城市非点源污染研究进展与展望

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《美国清洁水法修正案 》[4 ]将非点源污染定义为“污染物 以广域的 、分散的 、微量的形式进入地表及地下水体 ”。与点源 污染相比 ,非点源污染具有许多复杂的特性 。归纳起来 ,城市 非点源污染有以下特征 :
(1)随机性 。受城市水文循环的影响和支配 ,城市降雨径 流具有随机性 ,由此产生的非点源污染也具有随机性 。
水危机已成为目前世界上最引人注目的环境问题之一 ,水 危机不仅表现在水量的不足 ,更反映在水质的恶化方面 。点源 污染易于识别和治理 ,自 20世纪 60 年代以来 ,世界上大部分 国家已得到了较好地控制 。随着点源污染控制能力的提高 ,非 点源污染的严重性逐渐显现出来 。研究表明 ,即使点源污染得 到全部控制 ,水环境也得不到根本改善 ,水质达标率仅为 42% ~65% [1 ] 。随着我国人口的持续增加 ,以及人类不合理活动的 增多 ,更加剧了城市水体的非点源污染 ,导致可用水资源量愈 加减少 。因此 ,加强对城市非点源污染的研究对解决人类面临 的水危机具有重要意义 。
学计算 、可数化表达等功能的超大型模型被开发出来 ,如由美
国国家环保局开发的 BASINS和美国农业部农业研究所开发的
AGNPS等 ,这为城市非点源污染的定量化研究提供了方便 。
2wk.baidu.com 2 国内研究现状
我国真正意义上的非点源污染研究起始于对北京城市径
流污染的研究 ,随后上海 、杭州 、苏州 、南京 、成都等城市也逐渐
在对过去城市径流非点源污染模型多年应用经验进行总结的
基础上 ,不断地完善已建立的模型 ,推出新的模型 。同时 ,与非
点源污染负荷估算相关的流域开发方向 、非点源污染管理模型
和风险评价成为本时期应用模型研究的最新突破点 [8 ] 。随着
计算机技术的飞速发展以及 3S技术的广泛应用 ,一些功能强
大的基于流域尺度的具有空间数据信息处理 、数据库技术 、数
第 3期 张瑜英等 :城市非点源污染研究进展与展望
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(3)土地利用状况 。不同的土地利用类型 ,其污染物的性 质和累积速率也不同 。
(4)雨 (污 )水排放方式 。目前 ,我国城市雨 (污 )水的排放 有直排式合流制 、截流式合流制 、完全分流制 、截流式分流制和 不完全分流制等 5种形式 [6 ] ,不同的排放体制决定着其拦截城 市地表径流污染的数量与质量 。
开展起来 。农村非点源污染研究始于 20 世纪 80 年代初的湖
泊 、水库富营养化调查和河流水质规划研究 ,如在对于桥水库 、
滇池 、太湖 、都阳湖 、巢湖 、三峡库区等湖泊 、水库进行探索性的
研究中 ,较好地把握了非点源污染负荷发生状况 ,为湖泊 、河流
的水质规划与流域规划提供了可靠的依据 ,也为非点源污染研
理型的少 ;对实测资料的依赖程度高 ,具有局域性 ,缺少以污染
物迁移转化机理为基础的模型 ; GIS和水文模型技术集成 ,多限
于低层次的文件交换 。
地理信息系统 ( GIS)作为一个海量空间数据的集成环境 ,
已经越来越多地应用于城市非点源污染的研究之中 。非点源
污染形成的水动力过程 ,以及污染物在水环境中的分布 、迁移
第 3期 刘昕宇等 :黄河上游重点河段特征有机污染物现状调查分析
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表 2 黄河兰州河段底泥中有机污染物在各断面分布情况统计 mg / kg
2. 1 国外研究进展
人类对非点源污染的认识和研究经历了由现象因果认识 分析 、机理模型开发到与计算机现代技术结合产生大型模型的 3个发展阶段 。在发达国家 ,城市非点源污染研究起始于 20世 纪 70年代 ,早期的模型研究集中以土地利用对河流水质产生 影响的认识为基础 ,对降水径流污染特征 、影响因子 、单场暴雨 和长期平均污染负荷输出等方面进行了研究 ,以统计模型为 主 ,建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计关系 , 著名模型有城市水管理模型 ( SWMM ) 、城市地表径流数学模 型 ( STORM )等 。到 20世纪 80年代 ,美国农业部研究所开发 的化学污染物径流负荷和流失模型 ( CREAM ) ,采用了美国农 业部水土保持局开发的 SCS水文模型来计算暴雨径流 ,充分考 虑了污染物在土壤中的物理 、化学形态和分布状况 [7 ] ,为城市 径流污染模型的发展提供了很好的经验 。20世纪 90年代后 ,
和转化 ,都具有明显的空间特性 。水文模型对空间数据的管理
能力相对较弱 ,而 GIS在空间数据管理 、建立复杂空间模型及
空间数据的显示和查询方面具有强大的优势 。由于水文模型
和 GIS存在互补性 ,因此近年来两者的结合一直是环境研究中
颇受重视的领域 , AGNPS、SWAT、ANSW ERS等水文模型以 A rc2
【水资源 】
城市非点源污染研究进展与展望
张瑜英 1, 2 ,孙丽云 2 ,李占斌 1
(1. 西安理工大学 水利水电学院 ,陕西 西安 710048; 2. 郑州大学 环境与水利学院 ,河南 郑州 450002)
摘 要 :随着城市污水与工业废水等点源污染控制水平的提高 ,城市非点源污染的严重性日益表现出来 。介绍了城市非 点源污染概念 、特征和影响因素 ,目前国内外城市非点源污染定量化研究进展及状况 ,提出了城市非点源污染模型研究 存在的问题及今后发展的方向 。 关 键 词 : 城市非点源污染 ; 研究进展 ; 模型 中图分类号 : X131 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 1379 (2006) 03 0042 02
(5)时空性 。污染负荷的时间变化 (降雨径流过程 、年内不 同季节及年际间 )和空间 (不同地点 )变幅大 [2 ] 。
(6)具有初期效应 。城市不透水面不断增加 ,洪峰流量提 前 ,污染负荷在降雨初期量值较大 ,在时间上存在一个明显的 初期效应 。研究表明 [5 ] ,在一场降雨过程中 ,占总径流 20%或 25%的初期径流 ,冲刷排放了径流排污量的 50%。
(2)富营养化物质 。城市径流中含有大量的富营养化物 质 ,如 N、P等 。
(3)耗氧物质 。生活垃圾 、树叶 、草以及杂乱废弃物的堆 放 ,使得城市径流中有大量的耗氧有机物 (有机无毒物 ) 。
(4)有毒物质 。重金属是城市径流中一种最典型的无机有 毒污染物 ,主要来源于机动车 。城市径流中有机有毒污染物包 括杀虫剂 、多氯联苯 ( PCB s)和多环芳烃 ( PAH s) ,主要来源于 园林绿地 、菜地等施用的农药 、机动车辆排放的废气以及大气 的干湿沉降等 。
1 城市非点源污染概述
1. 1 概 念
根据污染源特性的不同 ,可以将污染分为两大类 ,即点源 污染和非点源污染 。点源污染是指废水等通过排水管道等途 径直接进入受纳水体引起的污染 ,污染物定点 、定量排放 ,可人 为控制 ,能通过污水处理厂处理 。非点源污染是指溶解性或固 体污染物 ,从非特定的地点随暴雨生成的径流进入受纳水体所 造成的污染 ,污染的发生具有随机性 、排放途径及污染物排放 的不确定性 、污染负荷的时空差异性以及监测 、控制 、管理难度 大等特点 [2 ] ,也有研究者称其为面源污染 。
(5)生物性污染物 ,主要指病原性微生物 。一般地 ,城市径 流中细菌的含量都超过公众对水要求的健康标准 。径流中粪 便大肠杆菌的数量要比游泳池的健康标准高出 20~40倍 。细 菌的来源主要是下水道溢流 、宠物以及城市中的野生生物等 。
2 城市非点源污染的定量研究进展
非点源污染的定量研究就是对非点源污染负荷进行估算 。 非点源污染负荷定量化是水体污染管理规划和环境治理的重 要基础 。要定量估算一定时段内非点源污染负荷量 ,最基本的 方法是监测所有降水过程的径流水质 ,但受客观条件限制 ,显 然这是不可能的 。因此 ,在进行非点源污染的研究中 ,最为有 效 、直接的方法是建立数学模型 ,即在空间和时间序列上对非 点源污染的产生机理进行数学模拟分析 ,从而对研究区域内发 生的复杂的污染过程作定量描述 。
收稿日期 : 2005 12 10 基金项目 :中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX - 10 - 04) ; 科技部“西部开发科技行动 ”重大项目 (2004BA901AB ) 。 作者简介 :张瑜英 (1970 ) ,女 ,河南洛阳人 ,讲师 ,博士研究 生 ,研究方向为水资源及环境工程 。
(5)城市卫生状况 。城市地表的清扫频率及效果决定污染 物积累的数量 ,直接影响非点源的污染负荷 。
1. 4 污染物种类
(1)悬浮物 。城市径流中夹带有大量的悬浮物 ,它主要来 自交通工具锈蚀产生的碎屑物质 、机动车产生的废气 、大气干湿沉 降物 、轮胎和刹车摩擦产生的物质以及居民烟囱释放出的烟尘等 。
view为平台 ,与 GIS进行了较为成功的结合 。探讨 3S集成技
术在城市非点源污染方面的应用 ,开发基于地理数据库 ( Geo2
database)的 GIS与城市非点源污染模型的耦合软件 ,并在模型
中引入模糊理论 、不确定性分析 ,形成城市非点源污染专家管
理决策支持系统是今后的发展趋势 。
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究积累了有益的经验 [8 ] 。我国城市非点源污染研究起步较晚 ,
且仅局限于城区径流污染的宏观特征和污染负荷定量计算模
型的研究 [9 ] 。其中污染负荷定量计算模型研究的方向有径流
量与污染负荷相关性分析 [10 ] 、水量单位线和污染物负荷的研
究以及地表物质累积规律 [11 ]等 。同时 ,随着计算机技术的高
城市非点源污染指城市降雨径流淋洗与冲刷大气和汇水面 各种污染物引起的受纳水体的污染 ,是城市水环境污染的重要因 素 [3]。降雨是城市非点源污染形成的动力因素 ,而降雨形成的径 流是非点源污染物迁移的载体。因此 ,狭义上的城市非点源污染 即指城市降雨径流污染 ,它是城市非点源污染的最主要形式 。
1. 2 特 征
速发展以及研究实践的需要 ,遥感技术以及人工模拟实验技术
都已运用到城市非点源污染研究领域 。到 20世纪 90年代后 ,
分雨强计算城区径流污染负荷为城市径流污染负荷定量计算
提供了新的研究方法 [12 ] 。目前 ,利用 3S技术进行非点源污染 研究的成果不断出现 [13~15 ] ,为非点源污染研究提供了有力的
1. 3 影响因素
(1)城市气候 、水文特征 ,如降雨 、城市水土流失等 。降水 是水土流失的重要因子 ,而水土流失和地表径流又是非点源污 染产生的主要条件 。降水量大小及时空分布决定着地表径流 的大小及分布 ,从而影响城市水土流失量 (其中也含有营养物 ) 以及污染物的运输和转移过程 。
(2)大气污染状况 。大气中的悬浮物 ,如烟尘 、车辆废气等 的干沉降或经降雨 (溶雪 )的淋溶和洗刷作用产生的湿沉降 ,不 仅会增加水体氮 、磷 、重金属等污染物的含量 ,还会直接对生态 系统造成破坏 。湿沉降 (酸雨 )能通过改变土壤酸度影响重金 属活性 ,特别是 Hg的生物有效性 。
(2)广泛性 。城市地面及上空等处滞留的污染物在随降雨 径流进入水体前几乎遍及城市广大地域 。
(3)复杂性 。污染物的来源复杂 ,排放不固定 ,检测 、研究 、 控制和处理困难 。
(4)滞后性 。非点源污染对城市环境的影响有一个量的积 累过程 ,在时间上表现出滞后效应 ,如一些化学污染物使用的 量及频率与水体结合性质以及降水条件等都有相关性 。
第 28卷第 3期 人 民 黄 河 Vol. 28 , No. 3 2006年 3月 YELLOW R IVER Mar. , 2006
支持 ,也提高了非点源污染的负荷精度 。
2. 3 问题与展望
非点源污染是一个复杂的过程 ,是多个子过程的综合 ,涉
及水文 、土壤 、环境 、地理 、泥沙 、物化 、生态 、气象等多种学科 。
目前 ,我国在城市非点源污染负荷定量化方面存在的问题主要
有如下几个方面 :各类城市非点源污染模型中 ,经验型的多 ,机
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