基于人口當量法的非滲透地表徑流污染負荷評估與對策

盧興超，趙樹旗，周玉文，張 靜，3，吳獻平，婁富豪,劉 原

(1.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124； 2.北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京 100124； 3.河北科技大學環境科學與工程學院,河北石家莊 050018)

基于人口當量法的非滲透地表徑流污染負荷評估與對策

盧興超1,2，趙樹旗1,2，周玉文1,2，張 靜1,2，3，吳獻平1,2，婁富豪1,2,劉 原1,2

(1.北京工業大學建筑工程學院，北京 100124； 2.北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京 100124； 3.河北科技大學環境科學與工程學院,河北石家莊 050018)

水污染防治工程；人口當量；生活污水；北京市；SCS模型；非滲透地表污染

城市水環境污染包括點源污染和面源污染，隨著點源污染逐步得到治理，城市發展所帶來的面源污染問題日益突出。西方國家研究發現，在點源污染得到控制，且其全部實現零排放時，河流、湖泊、水庫的達標率分別僅為65%，42%，42%，因此面源污染已成為湖泊、水庫、河口富營養化的主要因素[1-2]。城市非滲透地表污染是城市面源污染的主要污染源之一，城市非滲透地表中非固定的溶解或難溶物質在降雨作用下經非滲透地表徑流排入受納水體造成的面源污染，其污染物主要包含懸浮物、有機物、營養物質、微生物、重金屬和酸類等[3]，給城市環境帶來嚴重的威脅。

人口當量污染負荷是指降雨沖刷非滲透地表形成的徑流污染負荷總量，采用相當量的生活污水的常駐人口數量來表示。一場降雨產生的人口當量污染負荷越大，越能夠客觀體現非滲透地表徑流污染的嚴重性。目前中國許多學者以污染物負荷來評估降雨產生的污染物的量，如齊苑儒等[4]、王吉蘋等[5]分別對西安和廈門非點源污染負荷進行估算。但采用人口當量污染負荷的形式反映非滲透地表徑流污染程度的研究目前未見報道。本文以北京市“城六區”為研究對象，采用SCS模型，基于人口當量法評估2010年北京城區非點源污染負荷，客觀反映北京市城區年降雨徑流的污染狀況，并從低影響開發措施和政府管理的角度探討控制人口當量污染負荷的建議和措施。

1 研究區域概況

1.1 自然條件

北京市中心位于北緯39°，東經116°，地處亞洲大陸東岸、華北平原西北端，城區平原海拔高度為20～60 m，山地一般海拔1 000～1 500 m。北京四季明顯：冬季寒冷干燥、秋季天高氣爽、夏季濕潤炎熱、春季比較干旱，屬于北半球溫帶大陸性季風氣候，年均降雨量為549.5 mm，其中每年6—9月降水較多，其余月份降水較少。

1.2 行政區域概況

北京市的行政區域劃分共經過5次調整，北京市區現包括東城區、西城區、朝陽區、海淀區、豐臺區、石景山區，“城六區”的分布見圖1。根據北京市城區規劃及發展特點，由城中心向外擴展可分為首都功能核心區和城區功能拓展區，首都功能核心區包括東城區和西城區，其面積為93 km2；城區功能拓展區包括海淀區、朝陽區、豐臺區和石景山區，面積約為1 288 km2，詳見圖1。

圖1 北京市行政區域劃分Fig.1 Administrative division of Beijing

根據對北京市6個主城區的土地利用類型現狀進行統計，統計結果顯示各區主要土地利用類型均為城市建設用地。其中東城區與西城區城市建設用地分別為36.40 km2和46.47 km2，達到區域面積的87.25%和94.76%，其他各區的城市建設用地比例均已達到45%以上，農村居民點非滲透地表面積達55%。據統計，2010年北京市城區非滲透地表面積已達839.06 km2，詳見表1[6]。

表1 北京市主城區土地利用結構

2 污染負荷估算

2.1 SCS-CN模型

1954年美國農業部水土保持局(Soil Conservation Service, SCS)開發SCS徑流曲線模型，其數值方程(curve number equation)可較好地進行小型集水區徑流計算，是目前應用最為廣泛的流域水文模型之一。SCS模型結構簡單、輸入參數較少，能夠客觀反映土地利用方式和前期土壤含水量對降雨徑流的影響。

SCS模型的建立基于水量平衡方程以及2個基本假設。水量平衡方程的原理是以水循環理論為基礎，主要用于描述各水文要素間的定量關系，即地表徑流深度等于降雨量扣除初損量和累積下滲量之后得到：

q=P-Ia-f，

(1)

式中：q為1次降雨地表徑流深度， mm；P為1次降雨量， mm；Ia為初損量， mm；f為累積下滲量， mm。

假設1 比例相等假設，即

(2)

式中：S為當時可能最大滯留量， mm。

假設2 初損值與當時可能最大滯留量關系假設，即

Ia=λS，

(3)

式中：λ為區域參數，影響因素為地理和氣候因子。

根據經驗公式：Ia=0.2S[7]，得到徑流方程：

(4)

(5)

式中：CN為徑流曲線數值，無量綱參數，與土壤植被有關，理論取值范圍為0～100，實際應用中非滲透地表條件下的取值范圍為87～98。

CN值是反映區域特征的綜合參數，與土壤的濕潤程度、土壤類型、植被類型以及非滲透層的比例等因素有關。根據特性，土壤可分為A，B，C，D四大類，其中A類土壤為滲透性很強的土壤，如具有良好透水性能的砂土和礫石土；B類土壤為滲透性較強的土壤，主要是一些砂壤土；C類土壤為中等透水性土壤，主要為壤土；D類土壤為弱透水性土壤，主要為黏土等。同時，根據最近5天的降雨指數將地表的濕潤程度分為Ⅰ(干燥)，Ⅱ(中等)， Ⅲ(濕潤)3種類型。

2.2 每場降雨形成的徑流量

根據北京市氣象局監測的城區降雨資料得到2010年的降雨量及其土地濕潤情況，結合土地利用狀況，采用式(4)和式(5)確定各場降雨的地表徑流深度(見表2)，從而得出年地表徑流總量。

表2 不同場次降雨的下墊面CN和S

采用式(6)計算北京市2010年城區地表徑流總量：

(6)

由式(6)計算可知，2010年北京市城區非滲透地表徑流總量約為133.15×106m3。

2.3 污染物平均濃度的計算

通過動態監測降雨期間集水區出口斷面的水質和流量，來獲取不同時段污染物的濃度及徑流量。本研究采用AEMC代表降雨污染物的平均質量濃度(mg/L)，即降雨徑流全過程污染物質量濃度的加權平均值，具體公式如式(7)所示：

(7)

式中：M為整場降雨徑流過程中污染物總量，mg；V為相對應的徑流總量，L；n為徑流取樣次數；Qij為第i次取樣時徑流流量，L/min；Cij為第j次取樣時污染物的質量濃度，mg/L。

選取研究區域2010年的一場降雨為例，通過加權平均求出各污染物的平均質量濃度(見表3)。

表3 2010年北京市城區某場降雨水質特征

根據北京市常年典型觀測值和研究區域的監測值，可得到不同地表的徑流污染物濃度(見表4)[8-9]。

表4 研究區域不同地表徑流污染物濃度

2.4 污染物指標負荷估算

地表徑流污染物的濃度隨著時間的推移越來越小，最后趨于平衡。由于水質監測的過程不是連續的，所以污染物的負荷總量采用式(8)進行計算：

Wt=Ct×Vt。

(8)

式中：Ct為表4中污染物的平均質量濃度， mg/L；Vt為年徑流總量，m3。

3 與人口當量污染負荷的比較

3.1 城市人均及居民家庭平均產污系數

3.2 單位面積污染負荷的人口當量

由于家庭所排污水的污染負荷主要受家庭收入、規模以及家庭飲食結構等因素的影響，導致家庭產污系數差異較大，所以在考慮單位面積污染負荷的人口當量方面以居民個體為參考依據更為恰當。

3.3 “城六區”污染總負荷對應人口當量天數

4 非滲透地表徑流污染的防治對策

非滲透地表徑流污染是造成城市面源污染的主要來源，在降雨初期5～15 min地表產生的徑流污染最為嚴重，部分常見污染指標(如COD，SS等)濃度已接近CJ 343—2010《污水排入城鎮下水道水質標準》中污水排入城市下水道水質標準的上限，初期徑流污染負荷量可占整個徑流污染負荷總量的80%[12]，當地表徑流直接排入天然河道時給環境承載負荷造成嚴重的威脅。

基于源頭控制削減徑流污染的理念， 20世紀90年代末有專家提出了“低影響開發”技術，經過幾十年的研究發展已形成了相應的設計標準，并在工程中取得了良好的效果。近幾年，中國提出了“海綿城市”的建設理念，它與“低影響開發”有著很多相似性：1)在雨水水質方面都強調通過“自然凈化”達到保護水體的目的，主要措施包括透水鋪裝、生物滯留池、雨水濕地、濕塘、植草溝、植被緩沖帶等。在國外，這些措施取得了良好的效果，DAVID等[13]通過對雨水花園的效果研究，發現雨水花園對凱氏氮的去除率為55%～65%，總磷的去除率可達70%～85%；其他學者發現雨水花園對徑流中的TSS去除效果也非常有效[14]；2)在植草溝研究方面，BARRETT等[15]發現植草溝對NO3-N，TN的去除率達到37%和39%；3)在透水性路面方面，BRATTEBO等[16]對改造的透水磚進行連續6年的跟蹤研究，發現透水性路面對金屬污染物Zn，Pb，Cu的去除效果可達到81%以上；法國的PAGOTTO在1997年研究發現，多孔瀝青路面對重金屬的去除率明顯高于一般的瀝青路面。所以，海綿城市建設對去除城市非滲透地表徑流污染具有明顯的效果。

除了推進“海綿城市”在新建城區和舊城區改造中的應用，還需要對非滲透地表進行定期處理。張光岳等[17]通過對地表徑流SS與其他污染物的相關性分析研究發現，SS的質量濃度與COD，TP，TN，Zn的質量濃度存在較好的相關性(均超過0.8)，說明加大路面清掃力度、清掃范圍和改進清掃措施對減少地表污染負荷具有重要作用[18]。一方面，政府相關部門出臺相關法規條例，禁止使用排污量較大的交通工具，同時，利用經濟手段鼓勵城市居民使用新能源交通工具；另外，在建材方面要逐漸使用環保材料替代污染性較大的材料。另一方面，要加強群眾宣傳教育工作，使廣大民眾認識到城市面源污染的危害，從而調動起城市居民的環保意識。

5 結 語

基于源頭控制理念的“海綿城市”建設是解決城市非滲透地表徑流污染的重要防治手段，可采取禁用排污量較大的交通工具、鼓勵使用新能源交通工具、采用環保材料替代現有污染性較大的材料、進一步加強群眾宣傳工作等措施，來防治城市的水環境污染。

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Evaluation and countermeasures of impervious surface runoff pollution load based on population equivalent

LU Xingchao1,2, ZHAO Shuqi1,2, ZHOU Yuwen1,2, ZHANG Jing1,2,3, WU Xianping1,2, LOU Fuhao1,2, LIU Yuan1,2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China； 2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing 100124, China； 3.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

water pollution control engineering; population equivalent； domestic sewage； Beijing City； SCS model； impervious surface pollution

1008-1534(2017)02-0135-07

2016-10-26;

2017-03-08；責任編輯：王海云

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07304-001-2, 2013ZX07304-001-3)

盧興超(1989—)，男，安徽六安人，碩士研究生，主要從事城市非點源污染和海綿城市規劃方面的研究。

趙樹旗副教授。 E-mail: 1194088013@qq.com

X832

A

10.7535/hbgykj.2017yx02011

盧興超，趙樹旗，周玉文，等.基于人口當量法的非滲透地表徑流污染負荷評估與對策[J].河北工業科技,2017,34(2):135-141. LU Xingchao, ZHAO Shuqi, ZHOU Yuwen,et al.Evaluation and countermeasures of impervious surface runoff pollution load based on population equivalent[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):135-141.