城市非點源污染研究進展及防治措施★

楊豐愷 姜應(yīng)和* 徐天會

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

1 概述

近年來，隨著全球城市化進程的加快，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］，導致城市不透水面積不斷增長。非點源(Non-Point Source，簡稱NPS)污染是指污染物通過自然或人為方式進行沉積，降水時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。城市土地類型的轉(zhuǎn)變造成非點源污染物累積和沖刷過程發(fā)生了改變［2］。城市非點源污染如今已成為城市水環(huán)境的主要污染源之一，隨之會帶來水體富營養(yǎng)化、黑臭水體和飲用水源污染等一系列嚴重問題［3］。我國目前處于城市化突飛猛進的發(fā)展階段，所面臨的城市非點源污染壓力遠高于發(fā)達國家。因此針對城市非點源污染進行特征影響分析和防治措施研究具有重要意義。

2 城市非點源污染的來源及特征

非點源污染常按產(chǎn)生區(qū)域和過程分為城市、農(nóng)業(yè)和其他非點源污染三類。與后兩者相比，由于城市中土地利用類型繁多，人類活動頻繁，地表所積累的大量大氣沉降及各種人類活動帶來的污染物隨雨水徑流的沖刷直接排入受納水體，使得城市非點源污染成為城市水環(huán)境污染的主要原因［4］。總結(jié)歸類早期研究發(fā)現(xiàn)，城市非點源污染最主要的來源為地表徑流，而地表徑流中的污染物主要來自大氣干濕沉降、道路交通污染和其他分散來源［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隨地面徑流最終進入水體被稱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增長到2004年的9 466億m3。馬慧雅［10］對北京城區(qū)不同典型功能區(qū)降雨污染物進行分析發(fā)現(xiàn)，城市氮素主要以硝態(tài)氮沉降為主要來源。劉生紅［11］在武漢市夢澤湖區(qū)域?qū)Υ髿饨祲m進行了長期的收集和監(jiān)測，估算出大氣降塵對COD，TN和TP一年的貢獻量分別為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源污染獨有的一大來源，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尾氣和細小顆粒物上［13］，因為這兩種污染物易受大氣傳輸?shù)挠绊?。如毛彥景?4］對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，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)西安城市道路汽車尾氣排放主要來源是細小顆粒物(粒徑小于1μm)，且是造成PM_(10)污染的主因。相對于汽車尾氣排放污染，對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片磨損［18］、輪胎磨損［19］和道路磨損［20］。這一污染源受車輛(如重型車輛和汽車)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)會長期使用冬季輪胎［22］。除此之外，道路交通中非點源污染另一個來源是發(fā)動機油和剎車油等車輛液體的泄漏，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進行表征［23，24］。道路中還可能存在其他特殊污染物，如汽車內(nèi)涂層中含有的雙酚A最終也會隨徑流排至水體［25］。

2.3 分散來源

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

綜上所述，城市非點源污染具有隨機性、廣泛性和復(fù)雜性特征。由于其與降水過程密切相關(guān)，同時降水也具有非常大的隨機性和地域差異性［30］，造成非點源污染負荷在時間(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，導致更多的污染物隨徑流進入水體的現(xiàn)象愈發(fā)普遍。同時污染物在進入水體前的遷移轉(zhuǎn)化過程遍及范圍十分廣泛，且非點源污染對環(huán)境的影響需要一個積累過程，往往存在著較為明顯的滯后效應(yīng)［31］。城市非點源污染的復(fù)雜性體現(xiàn)在污染物成分復(fù)雜，且無法在固定監(jiān)測點進行監(jiān)測，尤其對污染物來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源，是目前相關(guān)研究的重點方向。雖然分散來源的危害相對體量并不大，但因為受當?shù)亓曀讉鹘y(tǒng)，法規(guī)制度及社會經(jīng)濟條件等多因素的限制［33］，對其的評估和控制的研究依然存在困難，需要引起重視。

3 城市非點源污染的影響因素

城市非點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、人類活動以及社會經(jīng)濟等多個方面，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，不同強度的降雨將對城市下墊面產(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)非點源污染不同，城市非點源污染的主要來源之一是地表灰塵。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。灰塵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，若在春季短時間內(nèi)發(fā)生融雪，將導致短時間污染負荷非常高。Westerlund等［38］在瑞典北部測得融雪時的污染物濃度和顆粒物濃度分別是晴天時期的8倍和5倍。因此，氣候也是影響城市非點源污染的因素之一。

3.2 土地利用

城市化最主要的影響是造成土地利用類型的多樣化，不同的土地利用類型有著不同的下墊面，進而影響非點源污染中不同污染物的積累與轉(zhuǎn)輸過程。郭青海等［39］在武漢市漢陽區(qū)利用逐步回歸模型對土地利用類型和流域水體的關(guān)系進行分析，發(fā)現(xiàn)城市水體非點源污染主要來源是灘地、居民地和商業(yè)用地，不同土地利用類型對非點源污染的貢獻差別較大;而關(guān)于各土地利用類型中不同污染物的差異同樣有學者進行過研究，如Ballo等［40］在對上海城區(qū)內(nèi)四種不同土地利用類型的徑流研究發(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)進行過雨水徑流的監(jiān)測，結(jié)果表明道路中TSS，COD，TN和TP污染物量最大，其次是屋頂;侯培強等［43］對我國各大城市的非點源污染現(xiàn)狀進行過分析，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源污染的重要因素之一，加強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型之外，近年來部分研究者發(fā)現(xiàn)非點源污染中的污染物種類和量與地表粉塵的粒徑分布也存在著聯(lián)系。李曉燕［37］在貴陽市對地表灰塵重金屬的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，金屬元素更易在細粒徑灰塵中富集。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，有學者認為路面上細顆粒粉塵是影響污染負荷的主要因素［45］。粉塵粒徑的分布對雨水水質(zhì)存在著較大的影響，Shen等［46］發(fā)現(xiàn)粒徑小于38μm的細顆粒是主要的溶解性污染物來源，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］，可為城市非點源污染的管控提供理論依據(jù)。

4 城市非點源污染的防治措施

4.1 工程措施

城市非點源污染控制大多是采用工程方法對污染物的源頭、遷移過程和終端進行控制，盡量將雨水污染物攔截在源頭并在污染遷移過程中進行處理。對于源頭控制，較為常用的是低影響開發(fā)(LID)技術(shù)和最佳管理措施(BMPs)等，通過分散式措施盡可能還原至天然狀態(tài)下的自然景觀，用以保證對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生最低的負面影響。綠色屋頂是一個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、植草溝和植被過濾袋可以對非點源污染起到較好的控制效果。植草溝通過滯留、過濾和滲透等作用可減少10% ～20%以上的徑流峰值，同時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。嚴立［52］同樣發(fā)現(xiàn)三段式潛流濕地系統(tǒng)對初期雨水中TN和TP的去除率分別有51.2%和64.8%。此外，雨水調(diào)蓄近年來也逐漸受到國內(nèi)研究者關(guān)注，并在各大城市研究其對非點源污染的去除效率［53-55］。

4.2 非工程措施

在管理層面，需加強城市環(huán)境管理，提高對城市街道清掃的質(zhì)量。同時應(yīng)從更加宏觀的角度考慮各方面對非點源污染的影響。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)遵循的原則和對策。楊柳等［57］從景觀生態(tài)學角度探討了城市化和城市非點源污染間的聯(lián)系。

在政策制度層面，美國環(huán)保署(EPA)于2001年發(fā)布了國家城市非點源污染管理措施指南草案［58］，該指南包含一系列管理措施，認為應(yīng)將各州，地方政府和社區(qū)團體納入地表水與地下水質(zhì)量保護計劃，同時強調(diào)在重視點源污染的基礎(chǔ)之上，必須加大對非點源污染控制的力度［59］。這一系列措施代表著整個開發(fā)過程中對城市徑流的綜合治理措施，對于城市非點源污染的控制意義重大。然而我國目前尚無完善的對城市非點源污染的針對性制度，依舊處于水環(huán)境管理制度體系的盲區(qū)［60］。

5 展望

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

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

2)結(jié)合我國目前實施的“海綿城市”建設(shè)規(guī)劃，針對城市非點源污染的主要來源，盡可能在源頭對非點源污染進行有效控制。

3)完善城管體系，有效控制陽臺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)性非點源污染。

4)在管理和政策上應(yīng)借鑒具有相關(guān)經(jīng)驗的發(fā)達國家，加強相關(guān)行業(yè)政策的制定和行業(yè)標準的研究。同時應(yīng)在現(xiàn)有法律、法規(guī)中對城市非點源污染的相關(guān)內(nèi)容進行合理的改良創(chuàng)新，逐步形成一系列完善的城市非點源污染綜合管理體系。