我國(guó)面源污染治理理論和措施研究綜述

葛銘坤

(蘇州市水利建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

環(huán)境污染分為點(diǎn)源污染與面源污染，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)面臨著極其嚴(yán)重的工業(yè)廢水和城市污水的污染問(wèn)題，近年來(lái)隨著點(diǎn)源污染的治理逐見成效，面源污染的比重在日益提高，在美國(guó)甚至已經(jīng)達(dá)到總污染量的2/3[1]。因此，研究面源污染的特征、規(guī)律、計(jì)算方法及削減措施等，對(duì)改善水環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展有重大意義。

2 面源污染概念闡釋

2.1 概念闡釋

面源污染，即非點(diǎn)源污染，可定義為溶解的或固體的污染物從非特定地點(diǎn)通過(guò)徑流過(guò)程而匯入受納水體引起的水體污染[2]，不同于點(diǎn)源污染，其沒(méi)有固定的污染排放點(diǎn)。面源污染主要包括城市面源污染和農(nóng)業(yè)面源污染，典型的城市面源污染是指雨水徑流污染，具體表現(xiàn)為市政泵站的排江污染，農(nóng)業(yè)面源污染包括農(nóng)田徑流和滲漏、農(nóng)村地表徑流、農(nóng)村生活污水、農(nóng)村固體廢棄物、畜禽水產(chǎn)等養(yǎng)殖等造成的污染。

2.2 特征分析

2.2.1城市面源污染

城市面源污染主要是由降雨徑流的淋浴和沖刷作用產(chǎn)生的，城市降雨徑流主要以合流制形式，通過(guò)排水管網(wǎng)排放，徑流污染初期作用十分明顯，具體有如下一些特征[3]：

(1)硬質(zhì)化路面及屋頂占城市的下墊面比例很高，徑流系數(shù)較大，形成徑流的時(shí)間短，地下入滲量小，對(duì)污染物的沖刷強(qiáng)烈。

(2)城市面源雨水徑流主要分為屋面徑流和路面徑流。屋面徑流污染源主要為屋面沉積物，影響因素主要為屋面材料性質(zhì)；路面徑流主要污染源為路面沉積物。

(3)面源負(fù)荷來(lái)源主要為：屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城區(qū)雨水口的垃圾和污水、汽車產(chǎn)生的污染物、大氣干濕沉降等。其中產(chǎn)生負(fù)荷影響較大為雨水口的垃圾和污水。

2.2.2農(nóng)業(yè)面源污染

農(nóng)業(yè)面源污染是最為重要且分布最為廣泛的面源污染，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的氮素和磷素等營(yíng)養(yǎng)物、農(nóng)藥以及其他有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物，通過(guò)農(nóng)田地表徑流和農(nóng)田滲漏形成地表和地下水環(huán)境污染，具有以下特征[4]：①污染來(lái)源的分散性、復(fù)雜性以及溯源的困難性；②污染物排放的不確定性和隨機(jī)性；③污染物以水為載體，其產(chǎn)流、匯流特征具備較大的空間異質(zhì)性；④污染物具有量大和低濃度特征，難治理，成本高，見效慢。

3 面源污染的計(jì)算方法

3.1 排污系數(shù)法計(jì)算

地表徑流污染負(fù)荷是指由一場(chǎng)降雨或一年中的多場(chǎng)降雨所引起地表徑流排放的污染物的總量。由一場(chǎng)降雨所引起地表徑流排放的污染物的總量稱為次降雨污染負(fù)荷，可采用排污系數(shù)法計(jì)算[5]。

3.1.1基于平均濃度法估算城市地表徑流污染負(fù)荷

徑流平均濃度EMC(event mean concentration)”定義為：任意一場(chǎng)降雨引起的地表徑流中排放的某污染物質(zhì)的質(zhì)量除以總的徑流體積。EMC可根據(jù)多次降雨求平均獲得，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Cj—j時(shí)刻污染物濃度，Vj—j時(shí)刻的徑流量。

因此，場(chǎng)次降雨的污染負(fù)荷可確定為：

Li=EMCi·Vi

(2)

式中，Li—場(chǎng)次降雨污染負(fù)荷產(chǎn)生量。

3.1.2基于Johnes輸出系數(shù)模型估算城市地表徑流污染負(fù)荷

Johnes(1996)經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐，基于以往的長(zhǎng)期實(shí)踐和工作經(jīng)驗(yàn)提出了輸出系數(shù)模型。該模型可全面計(jì)算營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失量和收納水體污染負(fù)荷。即：

(3)

式中，L—營(yíng)養(yǎng)物流失量；m—土地利用類型數(shù)目；n—營(yíng)養(yǎng)源數(shù)目；Eij—i類型j營(yíng)養(yǎng)源對(duì)應(yīng)的輸出系數(shù)；Ai—對(duì)應(yīng)的i土地利用類型面積或i牲畜或人口數(shù)量；Ii—營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入量；P—降雨輸入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

Eij根據(jù)土地利用類型來(lái)分別處理，對(duì)于城市土地利用類型來(lái)說(shuō)，應(yīng)考慮居民地人口密度等因素對(duì)污染物貢獻(xiàn)率的差異，可用下式計(jì)算：

Eh=365Dca×H×M×B×Rs×C

(4)

式中，Eh—人口的氮磷年輸出量；Dca—每人的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸出量；H—流域的人口數(shù)量；M—污水處理過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的機(jī)械去除系數(shù)；B—污水處理過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生物去除系數(shù)；Rs—過(guò)濾層營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滯留系數(shù)；C—有解吸情況發(fā)生的去除系數(shù)。

3.1.3公路路面徑流污染負(fù)荷估算

Chui等(1982)通過(guò)對(duì)美國(guó)華盛頓州9個(gè)不同情形的公路斷面徑流進(jìn)行測(cè)試，開發(fā)了用于預(yù)測(cè)公路路面徑流水質(zhì)的華盛頓州模型：

TSS=K×VDS×RC

(4)

SPL=P×TSSL

(5)

式中，TSSL—路面徑流總懸浮固體負(fù)荷，kg/km；VDS—降雨期間累計(jì)交通流量，輛；RC—平均徑流系數(shù)；SPL—除TSS的其他污染負(fù)荷，kg/km；K—TSS徑流產(chǎn)率，取經(jīng)驗(yàn)值1.8kg/(km/千輛)；P—某污染物與TSS比率。

由于雨天時(shí)的VDS為降雨歷時(shí)與降雨期間平均交通流量的乘積，說(shuō)明K值一定時(shí)，公路排污負(fù)荷僅與年降雨量歷時(shí)有關(guān)。

對(duì)于汽車交通，TSS表現(xiàn)出與降雨過(guò)程交通流量較強(qiáng)相關(guān)性(趙劍強(qiáng)，2002)：

TCTSS=0.86VDS-649.9

(6)

r2=0.93

(7)

式中，TCTSS—汽車交通對(duì)TSS負(fù)荷的貢獻(xiàn)值，mg/m3。

3.2 水量水質(zhì)耦合模型計(jì)算

為模擬研究區(qū)非點(diǎn)源污染負(fù)荷的時(shí)空分布，建立分布式的非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算模型[6]。該模型包括污染負(fù)荷產(chǎn)生模塊和入河模塊兩部分。污染負(fù)荷產(chǎn)生模塊用于計(jì)算流域內(nèi)的水、泥沙以及各種污染物質(zhì)的產(chǎn)生量，其中污染物質(zhì)包括吸附態(tài)和溶解態(tài)等兩種類型。污染物入河模塊用于計(jì)算流域中的污染物在水動(dòng)力作用下進(jìn)入河道的徑流量和污染物濃度。

3.2.1污染物產(chǎn)生模塊

非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型中的污染物產(chǎn)生模塊包括降雨產(chǎn)流過(guò)程、土壤侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程和污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程的計(jì)算，模擬過(guò)程中的污染物質(zhì)主要考慮氮和磷。分布式模型以柵格為基本計(jì)算單元。

污染物產(chǎn)生模塊的計(jì)算過(guò)程分為三個(gè)部分，具體流程如圖1所示。

第一部分：根據(jù)研究流域的降雨、潛在蒸發(fā)、土地利用、土壤類型等地理自然資料，采用三水源新安江模型模擬網(wǎng)格單元中的土壤降雨產(chǎn)流過(guò)程，計(jì)算流出柵格單元的地表徑流深。

第二部分：利用流域土地利用、土壤類型、DEM等流域自然資料和計(jì)算得到的地表徑流深結(jié)果，采用修正的通用土壤侵蝕方程(MUSLE)估算泥沙流失量，并估計(jì)吸附態(tài)污染負(fù)荷；根據(jù)流域人口、畜禽養(yǎng)殖、施肥水平等社會(huì)狀況和土地利用、土壤類型等地理自然資料，采用累積-沖刷模式計(jì)算溶解態(tài)污染負(fù)荷。

第三部分：根據(jù)各網(wǎng)格的污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各網(wǎng)格溶解態(tài)和吸附態(tài)污染物負(fù)荷在不同時(shí)段的總量，得到各網(wǎng)格污染負(fù)荷的時(shí)間序列，然后進(jìn)一步計(jì)算整個(gè)研究區(qū)非點(diǎn)源污染物負(fù)荷量的時(shí)間序列。

3.2.2污染物入河模塊

非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型中的入河模塊主要考慮土壤(地下水)匯流模塊和地表水匯流模塊，如圖2所示。降雨徑流過(guò)程中，地表徑流以地表水模塊進(jìn)行匯流，土壤徑流和地下徑流以土壤(地下水)模塊進(jìn)行匯流。

圖1 時(shí)間序列非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算原理

圖2 匯流模塊流程圖

流域匯流主要包含兩個(gè)部分：網(wǎng)格匯流和子流域出口匯流。網(wǎng)格本身的地表匯流采用簡(jiǎn)單的無(wú)因次單位線方法。子流域出口匯流分地表和地下(土壤)兩部分，地表匯流采用山坡單元運(yùn)動(dòng)波方法計(jì)算匯流時(shí)間，地下(土壤)直接采用水箱模型的計(jì)算結(jié)果。

受到地形條件影響，以及自身的沉降和揮發(fā)等，匯流過(guò)程中污染物濃度會(huì)發(fā)生變化。在計(jì)算流域出口排污前，先計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的污染物濃度，然后再根據(jù)污染物匯流過(guò)程中的衰減比例來(lái)計(jì)算各自流域最終排入主干河道的污染負(fù)荷和濃度。原理示意如圖3所示。

圖3 污染物入河模塊示意圖

流域出口污染物濃度

污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)發(fā)生沉降、揮發(fā)和降解等，可以將處理單元概化成污水處理廠、下水道、凈化槽、地表水和土壤(地下)水五種。本研究考慮地表水和地下(土壤)水兩種基本模式，并依照土地利用類型設(shè)定處理系數(shù)，即污染物的凈化率。

TN=〔(1-FNS)·CNS·qs+(1-FNG)·CNG·(q-qs)〕×3.6/area

(8)

TP=〔(1-FPS)·CPS·qs+(1-FPG)·CPG·(q-qs)〕×3.6/area

(9)

式中，TN、TP—出口處對(duì)應(yīng)的污染物負(fù)荷，t；FNS、FPS—地表水、地下水的處理系數(shù)，不同土地利用類型處理系數(shù)不同；FNG、FPG—地表水、地下水的處理系數(shù)，由于地下水流動(dòng)緩慢，分別設(shè)置為0.85和0.95。q、qs—總出流量和地表出流量，m3/s;area—對(duì)應(yīng)的子流域面積，km2

4 面源污染減排與水環(huán)境容量提升目標(biāo)確定

4.1 水環(huán)境容量分析計(jì)算

水環(huán)境容量是在水資源利用水域內(nèi)，在給定的水質(zhì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)流量和水質(zhì)條件的情況下，水體所能容納污染物的最大數(shù)量。水環(huán)境容量的確定是水污染物實(shí)施總量控制的依據(jù)，是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)。

水環(huán)境容量的計(jì)算方法有解析法、試錯(cuò)法、系統(tǒng)分析法和概率稀釋模型法，其中以解析法應(yīng)用最為廣泛和普及[7-10]。

4.2 面源污染負(fù)荷分析及源解析

對(duì)河道污染的來(lái)源進(jìn)行解析是制定水質(zhì)改善和提升計(jì)劃的基礎(chǔ)前提條件，也是制定各類污染防治工程的依據(jù)。通過(guò)解析城市河道特征污染物的主要來(lái)源及其負(fù)荷，重點(diǎn)分析漏排點(diǎn)源污染、城市下墊面地表徑流污染、污水截排系統(tǒng)溢流等污染源的排放規(guī)律，量化各污染源對(duì)總?cè)牒游廴矩?fù)荷的貢獻(xiàn)比率，建立河道控制斷面水質(zhì)對(duì)入河污染負(fù)荷的響應(yīng)關(guān)系，明確該區(qū)污染負(fù)荷削減是河道水質(zhì)改善關(guān)鍵策略[11]。

通過(guò)對(duì)降雨前后河道污染負(fù)荷的差值計(jì)算，可獲得城市地表徑流污染負(fù)荷通量變化，對(duì)河道本身在產(chǎn)污單元的輸入和輸出斷面污染負(fù)荷進(jìn)行比較，可獲得城市點(diǎn)源污染和面源污染負(fù)荷總量。

污染物量=流量×污染物濃度-降雨中污染物量

控制斷面2污染通量-控制斷面1污染通量=點(diǎn)源污染通量+面源污染通量

4.3 入河污染負(fù)荷目標(biāo)削減量計(jì)算

通過(guò)計(jì)算研究區(qū)的水環(huán)境容量和流域污染負(fù)荷現(xiàn)狀，確定研究區(qū)的污染承受能力，用于指導(dǎo)后期工程任務(wù)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)施。

入河污染負(fù)荷的目標(biāo)削減量按入河量與水環(huán)境容量之差來(lái)計(jì)算。具體的水體污染可能來(lái)源于生活污水排放、工業(yè)廢水、養(yǎng)殖廢水、農(nóng)田面源污染等方面，需要結(jié)合污染物入河分析對(duì)各河流進(jìn)行水環(huán)境容量核算，并對(duì)各條河流的各種污染源均提出相應(yīng)的削減量，用于指導(dǎo)后期面源污染工程的種類和規(guī)模的核算，以實(shí)現(xiàn)水環(huán)境提升。

5 面源污染削減措施

5.1 工程性措施

通過(guò)工程技術(shù)手段控制面源污染，包括三個(gè)方面：源頭控制、中途控制、末端控制。

一是源頭控制，指在雨水進(jìn)入溝道系統(tǒng)之前進(jìn)行的各種處理，包括各種控制污染物的措施。針對(duì)城市面源污染的如下沉式綠地、透水鋪裝、緩沖帶、生態(tài)護(hù)岸等；針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的如采用新型緩控釋肥、按需施肥技術(shù)、調(diào)整種植制度等措施減少化肥用量[12-14]。

二是中途控制，通過(guò)研究雨水徑流污染物輸送和擴(kuò)散機(jī)理，采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p少污染物排入地下或地表水體的數(shù)量。針對(duì)城市面源污染的如路邊的植被淺溝、植被截污帶、雨水截留、初期雨水棄流等；針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的如農(nóng)田內(nèi)部的攔截技術(shù)[15]、污染物離開農(nóng)田后的攔截阻斷技術(shù)[16]。

三是末端控制，通過(guò)自然生態(tài)技術(shù)或人工凈化技術(shù)來(lái)降解帶入水體的徑流污染物。針對(duì)城市面源污染的如雨水沉淀池、氧化塘、濕地系統(tǒng)等[17]；針對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的如污染物中養(yǎng)分的循環(huán)利用技術(shù)等。

通過(guò)多級(jí)治理，逐級(jí)控制，將面源污染通過(guò)綠色結(jié)構(gòu)或灰色結(jié)構(gòu)每一級(jí)處理后排放入河，基于源頭控制、中途控制、末端控制的治理路徑對(duì)雨水徑流污染進(jìn)行層層削減，如圖4所示。

5.2 非工程性措施

制度建立、法規(guī)教育和污染物預(yù)防措施等非工程措施對(duì)源頭污染物控制具有十分重要的作用，如法律法規(guī)建設(shè)、公眾教育、清理雨污混接、泵站運(yùn)行管理、無(wú)害化農(nóng)藥使用、加強(qiáng)路面清掃、衛(wèi)生監(jiān)管到位等措施[18]均可有效地從源頭上大大減少污染物的產(chǎn)生和累積，從而減少后續(xù)治理的難度和費(fèi)用支出。

圖4 基于源頭控制、中途控制、末端控制的逐級(jí)治理路徑

6 結(jié)論

我國(guó)對(duì)面源污染的關(guān)注與治理起步較晚，目前缺乏對(duì)面源污染的系統(tǒng)研究，但面源污染占總污染源的比重在日益提高，需要引起人們的高度重視。在技術(shù)上進(jìn)一步開展面源污染的機(jī)理研究，探索更加經(jīng)濟(jì)、有效、適應(yīng)于不同地域的削減措施，在政策上完善優(yōu)化排水體制，加強(qiáng)法律法規(guī)和民眾教育建設(shè)，從源頭上減少污染的產(chǎn)生。