我國城市非點源污染特征及其模型應用探討

秦攀，雷坤，KHU Soon-Thiam，喬飛

1.北京師范大學水科學研究院，北京　1008752.中國環境科學研究院，北京　1000123.Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey，Guildford UK　GU2 7XH

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我國城市非點源污染特征及其模型應用探討

秦攀1，雷坤2*，KHU Soon-Thiam3，喬飛2

1.北京師范大學水科學研究院，北京1008752.中國環境科學研究院，北京1000123.Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey，Guildford UKGU2 7XH

摘要總結了城市非點源污染的定義，探討了城市非點源污染的種類、來源、危害、影響因素等特征。為估算城市非點源污染負荷，國外學者研發了許多模型，如SWMM、STORM、MOUSE等。但因我國城市非點源污染具有濃度高，來源多(包括城市道路、屋面、廣場、天然降雨、路邊垃圾、重點生活源、管網淤積等)，且主要來自于城市道路等特點，國內學者在應用國外模型計算城市非點源污染負荷時可能會遇到一些問題和困難。基于我國城市非點源污染特征及當前SWMM模型在我國的應用，提出了我國在應用模型模擬計算城市非點源污染時需注意的模型參數取值及驗證、模擬污染物類型選取、基礎資料獲取等相關問題，并展望了我國未來城市非點源污染的研究方向。

關鍵詞城市非點源污染；來源；危害；影響因素；模型

近年來，隨著人們環保意識的加強，國家對環保重視程度的提高，環境污染正得到廣泛有效的治理。但在目前治理過程中，集中處理的主要是城市生活污水、工業廢水等，量大面廣的城市非點源污染一直未能引起足夠重視[1]。且隨著中國城市化進程的不斷加快，不透水地面面積的快速增長直接導致雨水徑流量的增加，使徑流中的眾多污染物經城市排水系統進入受納水體，造成了嚴重的水體污染和生態破壞[2]。

國外城市非點源(urban non-point source，UNPS)污染研究起步較早，美國、英國、荷蘭等在20世紀70年代就對城市地表徑流開展了大量測試及研究[3]。1984年，美國國家環境保護局(US EPA)在向國會的報告中指出，非點源(NPS)污染已成為美國水污染問題的主因[4]；1988年，US EPA在向國會的報告中聲明，城市雨水徑流已成為引起河流和湖泊污染的第三和第四影響因素[5]；1992年，US EPA又將城市雨水徑流對湖泊和河口的危害程度提升到了第2位，對河流的則提升至第3位[6]。為解決UNPS污染，國外先后開發了一系列用于計算UNPS污染負荷的模型，如SWMM(storm water management model)、HSPF(hydrological simulation program-fortran)、STORM(storage, treatment, overflow, runoff model)、MOUSE(model for urban sewers)等，并取得了系列研究成果。而我國UNPS污染研究始于北京城市雨水徑流污染研究[7]，之后在杭州[8]、蘇州[9]等地均有開展。雖然國內學者[1,7,10-11]已對UNPS污染展開了系列監測與模擬，但只局限于一些大城市。目前我國關于UNPS污染的問題依舊缺少類似污染源普查的全國范圍的調研[12]，也鮮有相關法律法規的規定[13]。

筆者在總結UNPS污染特征的基礎上，依據當前UNPS污染模型的應用，提出了我國在應用模型模擬計算UNPS污染時需注意的問題，以期為我國未來UNPS污染研究提供參考。

1城市非點源污染的內涵、特征、危害及影響因素

1.1內涵

點源污染是指通過排放口或管道排放的污染，包括城市生活污水、工業廢水、污水處理廠出水等固定排放源。NPS污染，又稱擴散源污染(diffuse pollution)[14]，是相對點源而言的，在我國又稱“面源”[15]。

非點源污染定義很多：廣義上的非點源污染指在時空上無法定時定點監測，與水文、大氣、土壤、地貌、植被、地形等環境條件和人類活動密切相關，可能隨時隨地發生，并直接污染水、大氣和土壤的污染物來源，包括水、土和大氣環境的非點源[15]；狹義上的非點源污染指溶解性或固體污染物在降水和徑流沖刷作用下匯入受納水體而致水體污染[16]。美國清潔水法修正案認為：非點源污染指以廣域的、分散的、微量形式進入地表及地下水體的污染物[17]。賀纏生等[18]將非點源污染分為7類，即水土流失、農藥化肥使用、農村家畜糞便和垃圾堆放、城鎮地表徑流、礦區地表徑流、林區地表徑流和大氣干濕沉降。據此，UNPS污染指源于城鎮地表徑流的非點源污染，國外也稱城市雨水徑流污染。

1.2基本特征

UNPS污染具有種類多、來源廣、危害性大和影響因素多的特征，很難像應對點源污染一樣對其進行有效監測和管理，也加大了對其進行研究的難度[19]。

1.2.1物質類別

UNPS污染物種類很多，大體可分為以下幾類。

(1)固體懸浮物(SS)：在徑流中的懸浮固體既能使水體變混濁，同時粒徑極小，導致污染物很易吸附在固體懸浮物顆粒上，造成更嚴重污染。有研究表明，城市雨水徑流中的固體懸浮物含量遠高于已處理污水中的含量[20]。

(2)營養鹽：對重慶市3場降雨的地表徑流采樣監測結果表明[21]，TP和TN的次降雨徑流平均濃度(EMC，event mean concentration)分別為0.47～1.01和2.07～5.00 mgL，超出了GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準。荊紅衛等[22]對北京降雨徑流的監測結果表明，隨雨水入管網的TN、NH3-N和TP濃度分別是天然雨水的3、2和25倍。Collins等[23]總結了美國超過200個市政排水系統近20年來的氮濃度，發現不同土地利用下TN濃度為1.3～3.2 mgL，認為城市雨水徑流是城市環境中累積氮的重要去向之一，亟需政府重視。

(3)重金屬：城市雨水徑流中的重金屬濃度比生活污水中的大1～2個數量級[24]。Chang等[25]認為，鋅和銅是美國屋頂雨水徑流中污染最嚴重的2種重金屬，分別超出了US EPA國家淡水水質標準(EPA 822-Z-99-001)的1和0.6倍。Norman等[26]在流入俄亥俄河的城市雨水徑流中發現了鉛、鋅、銅、鉻、砷、鎘、鎳、銻和硒等重金屬。其中，鉛和銅易吸附在顆粒物上，其濃度常會隨懸浮顆粒物濃度變化。Hunter等[27]估計有40%～75%的重金屬源于城市公路徑流。甘華陽等[28]對廣州市區內3條不同公路路面雨水徑流的監測表明，鋅濃度僅在徑流初期高于地表水環境質量Ⅲ類標準，而鉛平均濃度均高于Ⅲ類標準。

(4)有機物：據估計，受納水體中約50%的固體和70%的總多環芳烴碳氫化合物(PAHs)源于城市公路徑流[29]。高速城市化進程會導致城市徑流中含有大量的PAHs和正構烷烴等有機化合物[30-31]。且研究[32]認為，雨水中某些成分，如某些農藥(林丹和氯丹)、有機毒物(1,3-二氯苯、芘和熒蒽)等，可能會潛在影響地下水水質。

(5)油脂類：據估計，美國每年有4.2×109L源于機動車和工業的潤滑油進入環境，有的直排下水道或土地，有的間接通過車輛溢出或泄露[28,33]。石油衍生的碳氫化合物定期從城市進入環境，且城市化進程越快，進入環境的量越大[34]。

(6)病原菌：Furumai等[35]研究東京灣雨水排放后發現，合流制雨水管道的排水是東京灣中微生物的主要來源，對人類健康具有很大威脅。Lye[36]認為屋面雨水徑流中微生物污染也很重要，需引起足夠重視。Lee等[37]的監測結果表明，雨水中的總大腸桿菌數(total coliform)和大腸桿菌數(Escherichiacoli)超過飲用水標準的91.6%和72%。

(7)氯化物：在早期降雪階段，鹽被噴灑在路面街道上防止路面結冰和人行道積雪。Hoffman等[38]通過對美國加州北部各河的氯化物測試數據的分析表明，被污染雪中的氯化物濃度比干凈雪中高30倍。

1.2.2來源

城市中的非點源污染物可來自于城市中很多地方，如城市街道、綠化用地、樓房屋面等。不同污染物可能會有不同來源，相同污染物的主要來源也不盡相同，且國內外有所差別。國外一些污染物的主要和次要來源見表1[39]。王婧等[40]對北京市城區的雨水徑流監測結果見表2。

表1　國外城市非點源污染物來源[39]

注：M代表主要來源；m代表次要來源。

表2　北京市城市非點源污染物來源[40]

注：M代表主要來源；m代表次要來源。

常靜等[41-42]對上海市城市雨水徑流的監測結果表明，交通道路是TSS、COD、TN和TP的主要來源，其次是屋面。侯培強等[43]分析了我國各大城市現有城市面源污染，結果表明：SS、COD、TN和TP在城市雨水徑流中的平均濃度表現為道路>屋面；據其統計的國內城市均值顯示，來自道路雨水徑流中的SS、COD、TN和TP分別是屋面雨水徑流中的5.0、2.5、1.3和2.0倍。荊紅衛等[22]認為，天然降雨在降到地面之前部分指標已被污染，TN和NH3-N的平均濃度分別為4.23和2.72 mgL，均超過了地表水Ⅴ類標準。在一些快速發展的中小型城市，衛生設施的建設及管理不夠完善，道路、廣場等公共場地上丟棄或堆積的垃圾隨降雨徑流入水，為UNPS污染的一個重要貢獻。

對比上述國外和國內UNPS污染來源研究可知，國內UNPS污染物主要來源是道路，其次是屋面，且天然降雨、路邊垃圾等對UNPS污染負荷有一定貢獻。而國外的TSS、有機物和氮、磷主要來自土壤，僅重金屬的主要來源——道路車輛與國內相同。造成國內外差異的可能原因：1)國內城市道路的交通量遠大于國外，車輛行駛中磨損和排放產生的污染物累積在路表，污染負荷較大；2)國外空氣環境質量優于國內，大氣沉降造成的屋面污染物在國內是UNPS污染負荷的重要貢獻者之一；3)國外城市環境治理程度較高，綠地占城市總面積比例大于國內，其UNPS污染中的營養鹽類污染物主要來自綠地土壤；4)國內城市多處于建設中，運輸車輛行駛中建材掉落加重了道路徑流污染，建筑工地的塵埃擴散加重了大氣沉降污染。

1.3危害

UNPS污染對受納水體水質的影響主要取決于其水質和污染物進入水體的速率[24]。短時強降雨會攜高濃度污染物入水，受納水體水質巨變。如這種高污染濃度的雨水徑流常發生，可能對受納水體水質造成永久性污染。進入水體的不同污染物，可能隨水流運動到不同位置，發生沉降聚集，緩慢影響下游水體水質，如一些難溶有毒有害物、重金屬和多氯聯苯(PCBs)等，通常具此特性[44]。不同類別污染物對水體的危害見表3[45-47]。從表3可見，TSS對水體的危害主要體現在攜帶其他污染物入水，且懸浮顆粒物上吸附有很多污染物，對污染物在管道和水體中的遷移轉化有重要影響。氮、磷等會引起水體藻華，造成水體生物大量死亡。重金屬的危害主要是其在生物體內的毒性累積和生物鏈傳遞，不同類別重金屬及其危害見表4[48-50]。有機農藥和苯類化合物均具有難生物降解性，一旦入水，很難由水體自凈去除。油脂類物質易在水面形成油膜，影響大氣和水體物質交換，降低水體溶解氧和自凈能力。生化需氧性材料會大量消耗水中溶解氧，影響魚類生存。此外，進入水體的有機物和重金屬可能還會形成復合污染。重金屬間(如鎘和鉛、鎘和鋅)的聯合毒性具明顯協同作用，而鉛和鋅則具強烈拮抗作用[51]。重金屬和農藥復合污染體系中，Cu最易與其他幾種污染物交互作用，且受其他污染物的影響最顯著[52]。

我國城市人口密度大、交通量高，各主要城市的UNPS污染物平均濃度顯著高于國外，且遠高于我國地表水Ⅴ類標準，對人體健康構成巨大威脅。如北京雨水徑流中的SS、COD、TP和TN的超標倍數分別為3.9、13.6、3.3和16倍[12]；上海雨水徑流中的COD、BOD5、SS、NH3-N、TP和TN超標倍數分別為8.4、12.4、1.7、2.4、1.4和3.9倍[53]。

表3　不同類別污染物對水體的危害[45-47]

表4　不同類別重金屬及其危害[48-50]

1.4影響因素

影響UNPS污染負荷的因素很多(表5)，如降雨分布、降雨強度、降雨量和前期干燥天數，交通量，土地利用類型，城市地形，城市地質特征，城市環境管理措施，城市排水系統配置[35,54]等。前期干燥天數增加，會使城市地表徑流中粒徑小于40 μm的顆粒物比例增加。在污染物達到最大累積量前，污染物量隨前期干燥天數增加呈顯著正相關。常認為前期干燥天數是污染物累積量的決定性因素[55]。雨水特征如雨量、雨強等，主要影響累積污染物從地表的去除量和去除率。降雨量或雨強的增大、降雨歷時延長，會造成UNPS污染負荷排放量的上升[57-58]。不同土地利用產生的主要污染物類型不同，如城市道路和停車場，產生COD、TSS、重金屬等；居民用地，產生氮、磷等；綠化用地和裸地，產生TSS[59]。隨著交通量的增加，污染物累積量和相應沖刷量均升高[60-61]。城市活動如建筑施工會產生大量粉塵顆粒，直接被雨水沖刷入水，或會隨大氣運動到城市其他區域沉降到屋面、路面等。且有些建筑耗材可能還會產生重金屬廢料、有機材料等，對UNPS污染有潛在貢獻[62-63]。城市不滲透性地表面積比例主要影響降雨時地表徑流的產生量，從而影響UNPS污染物沖刷量[64]。城市地理、氣象特征對UNPS污染的影響，體現在如城市處在寒冷地區或冬季結冰時，高速公路防冰措施會增加受納水體中的氯含量。

我國正處在高速發展期，城市人口密度大、交通量高且城市建設活動多，日益成為影響UNPS污染的主因；而由于城市建設規劃的不合理及環衛管理的不善，雨水管網淤積十分嚴重[65]，UNPS污染問題更為復雜和嚴峻。

表5　各因素對城市非點源污染的影響

2模型

2.1概況

因UNPS污染來源多、影響因素復雜，污染負荷的定量化研究一直是重點和難點，而UNPS污染模型作為UNPS污染定量化研究的重要工具和手段，已成為UNPS污染研究熱點之一。

國外學者已開發出系列用于模擬計算UNPS污染負荷的模型，如SWMM[66]、STORM[67]、SLAMM[68]、HSPF[69]、DR3M-QUAL[70]、HydroWorks[71]、MOUSE[72]等。據Zoppou等[73-77]總結認為，大部分模型的水質計算模塊用污染物累積、沖刷模型，區別在于使用的累積、沖刷函數及污染物在管道中的模擬方式不同(表6)。

表6　7種常用城市非點源污染模型的污染物累積、沖刷模型

其中，SWMM使用的污染物累積和沖刷函數較全面，分別提供了3種污染物累積函數和3種污染物沖刷函數，模擬空間尺度包括城市和流域，時間尺度上既可模擬單次降雨事件，也可作長期連續時間序列的模擬；而且其下載免費、代碼開源，故SWMM應用最廣[78]。

2.2SWMM模型應用及關鍵環節

SWMM模型最早被開發應用于城市雨洪模擬[79-85]，現越來越多應用于UNPS污染模擬計算，如直接應用SWMM計算UNPS負荷，進行LID(low impact development)或自然流域下的模擬計算以及對SWMM模型本身參數取值和校準方法的改進等。

2.2.1估算城市非點源污染負荷

Tsihrintzis等[86]將SWMM應用于南佛羅里達4個面積較小的城市區域，并用16場獨立降雨事件進行了驗證。結果表明，流量和污染物負荷與實測數據均吻合很好。其中，污染物累積、沖刷函數的參數通過一個與干旱天數和降雨量有關的簡單線性關系式計算，關系式的線性系數通過實測數據求得。Temprano等[87]在西班牙的桑坦德用SWMM模型預測混合制排水系統的污染物排放，經校準和驗證，模型計算水量的準確度高達96%，水中SS、COD和總凱氏氮(TKN)的準確度分別為93%、95%和78%。證明模型預測結果有很好的準確性。

馬曉宇等[88]基于SWMM研究了溫州市典型住宅區非點源污染，研究了不同降雨條件下TSS、CODCr、TN和TP的污染負荷量及其累積變化過程。姜體勝等[89]分別用SWMM污染物沖刷模塊下的EMC法和指數方程法模擬了TSS的沖刷效果，結果表明，指數方程法的模擬精度大于EMC法，其與監測值更接近。但模型使用的沖刷指數是通過文獻值確定的，且未說明沖刷系數如何確定。吳建立等[90]基于SWMM研究了深圳清河周邊區域在不同重現期和不同透水面積條件下暴雨徑流及水質隨時間的變化，但模型驗證誤差較大，如COD和TSS濃度的模擬值分別約為實測平均值的50%和70%；TN、TP濃度模擬值均約為實測平均值的2倍。

可知，國內學者在應用SWMM估算UNPS負荷時，模型驗證的誤差相比國外明顯較高。這可能是由于國內污染物濃度較高；國內模型參數取值大多基于文獻參考值，缺乏污染物累積沖刷特征試驗分析等原因所致。

2.2.2模擬LID及自然流域

Abi等[91]認為不滲透地表雨水徑流直入排水系統，減少了淺層地下水補給及向地下蓄水層的水分滲透。建議從源頭控制雨水徑流，以降低峰值流量，解決地下水補給問題。最后用SWMM模擬了雨水花園、滿溢雨水桶及連續排水雨水桶對雨水徑流減少量、峰值流量及峰值到達時間的影響。Davis等[92]認為，生物滯留設施可有效削減懸浮物、營養鹽、碳氫化合物和重金屬負荷，是污染物本身濃度降低和水量減少造成的綜合結果，其去除機制包括過濾、吸附和生物處理等。但該類設施存在維護困難，長效性難維持和周期生命成本不確定等問題。Hurley等[93]認為，LID可有效處理雨水徑流中的污染物，為確定滯留池和生物過濾池應用于大面積土地區域時對污染物的實際處理效果，其在波士頓查爾斯河附近進行場地試驗，比較了LID設施(滯留池和生物過濾池)配置分散程度與占地總面積對雨水中磷去除的影響。Jang等[94]測試了SWMM用于自然流域計算的可行性，表明SWMM可很好地模擬自然流域水文過程。

王文亮等[95]用SWMM模型校核了傳統管線設計，評價了對LID場地徑流的控制效果。模擬結果表明，場地LID雨水系統規劃可實現峰值流量及年徑流外排率恢復到開發前狀態，LID設施對污染物削減效果顯著，但缺少實測數據驗證。尹澄清[1]在武漢漢陽測試了人工濕地、植草溝、生物混凝土等多種LID設施對雨水徑流中COD、SS、TN和TP的去除效果，結果表明，LID設施可有效控制UNPS污染，具有良好的環境、社會和經濟效益。

國內外學者的研究均表明LID可有效控制雨水徑流流量及UNPS污染，但國內UNPS污染的研究大多集中于懸浮物、營養鹽，與國外相比缺乏對其他污染物如有機物、重金屬等的研究。

2.2.3SWMM模型參數選取及校準

Choi等[96]提出了以水文信息系統為決策支持系統，估計一些物理性的空間分布集水系統模型參數值的方法，再以SWMM模型為例，估算了模型參數取值。結果表明，該法具有較好的準確度，且提高了控制參數選取的效率。Krebs等[97]對一個高度城市化區域進行高分辨率SWMM建模，通過靈敏度分析識別需校準的關鍵參數，再基于遺傳算法校準這些關鍵參數取值，降低了參數校準過程的復雜性。基于模型數據輸入工作量的大小及模型參數校準和驗證的復雜性，現有SWMM研究多應用在城市中較小的區域(0.013～6.11 km2)[85-94]，但Barco[98]對加利福尼亞洲南部Ballona溪流域217 km2的較大區域做過研究。國內目前在這方面缺乏相關的研究。因此，如何處理好模擬空間尺度與模型輸入數據量的大小，以及模型校準和驗證的難度間的關系，是未來國內外模型研究亟待解決的問題。

3問題與展望

3.1問題

對比國內外UNPS污染模型的研究進展可見，國外已開發出一系列各具特點的模型，以適應不同研究目的。國外目前對SWMM的應用，不僅局限于直接應用，還有很多是討論模型參數的最優校準法，以及模型研究尺度、建立分辨率等對研究目標的影響。我國目前多集中于直接應用國外模型，少有學者深入研究模型的控制參數校準法或建立自己的模型，如楊晟[99]耦合了CA和SWMM模型，建立了基于城市土地利用的城市徑流負荷變化模擬模型UNRUN。基于此提出一些建議，供應用國外模型研究時參考。

(1)因國內UNPS污染物濃度明顯高于國外，將國外模型用于國內UNPS污染負荷計算時，模型水質參數取值可能會造成模擬結果偏差較大，務必校準及驗證水質參數。

(2)天然降雨、路邊垃圾、重點生活源(如公共廁所、垃圾轉運站)[100]、管網淤積等也是國內UNPS污染來源，而現有UNPS污染模型一般未予考慮，因此亟待開發具備模擬這些UNPS污染來源及其遷移轉化能力的模型。

(3)我國有些城市的基礎資料或數據不全甚至缺乏，給模型參數選取、校準及驗證帶來很大困難。如史蕊[82]在研究中曾提出存在缺乏精度較高的DEM和管道數據，模型參數依文獻值和經驗確定。趙冬泉等[83]據實測數據得到管網尺寸和埋深，依GIS統計法獲取匯水區面積和坡度等，用蒙特卡羅法確定模型參數，保證了計算和分析結果的可靠性。因此在資料缺乏或信息不全時，如何準確模擬計算UNPS污染的排放負荷也是目前亟待解決的問題。

3.2展望

(1)隨著我國城市化進程的不斷推進，由降雨徑流匯入受納水體的污染物(如各種有機物、微生物等)越來越多。因此確定不同種類污染物在各種復雜類型下墊面的累積、沖刷特征對更好地改進和開發UNPS污染模型，提出防治措施及建設海綿城市意義重大。

(2)現有UNPS污染模型大多僅模擬了污染物在管道中的簡單輸移，缺少對管道中污染物的物化及相互作用過程的模擬。因此，解決污染物在管道中的物化模擬問題，可更好地模擬我國UNPS污染。

參考文獻

[1]尹澄清.城市面源污染的控制原理和技術[M].北京:中國建筑工業出版社, 2010.

[2]李春林,胡遠滿,劉淼,等.城市非點源污染研究進展[J].生態學雜志,2013,32(2):492-500.

LI C L,HU Y M,LIU M,et al.Urban non-point source pollution:research progress[J].Journal of Ecology,2013,32(2):492-500.

[3]PITT R,FIELD R.Water-quality effects from urban runoff[J].Journal of American Water Works Association,1977,69(8):432-436.

[4]US Environmental Protection Agency.Report to Congress:nonpoint source pollution in the USA[R].Washington DC:US EPA,1984.

[5]US Environmental Protection Agency .National water quality inventory:1988 report to Congress[R].Washington DC:Office of Water,1990.

[6]LEE G F,JONES-LEE A.Are real water quality problems being addressed by current structural best management practices[J].Public Works,1995,126(1):54-56.

[7]夏青.城市徑流污染系統分析[J].環境科學學報,1982,2(4):271-278.

[8]吳林祖.杭州城市徑流污染特征的初步分析[J].上海環境科學,1987,6(6):34-36.

[9]鮑全盛,王華東.我國水環境非點源污染研究與展望[J].地理科學,1996,16(1):66-71.

[10]溫灼如,蘇逸深,劉小靖,等.蘇州水網城市暴雨徑流污染的研究[J].環境科學,1986,7(6):2-6.

[11]荊紅衛,華蕾,陳圓圓,等.城市雨水管網降雨徑流污染特征及對受納水體水質的影響[J].環境化學,2012,31(2):208-214.

JING H W,HUA L,CHEN Y Y,et al.Pollution characteristics of runoff in urban storm sewer and its impaction to receiving water[J].Environmental Chemistry,2012,31(2):208-214.

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

DING C C,LIU J.Discussion on urban non-point source pollution and control technologies in China[J].China Population,Resources and Environment,2011,21(3):86-89.

[13]黃虹,鄒長偉,陳新庚.中國非點源污染研究評述[J].生態環境,2004,13(2):255-257.

HUANG H,ZOU C W,CHEN X G.Review of the researches on non-point source pollution in China[J].Ecological Environment,2004,13(2):255-257.

[14]NOVOTNY V.Diffuse pollution from agricultural:a worldwide outlook[J].Water Science & Technology,1999,39(3):1-13.

[15]楊愛玲,朱顏明.地表水環境非點源污染研究[J].環境科學進展,1999,7(5):60-67.

YANG A L,ZHU Y M.The study of nonpoint source pollution of surface water environment[J].Advances in Environmental Science,1999,7(5):60-67.

[16]NOVOTNY V.Integrating diffusenonpoint pollution control and water body restoration into watershed management[J].Journal of the American Water Resource Association,1999,35(4):717-727.

[17]ISCHINGER L S.Nonpoint source pollution[J].Fisheries,1979,4(2):50-52.

[18]賀纏生,傅伯杰,陳利頂.非點源污染的管理及控制[J].環境科學,1998,19(5):87-96.

HE C S,FU B J,CHEN L D.Non-point source pollution control and management[J].Environmental Science,1998,19(5):87-96.

[19]于濤,孟偉,EDWIN O,等.我國非點源負荷研究中的問題探討[J].環境科學學報,2008,28(3):401-407.

YU T,MENG W,EDWIN O,et al.Problems and recommendations for non-point source pollution identification in China[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2008,28(3):401-407.

[20]WALLER D H,HART W C.Solids,nutrients,and chlorides in urban runoff[M]Urban runoff pollution. Berlin Heidelberg:Springer,1986:59-85.

[21]張千千,王效科,郝麗嶺,等.重慶市路面降雨徑流特征及污染源解析[J].環境科學,2012,33(1):76-82.

ZHANG Q Q,WANG X K,HAO L L,et al.Characterization and source apportionment of pollutants in urban roadway runoff in Chongqing[J].Environment Science,2012,33(1):76-82.

[22]荊紅衛,華蕾,郭婧,等.北京市水環境非點源污染監測與負荷估算研究[J].中國環境監測,2013,28(6):106-111.

JING H W,HUA L,GUO J,et al.Non-point source pollution monitoring and its loads estimation study on surface water environment in Beijing[J].Environmental Monitoring in China,2013,28(6):106-111.

[23]COLLINS K A,LAWRENCE T J,STANDER E K,et al.Opportunities and challenges for managing nitrogen in urban stormwater:a review and synthesis[J].Ecological Engineering,2010,36(11):1507-1519.

[24]TSIHRINTZIS V A,HAMID R.Modeling and management of urban stormwater runoff quality:a review[J].Water Resources Management,1997,11(2):136-164.

[25]CHANG M,MCBROOM M W,SCOTT B R.Roofing as a source of nonpoint water pollution[J].Journal of Environmental Management,2004,73(4):307-315.

[26]NORMAN C G.Urban runoff effects on Ohio River water quality[J].Water Environment & Technology,1991,3(6):44-46.

[27]HUNTER J V,SABATINO T,GOMPERTS R,et al.Contribution of urban runoff to hydrocarbon pollution[J].Water Pollution Control Federation,1979,51(8):2129-2138.

[28]甘華陽,卓慕寧,李定強,等.公路路面徑流重金屬污染特征[J].城市環境與城市生態,2007,20(3):34-37.

[29]ELLIS J B.Pollutional aspects of urban runoff[M]Urban runoff pollution.Berlin Heidelberg:Springer,1986:1-38.

[30]BOMBOI M T,HERNANDEZ A.Hydrocarbons in urban runoff:their contribution to the wastewaters[J].Water Research,1991,25(5):557-565.

[31]HEWITT C N,RASHED M B.Removal rates of selected pollutants in the runoff waters from a major rural highway[J].Water Research,1992,26(3):311-319.

[32]PITT R,CLARK S,FIELD R.Groundwater contamination potential from stormwater infiltration practices[J].Urban Water,1999,1(3):217-236.

[34]STENSTROM M K,SILVERMAN G S,BURSZTYNSKY T A.Oil and grease in urban stormwaters[J].Journal of Environmental Engineering,1984,110(1):58-72.

[35]FURUMAI H,NAKAJIMA F,KATAYAMA H.Urban nonpoint source pollution focusing on micropollutants and pathogens[M]WILDERE P.Treatise on water science:vol.4.Oxford:Academic Press,2011:265-276.

[36]LYE D J.Rooftop runoff as a source of contamination:a review[J].Science of the Total Environment,2009,407(21):5429-5434.

[37]LEE J Y,YANG J S,HAN M,et al.Comparison of the microbiological and chemical characterization of harvested rainwater and reservoir water as alternative water resources[J].Science of the Total Environment,2010,408(4):896-905.

[38]HOFFMAN R W,GOLDMAN C R,PAULSON S,et al.Aquatic impacts of deicing salts in the central Sierra Nevada Mountains,California1[J].Journal of the American Water Resources Association,1981,17(2):280-285.

[39]WHIPPLE W,GRIGG N S,GRIZZARD T,et al. Storm water management in urbanizing areas[M].Englewood Cliffs:Prentice Hall,1983.

[40]王婧,荊紅衛,王浩正,等.北京市城區降雨徑流污染特征監測與分析[J].給水排水,2011(增刊):135-139.

[41]常靜,劉敏,許世遠,等.上海城市降雨徑流污染時空分布與初始沖刷效應[J].地理研究,2006,25(6):994-1002.

[42]王和意.上海城市降雨徑流污染過程及管理措施研究[D].上海:華東師范大學,2005.

[43]侯培強,王效科,鄭飛翔,等.我國城市面源污染特征的研究現狀[J].給水排水,2009(增刊):188-193.

[44]GJESSING E,LYGREN E,BERGLIND L,et al.Effect of highway runoff on lake water quality[J].Science of the Total Environment,1984,33(1):245-257.

[45]FERRARA R A.Toxic pollutants:impact and fate in receiving waters[M]Urban runoff pollution.Berlin Heidelberg:Springer,1986:423-462.

[46]PITT R,BOZEMAN M.Water quality and biological effects of urban runoff on Coyote Creek[R].Washington DC:US EPA,1980.

[47]SCHUELER T R.Controlling urban runoff:a practical manual for planning and designing urban BMPs[M].Washington DC:Metropolitan Washington Council of Governments,1987.

[48]劉海亮,崔世民,李強,等.鎘對作物種子萌發,幼苗生長及氧化酶同工酶的影響[J].環境科學,1991,12(6):29-31.

[49]呂小王.植物對土壤中重金屬的吸收效應研究[D].南京:南京理工大學,2004.

[50]晏麗蓉.幾種沉水植物對底泥中鎘,銅,鉛,鋅修復作用的研究[D].杭州:浙江師范大學,2013.

[51]王銀秋,張迎梅,趙東芹.重金屬鎘、鉛、鋅對鯽魚和泥鰍的毒性[J].甘肅科學學報,2003(1):35-38.

[52]高茜.河流沉積物中重金屬與有機物的復合污染研究[D].北京:華北電力大學,2012.

[53]李田,林莉峰,李賀.上海市城區徑流污染及控制對策[J].環境污染與防治,2006,28(11):868-871.

LI T,LIN L F,LI H.Characteristics and control of urban runoff pollution in Shanghai[J].Environmental Pollution & Control,2006,28(11):868-871.

[54]CHUI T W,MAR B W,HORNER R R.Pollutant loading model for highway runoff[J].Journal of the Environmental Engineering Division,1982,108(6):1193-1210.

[55]邊博.前期晴天時間對城市降雨徑流污染水質的影響[J].環境科學,2009,30(12):3522-3526.

BIAN B.Effect of antecedent dry period on water quality of urban storm runoff pollution[J].Environmental Science,2009,30(12):3522-3526.

[56]HUBER W C,DICKINSON R E,BARNWELL T O.Storm water management model,version 4:user’s manual [M].Washington DC:US Environmental Protection Agency.Office of Research and Development.Environmental Research Laboratory,1988.

[57]車伍,歐嵐,汪慧貞,等.北京城區雨水徑流水質及其主要影響因素[J].環境污染治理技術與設備,2002,3(1):33-37.

CHE W,OU L,WANG H Z,et al.The quality and major influential factors of runoff in Beijing urban area[J].Technigues and Equipment for Environment Pollution Control,2002,3(1):33-37.

[58]BRODIE I M,DUNN P K.Commonality of rainfall variables influencing suspended solids concentrations in storm runoff from three different urban impervious surfaces[J].Journal of Hydrology,2010,387(3):202-211.

[59]RODRIGUEZ-HERNANDEZ J,FERNNDEZ-BARRERA A H,ANDRéS-VALERI V C A,et al.Relationship between urban runoff pollutant and catchment characteristics[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,2013,139(10):833-840.

[60]WANG Y J,CHEN C F,LIN J Y.The measurement of dry deposition and surface runoff to quantify urban road pollution in Taipei,Taiwan[J].International Journal of Environmental Research and Public Health,2013,10(10):5130-5145.

[61]MURAKAMI M,FUJITA M,FURUMAI H,et al.Sorption behavior of heavy metal species by soakaway sediment receiving urban road runoff from residential and heavily trafficked areas[J].Journal of Hazardous Materials,2009,164(2):707-712.

[62]BOYD G,GARDINER N.Urban stormwater:and overview for municipalities[J].Public Works,1990,121(13):39-42.

[63]GUPTA M K,AGNEW R W,KOBRIGER N P.Constituents of highway runoff:vol1.state-of-the-art report:No 810421[R].Washington DC:Federal Highway Administration,1981.

[64]Jr GRIFFIN D M,GRIZZARD T J,RANDALL C W,et al.Analysis of non-point pollution export from small catchments[J].Water Pollution Control Federation,1980,52(4):780-790.

[65]李海燕,徐波平,徐尚玲,等.北京城區雨水管道沉積物污染負荷研究[J].環境科學,2013,34(3):919-926.

LI H Y,XU B P,XU S L,et al.Research on pollution load of sediments in storm sewer in Beijing district[J].Environmental Science,2013,34(3):919-926.

[66]ROSSMAN L A.Storm water management model user′s manual:version 5.0[M].Cincinnati:National Risk Management Research Laboratory.Office of Research and Development.US Environmental Protection Agency,2010.

[67]STORAGE H E C.Treatment,overflow,runoff model,STORM,generalized computer program 723-57-L7520[R].Davis,CA:United States Corps of Engineers,Hydrologic Engineering Center,1977.

[68]PITT R,VOORHEES J.SLAMM:the source loading and management model[M].Boca Raton:Technology and Management CRC Press,2002.

[69]BICKNELL B R,IMHOFF J C,KITTLE JR J L,et al.Hydrological simulation program-FORTRAN:user’s manual for release 11[R].Washington DC:US EPA,1996.

[70]ALLEY W M,SMITH P E.Distributed routing rainfall-runoff model:version Ⅱ[M].Virginia:US Geological Survey ,1982.

[71]WALLINGFORD SOFTWARE:using hydroworks[R].United Kingdom:Wallingford Software,1997.

[72]MOUSE P.FLOW-reference manual[R].Horsholm:DHI Water & Environment,2003.

[73]ZOPPOU C.Review of urban storm water models[J].Environmental Modelling & Software,2001,16(3):195-231.

[74]CRABTREE R,GARSDAL H,GENT R,et al.MOUSETRAP:a deterministic sewer flow quality model[J].Water Science & Technology,1994,30(1):107-115.

[75]MASSE B,ZUG M,TABUCHI J,et al.Long term pollution simulation in combined sewer networks[J].Water Science & Technology,2001,43(7):83-89.

[76]ZUG M,FAURE D,DE BELLY B,et al.Use of real time control modelling on the urban sewage system of Nancy[J].Water Science & Technology,2001,44(23):261-268.

[77]王龍,黃躍飛,王光謙.城市非點源污染模型研究進展[J].環境科學,2010,31(10):2532-2540.

WANG L,HUANG Y F,WANG G Q.Review of urban nonpoint source pollution models[J].Environmental Science,2010,31(10):2532-2540.

[78]CAMBEZ M J,PINHO J,DAVID L M. Using SWMM 5 in the continuous modelling of stormwater hydraulics and quality[C]11th International Conference on Urban Drainage,Edinburgh,Scotland,UK:[s.n.],2008:1-10.

[79]LIONG S Y,CHAN W T,SHREERAM J.Peak-flow forecasting with genetic algorithm and SWMM[J].Journal of Hydraulic Engineering,1995,121(8):613-617.

[80]ZAGHLOUL N A.Flow simulation in circular pipes with variable roughness using SWMM-EXTRAN model[J].Journal of Hydraulic Engineering,1998,124(1):73-76.

[81]王靜.基于SWMM模型的山地城市暴雨徑流效應及生態化改造措施研究[D].重慶:重慶大學,2012.

[82]史蕊.基于GIS和SWMM的城市洪水模擬與分析[D].昆明:昆明理工大學,2010.

[83]趙冬泉,佟慶遠,王浩正,等.SWMM模型在城市雨水排除系統分析中的應用[J].給水排水,2009,45(5):198-201.

[84]趙樹旗,晉存田,李小亮,等.SWMM模型在北京市某區域的應用[J].給水排水,2009,45(增刊):448-451.

[85]任伯幟,鄧仁健,李文健.SWMM模型原理及其在霞凝港區的應用[J].水運工程,2006(4):41-44.

[86]TSIHRINTZIS V A,HAMID R.Runoff quality prediction from small urban catchments using SWMM[J].Hydrological Processes,1998,12(2):311-329.

[88]馬曉宇,朱元勵,梅琨,等.SWMM模型應用于城市住宅區非點源污染負荷模擬計算[J].環境科學研究,2012,25(1):95-102.

MA X Y,ZHU Y L,MEI K,et al.Application of SWMM in the simulation of non-point source pollution load in urban residential area[J].Research of Environmental Sciences,2012,25(1):95-102.

[89]姜體勝,孫艷偉,楊忠山,等.基于SWMM的不同降水量對城市降雨徑流TSS的影響分析[J].南水北調與水利科技,2011,9(5):55-58.

JIANG T S,SUN Y W,TANG Z S,et al.Simulation of urban runoff quality based on stormwater management model[J].South to North Water Diversion and Water Science & Technology,2011,9(5):55-58.

[90]吳建立,孫飛云,董文藝,等.基于SWMM模擬的城市內河區域雨水徑流和水質分析[J].水利水電技術,2012(8):90-94.

WU J L,SUN F Y,DONG W Y,et al.SWMM simulationbased analysis on rainfall runoff and water quality within urban inland river area[J].Resources and Hydropower Engineering,2012(8):90-94.

[91]ABI AAD M P,SUIDAN M T,SHUSTER W D.Modeling techniques of best management practices:rain barrels and rain gardens using EPA SWMM-5[J].Journal of Hydrologic Engineering,2009,15(6):434-443.

[92]DAVIS A P,HUNT W F,TRAVER R G,et al.Bioretention technology:overview of current practice and future needs[J].Journal of Environmental Engineering,2009,135(3):109-117.

[93]HURLEY S E,FORMAN R T T.Stormwater ponds and biofilters for large urban sites:modeled arrangements that achieve the phosphorus reduction target for Boston′s Charles River,USA[J].Ecological Engineering,2011,37(6):850-863.

[94]JANG S,CHO M,YOON J,et al.Using SWMM as a tool for hydrologic impact assessment[J].Desalination,2007,212(1):344-356.

[95]王文亮,李俊奇,宮永偉,等.基于SWMM模型的低影響開發雨洪控制效果模擬[J].中國給水排水,2012,28(21):42-44.

WANG W L,LI J Q,GONG Y W,et al.LID Stormwater control effect simulation based on SWMM[J].China Water & Wastewater,2012,28(21):42-44.

[96]CHOI K,BALL J E.Parameter estimation for urban runoff modelling[J].Urban Water,2002,4(1):31-41.

[97]KREBS G,KOKKONEN T,VALTANEN M,et al.A high resolution application of a stormwater management model (SWMM) using genetic parameter optimization[J].Urban Water Journal,2013,10(6):394-410.

[98]BARCO J,WONG K M,STENSTROM M K.Automatic calibration of the US EPA SWMM model for a large urban catchment[J].Journal of Hydraulic Engineering,2008,134(4):466-474.

[99]楊晟.基于土地利用模擬的城市徑流污染負荷變化研究[D].北京:清華大學,2012.

[100]李春萍,蔣建國,陳愛梅,等.常州市老城區重點生活污染源對北市河的污染負荷研究[J].環境科學,2010,31(11):2594-2598.

LI C P,JIANG J G,CHEN A M,et al.Characteristics and loads of key sources of pollutions discharged into Beishi River,Changzhou City[J].Environmental Science,2010,31(11):2594-2598. ?

Discussion on Characteristics and Model Application of Urban Nonpoint Source Pollution in China

QIN Pan1, LEI Kun2, KHU Soon-Thiam3, QIAO Fei2

1.College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China2.Chinese Research Academy of Environmental Science, Beijing 100012, China3.Faculty of Engineering and Physical Sciences, University of Surrey, Guildford GU2 7XH, United Kingdom

AbstractThe definitions of urban nonpoint source pollution were summarized, and the categories, sources, hazards and factors of urban nonpoint source pollution were discussed. In order to calculate the load of urban nonpoint source pollution, a series of urban non-point source pollution models, such as SWMM, STORM, MOUSE, etc., were developed. Because of the high concentration and more sources (such as streets, roofs, squares, rainfall, road-side trash, living sources, and pipeline deposition) of urban nonpoint source pollutants in China, difficulties may be encountered in the application of the foreign models to calculate urban nonpoint source pollution load. Based on the characteristics of urban nonpoint source pollution and the current applications of SWMM in China, the problems in the applications of urban non-point source pollution model were proposed, including model parameters valuing and validation, pollutant types selection for simulation and basic data obtaining, etc., and the recommendations of future study on urban nonpoint source pollution were provided.

Key wordsurban nonpoint source pollution; source; hazard; factors; model

收稿日期：2016-02-19

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07501005)

作者簡介：秦攀(1990—)，男，博士研究生，主要從事城市面源污染負荷估算研究，qin_pan_hi@126.com *通訊作者：雷坤(1973—)，女，研究員，博士，主要從事河口和海岸帶環境規劃與管理研究，leikun99@163.com

中圖分類號:X52

文章編號:1674-991X(2016)04-0397-10

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.059

秦攀，雷坤，KHU S T,等.我國城市非點源污染特征及其模型應用探討[J].環境工程技術學報,2016,6(4):397-406.

QIN P，LEI K，KHU S T, et al.Discussion on characteristics and model application of urban nonpoint source pollution in China[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):397-406.