我国面源污染治理理论和措施研究综述

2020-03-11葛铭坤

水利规划与设计 2020年3期

葛铭坤

(苏州市水利建设监理有限公司，江苏苏州 215000)

1 概述

环境污染分为点源污染与面源污染，长期以来，我国面临着极其严重的工业废水和城市污水的污染问题，近年来随着点源污染的治理逐见成效，面源污染的比重在日益提高，在美国甚至已经达到总污染量的2/3[1]。因此，研究面源污染的特征、规律、计算方法及削减措施等，对改善水环境和可持续发展有重大意义。

2 面源污染概念阐释

2.1 概念阐释

面源污染，即非点源污染，可定义为溶解的或固体的污染物从非特定地点通过径流过程而汇入受纳水体引起的水体污染[2]，不同于点源污染，其没有固定的污染排放点。面源污染主要包括城市面源污染和农业面源污染，典型的城市面源污染是指雨水径流污染，具体表现为市政泵站的排江污染，农业面源污染包括农田径流和渗漏、农村地表径流、农村生活污水、农村固体废弃物、畜禽水产等养殖等造成的污染。

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径流的淋浴和冲刷作用产生的，城市降雨径流主要以合流制形式，通过排水管网排放，径流污染初期作用十分明显，具体有如下一些特征[3]：

(1)硬质化路面及屋顶占城市的下垫面比例很高，径流系数较大，形成径流的时间短，地下入渗量小，对污染物的冲刷强烈。

(2)城市面源雨水径流主要分为屋面径流和路面径流。屋面径流污染源主要为屋面沉积物，影响因素主要为屋面材料性质；路面径流主要污染源为路面沉积物。

(3)面源负荷来源主要为：屋面建筑材料、建筑工地、路面垃圾和城区雨水口的垃圾和污水、汽车产生的污染物、大气干湿沉降等。其中产生负荷影响较大为雨水口的垃圾和污水。

2.2.2农业面源污染

农业面源污染是最为重要且分布最为广泛的面源污染，农业生产活动中的氮素和磷素等营养物、农药以及其他有机或无机污染物，通过农田地表径流和农田渗漏形成地表和地下水环境污染，具有以下特征[4]：①污染来源的分散性、复杂性以及溯源的困难性；②污染物排放的不确定性和随机性；③污染物以水为载体，其产流、汇流特征具备较大的空间异质性；④污染物具有量大和低浓度特征，难治理，成本高，见效慢。

3 面源污染的计算方法

3.1 排污系数法计算

地表径流污染负荷是指由一场降雨或一年中的多场降雨所引起地表径流排放的污染物的总量。由一场降雨所引起地表径流排放的污染物的总量称为次降雨污染负荷，可采用排污系数法计算[5]。

3.1.1基于平均浓度法估算城市地表径流污染负荷

径流平均浓度EMC(event mean concentration)”定义为：任意一场降雨引起的地表径流中排放的某污染物质的质量除以总的径流体积。EMC可根据多次降雨求平均获得，计算公式如下：

(1)

式中，Cj—j时刻污染物浓度，Vj—j时刻的径流量。

因此，场次降雨的污染负荷可确定为：

Li=EMCi·Vi

(2)

式中，Li—场次降雨污染负荷产生量。

3.1.2基于Johnes输出系数模型估算城市地表径流污染负荷

Johnes(1996)经长期实践，基于以往的长期实践和工作经验提出了输出系数模型。该模型可全面计算营养物质流失量和收纳水体污染负荷。即：

(3)

式中，L—营养物流失量；m—土地利用类型数目；n—营养源数目；Eij—i类型j营养源对应的输出系数；Ai—对应的i土地利用类型面积或i牲畜或人口数量；Ii—营养物质输入量；P—降雨输入的营养物质。

Eij根据土地利用类型来分别处理，对于城市土地利用类型来说，应考虑居民地人口密度等因素对污染物贡献率的差异，可用下式计算：

Eh=365Dca×H×M×B×Rs×C

(4)

式中，Eh—人口的氮磷年输出量；Dca—每人的营养物质输出量；H—流域的人口数量；M—污水处理过程中营养物质的机械去除系数；B—污水处理过程中营养物质的生物去除系数；Rs—过滤层营养物质滞留系数；C—有解吸情况发生的去除系数。

3.1.3公路路面径流污染负荷估算

Chui等(1982)通过对美国华盛顿州9个不同情形的公路断面径流进行测试，开发了用于预测公路路面径流水质的华盛顿州模型：

TSS=K×VDS×RC

(4)

SPL=P×TSSL

(5)

式中，TSSL—路面径流总悬浮固体负荷，kg/km；VDS—降雨期间累计交通流量，辆；RC—平均径流系数；SPL—除TSS的其他污染负荷，kg/km；K—TSS径流产率，取经验值1.8kg/(km/千辆)；P—某污染物与TSS比率。

由于雨天时的VDS为降雨历时与降雨期间平均交通流量的乘积，说明K值一定时，公路排污负荷仅与年降雨量历时有关。

对于汽车交通，TSS表现出与降雨过程交通流量较强相关性(赵剑强，2002)：

TCTSS=0.86VDS-649.9

(6)

r2=0.93

(7)

式中，TCTSS—汽车交通对TSS负荷的贡献值，mg/m3。

3.2 水量水质耦合模型计算

为模拟研究区非点源污染负荷的时空分布，建立分布式的非点源污染负荷估算模型[6]。该模型包括污染负荷产生模块和入河模块两部分。污染负荷产生模块用于计算流域内的水、泥沙以及各种污染物质的产生量，其中污染物质包括吸附态和溶解态等两种类型。污染物入河模块用于计算流域中的污染物在水动力作用下进入河道的径流量和污染物浓度。

3.2.1污染物产生模块

非点源污染负荷模型中的污染物产生模块包括降雨产流过程、土壤侵蚀产沙过程和污染物质迁移转化过程的计算，模拟过程中的污染物质主要考虑氮和磷。分布式模型以栅格为基本计算单元。

污染物产生模块的计算过程分为三个部分，具体流程如图1所示。

第一部分：根据研究流域的降雨、潜在蒸发、土地利用、土壤类型等地理自然资料，采用三水源新安江模型模拟网格单元中的土壤降雨产流过程，计算流出栅格单元的地表径流深。

第二部分：利用流域土地利用、土壤类型、DEM等流域自然资料和计算得到的地表径流深结果，采用修正的通用土壤侵蚀方程(MUSLE)估算泥沙流失量，并估计吸附态污染负荷；根据流域人口、畜禽养殖、施肥水平等社会状况和土地利用、土壤类型等地理自然资料，采用累积-冲刷模式计算溶解态污染负荷。

第三部分：根据各网格的污染负荷计算结果，统计各网格溶解态和吸附态污染物负荷在不同时段的总量，得到各网格污染负荷的时间序列，然后进一步计算整个研究区非点源污染物负荷量的时间序列。

3.2.2污染物入河模块

非点源污染负荷模型中的入河模块主要考虑土壤(地下水)汇流模块和地表水汇流模块，如图2所示。降雨径流过程中，地表径流以地表水模块进行汇流，土壤径流和地下径流以土壤(地下水)模块进行汇流。

图1 时间序列非点源污染负荷计算原理

图2 汇流模块流程图

流域汇流主要包含两个部分：网格汇流和子流域出口汇流。网格本身的地表汇流采用简单的无因次单位线方法。子流域出口汇流分地表和地下(土壤)两部分，地表汇流采用山坡单元运动波方法计算汇流时间，地下(土壤)直接采用水箱模型的计算结果。

受到地形条件影响，以及自身的沉降和挥发等，汇流过程中污染物浓度会发生变化。在计算流域出口排污前，先计算每个网格的污染物浓度，然后再根据污染物汇流过程中的衰减比例来计算各自流域最终排入主干河道的污染负荷和浓度。原理示意如图3所示。

图3 污染物入河模块示意图

流域出口污染物浓度

污染物迁移转化过程中会发生沉降、挥发和降解等，可以将处理单元概化成污水处理厂、下水道、净化槽、地表水和土壤(地下)水五种。本研究考虑地表水和地下(土壤)水两种基本模式，并依照土地利用类型设定处理系数，即污染物的净化率。

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—出口处对应的污染物负荷，t；FNS、FPS—地表水、地下水的处理系数，不同土地利用类型处理系数不同；FNG、FPG—地表水、地下水的处理系数，由于地下水流动缓慢，分别设置为0.85和0.95。q、qs—总出流量和地表出流量，m3/s;area—对应的子流域面积，km2

4 面源污染减排与水环境容量提升目标确定

4.1 水环境容量分析计算

水环境容量是在水资源利用水域内，在给定的水质目标、设计流量和水质条件的情况下，水体所能容纳污染物的最大数量。水环境容量的确定是水污染物实施总量控制的依据，是水环境管理的基础。

水环境容量的计算方法有解析法、试错法、系统分析法和概率稀释模型法，其中以解析法应用最为广泛和普及[7-10]。

4.2 面源污染负荷分析及源解析

对河道污染的来源进行解析是制定水质改善和提升计划的基础前提条件，也是制定各类污染防治工程的依据。通过解析城市河道特征污染物的主要来源及其负荷，重点分析漏排点源污染、城市下垫面地表径流污染、污水截排系统溢流等污染源的排放规律，量化各污染源对总入河污染负荷的贡献比率，建立河道控制断面水质对入河污染负荷的响应关系，明确该区污染负荷削减是河道水质改善关键策略[11]。

通过对降雨前后河道污染负荷的差值计算，可获得城市地表径流污染负荷通量变化，对河道本身在产污单元的输入和输出断面污染负荷进行比较，可获得城市点源污染和面源污染负荷总量。

污染物量=流量×污染物浓度-降雨中污染物量

控制断面2污染通量-控制断面1污染通量=点源污染通量+面源污染通量