城市面源污染物迁移转化研究现状及展望

城市面源污染物迁移转化研究现状及展望摘要：在点源污染逐步得到控制后，城市面源污染问题日益突出，已成为目前水环境污染控制的重点和难点。城市面源污染是指存降水条件下，雨水和径流冲刷城市地面，使溶解的或固体污染物从非特定的地点汇人受纳水体，引起的水体污染。在广泛调研国内外相关领域研究成果的基础上，对城市面源污染的成因和特点、研究历程、面源污染物的迁移转化机制、污染负荷模型以及面源污染的防控机制进行论述。

关键词：城市面源污染；迁移转化；研究进展

随着城市化的迅速发展，城市化与城市建设极大地改变了城市原有地表环境，取而代之的是大量的建筑物和道路，导致城市地表硬化率急剧增加，不透水比例增大，使得雨天特别是暴雨天气产生大量的径流不能通过城地表渗透到土壤中或者是被植物截流，只能通过分流制或合流制系统把径流排放到受纳水体中，对受纳水体的水质造成明显的破坏。在美国，面源污染已成为水环境污染的第一因素，60％的水污染起源于面源。

面源污染(Non-point Source Pollution)，是指溶解的或固体污染物从非特定的地点，在降水和径流冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体(如河流、湖泊、水库、海湾等)，引起的水体污染。城市面源污染是仅次于农业面污染源的第二大面污染源，是指暴雨产生的径流冲刷地面污染物（城区垃圾、工业垃圾、采矿灰尘、粪便、化肥、重金属、大气干湿沉降物，点源无组织排放散布在地面上的排放物、天然植物的残余物等），通过地表径流面带入江河湖泊水库等环节而产生的污染，它是相对于点源污染而言的一种环境污染类型，亦称为城市非点源污染。不同于点源污染，城市面源污染表现出随机性、差异性和滞后性等特点，这是因为其发生源。迁移途径和污染物浓度等差别较大；城市面源污染物质一部分直接沉积在地表，其他部分则飘散在空气中或随降尘或降雨进入路面或土壤表面。沉积于地表的、或通过降尘或降雨进入路面的污染物在降雨径流过程中将最终进入地表水体，影响水体水质，进而直接或间接影响动植物和人类的生存与生活。

1. 城市面源污染特征及影响因素

1.1 城市面源污染特征

韩冰在研究中指出城市面源污染的几大特征：

（1）城市地表径流中污染物以SS为主，其浓度明显大于城市污水的值；

（2）重金属及碳氢化合物的浓度在数量级上与未经处理的城市污水基本相同；

（3）COD、BOD5、总大肠菌数、总氮和总磷浓度值都低于未经处理的城市污水；

（4）不同使用功能地表的降雨径流过程排污状况中，商业区污染负荷最大；

（5）城市地表径流污染物中的金属主要来自屋顶径流；

（6）碳氢化合物和铅主要是吸附在颗粒上，其他污染物浮动性较大，对于路面和绿地径流，污染物大多数吸附在颗粒上，屋顶径流中有一大部分的污染物，如Zn和Cd呈溶解状态；

（7）地表径流污染物浓度变化范围很大，不仅表现在不同地区，而且即使在同一地区变化范围仍然很大。这与不同地区的气象条件及地表污染状况等因素有关。

同时，城市面源污染在区域上也存在一些特点，总体概括如下：

（1）北方城市屋面径流污染物浓度高于南方城市；

（2）南方城市道路径流污染物浓度较高于北方城市；

（3）对于屋面径流和路面径流，特大城市的污染物程度均高于中等城市。

总结而言就是，城市面源污染，北方污染程度高于南方。

1.2 城市面源污染的影响因素

影响城市面源污染的因素很多，主要包括：降雨强度、降雨量、降雨历时、城市土地利用类型(如居民区、工业区、商业区、城市道路等)、大气污染状况、地表清扫状况等。降雨强度决定着淋洗地表污染物的能量的大小；降雨量决定着稀释污染物的水量，降雨历时既决定着污染物被冲刷的时间也决定着降雨期间的污染物向地表输送的时间；城市土地利用类型决定着污染物的性质及累积速率；大气污染状况决定着降雨初期雨水中污染物含量；城市地表清扫的频率及效果影响着晴天时在地表累积的污染物数量。

2. 数值模拟和遥感技术在城市面源污染预测的应用

数值模拟是研究地下水环境最有效的方法之一，现已开发出Visual

MODFLOW、GMS等专用于地下水模拟的系统，在国内外得到广泛认可和应用。但是，如何降低模型的不确定性成为数值模拟面临的主要挑战。随着计算机技术的快速发展，利用数学方法来解决面源污染问题成为越来越值得研究的重点。以氮负荷为例：地表的面源氮负荷污染地下水需要经过2个过程——首先经降雨淋洗进入包气带，在这一过程中会发生氮的矿化、固定化、硝化、反硝化、被植物吸收等作用，引起实际进入到地下水中的氮负荷的变化；穿过包气带，氮素垂向迁移进入饱和带，经过对流、扩散并发生一系列反应后，此时的氮负荷才是污染地下水的真实值。因此，对地表氮负荷污染地下水的数值模拟可以分为两个部分来考虑，非饱和带中垂向迁移模型和地下水污染迁移模型。

从20世纪70年代人们开始对面源模型进行研究以来，已经开发了很多模型可以用来模拟城市面源污染。具有代表性的模型有：由美国普度大学农业工程系Beasley和Hug．gins于1981年提出的基于降水事件的分布式参数模型AN—SWERS；由Hanson等于1981年提出一个允许用水动力学和沉积化学共同作用来模拟路面和土壤污染物径流过程的物理分布型综合模型HSPF；由美国农业部农业研究署(USDA—ARS)和土壤保护署于1986联合开发的基于降水事件的分布式参数模型AGNPS；由丹麦水工试验所(Danish Hydraulic Institute)1982年开发的MIKESHE；由Williams等和Arnold等开发提供的物理分布模型SWRRB／SWAT 等等。

在现有的面源模型中，涉及到污染物在包气带中迁移转化的模拟建模的理论基础都是由达西定律和连续方程导出的土壤水分子运动基本方程以及污染物运动的水动力弥散方程，从而建立数学模型进行模拟和预测。常用的模型有GLEAMS、HYDRUS-1D等，均可以在包气带中得到较好的模拟效果。饱和带中氮的模拟是通过建立地下水动力学方程，并在实验室测定模型需要的参数，对地下水的水质水量等进行模拟。数值模拟法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法，并受到越来越多的重视和广泛的应用。目前较常使用的是Visual MOD—FLOW、GMS、FEFLOW等模型，在一些地区已经有了较成功的模拟范例。其中，GMS不仅可以模拟地下水中污染物质的迁移转化过程，还可以将包气带中污染物的垂向迁移考虑进来，共同模拟。

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