楊豐愷 姜應(yīng)和* 徐天會(huì)

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430070;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430056; 3.中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430051)

1 概述

近年來(lái)，隨著全球城市化進(jìn)程的加快，大片農(nóng)田和林地轉(zhuǎn)變?yōu)榈缆?、建筑及其他鋪砌區(qū)域［1］，導(dǎo)致城市不透水面積不斷增長(zhǎng)。非點(diǎn)源(Non-Point Source，簡(jiǎn)稱(chēng)NPS)污染是指污染物通過(guò)自然或人為方式進(jìn)行沉積，降水時(shí)隨地表徑流流入湖泊、河流、海洋和地下水等受納水體而造成水體污染的現(xiàn)象。城市土地類(lèi)型的轉(zhuǎn)變?cè)斐煞屈c(diǎn)源污染物累積和沖刷過(guò)程發(fā)生了改變［2］。城市非點(diǎn)源污染如今已成為城市水環(huán)境的主要污染源之一，隨之會(huì)帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化、黑臭水體和飲用水源污染等一系列嚴(yán)重問(wèn)題［3］。我國(guó)目前處于城市化突飛猛進(jìn)的發(fā)展階段，所面臨的城市非點(diǎn)源污染壓力遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家。因此針對(duì)城市非點(diǎn)源污染進(jìn)行特征影響分析和防治措施研究具有重要意義。

2 城市非點(diǎn)源污染的來(lái)源及特征

非點(diǎn)源污染常按產(chǎn)生區(qū)域和過(guò)程分為城市、農(nóng)業(yè)和其他非點(diǎn)源污染三類(lèi)。與后兩者相比，由于城市中土地利用類(lèi)型繁多，人類(lèi)活動(dòng)頻繁，地表所積累的大量大氣沉降及各種人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的污染物隨雨水徑流的沖刷直接排入受納水體，使得城市非點(diǎn)源污染成為城市水環(huán)境污染的主要原因［4］?？偨Y(jié)歸類(lèi)早期研究發(fā)現(xiàn)，城市非點(diǎn)源污染最主要的來(lái)源為地表徑流，而地表徑流中的污染物主要來(lái)自大氣干濕沉降、道路交通污染和其他分散來(lái)源［5-7］。

2.1 大氣干濕沉降

大氣中的灰塵和其他有毒有害物質(zhì)等直接沉降至水體或沉降至地面并在地表累積，這些污染物在降雨時(shí)隨地面徑流最終進(jìn)入水體被稱(chēng)之為大氣的干濕沉降［8］。最典型的大氣沉降污染就是“酸雨”，而引發(fā)酸雨的主要原因是工業(yè)廢氣中的硫氧化物和氮氧化物等成分。鄧煥廣等［9］發(fā)現(xiàn)隨著工業(yè)化的發(fā)展，上海市工業(yè)排放廢氣由1989年的3 614.4億m3增長(zhǎng)到2004年的9 466億m3。馬慧雅［10］對(duì)北京城區(qū)不同典型功能區(qū)降雨污染物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，城市氮素主要以硝態(tài)氮沉降為主要來(lái)源。劉生紅［11］在武漢市夢(mèng)澤湖區(qū)域?qū)Υ髿饨祲m進(jìn)行了長(zhǎng)期的收集和監(jiān)測(cè)，估算出大氣降塵對(duì)COD，TN和TP一年的貢獻(xiàn)量分別為23 685 kg，3 030 kg和86.7 kg。此外張超［12］發(fā)現(xiàn)巢湖市大氣降塵的 COD，TN和 TP中分別含有79.20%，82.84%和74.36%的溶解形態(tài)污染物。

2.2 道路交通

城市道路交通是城市非點(diǎn)源污染獨(dú)有的一大來(lái)源，雖然關(guān)于道路交通排放污染已有相關(guān)的研究，由于和大氣污染相關(guān)性十分緊密，因此大部分研究主要集中在汽車(chē)尾氣和細(xì)小顆粒物上［13］，因?yàn)檫@兩種污染物易受大氣傳輸?shù)挠绊憽Ｈ缑珡┚埃?4］對(duì)重慶高速公路路面徑流污染的研究中發(fā)現(xiàn)，路面灰塵粒徑越細(xì)，攜帶的污染物越多，且80%以上的污染物都聚積在粒徑2.00 mm以下的灰塵中。熊勝益［15］發(fā)現(xiàn)西安城市道路汽車(chē)尾氣排放主要來(lái)源是細(xì)小顆粒物(粒徑小于1μm)，且是造成PM_(10)污染的主因。相對(duì)于汽車(chē)尾氣排放污染，對(duì)道路中非排氣污染相關(guān)的分析和模型研究較為缺乏［16］，然而后者對(duì)于水體的污染也是不容忽視的［17］。道路非排氣污染包括剎車(chē)片磨損［18］、輪胎磨損［19］和道路磨損［20］。這一污染源受車(chē)輛(如重型車(chē)輛和汽車(chē))的分布以及其他特定的條件的影響較大［21］，如在寒冷地區(qū)會(huì)長(zhǎng)期使用冬季輪胎［22］。除此之外，道路交通中非點(diǎn)源污染另一個(gè)來(lái)源是發(fā)動(dòng)機(jī)油和剎車(chē)油等車(chē)輛液體的泄漏，雖然這些液體的成分較易分析，但很少有研究將其作為污染源來(lái)進(jìn)行表征［23，24］。道路中還可能存在其他特殊污染物，如汽車(chē)內(nèi)涂層中含有的雙酚A最終也會(huì)隨徑流排至水體［25］。

2.3 分散來(lái)源

由于城市內(nèi)部是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，因此存在著各種其他分散的非點(diǎn)源污染來(lái)源［26］。如用于城市綠化維護(hù)使用的殺蟲(chóng)劑等化學(xué)藥劑［5］、工地建筑垃圾［27］、人為不當(dāng)行為等［28］。分散來(lái)源的特點(diǎn)是成分極其混雜［29］，既含有垃圾堆放通過(guò)物理和化學(xué)作用產(chǎn)出的污染物，同時(shí)也含有人畜及野生動(dòng)物排泄物中病源性微生物等。隨著城市化的飛速發(fā)展，這部分污染對(duì)城市非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)率仍不容忽視。

綜上所述，城市非點(diǎn)源污染具有隨機(jī)性、廣泛性和復(fù)雜性特征。由于其與降水過(guò)程密切相關(guān)，同時(shí)降水也具有非常大的隨機(jī)性和地域差異性［30］，造成非點(diǎn)源污染負(fù)荷在時(shí)間(不同季節(jié))和空間(不同地域)上的變化幅度巨大。城市不透水地表面積占比不斷增加，導(dǎo)致更多的污染物隨徑流進(jìn)入水體的現(xiàn)象愈發(fā)普遍。同時(shí)污染物在進(jìn)入水體前的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程遍及范圍十分廣泛，且非點(diǎn)源污染對(duì)環(huán)境的影響需要一個(gè)積累過(guò)程，往往存在著較為明顯的滯后效應(yīng)［31］。城市非點(diǎn)源污染的復(fù)雜性體現(xiàn)在污染物成分復(fù)雜，且無(wú)法在固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)污染物來(lái)源的跟蹤和確定十分困難［32］。大氣干濕沉降和道路交通是主要來(lái)源，是目前相關(guān)研究的重點(diǎn)方向。雖然分散來(lái)源的危害相對(duì)體量并不大，但因?yàn)槭墚?dāng)?shù)亓?xí)俗傳統(tǒng)，法規(guī)制度及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等多因素的限制［33］，對(duì)其的評(píng)估和控制的研究依然存在困難，需要引起重視。

3 城市非點(diǎn)源污染的影響因素

城市非點(diǎn)源污染中各污染物的分布和含量受多種因素的影響，涉及自然氣候、人類(lèi)活動(dòng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面，主要影響因素有以下幾種。

3.1 水文氣候

降雨可直接影響到城市地表雨水徑流中污染物的分布特性，因此也是影響城市非點(diǎn)源污染的重要因素。城市中不透水下墊面所占比例逐年增加，不同強(qiáng)度的降雨將對(duì)城市下墊面產(chǎn)生不同的沖刷效果，造成城市地表徑流中污染物濃度和污染物量存在顯著差異［34］。

與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染不同，城市非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源之一是地表灰塵。Li等［35］研究發(fā)現(xiàn)NPS污染物濃度隨著地表灰塵量的增加而增加，說(shuō)明 NPS污染物存在于灰塵中［35］。Adachi等［36］同樣發(fā)現(xiàn)地表灰塵是污染物的重要載體?；覊m中的污染物分布隨季節(jié)的變化使得NPS污染也具有季節(jié)性變化。李曉燕［37］指出，灰塵中的Pb和As含量在冬季要明顯高于夏季。在北歐地區(qū)，冬季積雪將污染物積累在灰塵中，若在春季短時(shí)間內(nèi)發(fā)生融雪，將導(dǎo)致短時(shí)間污染負(fù)荷非常高。Westerlund等［38］在瑞典北部測(cè)得融雪時(shí)的污染物濃度和顆粒物濃度分別是晴天時(shí)期的8倍和5倍。因此，氣候也是影響城市非點(diǎn)源污染的因素之一。

3.2 土地利用

城市化最主要的影響是造成土地利用類(lèi)型的多樣化，不同的土地利用類(lèi)型有著不同的下墊面，進(jìn)而影響非點(diǎn)源污染中不同污染物的積累與轉(zhuǎn)輸過(guò)程。郭青海等［39］在武漢市漢陽(yáng)區(qū)利用逐步回歸模型對(duì)土地利用類(lèi)型和流域水體的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)城市水體非點(diǎn)源污染主要來(lái)源是灘地、居民地和商業(yè)用地，不同土地利用類(lèi)型對(duì)非點(diǎn)源污染的貢獻(xiàn)差別較大;而關(guān)于各土地利用類(lèi)型中不同污染物的差異同樣有學(xué)者進(jìn)行過(guò)研究，如Ballo等［40］在對(duì)上海城區(qū)內(nèi)四種不同土地利用類(lèi)型的徑流研究發(fā)現(xiàn)，總磷的濃度變化顯著;此外在不同土地利用類(lèi)型中各下墊面上污染物特性方面，常靜等［41，42］在上海市城區(qū)進(jìn)行過(guò)雨水徑流的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明道路中TSS，COD，TN和TP污染物量最大，其次是屋頂;侯培強(qiáng)等［43］對(duì)我國(guó)各大城市的非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀進(jìn)行過(guò)分析，結(jié)果表明城市雨水徑流中的各污染物平均濃度為道路大于屋面，且道路徑流COD，TN，TP 和 SS濃度分別是屋面徑流的 2.5倍，1.3倍和2.0倍和5.0倍。因此，土地利用是影響城市非點(diǎn)源污染的重要因素之一，加強(qiáng)土地利用的管理以及完善土地利用的規(guī)劃是削減城市非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵途徑。

3.3 灰塵粒徑分布

除了水文氣候和土地利用類(lèi)型之外，近年來(lái)部分研究者發(fā)現(xiàn)非點(diǎn)源污染中的污染物種類(lèi)和量與地表粉塵的粒徑分布也存在著聯(lián)系。李曉燕［37］在貴陽(yáng)市對(duì)地表灰塵重金屬的監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，金屬元素更易在細(xì)粒徑灰塵中富集。同樣，在北京道路沉積物的粒徑分布研究發(fā)現(xiàn)粉塵粒徑越小的路面上有著更高的金屬污染濃度［44］。因此，有學(xué)者認(rèn)為路面上細(xì)顆粒粉塵是影響污染負(fù)荷的主要因素［45］。粉塵粒徑的分布對(duì)雨水水質(zhì)存在著較大的影響，Shen等［46］發(fā)現(xiàn)粒徑小于38μm的細(xì)顆粒是主要的溶解性污染物來(lái)源，粒徑在74μm～300μm的較粗顆粒主要以固態(tài)污染物存在。關(guān)于灰塵粒徑分布對(duì)徑流中污染物影響的研究有助于更深入地了解徑流污染物形態(tài)輸出及成因［47］，可為城市非點(diǎn)源污染的管控提供理論依據(jù)。

4 城市非點(diǎn)源污染的防治措施

4.1 工程措施

城市非點(diǎn)源污染控制大多是采用工程方法對(duì)污染物的源頭、遷移過(guò)程和終端進(jìn)行控制，盡量將雨水污染物攔截在源頭并在污染遷移過(guò)程中進(jìn)行處理。對(duì)于源頭控制，較為常用的是低影響開(kāi)發(fā)(LID)技術(shù)和最佳管理措施(BMPs)等，通過(guò)分散式措施盡可能還原至天然狀態(tài)下的自然景觀，用以保證對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最低的負(fù)面影響。綠色屋頂是一個(gè)目前可有效減少城市地表徑流量的工程方法之一。在適宜氣候下，約36 cm厚度的綠色屋頂即可降低約50%的年徑流量［48］。然而在污染物遷移途中，人工濕地和植草溝等被廣泛應(yīng)用。楊勇等［49］發(fā)現(xiàn)，采用生態(tài)集雨溝、植草溝和植被過(guò)濾袋可以對(duì)非點(diǎn)源污染起到較好的控制效果。植草溝通過(guò)滯留、過(guò)濾和滲透等作用可減少10% ～20%以上的徑流峰值，同時(shí)降低徑流污染物的量［50］。尹煒等［51］發(fā)現(xiàn)復(fù)合式潛流人工濕地—塘的組合系統(tǒng)可去除徑流中64.7% ～90.4%的COD，TN等污染物。嚴(yán)立［52］同樣發(fā)現(xiàn)三段式潛流濕地系統(tǒng)對(duì)初期雨水中TN和TP的去除率分別有51.2%和64.8%。此外，雨水調(diào)蓄近年來(lái)也逐漸受到國(guó)內(nèi)研究者關(guān)注，并在各大城市研究其對(duì)非點(diǎn)源污染的去除效率［53-55］。

4.2 非工程措施

在管理層面，需加強(qiáng)城市環(huán)境管理，提高對(duì)城市街道清掃的質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)從更加宏觀的角度考慮各方面對(duì)非點(diǎn)源污染的影響。如龍劍波等［56］分析了城市規(guī)劃和城市非點(diǎn)源污染控制耦合缺失的原因，提出結(jié)合兩者應(yīng)遵循的原則和對(duì)策。楊柳等［57］從景觀生態(tài)學(xué)角度探討了城市化和城市非點(diǎn)源污染間的聯(lián)系。

在政策制度層面，美國(guó)環(huán)保署(EPA)于2001年發(fā)布了國(guó)家城市非點(diǎn)源污染管理措施指南草案［58］，該指南包含一系列管理措施，認(rèn)為應(yīng)將各州，地方政府和社區(qū)團(tuán)體納入地表水與地下水質(zhì)量保護(hù)計(jì)劃，同時(shí)強(qiáng)調(diào)在重視點(diǎn)源污染的基礎(chǔ)之上，必須加大對(duì)非點(diǎn)源污染控制的力度［59］。這一系列措施代表著整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)城市徑流的綜合治理措施，對(duì)于城市非點(diǎn)源污染的控制意義重大。然而我國(guó)目前尚無(wú)完善的對(duì)城市非點(diǎn)源污染的針對(duì)性制度，依舊處于水環(huán)境管理制度體系的盲區(qū)［60］。

5 展望

城市非點(diǎn)源污染的來(lái)源決定了其擁有隨機(jī)性、廣泛性和復(fù)雜性特征，且治理難度較大。國(guó)內(nèi)外研究者已對(duì)城市非點(diǎn)源污染的來(lái)源、特征、影響因素和防治措施等進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)全面的調(diào)查與研究。然而我國(guó)目前正處于高速發(fā)展時(shí)期，且相關(guān)研究工作起步較晚，因此在對(duì)城市非點(diǎn)源污染的管理控制上仍舊面臨極大的挑戰(zhàn)。為了促進(jìn)環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展，筆者在國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市非點(diǎn)源污染現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出以下幾點(diǎn)參考性建議:

1)針對(duì)于城市非點(diǎn)源污染特性，模型法的應(yīng)用將有利于更加系統(tǒng)地對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行宏觀把控。

2)結(jié)合我國(guó)目前實(shí)施的“海綿城市”建設(shè)規(guī)劃，針對(duì)城市非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源，盡可能在源頭對(duì)非點(diǎn)源污染進(jìn)行有效控制。

3)完善城管體系，有效控制陽(yáng)臺(tái)洗衣廢水和餐館潲水排入雨水管道，道路街塵水沖入雨水管道所形成的非常規(guī)性非點(diǎn)源污染。

4)在管理和政策上應(yīng)借鑒具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的發(fā)達(dá)國(guó)家，加強(qiáng)相關(guān)行業(yè)政策的制定和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究。同時(shí)應(yīng)在現(xiàn)有法律、法規(guī)中對(duì)城市非點(diǎn)源污染的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行合理的改良創(chuàng)新，逐步形成一系列完善的城市非點(diǎn)源污染綜合管理體系。