城市面源污染影响因子及控制技术的研究现状与展望

陆松柳，章 烨

（1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092；2.启迪水务（上海）有限公司，上海市 200072）

1 研究背景

城市是人类文明的重要组成部分，但城市化的快速发展，也给城市环境带来了巨大的压力和挑战，其中水体富营养化、黑臭等城市水污染问题尤为突出，已引起人们的广泛关注。我国在城市点源污染控制方面取得了一定的成效，但即使点源污染达到“零排放”水平，地表水水质达标率也仅42%~65%。其中，面源污染是城市水环境质量无法根本改善的重要原因，即城市硬质下垫面上大量面源污染物可通过雨水和径流进入受纳水体，造成水体较高污染负荷，初期径流的直接排入则可导致水体严重的突发性污染[1]。

在已实现污水二级处理的美国城市中，水体BOD年负荷源自降雨径流的40%~80%，城市降雨径流被美国国家环保署列为导致全美河流、湖泊污染的第三大污染源[2]，并于20世纪70年代，美国国会立法保障雨水的调蓄及利用，逐步构建污染防治与总量削减相结合的多目标控制和管理体系[3]。欧盟国家则通过雨水费政策、城市排水体制、末端处理方法和最佳管理实践初步实现了雨水的有效管理，其中德国已成为雨水管理政策最完善、技术最先进的国家之一[4]。

我国城市雨水径流引起的面源污染问题也十分严重，如滇池富营养化问题中，雨水面源污染负荷率占67%[5]；据估算统计，北京、上海城区雨水径流污染占水体总污染负荷均为10%[6]。屋面雨水径流、街道雨水径流、分流制出水口水质以及合流制雨天溢流为我国城市面源污染负荷的主要来源。早在1980年，北京就开展了城市面源污染调研工作，此后苏州、上海、广州等城市的径流污染特征、规律及控制技术也被逐渐研究[6]。然而，我国社会经济的迅猛发展和历史遗留问题，使得城市面源污染的深度和广度，以及所面临的压力远超发达国家。因此，探索城市面源污染的关键影响因素，开展其控制技术等方面的相关研究十分必要。

2 城市面源污染特征分析

2.1 面源污染负荷性质

城市面源污染物以各种形式积蓄在街道、阴沟和其他不透水地面上，通常将其分为物理性污染物、化学性污染物和生物性污染物[7]。物理性污染物为径流中夹带的悬浮物，来自工地建筑垃圾、砂子尘土、汽车尾气颗粒物、大气干湿沉降物、轮胎和刹车摩擦产物等。化学性污染物主要有汽车尾气中的重金属、垃圾堆放产生的耗氧有机物、动植物有机废弃物、有机有毒污染物等。生物性污染物主要指病源性微生物，来源于下水道溢流、宠物以及野生生物等，城市径流中细菌含量往往超过公众对水要求的健康标准[8]。

2.2 面源污染现状特征

城市面源污染由降雨径流的淋浴和冲刷作用产生，尤其在暴雨初期，地表或沉积在管网的污染物被径流冲刷汇入水体，短时间内污染物浓度高于平时污水浓度，因此面源污染具有污染突发性、水流量大、污染成分及浓度复杂多变、污染源时空分布离散、监控困难等特征。污染负荷高、排水标准低、雨污混接严重、法律法规欠完善等是我国城市面源污染的主要现状。

我国各城市道路雨水径流和排污口雨水径流污染情况严重，SS、CODCr、BOD5、TN、TP 等水质指标平均值均超地表水环境质量Ⅴ类标准[9]。城市不透水面积大，地下入渗量小，径流量与径流峰值明显增加，积水导致部分城市垃圾被浸泡，溶出重金属、N、P等的其他污染成分，进而加剧雨水污染负荷。等级越高的城市，其降雨径流污染物负荷越高[10]；南方城市路面径流污染负荷均值高于北方城市，而北方城市屋面径流污染更为严重；城区交通区降雨径流污染高于商业区、工业区、居民区[11]。

我国的排水标准较低，如上海城区的排水系统仅达1 a一遇的设计标准，且很多系统只有泵站与总管达到1 a一遇标准，支管并未完成相应的配套改造；部分城区采用分流制系统，但也存在放江频率与排江水量均高于合流制系统的问题[9]。由于市政排水系统缺少统一规划建设，群众意识缺乏，部门监督不力，导致雨污水混流现象严重，以上海市芙蓉江系统服务范围为例，小区合流管、小区污水、路边小店污水等接入市政雨水管道的混接点共482处，新建分流区内约20%混接率，部分污水未经收集与处理直排江河[12]。

3 城市面源污染的影响因子

城市雨水面源污染影响因素十分复杂，涉及自然地理、人类活动、社会经济等诸多方面，主要包括以下几个影响因子。

3.1 水文气候

降雨量、降雨强度、雨型和降水历时是影响雨水径流水质的重要因素。不同的雨情对地面、屋顶等的冲刷强度和时间不同，对污染物稀释溶解作用和传输能力也有所不同，最终导致雨水径流中污染物浓度存在差异[10]。车伍等[13]在对不同降雨强度条件下屋面径流水质变化规律的研究中发现，15 min降雨量为4 mm的短时暴雨具较大冲刷力，初期径流SS达1 985 mg/L，而1h降雨仅1.4 mm的径流中SS仅166 mg/L。气候因素对雨水径流水质也有影响。李立青等[14]研究发现，武汉市十里铺集水区2003~2005年内，2次降雨间隔时间与初期降雨径流污染负荷存在显著的正相关关系。晴天天数越多，地表污染物累积越多，降雨径流的污染程度更为严重[15]。

3.2 地形地貌

不同的城市地形地貌，直接影响雨水径流的蒸发、下渗、传输等，也影响着城市布局、功能区组织和道路管网、水处理设施设置、景观组织等，最终导致不同程度的城市面源污染。我国山地城镇约占全国城镇总数的一半，因其地表高差大，暴雨产流和排放较平原城市更为迅猛。王书敏[16]研究典型山城重庆的面源污染时空分布特征得出，山地城市暴雨径流较平原城市，交通干道污染负荷产率较大，污染物浓度降低速率较快。

3.3 土地利用方式

城市的快速发展使得城市土地利用面积和类型增多，不同的土地利用方式影响着下垫面的类型和分布，进而影响雨水径流量的储蓄与削减，雨水水质的过滤与净化。Ballo等[17]研究发现，上海中心城区内4类不同土地利用类型的径流中，TP变化显著且浓度各异。任玉芬等人[18]对中科院生态环境所内不同下垫面径流进行水质检测，发现屋面TN最高，草坪TP最高，路面COD和BOD5污染最严重。

3.4 地表卫生管理

道路和停车场表面有尘土、枯枝落叶、生活垃圾等，其初期径流中还含有大量有机物、细菌、烃类、重金属等污染因子[8]。雨水口是城市道路排水系统中重要的构筑物，也是城市面源污染物进入水环境的重要通道，其前堆积的生活垃圾、污水以及腐烂变质的沉积物，也可使城市径流污染程度加重。因此，城市地表卫生管理水平（清扫范围、内容、频率、效率等）可直接影响污染物的积累状况。

3.5 排水系统管理

城市排水系统包含排水管道、泵站和污水处理厂，是处理和排除雨污水的工程设施系统。排水系统的管理对于城市面源污染控制十分重要。由于管理者监管不严，杭州很多已通过验收的新建污水管道在后期频繁出现问题。排水是否通畅，污水是否外溢、水泵和管道等设施设备是否会受二次损伤，均与排水系统的建设规划、运行、维修和养护等管理有关[19]。

3.6 社会经济因素

工业化和城市化进程加快，社会经济活动愈加频繁，随之自然下垫面减少，排水系统、管理水平、环境意识、法律体系等跟不上发展的需求，致使城市水环境面临压力。孙金华等[20]分析了1920~2000年太湖流域大量资料，发现太湖水质每经10 a下降一个级别的演变规律，其水环境恶化与社会经济发展及人类活动有着紧密联系。

4 城市面源污染的控制技术

目前我国城市面源污染控制多采用“源-迁移-汇”逐级控制措施。源控制将雨水污染物尽量控制在源头，以拦截、消纳、渗透、削减方式来减轻后续径流污染处理负荷和负荷波动，它是面源污染控制中最有效和最经济的控制措施[21]，其中下垫面改造最为常见。迁移控制是经雨水径流污染物输送和扩散机理的探究，采取适当措施以减少污染物排入地下水或地表水，汇控制则是通过自然生态技术或人工技术来降解径流污染物[22]。迁移控制和汇控制的主要工程性措施包括植被浅沟、生物滞留系统、人工湿地和调蓄设施等，但此类技术往往会受城市建筑、占地条件、工程造价等因素限制，具有一定的改造难度。

4.1 下垫面改造

以改善地表透水性和增大透水面积为目的的下垫面改造是控制城市面源污染的关键因素之一，设置透水铺装、绿地建设以及屋顶绿化技术是防治面源雨水污染的重要手段。

4.1.1 透水铺装

利用大空隙结构层使雨水就地下渗和过滤的透水性铺装，可消纳表面或周边径流，补充地下水，减轻城市雨水排沥系统的负担。常见的透水铺装有透水混凝土、透水沥青、透水砖等，多应用于非机动车道、小区道路、园林道路等建设。透水铺装的径流削减效果一般与材料结构、降雨情况、径流水质相关[23]。此外，半透水型铺装的内部孔隙还可存蓄雨水供后续回收利用，有研究表明，其径流削减能力高于无收集措施时约10%[24]。渗沟、渗坑、渗渠等的排水渗透设施是透水铺装的另一种形式。其中，地下排水渗沟以渗流的方式汇集水流并就近排出路基以外，可有效降低路面径流和路基范围内的地下水位，已广泛应用于我国公路路基排水系统，如S309线临夏至大河家二级公路段[25]。排水渗沟具填石和管式两种类型，前者多为碎石和卵石，后者常选陶土、水泥混凝土、带孔塑料等。渗透管沟占地少，雨水下渗速度快，但易堵塞渗水孔，基本无污染物去除及净化作用，且其建设需一定挖深和土方量。

4.1.2 绿地建设

作为天然透水性材料，绿地可对雨水径流进行渗透、净化、储蓄与利用，其入渗速率为1.53×10-6~4.9×10-5m/s，能有效削减 COD、NH4-N、TN、TP等[26]。合理种植植被、布设绿地高程、改善土壤性质、改造下层土壤等均有利于城市雨水利用和面源污染控制[27,28]。草地和下凹式绿地是城市绿地的代表。其中，草地产流比明显低于相同条件的裸地，土壤含水率明显高于裸土。下凹式绿地则为高程低于周围路面的公共绿地建设，利用开放空间承接和贮存雨水，一般通过水文模型和概率分析方法来进行设计[29]，若草坪低于周围路面高程10~20 cm，则其入渗量可为路面的3~4倍。重现期为5 a的降雨试验表明，下凹式绿地径流削减率达46.58%，且对颗粒态磷具有明显的去除效果[30]。下凹式绿地后期维护管理规范或标准，以及其长期运行对土壤理化状况、微生物种群等影响仍有待深入研究。

4.1.3 屋顶绿化

美国是首个将屋顶绿化应用于现代建筑的国家，此后在屋顶上作防水渗透处理、上敷薄层土壤和种植绿色植物等技术被逐渐应用，可显著控制城市面源污染，突出表现在降低屋面径流系数、削减污染物和蓄存部分雨水等方面。屋顶绿化所用植物需具备耐热性、抗逆性、耐旱性等基本条件，佛甲草为典型代表。刘葆华[31]对佛甲草绿化屋顶进行降雨吸收量测试中发现，当降雨量较小时，此类屋顶吸水率可达50%~100%。蓄水层介质特征，如厚度、坡度、孔隙率与保水率等也会影响雨量截流和污染物浓度削减。VanWoert[32]试验得出，将介质层厚度增加、坡度减小，可增加雨水滞蓄量。郑美芳等人[33]的一项研究表明，以田园土为基质层的绿色屋顶径流中TN、TP和CODCr总负荷较普通混凝土屋顶径流低19%~84%，但以人工基质为基质层的绿色屋顶TP负荷较对照屋顶偏高。此外，屋面植物需施用化肥和农药，直接导致屋顶雨水径流中TP含量较高，这也成为潜在新污染源[34]。因此，我国各地陆续颁布了《屋顶绿化技术规范》，对建筑物要求、绿化设计、绿化施工、后期养护等作了相关规定，有助于绿色屋顶技术的安全应用。

4.2 植被浅沟

植被浅沟，亦被称为植草沟，是一类由植被覆盖的水流输送渠道，即景观型地表沟渠排水系统，已广泛运用于部分发达国家。它可持留、过滤、渗透雨水径流，减少至少10%~20%径流峰值，也可降低径流中悬浮颗粒物、金属、有机物等含量[35]。Reeves[36]研究指出，干植草沟对TSS、TN、的去除率均可达90%以上，标准传输植草沟和湿植草沟的处理效果不及干植草沟，且较长的植草沟有利于污染物的消除。我国在近几年才开始应用植草沟，例如石家庄滨水生态园植草沟、西安浐河景观节点中的植草沟设计、深圳茜坑水库生态草沟等[37-39]。植草沟的设计直接影响其对城市面源污染控制的效果，目前国内学者对设计相关的水力计算和水质净化功能进行了充分论述和总结，如水力停留时间、纵向坡度、最大径流流速、有效水深等的取值，具有较强的指导性[35]。植草沟技术需进一步解决细菌输出、占地面积较大、沟内堵塞、设计规范与评判标准缺乏等问题。

4.3 生物滞留系统

生物滞留系统一般由预处理草沟（可选）、浅层存水区、植物种植区、种植土壤层、沙滤层、砂砾垫层、排水系统和溢流装置等组成，具有污染物沉淀、过滤、植物吸收、土壤吸附、微生物修复等作用，实现径流雨水的蓄渗和净化[40]。弗吉尼亚大学学者[41]监测发现，新建的生物滞留设施可消除86%TSS，90%TP，97%COD 以及 67% 油脂。Davis[42]对生物滞留池进行场地试验，得出磷去除率可达77%~79%。国内深圳光明新区36号和38号两条道路自建成生物滞留设施以来，传统道路排水弊端得到改善，道路综合径流系数小于0.60，污染物去除率达40%~50%[43]。土壤结构、植物选型、气候条件、服务面积等都可能影响生物滞留系统性能以及成本大小。目前，该系统仍是一个较新的领域，需收集、共享、开发基础数据，进一步研究与实践，如优化土壤介质以提高处理性能；完善生物滞留的数值建模以增加模型输出值的可信性；加强生物多样性研究；开展生命周期跟踪研究等方面。

4.4 人工湿地

人工湿地由基质层、湿生植物、微生物等构成，是一种经过人为设计、构建、管理的特殊生态系统和近自然型水处理技术，多用于处理污染径流、富营养化河湖水、生活污水等[40]。人工湿地因其具有蓄洪、削减洪峰流量和流速、减少冲蚀等作用，同时对进水流量和水质变化有较强的耐受和缓冲能力，近十几年来，被逐渐应用于城市面源污染控制。严立等[44]应用三段式潜流湿地系统净化湖滨带初期雨水，TN、TP去除率分别达 51.2%、64.8%。尹炜等[45]考察结果显示，塘和复合潜流人工湿地组合系统对武汉桃花岛地表径流中COD、TP、TN、SS的削减率达64.7%~90.4%。人工湿地设计需注重植物选型、布局、生长状况等，也可与其他技术搭配使用，如入湿地前修建过滤带以截留水中颗粒物，出湿地后增加渗透措施以强化处理出水。人工湿地技术积累，湿地系统被不断完善与开发，相关技术规范制定与颁发，均可保障该技术的健康发展和合理应用。

4.5 调蓄设施

在雨水污染控制中，除利用天然池塘或洼地暂时调蓄雨水外，调蓄池的应用也于近几年内备受国内学者关注。利用管道本身的空隙容量调节洪峰流量是有限的，建设人工雨水调蓄池（管）则可提高系统排水能力，削减洪峰流量，如齐齐哈尔市内30余座调蓄池明显改善了原市内严重的内涝局面[46]。雨水调蓄池还可控制初期雨水和合流污水溢流对受纳水体的污染，石家庄正定新区调蓄池和雨水泵站联用有效收集了初期雨水并减少了面源污染[47]，苏州河环境整治二期中，沿河建设的合流调蓄池削减COD年入河量[48]。目前，由于调蓄池的功能、溢流方式等不同，各地容积计算方法不一，如上海雨水调蓄池旨在收集初期雨水，其容积计算参考德国，而北京的调蓄池以削减洪峰为主，通过脱过流量法和软件模拟进行容积计算[49]。在调蓄池布设过程中，设置位置（末端和中间）、选择类型（地下封闭、地上封闭和地上开敞）是重点，也是影响城市面源污染控制效果的关键因素[50]。此外，满足截流调蓄效果且系统工程费用最小化、系统管理及运行优化等问题也正在被深入研究。

5 展望

城市雨水径流污染具有随机性、广泛性、模糊性特征，其控制处理难度较大，目前已成为国际环境问题研究的热点。综上所述，国内外关于城市面源污染的基本特征、主要影响因子、控制技术等进行了全面、系统的研究与运用。为进一步改善城市水环境质量，促使社会经济和生态环境的和谐发展，以下几个方面可作为城市面源污染的研究重点：

（1）我国城市类型多样，地区自然条件、基础设施、社会环境等各异，今后应根据不同区域特点，建立相应的城市面源污染控制理论，必要时可定位、布点进行监测研究。

（2）大气干湿沉降是城市面源污染氮负荷的来源之一，应充分考量其对水环境的影响。

（3）加强城市面源污染对地下水污染的研究，以及对人体生命健康的影响研究。

（4）今后应更注重人工措施结合自然措施，技术工程对策与非工程对策并举的研究。

（5）我国城市面源污染控制尚处于初始阶段，因缺乏强有力的法规依托，而使得一些控制措施无法落实到位，今后应加强相关行业政策、法律法规、行业标准等内容的研究。