基于GIS的漳河上游城市非点源污染负荷估算

付 超，苏 晶，赵海萍，李清雪

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038； 2.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120)

随着点源污染控制的不断完善和城市化进程的不断推进，城市非点源污染占比日益增加，已成为城市水环境保护面临的最重要问题之一[1-4]。降雨是非点源污染形成的动力因素，径流携带下垫面大量污染物进入河流、湖泊等受纳水体，造成了非点源污染[5]。非点源污染受地理气候等多种因素的影响，具有随机性强、分散性广、潜伏滞后和控制复杂等特点[6]。在美国，城市非点源污染物占COD总量的73%、TN总量的89%[7]；在南非，Mgeni河流域污染物的85%来自城市非点源污染[8]。我国城市非点源污染问题也非常严重，在太湖、滇池等重要湖泊，非点源污染对水体污染的贡献率超过60%[9]；在北京和上海，城市雨水径流污染对中心城区水体污染的贡献率高达50%，对其他水体污染的贡献率分别是12%和20%[10]；天津城市非点源COD、NH3-N 入河负荷量占全市非点源污染总负荷量的60%左右[11]；钱钧等[12]研究了管网分流制对秦淮河流域水体污染的贡献，得出降雨类型为中雨时，非点源污染物COD和NH3-N入河负荷总量占水体污染负荷总量的51%和48%；王昭等[13]研究得到城市路面径流非点源污染物中重金属对水环境的污染贡献率为35%～75%。研究城市降雨径流对水质的影响，估算非点源污染负荷量，对城市水环境综合管理和水体生态健康具有重要意义。

漳河流经山西、河北、河南3省，是海河流域西南部的重要支流，上游流域面积为18 284 km2(图1)。上游段为3省重要的工、农业生产用水和饮用水水源，但受人类干扰强烈，是我国水事矛盾尖锐地区之一。城镇生活污水和工业废水排放造成上游河流水质恶化，严重制约流域经济发展[14-15]。为全面了解漳河上游水环境污染情况，本研究以漳河上游城市——长治市为研究对象，在2017年选取不同典型功能区不同下垫面进行降雨径流污染监测，采用平均浓度模型法估算上游城市非点源污染年负荷，并利用ArcGIS技术分析上游各市县污染程度，以期为漳河流域非点源污染控制提供技术支持。

图1 研究区示意图

1 研究区概况与采样

1.1 研究区概况

长治市位于山西省东南部，太行山南段，111°59′E～113°44′E，35°49′N～37°07′N，总面积 13 955 km2。长治市属暖温带半湿润大陆性季风气候，特点是冬长夏短，既无严寒也无酷暑，气候温和，雨热同季，大陆性季风相对持久，海洋性季风较弱，年平均温度为9.7 ℃，降雨多集中于6—8月，多年平均降水量在530 mm以上。

1.2 采样与测定

依据长治市不同地区的土地利用类型和生产生活条件，将城区分为居民区、商业区和工业区3种功能区，各功能区又分为屋面、路面两种下垫面。分别在每种功能区选择1块典型区域作为研究对象：居民区选取梅辉坡小区(紧挨金威商城，周边相对繁华)，商业区选取金威商城附近(车流量、人流量大，周边商铺众多)，工业区选取高新工业园区(规模最大，主要是制造业、新材料和生物制药业)。

当降雨发生并产生径流时，屋面雨水径流在雨落管出口处用1 000 mL洁净聚乙烯瓶收集；路面雨水径流利用自制专用工具收集路边雨篦子处的雨水，并转移到500 mL洁净聚乙烯瓶中。采样频率按照“前密后疏”的原则，产生径流的前10 min内，每隔5 min采样1次；10～30 min，每隔10 min采样1次；30～60 min，每隔15 min采样1次；60 min以后每隔30 min采样1次，样品采集后迅速带回实验室分析。每场降雨因降雨历时、降雨强度、采样次数不同，每次采集水样个数为5～8个。

选取监测指标为CODCr、TN、TP、SS和重金属(Cd、Cu、Pb、Zn)，分析方法参照《水和废水监测分析方法(第四版)》[16]。

1.3 降雨特征

2017年为平水年，共监测了11场降雨，降雨事件的降雨特征见表1。

2 研究方法

采用次降雨径流污染物平均浓度(event mean concentration，EMC)来评价降雨径流过程对受纳水体的影响，计算公式为

(1)

式中：EMC为EMC值，mg/L；ρj为随时间变化的污染物质量浓度，mg/L；Vj为随时间变化的径流量，L；k为降雨场次；M为整个降雨过程地表径流释放的污染物质总质量，mg；V为径流总体积，L。

表1 2017年多场次降雨特征

采用综合径流系数法计算长治市各功能区不同下垫面径流污染物的次降雨径流加权平均质量浓度，计算公式为

(2)

城市降雨径流污染负荷是由单场或多次降雨冲刷地表后释放的污染物总量，而排放到受纳水体的径流污染物的量有一定的随机性，有很大的误差，因此采用年径流污染负荷进行计算，公式为

Lx=CfPλ(ΨrArρr+ΨhAhρh+ΨgAgρg)

(3)

式中：Lx为降雨径流污染物进入河流的年负荷总量，t/a；Cf为不产生雨水径流时的降雨修正系数，取0.9；P为年降水量，mm；λ为城市非点源污染物随雨水径流入河系数，取0.13[17-18]；Ψr、Ψh、Ψg分别为道路、屋顶、绿地的径流系数，参考GB 50014—2006《室外排水设计规范》取Ψr=Ψh=0.9、Ψg=0.15；Ar、Ah、Ag分别为道路、屋顶、绿地的面积，m2；ρr、ρh、ρg分别为道路、屋顶、绿地径流污染物的加权平均质量浓度，mg/L。

3 结果与分析

3.1 长治市城区污染物的EMC

采用式(1)计算长治市城区典型功能区不同下垫面各场次降雨径流污染物的EMC值，结果如图2所示，图中居屋代表居民区屋面，居路代表居民区路面，其他功能区和居民区表示类似。

从图2可以看出，不同功能区不同下垫面各场次降雨径流中SS的EMC值在2.074～666.87 mg/L之间，变化范围较大，最大、最小值出现在20170714号降雨场次商业区路面、工业区屋面；多场降雨中不同功能区SS的EMC值商业区最大、工业区最小，不同下垫面SS的EMC值为路面大、屋面小。CODCr的EMC值在30.69～148.69 mg/L之间，除20170706号降雨场次居民区屋面、商业区屋面、商业区路面外，各场降雨不同功能区不同下垫面的EMC值均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准；20170706号降雨场次中居民区路面CODCr的EMC值达到148.69 mg/L，超过《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准的3.72倍，最小值出现在商业区路面；各场次降雨不同功能区不同下垫面CODCr的EMC值波动不大，污染相对严重。TN的EMC值在0.509～6.273 mg/L之间，最大值出现在20170621号降雨场次居民区路面，其EMC值超过《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准的3.14倍，最小值出现在20170904号降雨场次居民区屋面；居民区屋面、工业区屋面、工业区路面TN的EMC的最大值都出现在20170621号降雨场次，分别是5.000 mg/L、3.918 mg/L、4.827 mg/L，分别为Ⅴ类水标准的2.50、1.96、2.41倍；多场降雨监测到的不同功能区不同下垫面TN的EMC值超过Ⅴ类水标准的接近半数，污染程度为商业区最大、居民区最小，不同下垫面的EMC值为路面大屋面小。TP的EMC值在0.029～0.624 mg/L 之间，最大值出现在20170714号降雨场次商业区路面，其EMC值超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准的1.56倍，最小值出现在20170718号降雨场次商业区屋面；各场降雨不同功能区不同下垫面TP的EMC值大小顺序为商业区路面、居民区路面、工业区路面、商业区屋面、居民区屋面、工业区屋面，这与SS的EMC值规律相同；可见TP与SS具有一定的相关性，SS是污染物的载体，而TP吸附在颗粒的表面被雨水冲刷形成径流汇入受纳水体；在所监测到的降雨中，只有少数几场降雨TP的EMC值超过Ⅴ类水标准，总体水质较好。

重金属具有不可降解性和长期累积性。图2中，Cd的EMC值范围是9.65～44.27 μg/L，除20170727号降雨场次工业区路面外，各场降雨不同功能区路面、屋面径流其EMC值均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅴ类水标准；20170714号降雨场次工业区屋面Cd的EMC值最大，是Ⅴ类水标准的4.43倍，污染严重。Cu的EMC值的范围是24.43～140.40 μg/L，除20170714号降雨场次商业区路面、工业区路面以及20170727号降雨场次工业区路面外，其余均在Ⅰ类水标准范围内。Zn的EMC值范围是67.00～290.43 μg/L，均超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》的Ⅰ类水标准，但是均在Ⅱ类水标准(≤1 000 μg/L)范围内。

(a) SS

(b) CODCr

(c) TN

(d) TP

(e) Cd

(f) Cu

(g) Zn

(h) Pb

Pb的EMC值范围是0～32.41 μg/L，其中近一半的EMC值超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅱ类水标准限值。

总体来讲，长治市城区降雨径流非点源污染较为严重，主要污染源为SS、CODCr、TN和重金属Cd。对于不同的功能区，商业区径流水质相对较差，其次是居民区和工业区，各功能区路面SS、CODCr、TN和TP的EMC值明显高于屋面，这与王显海等[19]在宁波城区和Lee等[20]在不同功能区的研究结果大致相同。长治市降雨径流中TN的EMC值低于北京[21]、宜兴[22]、太原[23]等地；长治市重金属污染物Cd、Cu、Zn和Pb的EMC值均低于西安市[24]和东莞市[25]，其Cu的EMC值在Ⅱ类水标准范围内，Zn、Pb的EMC值在Ⅲ类水标准范围内，与太原地区相似[23]。

长治市城区不同功能区以及不同下垫面的径流污染程度不同，可能是因为径流污染物的来源不同。屋面降雨径流污染物主要来源于大气沉降；路面污染物来源于轮胎磨损、汽车尾气排放、污染物沉积、行人和携带物等[26]；商业区径流水质较差是因为商业区位于繁华地带，人流、车辆众多，再加上道路清扫不及时等因素共同造成SS、CODCr等污染，而且汽车尾气排放的NOx很容易造成降雨径流中氮污染。Cd具有距离工业区越远浓度越低的特征，可能与市区、工业园区产生的大气粉尘密切相关[27]。少数几场降雨不同污染物浓度偏高，可能与降雨强度、前期晴天数和下垫面性质有关。

3.2 长治市城区非点源污染负荷入河总量

采用式(2)(3)计算长治市城区2017年城市路面、屋面、绿地非点源污染物年负荷入河总量，结果见表2。其中绿地径流污染物的EMC值参考与长治市污染程度类似城市的监测结果[24,28]，长治市城区各类型下垫面面积来自2018年《长治市统计年鉴》，2017年降水量来自2018年《长治市水资源公报》。将长治市城区路面、屋面和绿地各污染物年负荷与相对应的路面、屋面和绿地面积作比值，得到城市不同下垫面各污染物输出系数，见表3。

表2 2017年长治市非点源污染物年负荷入河量

表3 2017年长治市不同下垫面各指标的输出系数

由表3可知，长治市城区绿地各污染物输出系数最小，路面各污染物输出系数最大，这与下垫面类型、地表污染程度以及雨水径流特性有很大的关系。由于路面污染物累积较多，经降雨冲刷后排放至河流，造成污染物浓度偏高；屋面污染物累积量较少，径流携带的污染物较少；绿地径流污染物浓度最低，是因为污染物被土壤和植物根系的截留、吸收和吸附作用去除了一部分。相比西安城区[29]、上海市[30]，2017年长治市城区不同下垫面非点源污染物输出系数处于较低水平。

3.3 长治市城区非点源污染负荷入河贡献率

图3为2017年长治市典型下垫面污染物年负荷入河贡献率。由图3可知，2017年长治市城区同一下垫面不同污染物年负荷入河贡献率不同，相同污染物不同下垫面年负荷入河贡献率也不同。屋面径流中各污染物贡献率均较高，在46%～77%范围内，其中TN、CODCr、Cd贡献率在76%左右；路面径流各污染物贡献率范围为14%～35%；绿地径流各污染物贡献率偏小，均在2%～27%范围内。3种下垫面径流污染物入河贡献率趋势为屋面>路面>绿地，说明在入河前，绿地过滤并吸附了一部分径流污染物，使得入河污染物负荷量明显消减，而屋面和路面受材质的影响，入河污染物负荷偏高。

图3 2017年长治市典型下垫面污染物年负荷入河贡献率

3.4 漳河上游城市非点源污染负荷空间分布

图4(a)(d)(e)(g)显示，2017年漳河上游流域非点源TN、CODCr、Cd、Zn污染负荷年入河量从大到小的城市依次为：长治城区、涉县、潞城市、襄垣县、长治县、和顺县、左权县、屯留县、长子县、沁县、榆社县、平顺县、黎城县、壶关县、武乡县。图4(c)显示，SS污染负荷年入河量从大到小的城市依次为：长治城区、涉县、潞城市、襄垣县、长治县、长子县、左权县、屯留县、和顺县、壶关县、沁县、平顺县、黎城县、榆社县、武乡县。其他不再赘述。可见，2017年漳河上游流域各城市中长治市城区污染最为严重，主要原因是长治市城区是全市的政治经济文化中心，工业企业较多。而近些年由于长治市城镇化率的快速增加，人为活动影响使得污染物排放量加大，因此污染较其他市县严重。武乡县位于长治最北部，城市化进程较慢，交通覆盖率偏低，多以农业为主，因此城市非点源污染较少。

(a) TN

(b) TP

(c) SS

(d) CODCr

(e) Cd

(f) Cu

(g) Zn

(h) Pb

4 结 论

a. 2017年长治市城区降雨径流非点源污染较为严重，各场次降雨商业区、工业区、居民区径流染物的EMC值路面总体高于屋面，主要污染源为SS、CODCr、TN和重金属Cd。

b. 2017年长治市城区非点源污染物TN、TP、SS、CODCr、Cd、Cu、Zn和Pb年负荷入河总量分别为5.301 t/a、0.464 t/a、267.310 t/a、177.890 t/a、0.075 t/a、0.150 t/a、0.384 t/a和0.023 t/a。长治市城区绿地污染物输出系数最小，路面污染物输出系数最大，这与下垫面类型、地表污染程度以及雨水径流特性有很大的关系。

c. 2017年长治市城区屋面径流TN、CODCr、Cd的入河贡献率偏高，均在76%左右。不同下垫面非点源污染物年负荷入河贡献率顺序为屋面、路面、绿地，同一下垫面不同污染物或相同污染物不同下垫面年负荷入河贡献率都不同。

d. 漳河上游流域各城市中长治市城区各污染物入河量最大，污染最为严重，武乡县污染程度最低。