城市水土流失監(jiān)測探討

國 銘，李 錚

(延慶縣水土保持工作站，北京延慶 102100)

目前，我國處在城市化高度發(fā)展時(shí)期。城市的快速擴(kuò)張主要占用的是周邊耕地，且擴(kuò)張后的城市用地以硬化形式為主，這就使得在相同降雨情況下水土流失量增加。我國關(guān)于城市區(qū)域地表徑流及周邊受納水體環(huán)境的研究日益增多，但目前幾乎還未有系統(tǒng)的城市水土流失監(jiān)測資料。鑒于此筆者試圖通過分析城市非點(diǎn)源污染的主要污染物、地表徑流量、區(qū)域特性，引入城市水土流失監(jiān)測系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)城市非點(diǎn)源污染的有效控制提供可靠、實(shí)時(shí)的觀測數(shù)據(jù)，以保護(hù)城市地表水資源和水環(huán)境質(zhì)量。

1 城市水土流失特征

城市交通、商業(yè)、居住區(qū)域地面硬化率極高，透水界面所占比例極低，一次降雨過程結(jié)束后，徑流匯集快，由地下雨水收集管網(wǎng)排入受納水體，所以城市水土流失主要以水的流失為主。另外，在暴雨和其他強(qiáng)降水過程中，雨水會(huì)從不透水地面(由瀝青、塑料、混凝土等建造)以及屋頂流入下水管道，而不是由土壤進(jìn)行過濾。城市大面積的硬化地表阻礙了雨水的下滲，縮短了地表徑流的匯集時(shí)間，致使地下水位降低和城市洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。硬化地表(道路、停車場和人行道)是在城市建設(shè)過程中形成的，而大多數(shù)城市的排水系統(tǒng)會(huì)將未處理的雨水排入周邊受納水體。城市雨水徑流中含有大量的污染物，其初期徑流的污染負(fù)荷遠(yuǎn)高于城市生活污水［1］，由非點(diǎn)源引起的水環(huán)境污染已成為當(dāng)前城市水環(huán)境綜合治理中亟待解決的主要問題之一。

1.1 流失量特征

美國國家環(huán)境保護(hù)局關(guān)于不透水地表與城市徑流的數(shù)據(jù)關(guān)系如表1所示。由于城市雨水被引入下水管道，地表水的自然滲透就減少了，徑流量和流速就會(huì)增加。事實(shí)上，如果大小相同，一個(gè)典型城市的不透水覆蓋層阻止地表水滲入地下的能力是一個(gè)典型林地的5.5 倍。

表1 自然用地與城市用地降水利用數(shù)據(jù)

北京市城區(qū)面積達(dá)750 km2［2］，假設(shè)北京市區(qū)硬化面積占總面積的70%，多年平均降雨量為587 mm，以表1數(shù)據(jù)計(jì)算，則北京市平均每年在硬化區(qū)域產(chǎn)生的地表徑流量達(dá)到1.69億m3。

1.2 污染物特征

城市地表徑流流過不透水的硬化地表往往會(huì)從道路和停車場帶走汽油、機(jī)油、重金屬、垃圾和其他污染物，從草坪帶走化肥和農(nóng)藥。道路和停車場是鎳、銅、鋅、鎘、鉛和多環(huán)芳烴的主要來源地，這是汽油和其他礦物燃料燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)品［3］;屋頂雨水內(nèi)含有大量的有機(jī)化合物與鋅(由鍍鋅水槽產(chǎn)生)，住宅區(qū)的草坪、公園和高爾夫球場中使用的化肥是硝酸鹽和磷的一個(gè)重要來源地。

我國的蘭州、北京、武漢以及美國的城市地表徑流各主要污染物濃度［4］見表2。由表2可以看出，與美國相比，我國城市非點(diǎn)源污染各主要污染物平均濃度偏高，且各主要污染物平均濃度均遠(yuǎn)高于我國地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)［5］和城鎮(zhèn)二級(jí)污水處理廠二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)［6］。以北京為例，SS(懸浮物)、COD(化學(xué)需氧量)、TP(全磷)、TN(全氮)的超標(biāo)倍數(shù)分別為24.47、14.55、4.35 和 5.6，說明我國城市非點(diǎn)源污染非常嚴(yán)重。

表2 城市(國家)非點(diǎn)源污染主要污染物濃度 mg/L

1.3 流失區(qū)域特征

我國南方城市、北方城市，以及特大城市、中等城市的道路、屋面徑流中主要污染物濃度見表3［7］。由表3可以看出，我國城市非點(diǎn)源污染具有一定的地域性特征，如屋面徑流和路面徑流，特大城市的污染程度均高于中等城市;南方城市道路徑流污染物濃度較北方城市高，而北方城市屋面徑流污染物濃度較南方城市高。

歐陽威等［8］分別對(duì)4場降雨事件在3類不同下墊面條件下的徑流出流規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測，在同場次降雨事件中，不同下墊面透水性的強(qiáng)弱對(duì)徑流的沖刷效應(yīng)有直接影響。草地屋頂較瀝青路面與硬質(zhì)屋頂徑流量相對(duì)少，對(duì)累積污染物質(zhì)沖刷力弱，因此草地屋頂徑流中除TP外，其他4類污染物的初始濃度都要低于其在瀝青路面和硬質(zhì)屋頂徑流中的濃度，這也說明草地屋頂對(duì)這些污染物質(zhì)能夠起到削減作用。

表3 我國城市道路、屋面雨水徑流污染物濃度 mg/L

2 城市水土流失的監(jiān)測方法

最近10年我們對(duì)水土流失的監(jiān)測主要通過監(jiān)測站點(diǎn)與相應(yīng)技術(shù)及軟件結(jié)合計(jì)算該地區(qū)的水土流失量及污染物流失量。以北京為例，監(jiān)測站點(diǎn)主要對(duì)坡地徑流觀測小區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，然后通過“3S”技術(shù)及北京市水土流失監(jiān)測管理系統(tǒng)，計(jì)算北京市全年的水土流失量和污染物流失量。監(jiān)測站點(diǎn)中的坡地徑流觀測小區(qū)主要以耕地、荒坡地、水保措施用地等為主，對(duì)城市等硬化地區(qū)的水土流失及污染物流失情況的監(jiān)測未列入監(jiān)測系統(tǒng)中，現(xiàn)有監(jiān)測站點(diǎn)見表4。

表4 北京市坡地徑流觀測場

2.1 水土流失監(jiān)測系統(tǒng)

以北京為例，水土流失監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是摸清水土流失及非點(diǎn)源污染狀況，進(jìn)行治理效益及開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失觀測，發(fā)布地區(qū)水土流失公報(bào)，最終為水土流失預(yù)測及治理決策提供數(shù)據(jù)支持。主要用“3S”技術(shù)進(jìn)行宏觀監(jiān)測，通過坡地徑流小區(qū)觀測、溝道控制站觀測、小流域觀測及現(xiàn)場調(diào)查進(jìn)行微觀監(jiān)測，通過水土流失預(yù)測模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，主要監(jiān)測內(nèi)容如表5所示。

表5 北京市水土流失監(jiān)測指標(biāo)

2.2 城市水土流失監(jiān)測

可以參照坡地徑流觀測小區(qū)的方式，在城市中選取商業(yè)區(qū)、住宅區(qū)、交通區(qū)、工業(yè)區(qū)4種不同類型用地監(jiān)測區(qū)域，選擇集水口為樣品采集點(diǎn)或安裝自動(dòng)采樣系統(tǒng)，4類監(jiān)測區(qū)域中間設(shè)置小型氣象觀測站，對(duì)降雨過程進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，監(jiān)測項(xiàng)目主要有氣象指標(biāo)、水土流失量、TP、TN、COD、SS;環(huán)保部門可以根據(jù)情況加測Pb、NH3－N、Cu等，衛(wèi)生部門可加測細(xì)菌數(shù)等。

城市水土流失監(jiān)測作為分項(xiàng)并入各省市水土流失監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。通過對(duì)我國大中小城市的水土流失監(jiān)測，進(jìn)一步完善水土流失數(shù)據(jù)類型，填補(bǔ)我國城市水土流失數(shù)據(jù)庫的空白。

圖1 水土流失監(jiān)測系統(tǒng)簡圖

3 結(jié)語

(1)由于種種原因，我國大部分城市硬化面積巨大、非點(diǎn)源污染嚴(yán)重，各級(jí)政府對(duì)于水土流失及水環(huán)境污染問題已經(jīng)有了新的認(rèn)識(shí)，并著力加以解決。引入城市水土流失監(jiān)測體系，是為了更好地完善水土流失數(shù)據(jù)庫建設(shè)，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)各種土地使用類型的監(jiān)測，真實(shí)反映我國水土流失的程度及特點(diǎn)。

(2)我國城市非點(diǎn)源污染物以SS、COD和營養(yǎng)物質(zhì)為主，污染呈現(xiàn)較明顯的地域性特征，特大城市污染程度高于中等城市，屋面及路面徑流污染物濃度也具有一定的地域性特征，南方城市道路徑流污染物濃度高于北方城市，而北方城市屋面徑流污染物濃度高于南方城市［4］。因此，各個(gè)地區(qū)可以根據(jù)城市的發(fā)展情況確定監(jiān)測區(qū)域和面積，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)查，利用小區(qū)域的水土流失數(shù)據(jù)，通過“3S”技術(shù)、水土流失數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，測算當(dāng)?shù)爻鞘兴亮魇闆r，為城市有效保護(hù)水土資源和控制非點(diǎn)源污染提供支撐，為城市的發(fā)展決策提供切實(shí)可靠的數(shù)據(jù)幫助。

(3)今后，在城市規(guī)劃和發(fā)展上，要充分考慮水土流失和非點(diǎn)源污染等問題，強(qiáng)化硬化區(qū)域與植被區(qū)域相融合、工程措施與非工程措施相結(jié)合的建設(shè)理念，加強(qiáng)受納水體保護(hù)與植被緩沖帶建設(shè)，有效控制城市水土流失和污染物流失。

相信，隨著對(duì)城市非點(diǎn)源污染問題的深入研究，國內(nèi)外技術(shù)交流的進(jìn)一步增加，群眾環(huán)保意識(shí)的進(jìn)一步提高，城市水土流失和非點(diǎn)源污染終將得到有效控制。

［1］葉閩，楊國勝，張萬順，等.城市面源污染特性及污染負(fù)荷預(yù)測模型研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2006，29(2):67－69.

［2］季崇蘋，劉偉東，軒春怡.北京城市化進(jìn)程對(duì)城市熱島的影響研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2006，49(1):69 －77.

［3］洪克險(xiǎn).論面源污染控制在城市水污染治理中的重要性——上海面源污染現(xiàn)狀及思考［J］.污水處理，2008(10):55－58.

［4］丁程程，劉健.中國城市面源污染現(xiàn)狀及其影響因素［J］.中國人口· 資源與環(huán)境，2011，21(3):86－89.

［5］GB 3838—2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］GB 8978—1996，污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［7］趙劍強(qiáng).城市地表徑流污染與控制［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002:11－40.

［8］歐陽威，王瑋，郝芳華，等.北京城區(qū)不同下墊面降雨徑流產(chǎn)污特征分析［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2010，30(9):1249－1256.