城市徑流污染負荷動態更新研究

(北京市環境保護科學研究院，北京 100037)

隨著點源污染得到有效控制，雨水徑流帶來的非點源污染已成為水體污染的主要因素之一，如美國約有60%的河流和 50%的湖泊污染與非點源污染有關，已實現污水二級處理的城市，水體BOD年負荷約40%～80%來自雨水徑流[ 1-2]。為有效削減污染物排放量，我國實施嚴格的水污染物總量控制制度，并對工業源、生活源、農業源和集中污染治理設施實施環境統計和動態更新。城市徑流污染由于具有隨機性、廣泛性、滯后性、模糊性、潛伏性和監測難度大，尚未列入污染源動態更新中。實現對污染源排放量的有效及時更新可通過兩種途徑，一種是通過對污染物及時監測，估算當年的污染物排放總量，如李立青等通過連續 3 年對武漢市漢陽城區降雨徑流污染的監測研究，估算了降雨徑流污染對受納水體的貢獻[3]。二是通過影響排放量的部分變量更新，從而達到對污染源全年污染物排放量的及時更新。本文通過第二種方法，在更新影響污染物排放的部分變量的基礎上，實現對下墊面污染物排放的更新。

1 城市徑流污染負荷估算和更新方法

1.1 基準年城市徑流污染負荷估算

城市降雨徑流污染負荷是指一場降雨或多場降雨所引起的徑流排放的污染物總量[4]。降雨過程中污染物濃度受降雨特征、區域性質等不確定性的因素影響，不同地區同一降雨事件或同一區域不同降雨事件中，污染物濃度差別很大，因此，采用美國城市徑流計劃( NURP) 建議[5]，研究采用事件平均濃度(EMC) 對污染物濃度及其污染程度進行評估。由于地表徑流排放污染負荷的隨機性使單次降雨徑流污染負荷的代表性很差，所以通常采用的是年徑流污染負荷(Ly)。Ly可利用下式計算[4]：

(1)

式中：Ly為年降雨徑流污染負荷，T/a；0.001是單位轉換系數；Ri為年第i場降雨的徑流系數；A為集水區面積，km2；Pi為年第i場降雨的降雨量，mm；EMCi為第i場降雨的地表徑流全過程排放的某污染物的平均濃度，mg/L。由下式可計算出 EMC 的值。

在利用式(1)計算年降雨徑流污染負荷時，需要知道一年內每場降雨徑流的徑流量與EMC，這是很難做到的，于是在計算過程中常采用多場降雨徑流污染的平均濃度(EMCs)。監測降雨次數越多，EMCs的代表性越強。因此，式(1)可以簡化為：

Ly=0.001EMCs·R·A·P

(3)

式中：EMCs為事件平均濃度年均值，mg/L；R為研究區域的年徑流系數；P為研究區域的年降雨量，mm。

每年中多次降雨并非每次降雨都產生徑流，有學者提出了于對不產生地表徑流的降雨進行校正的因子[6-7]。因此，對于多場降雨的年污染負荷計算公式(3)轉化為下式：

Ly=0.001·EMCs·R·A·P·Cf

(4)

式中，Cf為地表徑流的校正因子，如果一年中90%的降雨產生徑流，則取值為0.9。

1.2 城市徑流污染負荷估算更新方法

在實際工作中，每年對每次降雨城市徑流污染監測進行比較困難，可通過降雨量、匯水區面積的變化情況，以已知基準年的城市徑流污染物排放量為基礎，估算當年的城市徑流污染物排放量，具體見下式：

以上更新系數均為更新年數值和基準年數值的比值。徑流系數更新R'和事件平均濃度年均值更新系數EMC′s本文取常數1。因此，式(5)可簡化為下式：

2 北京市城市徑流污染負荷更新

2.1 基準年城市徑流污染負荷估算

選取北京市街道路面和園林綠地為研究下墊面，以2008年城市徑流污染負荷為基準年參照值，估算污染物負荷。各因子使用情況具體說明如下：

(1)徑流校正系數Cf取值0.9。

(2)排水區域徑流系數R，不同下墊面徑流系數不同，本文采取文獻參考值，見表1。

表1 北京市徑流系數取值參照表[8]

(3)事件平均濃度(EMC)。計算年降雨徑流污染負荷時，需要知道一年內每次降雨徑流的徑流量與EMC，這是很難做到的，因此計算過程中常采用多場降雨徑流污染的平均濃度。本文采用西城區、海淀區、朝陽區、房山區、石景山設定的10個采樣點(街道路面7個，園林綠地3個)，對2008年3月至2009年6月共進行的9場降雨事件平均濃度(EMC)取其平均值作為事件平均濃度年均值(EMCs)，詳見表2。

表2 事件平均濃度年均值(EMCs)

(4)年降水量P，可通過氣象、水文、統計等部門獲得。北京市統計年鑒顯示2008年北京市降水量數據為626.3mm。

(5)下墊面面積A，可通過北京市統計年鑒獲得，見表3。

表3 各下墊面面積估算

根據公式(4)和以上的數值，可得出北京市2008年中心城城市徑流污染物排放量，詳見表4。

表4 2008年北京市中心城徑流污染濃度排放量

2.2 污染負荷更新

對基準年城市徑流污染負荷更新，需了解更新年不同下墊面面積和降雨量，本文采用北京市統計年鑒中清潔街道路和園林綠地面積、降雨量數據，來更新2009-2012年城市徑流污染負荷，下墊面面積和降雨量變化情況詳見圖1。

圖1 下墊面面積和降雨量變化情況

采用公式(6)，估算出2009-2012年北京市街道路面和園林綠地的降雨徑流污染負荷，詳見表5。由表5可以看出，2009 -2012年，隨著面積和降雨量的增加，街道路面和園林綠地降雨徑流有機物和營養鹽污染負荷呈增加趨勢。

3 結 語

污染源清單動態更新是污染源防治工作的基礎。城市徑流污染負荷估算的方法有很多種[7，9-17]，采用事件平均濃度估算是一種常用、便捷、可行的方法。本文在估算基準年城市徑流污染負荷的基礎上，引入面積和降雨量更新系數，更新了2009-2012年北京市街道路面和綠地的徑流污染負荷。因城市面源污染產生機理復雜，野外監測難度大，影響污染源動態更新的精度。今后為更加準確、及時實現城市徑流污染源更新，一方面應加強城市面源污染負荷估算方法的基礎研究，建立切實可行的更新機制，另一方面需要加強面源污染監測網絡建設，建立數據共享平臺，為城市面源污染控制提供更好的數據支撐。

表5 北京市中心城區污染負荷更新

參考文獻：

[1]Dikshit A K，Loucks D P.Estimation Nonpoint Pollutant Loadings.In：A Geographical Information Based Nonpoint Source Simulation Model.J Environ Sys，1996，24(4)：395-408.

[2]US EPA.National water quality inventory.Report to Congress Executive Summary.Washignton D C：US EPA ，1995：497.

[3]李立青，尹澄清，何慶慈，等.武漢市城區降雨徑流污染負荷對受納水體的貢獻[J].中國環境科學，2007，27(3)：312-316.

[4]尹澄清，等.城市面源污染的控制原理和技術[M].第一版.北京：中國建筑工業出版社，2009：53-54.

[5]US EPA.Results of the nationwide urban runoff program[R].Washington，D.C.U.S.Environment al Protection Agency，1983.

[6]Akan A O.Urban Storm water Hydrology[M].USA：Technomic Publishing Company Inc.，1993.

[7]李家科，李亞嬌，李懷恩.城市地表徑流污染負荷計算方法研究[J].水資源與水工程學報，2010，21(2)：5-13.

[8]吳林祖，洪亞華.杭州市區暴雨徑流系數初析[J].中國給水排水，1989，5(3)：24-28.

[9]胡成潘，美霞.城市非點源污染負荷估算研究[J].氣象與環境學報，2006，22(5)：14-18.

[10]樊在義，宋兵魁，楊勇，等.非點源污染負荷估算方法探討[J].環境科學導刊，2011，30(3)：1-6.

[11]金蕾，華蕾，荊紅衛，等.非點源污染負荷估算方法研究進展及對北京市的應用[J].環境污染與防治，2010，32(4)：72-78.

[12]李懷恩.估算非點源污染負荷的平均濃度法及其應用[J].環境科學學報，2000，20(4)：397-400.

[13]李強坤，李懷恩，孫娟，等.基于有限資料的水土流失區非點源污染負荷估算[J].水土保持學報，2008，22(5)：181-185.

[14]梁博，王曉燕，曹利平.我國水環境非點源污染負荷估算方法研究[J].吉林師范大學學報(自然科學版)，2004(3)：58-61.

[15]楊玨，錢新，張玉超，等.兩種新型流域非點源污染負荷估算模型的比較[J].中國環境科學，2009，29(7)：762-766.

[16]齊苑儒，李懷恩，李家科，等.西安市非點源污染負荷估算[J].水資源保護，2010，26(1)：9-13.

[17]卓慕寧，王繼增，吳志峰，等.珠海城區暴雨徑流污染負荷估算及其評價[J].水土保持通報，2003，23(5)：35-38.