物產生量 g／（m2·d）

2.2.2 一次典型降水所產生的污染物濃度 由表2計算所得的不同土地利用方式下單位面積地表物污染物產生量，結合表1不同城市土地利用方式一次所產生的徑流深。估算出在一次典型降雨過程中不同利用方式污染物的濃度及其污染程度，結果見表3。

由表3可知，在一次典型降雨形成的徑流污染中，工礦用地的氨氮、溶解氧、鉻和銅的含量及其污染程度都是最高的，特別是溶解氧的含量高達5.70 mg／L，是國家地表水質Ⅴ類標準的2.85倍。成為降雨徑流的主要污染物。在COD評價指標中，除住宅用地和建筑用地沒有超過國家地表水質Ⅴ類標準外，其余的三種土地利用方式均超過了國家地表水質Ⅴ類標準。其中，商業用地是Ⅴ類水質標準的1.98倍。值得注意的是，工礦用地和交通用地的鉻含量都比較高，如果按照地表水質Ⅳ類標準進行評估的話，它們的含量將超標，對這些污染源也應該引起重視。

另外，從表3中還可見，對于不同的土地利用方式，在5個指標中，COD的濃度都是最高的，其中，商業用地高達79.00mg／L，污染負荷指數為V類標準的1.98倍，但從污染負荷的角度來看，COD并不是降雨徑流產生污染物的主要來源。在5種土地利用方式下，一次降雨徑流產生的污染負荷指數中，溶解氧是最高的。其中，工礦用地、商業用地最為明顯，分別是Ⅴ類標準的2.85倍和2.00倍，住宅用地和建筑用地同樣高于Ⅴ類標準的1～2倍。因此，溶解氧是一次典型降雨形成地面污染物的主要元素。在氨氮評價指標中，工礦用地的污染負荷指數最高，為0.44，但未超過國家地表水質標準。

表3 一次典型降雨不同城市土地利用方式產生的污染物濃度及其污染程度

2.3 污染負荷總量估算

內江城區工礦用地、商業用地、住宅用地、交通用地和建筑用地的面積采用謝賢健等人［12］對內江城區2009年不同土地利用類型面積的統計結果（表4），內江城區共有9種土地利用類型，工礦用地、商業用地、住宅用地、交通用地、建筑用地為主要城市用地，其余4種城市土地利用分別是江河湖泊泄洪用地、滯洪用地、其他已經供應尚未建成用地、未達到供地條件的用地，這4種土地歸為城市未利用地，占城市用地總面積的58.15%，主要分布在內江城區邊緣地帶，這些地區人口相對較少、工農業經濟發展較為滯后，各種點源和面源污染相對較少，對內江主城區污染影響相對較小，研究意義較小，因此，本文未對這4種城市土地作討論。結合表3中幾個污染物在5種主要城市土地利用下單位面積的產污量，估算在一次典型降雨所形成的徑流下不同土地利用方式各自COD、氨氮、溶解氧、鉻和銅的總產值，結果見表5。

表4 2009年內江市城市不同土地利用類型面積及其比例［12］

表5 不同土地利用方式下降雨徑流產生的污染負荷

從表5中可見，在一次典型降雨中，COD的污染負荷總量高達2 361.08kg，氨氮、溶解氮、鉻、銅的負荷總量分別為35.20，197.57，1.47，1.28kg。據內江城區氣象局統計資料，內江城區近5a來一次性降雨超過28mm的降雨次數年平均為6次。據此可以估計，內江城區污染物年產量，COD為14 166.48kg，氨氮為211.20kg，溶解氧為1 185.42kg，鉻為8.82 kg，銅為7.68kg。從表5中還可知，在一次典型降雨產生的地面徑流中，商業用地的污染指數是最高的，COD為46.56%，氨氮為41.25%，溶解氧為37.93%，鉻為76.36%，特別要指出的是COD和鉻的污染指數接近于建筑用地的20倍。這些主要是因為商業用地基本上都是不透水面，其COD、氨氮、溶解氧和鉻的浸出濃度都很高，并且商業用地面積在5種土地利用方式面積中所占比例相當大，分別超出工礦用地、交通用地、建筑用地6.49，7.56，6.60個百分點，與面積指數最大的住宅用地僅差2.39個百分點。同樣，工礦用地的COD、氨氮、溶解氧的污染指數也是不容忽視的，在5種土地利用方式中分別列第三、第二和第三；建筑用地的氨氮、溶解氧污染指數同樣值得關注，其污染負荷指數分別在五種土地利用方式中列第三和第二；交通用地的COD、氨氮、銅污染指數貢獻率分別為13.27%、14.90%、和39.84%，在5種土地利用方式中分別列第二、第三和第一。

這些溶解的或固體物質在降雨徑流的淋洗和沖刷作用下，通過徑流過程直接排入研究區河道、湖泊以及河口中，引起受納水體污染，直接影響人類生存的環境質量，污染飲用水源，引起水體的富營養化，破壞水生生物的生存環境，造成土壤生產能力和水質的下降，嚴重影響人民生產、生活質量和福利水平的高低［15－16］。

3 結論

在一次典型降雨形成的徑流污染中，ρCOD為37.20 mg／L，ρ氨氮為0.67mg／L，ρ溶解氧為3.72mg／L，ρ鉻為0.01mg／L，ρ銅為0.03mg／L，商業用地的COD最大，污染負荷為79.00mg／L，工業用地的氨氮、溶解氧、鉻的污染負荷濃度最大，分別為0.87，5.70，0.018mg／L；交通用地的銅污染負荷濃度最大，達到0.07mg／L。內江城區因降雨產生的年污染負荷量，COD為14 166.48kg，氨氮為211.20kg，溶解氧為1 185.42 kg，鉻為8.82kg，銅為7.68kg，商業用地的污染負荷貢獻率最大，其中，COD為66.56%，氨氮為47.25%，溶解氧為23.85%，鉻為76.36%。

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