我國面源污染治理理論和措施研究綜述

葛銘坤

(蘇州市水利建設監理有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 概述

環境污染分為點源污染與面源污染，長期以來，我國面臨著極其嚴重的工業廢水和城市污水的污染問題，近年來隨著點源污染的治理逐見成效，面源污染的比重在日益提高，在美國甚至已經達到總污染量的2/3[1]。因此，研究面源污染的特征、規律、計算方法及削減措施等，對改善水環境和可持續發展有重大意義。

2 面源污染概念闡釋

2.1 概念闡釋

面源污染，即非點源污染，可定義為溶解的或固體的污染物從非特定地點通過徑流過程而匯入受納水體引起的水體污染[2]，不同于點源污染，其沒有固定的污染排放點。面源污染主要包括城市面源污染和農業面源污染，典型的城市面源污染是指雨水徑流污染，具體表現為市政泵站的排江污染，農業面源污染包括農田徑流和滲漏、農村地表徑流、農村生活污水、農村固體廢棄物、畜禽水產等養殖等造成的污染。

2.2 特征分析

2.2.1城市面源污染

城市面源污染主要是由降雨徑流的淋浴和沖刷作用產生的，城市降雨徑流主要以合流制形式，通過排水管網排放，徑流污染初期作用十分明顯，具體有如下一些特征[3]：

(1)硬質化路面及屋頂占城市的下墊面比例很高，徑流系數較大，形成徑流的時間短，地下入滲量小，對污染物的沖刷強烈。

(2)城市面源雨水徑流主要分為屋面徑流和路面徑流。屋面徑流污染源主要為屋面沉積物，影響因素主要為屋面材料性質；路面徑流主要污染源為路面沉積物。

(3)面源負荷來源主要為：屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城區雨水口的垃圾和污水、汽車產生的污染物、大氣干濕沉降等。其中產生負荷影響較大為雨水口的垃圾和污水。

2.2.2農業面源污染

農業面源污染是最為重要且分布最為廣泛的面源污染，農業生產活動中的氮素和磷素等營養物、農藥以及其他有機或無機污染物，通過農田地表徑流和農田滲漏形成地表和地下水環境污染，具有以下特征[4]：①污染來源的分散性、復雜性以及溯源的困難性；②污染物排放的不確定性和隨機性；③污染物以水為載體，其產流、匯流特征具備較大的空間異質性；④污染物具有量大和低濃度特征，難治理，成本高，見效慢。

3 面源污染的計算方法

3.1 排污系數法計算

地表徑流污染負荷是指由一場降雨或一年中的多場降雨所引起地表徑流排放的污染物的總量。由一場降雨所引起地表徑流排放的污染物的總量稱為次降雨污染負荷，可采用排污系數法計算[5]。

3.1.1基于平均濃度法估算城市地表徑流污染負荷

徑流平均濃度EMC(event mean concentration)”定義為：任意一場降雨引起的地表徑流中排放的某污染物質的質量除以總的徑流體積。EMC可根據多次降雨求平均獲得，計算公式如下：

(1)

式中，Cj—j時刻污染物濃度，Vj—j時刻的徑流量。

因此，場次降雨的污染負荷可確定為：

Li=EMCi·Vi

(2)

式中，Li—場次降雨污染負荷產生量。

3.1.2基于Johnes輸出系數模型估算城市地表徑流污染負荷

Johnes(1996)經長期實踐，基于以往的長期實踐和工作經驗提出了輸出系數模型。該模型可全面計算營養物質流失量和收納水體污染負荷。即：

(3)

式中，L—營養物流失量；m—土地利用類型數目；n—營養源數目；Eij—i類型j營養源對應的輸出系數；Ai—對應的i土地利用類型面積或i牲畜或人口數量；Ii—營養物質輸入量；P—降雨輸入的營養物質。

Eij根據土地利用類型來分別處理，對于城市土地利用類型來說，應考慮居民地人口密度等因素對污染物貢獻率的差異，可用下式計算：

Eh=365Dca×H×M×B×Rs×C

(4)

式中，Eh—人口的氮磷年輸出量；Dca—每人的營養物質輸出量；H—流域的人口數量；M—污水處理過程中營養物質的機械去除系數；B—污水處理過程中營養物質的生物去除系數；Rs—過濾層營養物質滯留系數；C—有解吸情況發生的去除系數。

3.1.3公路路面徑流污染負荷估算

Chui等(1982)通過對美國華盛頓州9個不同情形的公路斷面徑流進行測試，開發了用于預測公路路面徑流水質的華盛頓州模型：

TSS=K×VDS×RC

(4)

SPL=P×TSSL

(5)

式中，TSSL—路面徑流總懸浮固體負荷，kg/km；VDS—降雨期間累計交通流量，輛；RC—平均徑流系數；SPL—除TSS的其他污染負荷，kg/km；K—TSS徑流產率，取經驗值1.8kg/(km/千輛)；P—某污染物與TSS比率。

由于雨天時的VDS為降雨歷時與降雨期間平均交通流量的乘積，說明K值一定時，公路排污負荷僅與年降雨量歷時有關。

對于汽車交通，TSS表現出與降雨過程交通流量較強相關性(趙劍強，2002)：

TCTSS=0.86VDS-649.9

(6)

r2=0.93

(7)

式中，TCTSS—汽車交通對TSS負荷的貢獻值，mg/m3。

3.2 水量水質耦合模型計算

為模擬研究區非點源污染負荷的時空分布，建立分布式的非點源污染負荷估算模型[6]。該模型包括污染負荷產生模塊和入河模塊兩部分。污染負荷產生模塊用于計算流域內的水、泥沙以及各種污染物質的產生量，其中污染物質包括吸附態和溶解態等兩種類型。污染物入河模塊用于計算流域中的污染物在水動力作用下進入河道的徑流量和污染物濃度。

3.2.1污染物產生模塊

非點源污染負荷模型中的污染物產生模塊包括降雨產流過程、土壤侵蝕產沙過程和污染物質遷移轉化過程的計算，模擬過程中的污染物質主要考慮氮和磷。分布式模型以柵格為基本計算單元。

污染物產生模塊的計算過程分為三個部分，具體流程如圖1所示。

第一部分：根據研究流域的降雨、潛在蒸發、土地利用、土壤類型等地理自然資料，采用三水源新安江模型模擬網格單元中的土壤降雨產流過程，計算流出柵格單元的地表徑流深。

第二部分：利用流域土地利用、土壤類型、DEM等流域自然資料和計算得到的地表徑流深結果，采用修正的通用土壤侵蝕方程(MUSLE)估算泥沙流失量，并估計吸附態污染負荷；根據流域人口、畜禽養殖、施肥水平等社會狀況和土地利用、土壤類型等地理自然資料，采用累積-沖刷模式計算溶解態污染負荷。

第三部分：根據各網格的污染負荷計算結果，統計各網格溶解態和吸附態污染物負荷在不同時段的總量，得到各網格污染負荷的時間序列，然后進一步計算整個研究區非點源污染物負荷量的時間序列。

3.2.2污染物入河模塊

非點源污染負荷模型中的入河模塊主要考慮土壤(地下水)匯流模塊和地表水匯流模塊，如圖2所示。降雨徑流過程中，地表徑流以地表水模塊進行匯流，土壤徑流和地下徑流以土壤(地下水)模塊進行匯流。

圖1 時間序列非點源污染負荷計算原理

圖2 匯流模塊流程圖

流域匯流主要包含兩個部分：網格匯流和子流域出口匯流。網格本身的地表匯流采用簡單的無因次單位線方法。子流域出口匯流分地表和地下(土壤)兩部分，地表匯流采用山坡單元運動波方法計算匯流時間，地下(土壤)直接采用水箱模型的計算結果。

受到地形條件影響，以及自身的沉降和揮發等，匯流過程中污染物濃度會發生變化。在計算流域出口排污前，先計算每個網格的污染物濃度，然后再根據污染物匯流過程中的衰減比例來計算各自流域最終排入主干河道的污染負荷和濃度。原理示意如圖3所示。

圖3 污染物入河模塊示意圖

流域出口污染物濃度

污染物遷移轉化過程中會發生沉降、揮發和降解等，可以將處理單元概化成污水處理廠、下水道、凈化槽、地表水和土壤(地下)水五種。本研究考慮地表水和地下(土壤)水兩種基本模式，并依照土地利用類型設定處理系數，即污染物的凈化率。

TN=〔(1-FNS)·CNS·qs+(1-FNG)·CNG·(q-qs)〕×3.6/area

(8)

TP=〔(1-FPS)·CPS·qs+(1-FPG)·CPG·(q-qs)〕×3.6/area

(9)

式中，TN、TP—出口處對應的污染物負荷，t；FNS、FPS—地表水、地下水的處理系數，不同土地利用類型處理系數不同；FNG、FPG—地表水、地下水的處理系數，由于地下水流動緩慢，分別設置為0.85和0.95。q、qs—總出流量和地表出流量，m3/s;area—對應的子流域面積，km2

4 面源污染減排與水環境容量提升目標確定

4.1 水環境容量分析計算

水環境容量是在水資源利用水域內，在給定的水質目標、設計流量和水質條件的情況下，水體所能容納污染物的最大數量。水環境容量的確定是水污染物實施總量控制的依據，是水環境管理的基礎。

水環境容量的計算方法有解析法、試錯法、系統分析法和概率稀釋模型法，其中以解析法應用最為廣泛和普及[7-10]。

4.2 面源污染負荷分析及源解析

對河道污染的來源進行解析是制定水質改善和提升計劃的基礎前提條件，也是制定各類污染防治工程的依據。通過解析城市河道特征污染物的主要來源及其負荷，重點分析漏排點源污染、城市下墊面地表徑流污染、污水截排系統溢流等污染源的排放規律，量化各污染源對總入河污染負荷的貢獻比率，建立河道控制斷面水質對入河污染負荷的響應關系，明確該區污染負荷削減是河道水質改善關鍵策略[11]。

通過對降雨前后河道污染負荷的差值計算，可獲得城市地表徑流污染負荷通量變化，對河道本身在產污單元的輸入和輸出斷面污染負荷進行比較，可獲得城市點源污染和面源污染負荷總量。

污染物量=流量×污染物濃度-降雨中污染物量

控制斷面2污染通量-控制斷面1污染通量=點源污染通量+面源污染通量

4.3 入河污染負荷目標削減量計算

通過計算研究區的水環境容量和流域污染負荷現狀，確定研究區的污染承受能力，用于指導后期工程任務的規劃和設計實施。

入河污染負荷的目標削減量按入河量與水環境容量之差來計算。具體的水體污染可能來源于生活污水排放、工業廢水、養殖廢水、農田面源污染等方面，需要結合污染物入河分析對各河流進行水環境容量核算，并對各條河流的各種污染源均提出相應的削減量，用于指導后期面源污染工程的種類和規模的核算，以實現水環境提升。

5 面源污染削減措施

5.1 工程性措施

通過工程技術手段控制面源污染，包括三個方面：源頭控制、中途控制、末端控制。

一是源頭控制，指在雨水進入溝道系統之前進行的各種處理，包括各種控制污染物的措施。針對城市面源污染的如下沉式綠地、透水鋪裝、緩沖帶、生態護岸等；針對農業面源污染的如采用新型緩控釋肥、按需施肥技術、調整種植制度等措施減少化肥用量[12-14]。

二是中途控制，通過研究雨水徑流污染物輸送和擴散機理，采取適當的措施，減少污染物排入地下或地表水體的數量。針對城市面源污染的如路邊的植被淺溝、植被截污帶、雨水截留、初期雨水棄流等；針對農業面源污染的如農田內部的攔截技術[15]、污染物離開農田后的攔截阻斷技術[16]。

三是末端控制，通過自然生態技術或人工凈化技術來降解帶入水體的徑流污染物。針對城市面源污染的如雨水沉淀池、氧化塘、濕地系統等[17]；針對農業面源污染的如污染物中養分的循環利用技術等。

通過多級治理，逐級控制，將面源污染通過綠色結構或灰色結構每一級處理后排放入河，基于源頭控制、中途控制、末端控制的治理路徑對雨水徑流污染進行層層削減，如圖4所示。

5.2 非工程性措施

制度建立、法規教育和污染物預防措施等非工程措施對源頭污染物控制具有十分重要的作用，如法律法規建設、公眾教育、清理雨污混接、泵站運行管理、無害化農藥使用、加強路面清掃、衛生監管到位等措施[18]均可有效地從源頭上大大減少污染物的產生和累積，從而減少后續治理的難度和費用支出。

圖4 基于源頭控制、中途控制、末端控制的逐級治理路徑

6 結論

我國對面源污染的關注與治理起步較晚，目前缺乏對面源污染的系統研究，但面源污染占總污染源的比重在日益提高，需要引起人們的高度重視。在技術上進一步開展面源污染的機理研究，探索更加經濟、有效、適應于不同地域的削減措施，在政策上完善優化排水體制，加強法律法規和民眾教育建設，從源頭上減少污染的產生。