影響大氣沉降對地表徑流污染有效貢獻的關鍵問題及研究趨勢

周文睿 杜紅云

摘 要：隨著城市化進程的加快，城市不透水面積在整個下墊面中的比例越來越高，由此導致的城市面源污染日益嚴重，對整個城市水環境造成了嚴重威脅。大氣沉降作為城市地表徑流污染的重要來源，其對城市面源水環境的污染貢獻不可小視。針對大氣環境污染與水環境污染，國內外學者都進行了大量研究工作。然而對于大氣污染對地表水環境的交叉污染特征及機理目前尚不明確。該文圍繞大氣污染在地表徑流水環境中的污染貢獻這一科學問題，詳細探討了該領域的研究現狀，進而分析了今后的研究重點及可能的研究方向。以期為我國城市面源水環境保護及相關處理措施的選擇提供參考。

關鍵詞：大氣沉降 ?地表徑流 ?貢獻

中圖分類號：P951 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0168-02

1 研究背景

當點源污染得到有效控制后，非點源污染日益突出，成為城市水環境污染的重要原因之一。隨著城市化的快速增長，城市地表徑流量迅速增加，約是相同面積自然區域的16倍。城市地表徑流含有大量的污染物質，可以對受納水體造成嚴重污染。由城市地表徑流引起的水環境污染已引起國際社會的高度重視，尤其是在中國這樣的發展中國家，由于城市化的快速發展，使得城市非點源污染已成為水環境綜合治理中亟待解決的主要問題之一[1]。

而大氣沉降作為地表徑流污染的主要來源之一，對城市地表水環境構成了嚴重威脅。大氣中的重金屬、多環芳烴等污染物質通過干濕沉降持續大量地輸入到地表水環境中，對生態系統中的生物地球化學循環造成持久性的負面影響。由大氣沉降-地表徑流導致的城市面源交叉污染問題日益嚴重。因此，對大氣沉降在地表徑流污染中“源”的特征研究在城市水環境環境保護、雨水收集利用以及污染風險評估中顯得越來越重要。

由國際全球環境變化人文因素計劃（IHDP）發起的“城市化與全球環境變化”（U-GEC）科學計劃指出，開展城市地表環境系統研究，應在單要素研究的基礎上，加強系統的耦合作用研究。我國著名生態學家王如松院士以及環保部副部長吳曉青都曾公開強調關于加強水汽交叉污染的重要性。因此，對于城市非點源污染的控制與管理，應加強污染物質在“大氣環境-地表水環境”系統中的遷移轉化研究。

2 城市面源水汽交叉污染

國外對于城市面源污染的管理與研究開始的比較早，美國、英國、荷蘭等發達國家在20世紀70年代就已經對城市地表徑流開展了大量的測試及研究工作。其研究主要集中在單次降雨事件中污染物的濃度負荷、污染物質在地表的初期沖刷效應以及不同下墊面地表徑流污染的特征及影響因素、模型研究以及管理控制等方面。我國對城市地表徑流污染的研究起步于20世紀80年代，研究狀態比較零散，而且研究的時空連續性和系統性較差。研究內容主要集中在模型研究、徑流污染特征研究以管理控制措施等方面。但對于城市地表徑流尤其是屋面徑流污染來源的分析研究很少。尤其是對于大氣環境與地表徑流水環境的交叉污染研究非常薄弱。

城市徑流污染源主要有交通、大氣沉降、土壤侵蝕、建筑與拆遷活動、工業與商業活動、下墊面腐蝕等。大氣沉降作為一種污染物質由大氣遷移到地表的輸移方式，是地表徑流污染的重要來源[2]。尤其是在高度發展的城市地區，大氣沉降（尤其是重金屬、多環芳烴等）通量與污染負荷明顯高于農業地區，由其導致的地表徑流污染也較為嚴重。由于其對地表徑流水環境的多重影響，一直是世界范圍內普遍關注的環境問題。影響污染物質在地表下墊面-徑流水體系統中遷移轉化的因素有下墊面類型（材質、粗糙度、坡度）、雨水性質（EC、pH）、降雨條件（降雨強度、降雨量、持續時間、前期無雨天數）、污染物特征（種類、形態）等。對累積于地表的污染物質，許多科研工作者基于污染物質的“累積-沖刷”模式對其行為特征進行了研究。根據地表累積污染物質被沖刷出的特征不同，可以將其分為可沖刷（free load）和固著（fixed load）兩部分。其中可沖刷部分可在無刷擦條件下通過真空抽吸作用收集，而固著部分只有在刷擦后才能通過真空作用收集。由此可推斷，不同類型地表累積污染物質在降雨沖刷過程中進入徑流水體的程度也不同。一般情況下，小規模降雨只能將可沖刷部分攜帶進入徑流水體，而中-大規模降雨即可沖刷部分也可將部分固著態污染物質沖刷出來。

地表累積物的降雨沖刷過程是污染物質在地表徑流系統中遷移轉化的關鍵過程。該過程與降雨條件（降雨強度、持續時間等）、下墊面類型（材質、粗糙度）等因素密切相關。而在運移過程中，大氣濕沉降及部分被沖出的累積干沉降物質在下墊面表層-徑流水體固液界面發生形態變換及輸送轉移。該過程對有效評估大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻有著很大的影響，而目前仍然缺乏對該系統過程中污染物質遷移行為及響因素的研究。

3 大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻

大氣干沉降在無雨期累計于地表，從而在雨水沖刷過程中成為地表徑流污染的“源”。對于大氣沉降污染物質在地表徑流中貢獻特征及影響因素，國內外科研工作者都進行了相關探討。但已有研究均在假設無雨期累積于地表的污染物質能夠全部隨徑流流出的前提下進行，這在一定程度上過高估計了大氣干沉降的貢獻量。地表累積污染物質在降雨過程中的流出特征受到降雨強度、降雨持續時間及下墊面類型等因素的影響。部分累積污染物質在降雨沖刷下進入徑流，另一部分則在附著于下墊面表層，在隨后下墊面-徑流界面過程中發生系列物化變化。因此，明確累積污染物質在徑流沖刷過程中的流出百分數對評價大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻具有重要意義。

而濕沉降可直接體現在降雨徑流中，且濕沉降是地表徑流中溶解態污染物質的重要來源。污染物質本身的化學性質是其在“大氣沉降-地表徑流”系統中遷移轉化的主導機制，不同種類污染物質表現出不同的行為特征。在地表徑流過程中（尤其是降雨持續時間長且雨強低的降雨事件中），不同種類污染物質與下墊面材料或前期附著在下墊面材料表面的物質發生著不同程度物化反應過程（如吸附-解析，離子交換等）[3]，這在一定程度上影響著大氣濕沉降對地表徑流污染的貢獻量。

綜上，兩個關鍵過程影響著大氣沉降污染物質對地表徑流污染的貢獻程度（見圖1）：一是降雨對地表累積干沉降污染物質的沖刷;二是地表徑流過程中污染物質在下墊面-徑流水體界面的系列物化反應。這兩個過程的發生受到多種因素的制約，如降雨條件（降雨量、降雨持續時間、降雨強度、前期無雨天數）、下墊面類型（材質、坡度等）及雨水的理化性質（pH、EC）等[4]。

總結國內外有關大氣沉降與地表徑流的研究，申請者認為主要存在以下不足：（1）從城市環境污染物質循環角度來看，大部分研究只針對單個空間要素，缺乏對污染物在不同空間中的交叉污染研究，如污染物質在“大氣沉降-地表徑流”系統中的分布遷移特征等，地表徑流和大氣沉降目前仍處于兩個較為獨立的研究體系;（2）已有關于城市地表污染物質累積-沖刷的研究多是從宏觀角度探討污染物質的累積與沖刷特征及影響因素，而從微觀角度探討累積-沖刷過程中污染物質在“下墊面-徑流水體-徑流攜帶顆粒物”體系中的遷移與轉化特征的研究較少。而該微觀過程是合理評價大氣沉降對地表徑流水環境的污染貢獻的關鍵;（3）圍繞“大氣沉降在地表徑流污染中的貢獻”這一科學問題時，已有研究多在假設無雨期累積于地表的污染物質能夠全部隨徑流流出的前提下進行，且未考慮到地表輸運過程的界面變化（如吸附-解析，離子交換等）的影響，故所得貢獻率與實際發生偏差。

合理評價大氣沉降對地表徑流污染有效貢獻需要監測、模型及其他分析技術的綜合運用。而對大氣沉降污染負荷的估算目前還存在諸多不確定因素，如氣象條件等。探討大氣沉降對城市地表徑流污染有效貢獻問題屬于大氣環境、水環境等多學科交叉領域，與界面污染物質的生物地球化學循環過程，陸地表層系統微量元素遷移，水體污染的環境過程、機制與效應等熱點問題密切相關。在今后的科學研究中應該給與足夠的重視。

參考文獻

[1] Jia H， Lu Y， Yu S， et al. Planning of LID-BMPs for urban runoff control：The case of Beijing Olympic Village[J].Separation and Purification Technology，2012，84：112-119.

[2] Sabin L，Lim J，Stolzenbach K，et al. Contribution of trace metals from atmospheric deposition to stormwater runoff in a small impervious urban catchment[J].Water Research，2005，39：3929-3937.

[3] 常靜.城市地表灰塵-降雨徑流系統污染物遷移過程與環境效應[D].上海：華東師范大學博士學位論文，2007.

[4] Morselli L，Olivieri P，Brusori B，et al.Soluble and insoluble fractions of heavy metals in wet and dry atmospheric depositions in Bologna，Italy[J].Environmental Pollution， 2003，124（3）：457-469.