周貴堯，謝賢健，黃 安，謝建平，李 瑞

（內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江641110）

城市土地利用方式影響到地表污染物的負(fù)荷狀況，城市地面已成為非點(diǎn)源污染的重要污染來源［1］；同時(shí)，城市土地利用改變了自然水文過程，暴雨徑流沖刷地表攜帶大量污染物進(jìn)入水體，直接造成水體污染。因此，土地利用變化不但影響區(qū)域水循環(huán)環(huán)境，也成為控制城市非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵［2－4］。在城市化地區(qū)，不斷增加的非透水性地面和地下排水系統(tǒng)，不僅加速了地表徑流的形成，增加其流量，提高了洪水峰值，而且也降低了受納水體的水質(zhì)，引發(fā)了水供給問題［5］，城市暴雨徑流中含有諸如營養(yǎng)物、殺蟲劑、病菌、石油、油脂、沉淀物以及重金屬等許許多多的污染物，已經(jīng)成為水質(zhì)破環(huán)的主要原因［6］。

內(nèi)江城區(qū)地表堆積物中含有大量污染物質(zhì)，特別是化學(xué)需氧量（COD），氨氮，溶解氧，銅，鉻等污染物質(zhì)。降雨時(shí)，這些污染物質(zhì)在地表徑流的沖刷下，通過城市地表排放到河道湖泊及河口，使受納水體的水質(zhì)受到嚴(yán)重污染［7］。筆者以內(nèi)江城區(qū)為例，研究在一次典型降雨中內(nèi)江城區(qū)不同土地利用方式產(chǎn)生的污染負(fù)荷指數(shù)。對(duì)類似中等城市不同土地利用方式在典型降雨過程中產(chǎn)生的污染負(fù)荷指數(shù)進(jìn)行分析探討。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)江市位于四川盆地東南部，居沱江流域中游，地理位置位于東經(jīng)104°15′—105°26′，北緯29°11′—30°02′，東西長121.5km，南北寬94.7km，全市幅員面積4 386km2，耕地面積16.36萬km2，下轄市中區(qū)、東興區(qū)、隆昌縣、資中縣、威遠(yuǎn)縣五個(gè)區(qū)縣，2010年年末全市總?cè)丝?25.6萬人，主城區(qū)人口141.7萬人，全市GDP總產(chǎn)值5 609 631萬元，主城區(qū)GDP總產(chǎn)值2 068 845萬元。區(qū)內(nèi)位于國務(wù)院重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的“成渝經(jīng)濟(jì)圈”腹心地帶，是四川省“十二五”規(guī)劃建設(shè)的特大城市之一，同時(shí)也是西南各省交通的重要交匯點(diǎn)，境內(nèi)有成渝高速、內(nèi)宜高速，成渝鐵路、內(nèi)昆鐵路和沱江航道相互交錯(cuò)貫通的交通網(wǎng)絡(luò)，素有“川中樞紐，川南咽喉”之稱。

1.2 研究材料和方法

（1）典型降雨。通常情況下，降雨量達(dá)到5mm時(shí)僅能將地表完全濕潤，降雨量為5～10mm時(shí)可形成街道降水徑流，一次性降水達(dá)到20～25mm（降雨歷時(shí)1h）則可將街道地表物質(zhì)完全沖刷干凈。因此，將歷時(shí)1h左右，累計(jì)降水量為25mm左右的降水定義為一次典型降水。通常，在一次典型降雨48 h后街道地表物質(zhì)恢復(fù)原狀［8］。

（2）徑流量。根據(jù)美國土壤保持局提出的降雨徑流SCS［9］模型計(jì)算徑流量，該模型是根據(jù)降水過程中水量平衡原理以及降雨徑流之間的基本關(guān)系推出的徑流曲線數(shù)值模型。

式中：Q——徑流深（mm）；P——一次典型降雨量（mm）；S——徑流開始后，流域內(nèi)形成的最大持水量；CN——徑流曲線值，是反映降雨前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，它與土壤的濕潤程度、坡度、植被、土壤類型和土壤利用現(xiàn)狀等相關(guān)。CN值是一個(gè)無量綱參數(shù)，理論取值范圍是0～100，實(shí)際應(yīng)用中取值范圍是40～98［10］。只要確定CN值，就可由降雨量求得徑流深；再將徑流深乘以研究區(qū)域的面積（A），即可求出該次暴雨的徑流量。

該模型的導(dǎo)出過程［11］是基于實(shí)際入滲量（F）與實(shí)際徑流量（Q）之比等于集水區(qū)該場降雨前的最大可能入滲量（或潛在入滲量S）與最大可能徑流量（或潛在徑流量Qm）之比的假定基礎(chǔ)上建立的，即

式中，假定潛在徑流量（Qm）為降雨量（P）與由徑流量產(chǎn)生的植物截留，出滲和田洼蓄水構(gòu)成的出損Ia的差值，即：

實(shí)際入滲量為降雨量減去出損量和徑流量，即：

將（4）式和（5）式代入（3）式，可以推出：

進(jìn)而推知：

為了簡化運(yùn)算，通常假定集水區(qū)該場降雨的初虧損Ia為該場降雨前潛在入滲量的0.2倍，即Ia＝0.2S，由此可以推出（1）式。

1.3 不同土地利用區(qū)面積的確定

為了調(diào)查在一次典型降雨中，內(nèi)江城區(qū)不同下墊面所產(chǎn)生的降雨徑流污染負(fù)荷總量，必須事先查清該地區(qū)的各種土地利用類型。本次研究所涉及的行政范圍主要是樂賢和東興兩鎮(zhèn)。利用收集到的土地利用資料和圖集，在ArcGIS 9.1軟件技術(shù)的支持下對(duì)土地利用圖進(jìn)行數(shù)字化，得到內(nèi)江城區(qū)土地利用分布圖，獲取有關(guān)該區(qū)域有關(guān)土地利用類型面積資料［12］。

1.4 野外樣品采樣

根據(jù)不同城市功能區(qū)有其特定的地表堆積物的分布特點(diǎn)，地表堆積物累積量與土地利用狀況和性質(zhì)、綠化條件、交通狀況以及土地裸露程度有直接關(guān)系的原則［13］，依據(jù)一次典型降水48h后街道恢復(fù)原狀理論，以典型性和代表性為原則，在木材加工廠、污水處理廠、汽車零配件生產(chǎn)廠、廢舊金屬回收處理廠附近，選擇工礦用地；在日均人流量大，人口經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁、商業(yè)繁華地帶選擇商業(yè)用地；在距離市中心相對(duì)較遠(yuǎn)，綠化條件相對(duì)較好，公共基礎(chǔ)設(shè)施健全，空氣質(zhì)量較好，市區(qū)居民居住較多的地區(qū)選擇住宅用地；在內(nèi)江市區(qū)城市交通主干道大洲路和東桐路分別選取一個(gè)點(diǎn)作為交通用地采樣點(diǎn)；將內(nèi)江師范學(xué)院第五和第八教學(xué)樓選為建筑用地。記錄下采樣樣品編號(hào)、采樣地類型、采樣時(shí)間以及采樣地點(diǎn)，將樣品做技術(shù)處理，妥善保存帶回實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步分析測試，同時(shí)在位于內(nèi)江師范學(xué)院校內(nèi)的氣象監(jiān)測站內(nèi)測出內(nèi)江城區(qū)當(dāng)日降雨量。

1.5 室內(nèi)污染濃度測試

將野外采集回來的樣品分別進(jìn)行COD、氨氮、溶解氧、鉻、銅的污染負(fù)荷濃度測試。其中，COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用鈉氏試劑光度法測定，溶解氧采用碘量法測定，重金屬鉻和銅采用直接吸入火焰原子法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)江城區(qū)降雨徑流模擬SCS計(jì)算結(jié)果

利用SCS模型，計(jì)算一次典型降雨內(nèi)江城區(qū)不同土地利用方式即，工礦用地、商業(yè)用地、住宅用地、交通用地和建筑用地所形成的徑流深。其中CN值根據(jù)美國國家工程手冊(cè)所列的各種土地利用方式的徑流曲線值結(jié)合實(shí)地調(diào)研結(jié)果將工礦用地、商業(yè)用地、住宅用地、交通用地和建筑用地的取值分別確定為93.00，95.00，90.00，95.00，92.00。測得內(nèi)江城區(qū)當(dāng)日實(shí)際降水量為28.00mm，與典型降水相差0.12個(gè)百分點(diǎn)，可近似看成一次典型降水，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，一次典型降雨中，內(nèi)江城區(qū)不同土地利用方式產(chǎn)生的徑流深不同，工礦用地、商業(yè)用地、住宅用地、交通用地、建筑用地所產(chǎn)生的徑流深分別是13.50，16.58，9.88，16.58，12.18。徑流系數(shù)分別為0.48，0.59，0.35，0.59，0.44。

表1 內(nèi)江城區(qū)降雨徑流模擬SCS計(jì)算結(jié)果

2.2 一次典型降雨徑流的污染物濃度模擬結(jié)果

2.2.1 地表堆積物污染物產(chǎn)生量 結(jié)合不同的土地利用方式下地表堆積物的粒級(jí)分布特征、污染物浸出濃度［14］，選取COD、氨氮、溶解氧、鉻和銅5個(gè)衡量指標(biāo)計(jì)算出試驗(yàn)區(qū)單位面積污染物產(chǎn)生量（表2）。

表2 不同土地利用方式下單位面積地表堆積物污染物產(chǎn)生量 g／（m2·d）

2.2.2 一次典型降水所產(chǎn)生的污染物濃度 由表2計(jì)算所得的不同土地利用方式下單位面積地表物污染物產(chǎn)生量，結(jié)合表1不同城市土地利用方式一次所產(chǎn)生的徑流深。估算出在一次典型降雨過程中不同利用方式污染物的濃度及其污染程度，結(jié)果見表3。

由表3可知，在一次典型降雨形成的徑流污染中，工礦用地的氨氮、溶解氧、鉻和銅的含量及其污染程度都是最高的，特別是溶解氧的含量高達(dá)5.70 mg／L，是國家地表水質(zhì)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的2.85倍。成為降雨徑流的主要污染物。在COD評(píng)價(jià)指標(biāo)中，除住宅用地和建筑用地沒有超過國家地表水質(zhì)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)外，其余的三種土地利用方式均超過了國家地表水質(zhì)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。其中，商業(yè)用地是Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的1.98倍。值得注意的是，工礦用地和交通用地的鉻含量都比較高，如果按照地表水質(zhì)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估的話，它們的含量將超標(biāo)，對(duì)這些污染源也應(yīng)該引起重視。

另外，從表3中還可見，對(duì)于不同的土地利用方式，在5個(gè)指標(biāo)中，COD的濃度都是最高的，其中，商業(yè)用地高達(dá)79.00mg／L，污染負(fù)荷指數(shù)為V類標(biāo)準(zhǔn)的1.98倍，但從污染負(fù)荷的角度來看，COD并不是降雨徑流產(chǎn)生污染物的主要來源。在5種土地利用方式下，一次降雨徑流產(chǎn)生的污染負(fù)荷指數(shù)中，溶解氧是最高的。其中，工礦用地、商業(yè)用地最為明顯，分別是Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的2.85倍和2.00倍，住宅用地和建筑用地同樣高于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的1～2倍。因此，溶解氧是一次典型降雨形成地面污染物的主要元素。在氨氮評(píng)價(jià)指標(biāo)中，工礦用地的污染負(fù)荷指數(shù)最高，為0.44，但未超過國家地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 一次典型降雨不同城市土地利用方式產(chǎn)生的污染物濃度及其污染程度

2.3 污染負(fù)荷總量估算

內(nèi)江城區(qū)工礦用地、商業(yè)用地、住宅用地、交通用地和建筑用地的面積采用謝賢健等人［12］對(duì)內(nèi)江城區(qū)2009年不同土地利用類型面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表4），內(nèi)江城區(qū)共有9種土地利用類型，工礦用地、商業(yè)用地、住宅用地、交通用地、建筑用地為主要城市用地，其余4種城市土地利用分別是江河湖泊泄洪用地、滯洪用地、其他已經(jīng)供應(yīng)尚未建成用地、未達(dá)到供地條件的用地，這4種土地歸為城市未利用地，占城市用地總面積的58.15%，主要分布在內(nèi)江城區(qū)邊緣地帶，這些地區(qū)人口相對(duì)較少、工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為滯后，各種點(diǎn)源和面源污染相對(duì)較少，對(duì)內(nèi)江主城區(qū)污染影響相對(duì)較小，研究意義較小，因此，本文未對(duì)這4種城市土地作討論。結(jié)合表3中幾個(gè)污染物在5種主要城市土地利用下單位面積的產(chǎn)污量，估算在一次典型降雨所形成的徑流下不同土地利用方式各自COD、氨氮、溶解氧、鉻和銅的總產(chǎn)值，結(jié)果見表5。

表4 2009年內(nèi)江市城市不同土地利用類型面積及其比例［12］

表5 不同土地利用方式下降雨徑流產(chǎn)生的污染負(fù)荷

從表5中可見，在一次典型降雨中，COD的污染負(fù)荷總量高達(dá)2 361.08kg，氨氮、溶解氮、鉻、銅的負(fù)荷總量分別為35.20，197.57，1.47，1.28kg。據(jù)內(nèi)江城區(qū)氣象局統(tǒng)計(jì)資料，內(nèi)江城區(qū)近5a來一次性降雨超過28mm的降雨次數(shù)年平均為6次。據(jù)此可以估計(jì)，內(nèi)江城區(qū)污染物年產(chǎn)量，COD為14 166.48kg，氨氮為211.20kg，溶解氧為1 185.42kg，鉻為8.82 kg，銅為7.68kg。從表5中還可知，在一次典型降雨產(chǎn)生的地面徑流中，商業(yè)用地的污染指數(shù)是最高的，COD為46.56%，氨氮為41.25%，溶解氧為37.93%，鉻為76.36%，特別要指出的是COD和鉻的污染指數(shù)接近于建筑用地的20倍。這些主要是因?yàn)樯虡I(yè)用地基本上都是不透水面，其COD、氨氮、溶解氧和鉻的浸出濃度都很高，并且商業(yè)用地面積在5種土地利用方式面積中所占比例相當(dāng)大，分別超出工礦用地、交通用地、建筑用地6.49，7.56，6.60個(gè)百分點(diǎn)，與面積指數(shù)最大的住宅用地僅差2.39個(gè)百分點(diǎn)。同樣，工礦用地的COD、氨氮、溶解氧的污染指數(shù)也是不容忽視的，在5種土地利用方式中分別列第三、第二和第三；建筑用地的氨氮、溶解氧污染指數(shù)同樣值得關(guān)注，其污染負(fù)荷指數(shù)分別在五種土地利用方式中列第三和第二；交通用地的COD、氨氮、銅污染指數(shù)貢獻(xiàn)率分別為13.27%、14.90%、和39.84%，在5種土地利用方式中分別列第二、第三和第一。

這些溶解的或固體物質(zhì)在降雨徑流的淋洗和沖刷作用下，通過徑流過程直接排入研究區(qū)河道、湖泊以及河口中，引起受納水體污染，直接影響人類生存的環(huán)境質(zhì)量，污染飲用水源，引起水體的富營養(yǎng)化，破壞水生生物的生存環(huán)境，造成土壤生產(chǎn)能力和水質(zhì)的下降，嚴(yán)重影響人民生產(chǎn)、生活質(zhì)量和福利水平的高低［15－16］。

3 結(jié)論

在一次典型降雨形成的徑流污染中，ρCOD為37.20 mg／L，ρ氨氮為0.67mg／L，ρ溶解氧為3.72mg／L，ρ鉻為0.01mg／L，ρ銅為0.03mg／L，商業(yè)用地的COD最大，污染負(fù)荷為79.00mg／L，工業(yè)用地的氨氮、溶解氧、鉻的污染負(fù)荷濃度最大，分別為0.87，5.70，0.018mg／L；交通用地的銅污染負(fù)荷濃度最大，達(dá)到0.07mg／L。內(nèi)江城區(qū)因降雨產(chǎn)生的年污染負(fù)荷量，COD為14 166.48kg，氨氮為211.20kg，溶解氧為1 185.42 kg，鉻為8.82kg，銅為7.68kg，商業(yè)用地的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)率最大，其中，COD為66.56%，氨氮為47.25%，溶解氧為23.85%，鉻為76.36%。

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