基于GIS的辽河中游城市非点源污染负荷时空估算新方法研究

滕凡全

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

相比于城市点源排放的稳定和规律性，非点源污染排放的随机性较大，且难以追踪，给城市污染负荷控制带来很大难度[1]。城市地面污染物、固体颗粒沉积物、居民生活废弃物、腐蚀金属的残留物、纳污管网溢流污水、大气悬浮颗粒物在降水冲刷、汇集作用下进入最终的纳污水体[2]。城市非点源污染动力因素来源于降水。降水过程中形成的径流是城市非点源污染负荷运输的载体[3- 5]。非点源污染毒性较大，污染种类复杂程度高，很难进入城市污水处理系统进行相应的处理，对城市水生态环境、居民生活环境以及地下水环境的影响巨大[6- 9]，已成为我国各城市水环境综合治理亟待解决的关键问题和热点问题[10]。早期对于城市非点源污染负荷估算主要通过对地表污染物数据进行收集后，建立经验相关公式对其污染物进行预测和分析[11- 13]。后期逐渐演变成数学模型构建的方式进行非点源污染模拟的分析[14- 15]。城市非点源污染从简单的数理统计逐步演变对其污染机理进行分析。随着我国城市化的快速发展，城市非点源污染将日趋严重，因此城市非点源污染时空分布估算迫在眉睫。为此本文以辽河中游城市为研究实例，创新采用平均浓度模型法并结合GIS技术对辽河中游城市非点源污染时空分布进行估算。研究成果对于解决城市非点源污染负荷定量估算难点具有重要参考价值。

1 研究城市河段水质概况

结合辽河中游城市河段2001—2018年11种主要水质指标测定值，结合变异系数及趋势检验方法，对研究城市河段的水质概况进行分析，分析结果见表1—3。

表1 辽河中游城市河段2001—2018年各水质指标变异系数分析结果

从分析结果中可看出，辽河中游城市河段汛期和非汛期各水质指标变异系数变化度较大，其中化学需氧量的变异系数均最高，在非汛期电导率变异系数最低，而汛期氟化物的变异系数在各指标中最低，全年11种主要测定水质指标变异系数在0.013～0.139之间。从辽河中游城市汛期和非汛期水质指标多年均值分析结果可看出，非汛期各水质浓度明显高于汛期各水质指标的浓度，各指标中硫酸盐和硝酸盐氮浓度上升较为明显，亚硝酸盐及高锰酸钾指数总体变化较为稳定，其他水质指标也呈现较为明显的递增变化，其中电导率变化幅度为16.252us/(cm·a)、氯化物、溶解氧、氨氮、化学需氧量、生化需氧量、氟化物的变化幅度为2.352、0.416、0.435、6.921、1.353、0.023mg/(L·a)。

表2 辽河中游城市河段2001—2018年各水质指标多年均值 单位：mg·L-1

表3 研究城市河段2001—2018年各水质指标变化趋势检验 单位：mg·L-1

注：*表示显著变化，**表示为极显著变化，ns表示不显著变化。

2 研究及采样方法

2.1 测定与采样

结合城市不同土地利用类型及居民生活区的分布，主要划分为5个区域，分别为商业区、居民生活区、绿化带、商业加生活区、商业加绿化带区。同时将不同的功能划定为路面、屋顶以及绿地三种类型。为对城市非点源污染负荷进行估算，需要对其进行采样点进行观测分析。采用降雨试验观测的方式来分析其污染物指标，各场次降水主要特征见表4。当降雨径流产生后，在屋面排雨管采用聚乙烯瓶进行采样，采用自制工具对路面排水井雨水进行采集。采用频次按照先前期加密后期分散的原则，在径流产生的前15min进行一次采样；15～30min内进行第二次采样，每间隔10min进行一次采样；30min～1h，每间隔15min进行一次采样。样品采集后立即回到水化试验室进行分析测定，各场次降雨历时、降雨强度及采样测定的次数不同，每次采集的水样的数量为6～9个。本次试验各测定8种指标进行分析。

表4 2018年区域不同降水场次主要特征

2.2 污染物平均浓度计算方法

场次降雨形成的污染物平均浓度可以用来对纳污水体进行影响评价，评价方程为：

(1)

式中，EMC—污染物浓度平均值，mg/L；Cj—污染物浓度随时间变化的浓度值，mg/L；Vj—径流量随时间变化的值，L；M—污染物在地表径流运移过程中的总量，mg；V—地表径流体积总量值，L。

对各污染物的平均浓度结合降雨径流系数综合值进行加权平均，加权平均方程为：

(2)

单次或多次降雨径流冲刷形成的污染物总量形成城市非点源的污染负荷，纳污水体排放具有一定的随机性，因此随机误差较大，因此本文采用年径流对其负荷进行总量计算，方程为：

Lx=CfPλ[(Ψr)(Ar)(Cr)+(Ψh)(Ah)(Ch)+
(Ψg)(Ag)(Cg)]

(3)

式中，Lx—年污染负荷的总量，t/a；Cf—无降雨径流时的修正降雨系数，本文该系数取值为0.85；P—城市年降水量，mm；λ—城市非点源污染负荷进行河流的比例系数，本文取值为0.16；Ψr、Ψh、Ψg—道路、屋顶、绿地的降雨径流系数；依据GB50014—2006《室外排水规范》要求，各系数分别为0.86、0.86、0.16；Ar、Ah、Ag—道路、屋顶、绿地产流面积，m2；Cr、Ch、Cg分别表示为道路、屋顶、绿地污染物浓度均值，mg/L。

3 非点源污染负荷估算分析

3.1 污染负荷总量估算

结合水质分析结果和污染物平均浓度模型对辽河中游城市污染负荷年值及不同下垫面类型污染物输出系数进行估算，见表5—6。污染物主要包括总氮TN，总磷TP、悬浮物SS、化学需氧量COD、镉Cd、铜Cu、锌Zn、铅Pb。

表5 2018年辽河中游城市进入河道内的年污染负荷量 单位：t/a

表6 2018年辽河中游城市不同下垫面类型污染物输出系数 单位：t/a

屋顶污染物主要来源于大气沉降，路面污染物来源于汽车废气排放、汽车轮胎磨损、降雨污染物沉积冲刷影响，商业区污染物由于人流和车流影响，再受到清扫不及时等原因共同造成SS以及CODcr等污染物浓度的增加，汽车尾气排放会加大氮含量浓度。从表5中可看出，不同污染物浓度进入河道内的年总量在0.026～5.308之间，TN的污染物负荷总量最大，Pb污染物负荷最低。从各污染物输出系数可看出，道路的污染输出系数最大，绿地的污染输出系数相对最低，污染物输出系数和下垫面类型、降雨径流特性以及地表污染的程度具有很大的相关性，由于道路积累的污染物较多，经过降雨冲刷后排入河道内，使得污染物的浓度逐步增加，而屋顶累积的污染物较少，降雨径流运移的污染物负荷较小。绿地污染物输出系数较低的原因在于植物根系和土壤的吸附去除了一部分污染物，相比于大型城市，辽河中游城市非点源污染输出系数总体偏低。

3.2 污染负荷入河贡献率分析

为定量分析不同污染负荷的入河量，对各类型下指标的贡献率进行分析，结果见表7。

表7 辽河中游城市不同下垫面污染类型的入河量贡献率分析 单位：%

从入河贡献率分析结果可看出，屋顶进入河道贡献率最大，贡献率在44%～78%之间，其中Zn、CODcr以及Cd的贡献率均在70%以上，这三种污染是屋顶污染物沉降的主要类型。道路各污染物入河量的贡献率要高于绿地，绿地各污染物入河的贡献率在3%～19%之间，三种类型下污染物入河贡献率大小排序为道路>屋顶>绿地，表明绿地降雨冲刷的污染物在进入河道前经过一定程度的过滤并对部分污染物进行了有效吸附，使得进入河道的污染物浓度有所减少，而道路和屋顶由于受到材质的综合影响，进入河道的污染负荷增加。

3.3 污染负荷入河空间分布

结合GIS技术及平均浓度模型，对各污染物浓度空间分布进行了估算，结果如图1所示。

图1 各类入河污染物的面源分布

从各污染物空间分析结果可看出，辽河中游各类污染物主要集中在北部区域，这一区域工业分布较多，因此污染也较为严重，各污染物整体从北向南逐步减少，南部主要为辽河中游城市绿化带，因此各污染物浓度较低。中部区域各污染物浓度有所增加的原因在于随着城镇化的快速发展，人类活动对污染物影响度逐步增加，位于南部的区域由于人类活动相对较少，交通覆盖程度较低，且大都以农业种植方式为主要类型，因此其污染物浓度有所减低。

4 不同设计暴雨条件下的城市点源污染负荷分析

4.1 不同降雨强度下城市非点源污染负荷变化

考虑到设计暴雨条件对城市点源污染负荷影响程度较低，结合平均浓度模型，首先分析了7种设计暴雨条件下对污染物浓度的影响，结果见表8。

表8 不同降雨强度下各污染物浓度变化分析结果 单位：t/a

从分析结果可看出，随着暴雨频率的增加，对污染的冲刷程度也更为严重，进入河道的各水质指标的浓度也逐步递增，进入河道的污染物浓度和降雨强度呈现线性变化关系，污染物浓度随着降雨强度的增加而递增，由于降雨强度的增加，使得冲刷的污染物的总量增加，但由于区域非点源污染负荷的总量有限，因此随着降雨量的不断增加，污染物浓度将递减变化。

4.2 不同雨型条件下城市非点源污染负荷变化

为了分析降雨时程分配对城市非点源污染负荷的影响，分析了辽河中游三种不同雨型条件(见表9)下对各污染物浓度的影响，结果见表10。

表9 不同雨型降雨量特征

表10 不同雨型条件下城市非点源污染浓度变化

从分析结果可看出，在相同雨强，但雨型分配不同时，污染物浓度分布不一致，TN、SS以及CODcr浓度排序和雨峰位置有较为直接的关联，排序分别为：偏前>中间>偏后，这主要是因为降雨冲刷原因所致，受降雨影响前期污染物浓度较大，对污染物冲刷的效率较高，而随着降雨峰值的后移，污染物的浓度逐步降低出现坦化的现象，不同雨型污染物总量影响较小，除了SS污染物浓度总量变化较大外，其他污染物变化程度总体较小。雨量峰值滞后会使得降雨后期的径流量较大，对后期污染物浓度较低状态下有所补充。

4.3 不同土地利用类型下城市非点源污染负荷变化

结合区域主要划分的5种土地利用类型，对不同土地利用类型下对城市非点源污染负荷影响进行分析，结果见表11。

表11 不同土地利用类型下对城市非点源污染负荷影响分析结果

从分析结果可看出，绿化带的污染物浓度明显小于商业区和生活区的污染物浓度，这主要是因为下垫面透水比例原因所致，绿化带对污染物有稳定作用，绿化带区域透水和不透水面积所在比例较大，对径流的滞留影响较大，对径流影响的同时也对污染物进行一定程度的拦截，对降雨径流过程中的非点源污染控制产生一定程度的影响，因此适度增加绿化带的面积，将一定程度控制城市非点源污染的负荷。绿化带土地利用类型下TP和商业区及居民生活区差异程度较小的原因在于城市地表累积的磷含量比其他污染物要低，对草地进行人工施肥将对含磷量产生较为直接的影响。

4.4 枯水典型年连续非点源污染负荷分析

枯水年份由于前期干旱，使得积累的地表污染物较多，因此在后期降雨冲刷进入河道的污染负荷也较大，为此本文对枯水典型年连续非点源污染负荷进行分析，并重点分析街道清扫程度对污染物负荷影响，结果见表12。

表12 枯水典型年街道不同清扫方式下的非点源污染负荷的影响分析

这里枯水典型年连续非点源污染负荷的分析，主要分析地表产污的变化，不考虑降水汇集的过程。从分析结果可看出，街道不同清扫程度对各污染指标影响程度不同，适度增加街道清扫程度，可以有效减少降雨径流过程中携带的非点源污染负荷，且随着清扫频次的逐步增加，随着降雨冲刷过程中产生的非点源污染负荷减少的程度也越大。

5 结语

(1)城市非点源空间分布和土地利用类型相关度较高，工业分布较多的区域，各污染指标浓度均高于一般生活区和绿化区，且重金属浓度也分布较大，建议在工业分布加大绿化带覆盖度，通过绿化带的生态滞留和吸附作用，从而有效降低工业、商业区进入河道内的非点源污染负荷。

(2)城市非点源污染负荷主要受雨强影响，和降雨总量相关度较低，进入河道的污染物浓度雨峰前期呈现线性变化关系，且在雨峰中期达到最大值，但进入雨峰后期，由于冲刷能力减弱，各污染物浓度衰减较为明显。

(3)人工施肥使得绿化带相比于商业区、生活区的TP含量差异度减小，也是绿化带TP非点源污染负荷贡献率较大的主因，建议在人工施肥中选择TP含量较低的生态肥料。