基于GIS的漳河上游城市非點源污染負荷估算

付 超，蘇 晶，趙海萍，李清雪

(1.河北工程大學能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038； 2.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

隨著點源污染控制的不斷完善和城市化進程的不斷推進，城市非點源污染占比日益增加，已成為城市水環境保護面臨的最重要問題之一[1-4]。降雨是非點源污染形成的動力因素，徑流攜帶下墊面大量污染物進入河流、湖泊等受納水體，造成了非點源污染[5]。非點源污染受地理氣候等多種因素的影響，具有隨機性強、分散性廣、潛伏滯后和控制復雜等特點[6]。在美國，城市非點源污染物占COD總量的73%、TN總量的89%[7]；在南非，Mgeni河流域污染物的85%來自城市非點源污染[8]。我國城市非點源污染問題也非常嚴重，在太湖、滇池等重要湖泊，非點源污染對水體污染的貢獻率超過60%[9]；在北京和上海，城市雨水徑流污染對中心城區水體污染的貢獻率高達50%，對其他水體污染的貢獻率分別是12%和20%[10]；天津城市非點源COD、NH3-N 入河負荷量占全市非點源污染總負荷量的60%左右[11]；錢鈞等[12]研究了管網分流制對秦淮河流域水體污染的貢獻，得出降雨類型為中雨時，非點源污染物COD和NH3-N入河負荷總量占水體污染負荷總量的51%和48%；王昭等[13]研究得到城市路面徑流非點源污染物中重金屬對水環境的污染貢獻率為35%～75%。研究城市降雨徑流對水質的影響，估算非點源污染負荷量，對城市水環境綜合管理和水體生態健康具有重要意義。

漳河流經山西、河北、河南3省，是海河流域西南部的重要支流，上游流域面積為18 284 km2(圖1)。上游段為3省重要的工、農業生產用水和飲用水水源，但受人類干擾強烈，是我國水事矛盾尖銳地區之一。城鎮生活污水和工業廢水排放造成上游河流水質惡化，嚴重制約流域經濟發展[14-15]。為全面了解漳河上游水環境污染情況，本研究以漳河上游城市——長治市為研究對象，在2017年選取不同典型功能區不同下墊面進行降雨徑流污染監測，采用平均濃度模型法估算上游城市非點源污染年負荷，并利用ArcGIS技術分析上游各市縣污染程度，以期為漳河流域非點源污染控制提供技術支持。

圖1 研究區示意圖

1 研究區概況與采樣

1.1 研究區概況

長治市位于山西省東南部，太行山南段，111°59′E～113°44′E，35°49′N～37°07′N，總面積 13 955 km2。長治市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，特點是冬長夏短，既無嚴寒也無酷暑，氣候溫和，雨熱同季，大陸性季風相對持久，海洋性季風較弱，年平均溫度為9.7 ℃，降雨多集中于6—8月，多年平均降水量在530 mm以上。

1.2 采樣與測定

依據長治市不同地區的土地利用類型和生產生活條件，將城區分為居民區、商業區和工業區3種功能區，各功能區又分為屋面、路面兩種下墊面。分別在每種功能區選擇1塊典型區域作為研究對象：居民區選取梅輝坡小區(緊挨金威商城，周邊相對繁華)，商業區選取金威商城附近(車流量、人流量大，周邊商鋪眾多)，工業區選取高新工業園區(規模最大，主要是制造業、新材料和生物制藥業)。

當降雨發生并產生徑流時，屋面雨水徑流在雨落管出口處用1 000 mL潔凈聚乙烯瓶收集；路面雨水徑流利用自制專用工具收集路邊雨篦子處的雨水，并轉移到500 mL潔凈聚乙烯瓶中。采樣頻率按照“前密后疏”的原則，產生徑流的前10 min內，每隔5 min采樣1次；10～30 min，每隔10 min采樣1次；30～60 min，每隔15 min采樣1次；60 min以后每隔30 min采樣1次，樣品采集后迅速帶回實驗室分析。每場降雨因降雨歷時、降雨強度、采樣次數不同，每次采集水樣個數為5～8個。

選取監測指標為CODCr、TN、TP、SS和重金屬(Cd、Cu、Pb、Zn)，分析方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》[16]。

1.3 降雨特征

2017年為平水年，共監測了11場降雨，降雨事件的降雨特征見表1。

2 研究方法

采用次降雨徑流污染物平均濃度(event mean concentration，EMC)來評價降雨徑流過程對受納水體的影響，計算公式為

(1)

式中：EMC為EMC值，mg/L；ρj為隨時間變化的污染物質量濃度，mg/L；Vj為隨時間變化的徑流量，L；k為降雨場次；M為整個降雨過程地表徑流釋放的污染物質總質量，mg；V為徑流總體積，L。

表1 2017年多場次降雨特征

采用綜合徑流系數法計算長治市各功能區不同下墊面徑流污染物的次降雨徑流加權平均質量濃度，計算公式為

(2)

城市降雨徑流污染負荷是由單場或多次降雨沖刷地表后釋放的污染物總量，而排放到受納水體的徑流污染物的量有一定的隨機性，有很大的誤差，因此采用年徑流污染負荷進行計算，公式為

Lx=CfPλ(ΨrArρr+ΨhAhρh+ΨgAgρg)

(3)

式中：Lx為降雨徑流污染物進入河流的年負荷總量，t/a；Cf為不產生雨水徑流時的降雨修正系數，取0.9；P為年降水量，mm；λ為城市非點源污染物隨雨水徑流入河系數，取0.13[17-18]；Ψr、Ψh、Ψg分別為道路、屋頂、綠地的徑流系數，參考GB 50014—2006《室外排水設計規范》取Ψr=Ψh=0.9、Ψg=0.15；Ar、Ah、Ag分別為道路、屋頂、綠地的面積，m2；ρr、ρh、ρg分別為道路、屋頂、綠地徑流污染物的加權平均質量濃度，mg/L。

3 結果與分析

3.1 長治市城區污染物的EMC

采用式(1)計算長治市城區典型功能區不同下墊面各場次降雨徑流污染物的EMC值，結果如圖2所示，圖中居屋代表居民區屋面，居路代表居民區路面，其他功能區和居民區表示類似。

從圖2可以看出，不同功能區不同下墊面各場次降雨徑流中SS的EMC值在2.074～666.87 mg/L之間，變化范圍較大，最大、最小值出現在20170714號降雨場次商業區路面、工業區屋面；多場降雨中不同功能區SS的EMC值商業區最大、工業區最小，不同下墊面SS的EMC值為路面大、屋面小。CODCr的EMC值在30.69～148.69 mg/L之間，除20170706號降雨場次居民區屋面、商業區屋面、商業區路面外，各場降雨不同功能區不同下墊面的EMC值均超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅴ類水標準；20170706號降雨場次中居民區路面CODCr的EMC值達到148.69 mg/L，超過《地表水環境質量標準》中Ⅴ類水標準的3.72倍，最小值出現在商業區路面；各場次降雨不同功能區不同下墊面CODCr的EMC值波動不大，污染相對嚴重。TN的EMC值在0.509～6.273 mg/L之間，最大值出現在20170621號降雨場次居民區路面，其EMC值超過《地表水環境質量標準》中Ⅴ類水標準的3.14倍，最小值出現在20170904號降雨場次居民區屋面；居民區屋面、工業區屋面、工業區路面TN的EMC的最大值都出現在20170621號降雨場次，分別是5.000 mg/L、3.918 mg/L、4.827 mg/L，分別為Ⅴ類水標準的2.50、1.96、2.41倍；多場降雨監測到的不同功能區不同下墊面TN的EMC值超過Ⅴ類水標準的接近半數，污染程度為商業區最大、居民區最小，不同下墊面的EMC值為路面大屋面小。TP的EMC值在0.029～0.624 mg/L 之間，最大值出現在20170714號降雨場次商業區路面，其EMC值超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅴ類水標準的1.56倍，最小值出現在20170718號降雨場次商業區屋面；各場降雨不同功能區不同下墊面TP的EMC值大小順序為商業區路面、居民區路面、工業區路面、商業區屋面、居民區屋面、工業區屋面，這與SS的EMC值規律相同；可見TP與SS具有一定的相關性，SS是污染物的載體，而TP吸附在顆粒的表面被雨水沖刷形成徑流匯入受納水體；在所監測到的降雨中，只有少數幾場降雨TP的EMC值超過Ⅴ類水標準，總體水質較好。

重金屬具有不可降解性和長期累積性。圖2中，Cd的EMC值范圍是9.65～44.27 μg/L，除20170727號降雨場次工業區路面外，各場降雨不同功能區路面、屋面徑流其EMC值均超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅴ類水標準；20170714號降雨場次工業區屋面Cd的EMC值最大，是Ⅴ類水標準的4.43倍，污染嚴重。Cu的EMC值的范圍是24.43～140.40 μg/L，除20170714號降雨場次商業區路面、工業區路面以及20170727號降雨場次工業區路面外，其余均在Ⅰ類水標準范圍內。Zn的EMC值范圍是67.00～290.43 μg/L，均超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅰ類水標準，但是均在Ⅱ類水標準(≤1 000 μg/L)范圍內。

(a) SS

(b) CODCr

(c) TN

(d) TP

(e) Cd

(f) Cu

(g) Zn

(h) Pb

Pb的EMC值范圍是0～32.41 μg/L，其中近一半的EMC值超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅱ類水標準限值。

總體來講，長治市城區降雨徑流非點源污染較為嚴重，主要污染源為SS、CODCr、TN和重金屬Cd。對于不同的功能區，商業區徑流水質相對較差，其次是居民區和工業區，各功能區路面SS、CODCr、TN和TP的EMC值明顯高于屋面，這與王顯海等[19]在寧波城區和Lee等[20]在不同功能區的研究結果大致相同。長治市降雨徑流中TN的EMC值低于北京[21]、宜興[22]、太原[23]等地；長治市重金屬污染物Cd、Cu、Zn和Pb的EMC值均低于西安市[24]和東莞市[25]，其Cu的EMC值在Ⅱ類水標準范圍內，Zn、Pb的EMC值在Ⅲ類水標準范圍內，與太原地區相似[23]。

長治市城區不同功能區以及不同下墊面的徑流污染程度不同，可能是因為徑流污染物的來源不同。屋面降雨徑流污染物主要來源于大氣沉降；路面污染物來源于輪胎磨損、汽車尾氣排放、污染物沉積、行人和攜帶物等[26]；商業區徑流水質較差是因為商業區位于繁華地帶，人流、車輛眾多，再加上道路清掃不及時等因素共同造成SS、CODCr等污染，而且汽車尾氣排放的NOx很容易造成降雨徑流中氮污染。Cd具有距離工業區越遠濃度越低的特征，可能與市區、工業園區產生的大氣粉塵密切相關[27]。少數幾場降雨不同污染物濃度偏高，可能與降雨強度、前期晴天數和下墊面性質有關。

3.2 長治市城區非點源污染負荷入河總量

采用式(2)(3)計算長治市城區2017年城市路面、屋面、綠地非點源污染物年負荷入河總量，結果見表2。其中綠地徑流污染物的EMC值參考與長治市污染程度類似城市的監測結果[24,28]，長治市城區各類型下墊面面積來自2018年《長治市統計年鑒》，2017年降水量來自2018年《長治市水資源公報》。將長治市城區路面、屋面和綠地各污染物年負荷與相對應的路面、屋面和綠地面積作比值，得到城市不同下墊面各污染物輸出系數，見表3。

表2 2017年長治市非點源污染物年負荷入河量

表3 2017年長治市不同下墊面各指標的輸出系數

由表3可知，長治市城區綠地各污染物輸出系數最小，路面各污染物輸出系數最大，這與下墊面類型、地表污染程度以及雨水徑流特性有很大的關系。由于路面污染物累積較多，經降雨沖刷后排放至河流，造成污染物濃度偏高；屋面污染物累積量較少，徑流攜帶的污染物較少；綠地徑流污染物濃度最低，是因為污染物被土壤和植物根系的截留、吸收和吸附作用去除了一部分。相比西安城區[29]、上海市[30]，2017年長治市城區不同下墊面非點源污染物輸出系數處于較低水平。

3.3 長治市城區非點源污染負荷入河貢獻率

圖3為2017年長治市典型下墊面污染物年負荷入河貢獻率。由圖3可知，2017年長治市城區同一下墊面不同污染物年負荷入河貢獻率不同，相同污染物不同下墊面年負荷入河貢獻率也不同。屋面徑流中各污染物貢獻率均較高，在46%～77%范圍內，其中TN、CODCr、Cd貢獻率在76%左右；路面徑流各污染物貢獻率范圍為14%～35%；綠地徑流各污染物貢獻率偏小，均在2%～27%范圍內。3種下墊面徑流污染物入河貢獻率趨勢為屋面>路面>綠地，說明在入河前，綠地過濾并吸附了一部分徑流污染物，使得入河污染物負荷量明顯消減，而屋面和路面受材質的影響，入河污染物負荷偏高。

圖3 2017年長治市典型下墊面污染物年負荷入河貢獻率

3.4 漳河上游城市非點源污染負荷空間分布

圖4(a)(d)(e)(g)顯示，2017年漳河上游流域非點源TN、CODCr、Cd、Zn污染負荷年入河量從大到小的城市依次為：長治城區、涉縣、潞城市、襄垣縣、長治縣、和順縣、左權縣、屯留縣、長子縣、沁縣、榆社縣、平順縣、黎城縣、壺關縣、武鄉縣。圖4(c)顯示，SS污染負荷年入河量從大到小的城市依次為：長治城區、涉縣、潞城市、襄垣縣、長治縣、長子縣、左權縣、屯留縣、和順縣、壺關縣、沁縣、平順縣、黎城縣、榆社縣、武鄉縣。其他不再贅述?？梢?，2017年漳河上游流域各城市中長治市城區污染最為嚴重，主要原因是長治市城區是全市的政治經濟文化中心，工業企業較多。而近些年由于長治市城鎮化率的快速增加，人為活動影響使得污染物排放量加大，因此污染較其他市縣嚴重。武鄉縣位于長治最北部，城市化進程較慢，交通覆蓋率偏低，多以農業為主，因此城市非點源污染較少。

(a) TN

(b) TP

(c) SS

(d) CODCr

(e) Cd

(f) Cu

(g) Zn

(h) Pb

4 結 論

a. 2017年長治市城區降雨徑流非點源污染較為嚴重，各場次降雨商業區、工業區、居民區徑流染物的EMC值路面總體高于屋面，主要污染源為SS、CODCr、TN和重金屬Cd。

b. 2017年長治市城區非點源污染物TN、TP、SS、CODCr、Cd、Cu、Zn和Pb年負荷入河總量分別為5.301 t/a、0.464 t/a、267.310 t/a、177.890 t/a、0.075 t/a、0.150 t/a、0.384 t/a和0.023 t/a。長治市城區綠地污染物輸出系數最小，路面污染物輸出系數最大，這與下墊面類型、地表污染程度以及雨水徑流特性有很大的關系。

c. 2017年長治市城區屋面徑流TN、CODCr、Cd的入河貢獻率偏高，均在76%左右。不同下墊面非點源污染物年負荷入河貢獻率順序為屋面、路面、綠地，同一下墊面不同污染物或相同污染物不同下墊面年負荷入河貢獻率都不同。

d. 漳河上游流域各城市中長治市城區各污染物入河量最大，污染最為嚴重，武鄉縣污染程度最低。