基于人口当量法的非渗透地表径流污染负荷评估与对策

卢兴超，赵树旗，周玉文，张 静，3，吴献平，娄富豪,刘 原

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124； 2.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124； 3.河北科技大学环境科学与工程学院,河北石家庄 050018)

基于人口当量法的非渗透地表径流污染负荷评估与对策

卢兴超1,2，赵树旗1,2，周玉文1,2，张 静1,2，3，吴献平1,2，娄富豪1,2,刘 原1,2

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124； 2.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124； 3.河北科技大学环境科学与工程学院,河北石家庄 050018)

水污染防治工程；人口当量；生活污水；北京市；SCS模型；非渗透地表污染

城市水环境污染包括点源污染和面源污染，随着点源污染逐步得到治理，城市发展所带来的面源污染问题日益突出。西方国家研究发现，在点源污染得到控制，且其全部实现零排放时，河流、湖泊、水库的达标率分别仅为65%，42%，42%，因此面源污染已成为湖泊、水库、河口富营养化的主要因素[1-2]。城市非渗透地表污染是城市面源污染的主要污染源之一，城市非渗透地表中非固定的溶解或难溶物质在降雨作用下经非渗透地表径流排入受纳水体造成的面源污染，其污染物主要包含悬浮物、有机物、营养物质、微生物、重金属和酸类等[3]，给城市环境带来严重的威胁。

人口当量污染负荷是指降雨冲刷非渗透地表形成的径流污染负荷总量，采用相当量的生活污水的常驻人口数量来表示。一场降雨产生的人口当量污染负荷越大，越能够客观体现非渗透地表径流污染的严重性。目前中国许多学者以污染物负荷来评估降雨产生的污染物的量，如齐苑儒等[4]、王吉苹等[5]分别对西安和厦门非点源污染负荷进行估算。但采用人口当量污染负荷的形式反映非渗透地表径流污染程度的研究目前未见报道。本文以北京市“城六区”为研究对象，采用SCS模型，基于人口当量法评估2010年北京城区非点源污染负荷，客观反映北京市城区年降雨径流的污染状况，并从低影响开发措施和政府管理的角度探讨控制人口当量污染负荷的建议和措施。

1 研究区域概况

1.1 自然条件

北京市中心位于北纬39°，东经116°，地处亚洲大陆东岸、华北平原西北端，城区平原海拔高度为20～60 m，山地一般海拔1 000～1 500 m。北京四季明显：冬季寒冷干燥、秋季天高气爽、夏季湿润炎热、春季比较干旱，属于北半球温带大陆性季风气候，年均降雨量为549.5 mm，其中每年6—9月降水较多，其余月份降水较少。

1.2 行政区域概况

北京市的行政区域划分共经过5次调整，北京市区现包括东城区、西城区、朝阳区、海淀区、丰台区、石景山区，“城六区”的分布见图1。根据北京市城区规划及发展特点，由城中心向外扩展可分为首都功能核心区和城区功能拓展区，首都功能核心区包括东城区和西城区，其面积为93 km2；城区功能拓展区包括海淀区、朝阳区、丰台区和石景山区，面积约为1 288 km2，详见图1。

图1 北京市行政区域划分Fig.1 Administrative division of Beijing

根据对北京市6个主城区的土地利用类型现状进行统计，统计结果显示各区主要土地利用类型均为城市建设用地。其中东城区与西城区城市建设用地分别为36.40 km2和46.47 km2，达到区域面积的87.25%和94.76%，其他各区的城市建设用地比例均已达到45%以上，农村居民点非渗透地表面积达55%。据统计，2010年北京市城区非渗透地表面积已达839.06 km2，详见表1[6]。

表1 北京市主城区土地利用结构

2 污染负荷估算

2.1 SCS-CN模型

1954年美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service, SCS)开发SCS径流曲线模型，其数值方程(curve number equation)可较好地进行小型集水区径流计算，是目前应用最为广泛的流域水文模型之一。SCS模型结构简单、输入参数较少，能够客观反映土地利用方式和前期土壤含水量对降雨径流的影响。

SCS模型的建立基于水量平衡方程以及2个基本假设。水量平衡方程的原理是以水循环理论为基础，主要用于描述各水文要素间的定量关系，即地表径流深度等于降雨量扣除初损量和累积下渗量之后得到：

q=P-Ia-f，

(1)

式中：q为1次降雨地表径流深度， mm；P为1次降雨量， mm；Ia为初损量， mm；f为累积下渗量， mm。

假设1 比例相等假设，即

(2)

式中：S为当时可能最大滞留量， mm。

假设2 初损值与当时可能最大滞留量关系假设，即

Ia=λS，

(3)

式中：λ为区域参数，影响因素为地理和气候因子。

根据经验公式：Ia=0.2S[7]，得到径流方程：

(4)

(5)

式中：CN为径流曲线数值，无量纲参数，与土壤植被有关，理论取值范围为0～100，实际应用中非渗透地表条件下的取值范围为87～98。

CN值是反映区域特征的综合参数，与土壤的湿润程度、土壤类型、植被类型以及非渗透层的比例等因素有关。根据特性，土壤可分为A，B，C，D四大类，其中A类土壤为渗透性很强的土壤，如具有良好透水性能的砂土和砾石土；B类土壤为渗透性较强的土壤，主要是一些砂壤土；C类土壤为中等透水性土壤，主要为壤土；D类土壤为弱透水性土壤，主要为黏土等。同时，根据最近5天的降雨指数将地表的湿润程度分为Ⅰ(干燥)，Ⅱ(中等)， Ⅲ(湿润)3种类型。

2.2 每场降雨形成的径流量

根据北京市气象局监测的城区降雨资料得到2010年的降雨量及其土地湿润情况，结合土地利用状况，采用式(4)和式(5)确定各场降雨的地表径流深度(见表2)，从而得出年地表径流总量。

表2 不同场次降雨的下垫面CN和S

采用式(6)计算北京市2010年城区地表径流总量：

(6)

由式(6)计算可知，2010年北京市城区非渗透地表径流总量约为133.15×106m3。

2.3 污染物平均浓度的计算

通过动态监测降雨期间集水区出口断面的水质和流量，来获取不同时段污染物的浓度及径流量。本研究采用AEMC代表降雨污染物的平均质量浓度(mg/L)，即降雨径流全过程污染物质量浓度的加权平均值，具体公式如式(7)所示：

(7)

式中：M为整场降雨径流过程中污染物总量，mg；V为相对应的径流总量，L；n为径流取样次数；Qij为第i次取样时径流流量，L/min；Cij为第j次取样时污染物的质量浓度，mg/L。

选取研究区域2010年的一场降雨为例，通过加权平均求出各污染物的平均质量浓度(见表3)。

表3 2010年北京市城区某场降雨水质特征

根据北京市常年典型观测值和研究区域的监测值，可得到不同地表的径流污染物浓度(见表4)[8-9]。

表4 研究区域不同地表径流污染物浓度

2.4 污染物指标负荷估算

地表径流污染物的浓度随着时间的推移越来越小，最后趋于平衡。由于水质监测的过程不是连续的，所以污染物的负荷总量采用式(8)进行计算：

Wt=Ct×Vt。

(8)

式中：Ct为表4中污染物的平均质量浓度， mg/L；Vt为年径流总量，m3。

3 与人口当量污染负荷的比较

3.1 城市人均及居民家庭平均产污系数

3.2 单位面积污染负荷的人口当量

由于家庭所排污水的污染负荷主要受家庭收入、规模以及家庭饮食结构等因素的影响，导致家庭产污系数差异较大，所以在考虑单位面积污染负荷的人口当量方面以居民个体为参考依据更为恰当。

3.3 “城六区”污染总负荷对应人口当量天数

4 非渗透地表径流污染的防治对策

非渗透地表径流污染是造成城市面源污染的主要来源，在降雨初期5～15 min地表产生的径流污染最为严重，部分常见污染指标(如COD，SS等)浓度已接近CJ 343—2010《污水排入城镇下水道水质标准》中污水排入城市下水道水质标准的上限，初期径流污染负荷量可占整个径流污染负荷总量的80%[12]，当地表径流直接排入天然河道时给环境承载负荷造成严重的威胁。

基于源头控制削减径流污染的理念， 20世纪90年代末有专家提出了“低影响开发”技术，经过几十年的研究发展已形成了相应的设计标准，并在工程中取得了良好的效果。近几年，中国提出了“海绵城市”的建设理念，它与“低影响开发”有着很多相似性：1)在雨水水质方面都强调通过“自然净化”达到保护水体的目的，主要措施包括透水铺装、生物滞留池、雨水湿地、湿塘、植草沟、植被缓冲带等。在国外，这些措施取得了良好的效果，DAVID等[13]通过对雨水花园的效果研究，发现雨水花园对凯氏氮的去除率为55%～65%，总磷的去除率可达70%～85%；其他学者发现雨水花园对径流中的TSS去除效果也非常有效[14]；2)在植草沟研究方面，BARRETT等[15]发现植草沟对NO3-N，TN的去除率达到37%和39%；3)在透水性路面方面，BRATTEBO等[16]对改造的透水砖进行连续6年的跟踪研究，发现透水性路面对金属污染物Zn，Pb，Cu的去除效果可达到81%以上；法国的PAGOTTO在1997年研究发现，多孔沥青路面对重金属的去除率明显高于一般的沥青路面。所以，海绵城市建设对去除城市非渗透地表径流污染具有明显的效果。

除了推进“海绵城市”在新建城区和旧城区改造中的应用，还需要对非渗透地表进行定期处理。张光岳等[17]通过对地表径流SS与其他污染物的相关性分析研究发现，SS的质量浓度与COD，TP，TN，Zn的质量浓度存在较好的相关性(均超过0.8)，说明加大路面清扫力度、清扫范围和改进清扫措施对减少地表污染负荷具有重要作用[18]。一方面，政府相关部门出台相关法规条例，禁止使用排污量较大的交通工具，同时，利用经济手段鼓励城市居民使用新能源交通工具；另外，在建材方面要逐渐使用环保材料替代污染性较大的材料。另一方面，要加强群众宣传教育工作，使广大民众认识到城市面源污染的危害，从而调动起城市居民的环保意识。

5 结 语

基于源头控制理念的“海绵城市”建设是解决城市非渗透地表径流污染的重要防治手段，可采取禁用排污量较大的交通工具、鼓励使用新能源交通工具、采用环保材料替代现有污染性较大的材料、进一步加强群众宣传工作等措施，来防治城市的水环境污染。

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Evaluation and countermeasures of impervious surface runoff pollution load based on population equivalent

LU Xingchao1,2, ZHAO Shuqi1,2, ZHOU Yuwen1,2, ZHANG Jing1,2,3, WU Xianping1,2, LOU Fuhao1,2, LIU Yuan1,2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China； 2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing 100124, China； 3.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

water pollution control engineering; population equivalent； domestic sewage； Beijing City； SCS model； impervious surface pollution

1008-1534(2017)02-0135-07

2016-10-26;

2017-03-08；责任编辑：王海云

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07304-001-2, 2013ZX07304-001-3)

卢兴超(1989—)，男，安徽六安人，硕士研究生，主要从事城市非点源污染和海绵城市规划方面的研究。

赵树旗副教授。 E-mail: 1194088013@qq.com

X832

A

10.7535/hbgykj.2017yx02011

卢兴超，赵树旗，周玉文，等.基于人口当量法的非渗透地表径流污染负荷评估与对策[J].河北工业科技,2017,34(2):135-141. LU Xingchao, ZHAO Shuqi, ZHOU Yuwen,et al.Evaluation and countermeasures of impervious surface runoff pollution load based on population equivalent[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(2):135-141.