-
随着我国长江流域城镇生活源和工业源治理成效显著,城镇面源对城镇受纳水体污染的占比逐渐增加[1-3],整体贡献率达8.29%~25.45%[4],对降雨量丰富的地区COD贡献率甚至高达39.55%[5],已经成为限制城镇水体水质提升的重要污染源。城镇面源随着降雨径流的发生而产生,来源复杂多样,对城镇面源的来源开展精准解析,将有助于识别重点产污单元,对流域污染精细化控制具有重要意义。
目前,城镇面源对受纳水体污染贡献多用排放清单法进行计算,即利用场次降雨平均污染物浓度结合径流系数法计算出城镇面源污染负荷量,再将其与受纳水体污染总负荷相比而获得城镇面源污染占比。赵云强[6]在北运河流域建立了排放清单,计算了城镇径流污染负荷并确定了对其流域污染的贡献占比;WILSON和WENG[7]在建立了芝加哥地区的Calumet湖的污染排放清单,利用模型估算了城镇各种用地的面源污染物负荷,并最终确定了其对Calumet河污染的贡献。该种方式适合大尺度流域核算,计算方式相对粗糙,且计算方式忽略了城镇排水系统产生的面源污染负荷。
排水管网排口为城镇面源输入受纳水体的重要节点,其主要污染来源为地表径流、生活污水和管道沉积物。国内外已有学者对排口污染开展溯源,如GROMAIRE等[8]对巴黎的“Marais”流域的合流制管网雨天混合污水进行溯源,确定了管道沉积物为重要污染源,其对SS、BOD5和COD负荷的贡献超过50%;SOONTHORNNONDA和CHRISTENSEN[9]利用PMF模型对大密尔沃基地区合流制溢流口污染开展溯源,成功识别了当地溢流污染的可能来源并确定各自的贡献比例;马振邦等[10]也将PMF模型成功应用于深圳王家庄集水区排口负荷污染来源的识别上。
此外,在雨天输入受纳水体的地表径流中,由于不同下垫面污染特征不同,产生的负荷量存在差异,因此对径流污染开展溯源具有必要性。岳桢铻等[11]对南宁市老城区在大中小雨时地表径流污染来源进行了解析,结果表明道路为径流SS和COD的主要产出源,对重点产污下垫面的识别可为城镇面源污染精准控制提供支撑。
目前对城镇面源污染的来源解析的研究主要集中在上述的3个方面,但尚未有将3者结合起来系统开展溯源的研究。基于此,本研究选长江流域典型丘陵城镇重庆市永川区和典型平原城镇常州市金坛区作为研究对象,对2类城镇中又分为合流制和分流制2种排水体制的4个研究区在不同降雨情景时城镇面源污染来源进行追溯,包括城镇面源对河流水质污染贡献解析、雨天排口污染来源贡献解析以及下垫面径流污染来源解析,以期为长江流域城镇面源污染控制提供数据支持。
长江流域丘陵与平原2类典型城镇面源污染来源解析
Sources analysis the of urban non-point source pollution in in two typical towns of hill and plain in the Yangtze River Basin
-
摘要: 在长江流域丘陵城镇重庆永川区和平原城镇常州金坛区分别选取各含合流制和分流制2种排水体制的4个区域作为研究对象,监测雨天4个区域的河流、沿河排口和下垫面径流相关数据,分别采用河流质量守恒法、PMF模型和地表径流质量守恒法解析2类城镇4个区域面源对河流污染贡献、沿河排口污染来源贡献和各下垫面污染贡献。结果表明,城镇面源对4个研究区域内河流的5项水质指标 (SS、COD、NH3-N、TN和TP) 均有一定程度的贡献,其贡献率与降雨等级、地区特征和排水体制有关;降雨期间,在2类城镇2种排水体制的沿河排口污染负荷来源中,地表径流是SS和COD负荷的主要来源,生活污水和管道沉积物是NH3-N、TN和TP负荷的主要来源;受地形坡度和人口密度等因素影响,永川和金坛的主要产污下垫面不同,永川为小区道路,金坛为交通道路和屋顶。为提高上述研究区域面源污染的精细化管理,提出了针对性的控制措施。Abstract: In the hilly urban area of Yongchuan District, Chongqing, and the plain urban area of Jintan District, Changzhou, both situated in the Yangtze River Basin, four areas with two drainage systems (namely, combined system and separate system) were selected as study objects. Quality data of rivers, riverine outfalls, and surface runoff in these areas were systematically monitored during rainy days. The study employed the river mass conservation method to assess the contributions of non-point source (NPS) to river pollution; employed the PMF model to trace the pollution sources to riverine outfall; and employed the surface runoff mass conservation method to analysis the pollution sources to surface runoff. The results showed that: Urban NPS contributed to the five water quality indicators (SS, COD, NH3-N, TN and TP) in the rivers in the four study areas to a certain extent, and the specific contribution rates were related to the rainfall levels, regional characteristics and drainage regimes; During rainfall events in both types of towns, surface runoff was identified as the primary source of SS and COD loads at the riverine outfalls. On the other hand, NH3-N, TN, and TP loads were predominantly contributed by sanitary sewage and sewer sediments at these outfalls in the two different drainage regimes; Influenced by factors such as topographic slope and population density, the main pollutant-producing surfaces of Yongchuan and Jintan were different, with Yongchuan being neighborhood roads and Jintan being traffic roads and roofs. Targeted control measures were proposed to improve the refined management of urban NPS pollution in the above study area.
-
Key words:
- hill urban /
- plain urban /
- urban non-point source /
- mass conservation method /
- PMF model
-
表 1 降雨等级划分标准
Table 1. The classification standard of Rainfall grade
降雨强度等级 24 h降雨量/mm 小雨 <10 中雨 10~25 大雨 25~50 暴雨 50~100 大暴雨 100~200 特大暴雨 >200 表 2 降雨特性一览表
Table 2. Summary of rainfall characteristics
地区 日期 降雨
等级降雨量/
mm降雨历时/
min平均降雨强度/
(mm·min−1)样品
个数永川 4.11 小雨 4.7 120 0.039 59 4.18 中雨 12.6 330 0.038 76 6.15 小雨 2.6 120 0.022 87 7.19 中雨 17.3 190 0.091 103 7.21 大雨 30.6 430 0.071 104 7.24 小雨 5.3 220 0.024 75 金坛 4.3 小雨 2.0 70 0.028 30 6.17 中雨 12.0 560 0.046 40 6.19 大雨 43.8 380 0.115 47 表 3 PMF模型运行参数表
Table 3. Table of PMF model run parameters
点位 R2 Q SS COD NH3-N TN TP 理论值 计算值 永川分流制雨水口 0.997 0.601 0.993 0.938 0.996 101 116.9 永川合流制溢流口 0.999 0.831 0.967 0.835 0.999 57 74.1 金坛分流制雨水口 0.802 0.994 0.992 0.968 0.763 47 62.5 金坛合流制溢流口 0.997 0.831 0.966 0.935 0.999 69 72.7 表 4 模型模拟污染源与实际污染源对应关系
Table 4. Correspondence between model simulated pollution sources and actual pollution sources
点位 地表径流 生活污水/混接污水 管道沉积物 永川分流制雨水口 F3 F2 F1 永川合流制溢流口 F1 F3 F2 金坛分流制雨水口 F3 F2 F1 金坛合流制溢流口 F1 F2 F3 -
[1] 李立青, 尹澄清, 何庆慈, 等. 武汉市城区降雨径流污染负荷对受纳水体的贡献[J]. 中国环境科学, 2007(3): 312-316. [2] 祁继英. 城市非点源污染负荷定量化研究[D]. 河海大学, 2005. [3] U. S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, National water quality inventory: Report to Congress: 2002 reporting cycle[R]. Washington, DC, 2004. [4] 邱斌, 朱洪涛, 齐飞, 等. 长江流域典型城市水生态环境特征解析及综合整治对策[J]. 环境工程技术学报, 2023, 13(1): 1-9. [5] 王峥, 朱洪涛, 孙德智. 长江干流江苏段及环太湖区域典型城市水生态环境问题解析及控制对策[J]. 环境工程技术学报, 2022, 12(4): 1064-1074. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210704 [6] 赵云强. 北运河流域污染源解析及其清单研究[D]. 北京化工大学, 2022. [7] WILSON C, WENG Q, Assessing Surface Water Quality and Its Relation with Urban Land Cover Changes in the Lake Calumet Area, Greater Chicago[J]. Environmental Management, 2010, 45 (5): 1096-1111. [8] GROMAIRE M C, GARNAUD S, SAAD M, et al. Contribution of different sources to the pollution of wet weather flows in combined sewers[J]. Water Research 2001, 35 (2): 521-533. [9] SOONTHORNNONDA P, CHRISTENSEN E R, Source apportionment of pollutants and flows of combined sewer wastewater[J]. Water Research 2008, 42 (8-9): 1989-98. [10] 马振邦, 倪宏刚, 魏建兵, 等. 城市小集水区降雨径流污染来源解析[J]. 生态环境学报, 2011, 20(3): 468-473. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2011.03.014 [11] 岳桢铻, 李一平, 周玉璇, 等. 南宁市老城区降雨径流溯源及污染特征分析[J]. 环境科学, 2022, 43(4): 2018-2029. [12] NORRIS G, DUVALL R, BROWN S, et al. EPA Positive Matrix Factorization (PMF) 5.0 Fundamentals and User Guide[M]. U. S. Environmental Protection Agency Office of Research and Development Washington, DC, 2014. [13] 胡智华. 城市面源污染过程监测与污染负荷估算研究[D]. 重庆交通大学, 2023. [14] 蒋荣廷. 重庆市悦来新城典型下垫面雨水径流水质特性的初步研究[D]. 重庆大学, 2018. [15] 段丙政. 重庆老城区面源污染及街尘清扫措施研究[D]. 华中农业大学, 2014. [16] 王书敏. 山地城市面源污染时空分布特征研究[D]. 重庆大学, 2013. [17] 吴攀. 典型下垫面雨水径流颗粒污染物粒径分布特征研究[D]. 重庆交通大学, 2023. [18] 柯杭, 陈嫣, 王盼, 等. 苏州市新建城区地表径流污染分析[J]. 净水技术, 2020, 39(7): 59-64. [19] GASPERI J, GROMAIRE M C, KAFI M, et al. Contributions of wastewater, runoff and sewer deposit erosion to wet weather pollutant loads in combined sewer systems[J]. Water Research 2010, 44 (20), 5875-86. [20] 李思远. 合流制管网污水溢流污染特征及其控制技术研究[D]. 清华大学, 2016. [21] 汉京超. 城市雨水径流污染特征及排水系统模拟优化研究[D]. 复旦大学, 2015. [22] 张千千, 李向全, 王效科, 等. 城市路面降雨径流污染特征及源解析的研究进展[J]. 生态环境学报, 2014, 23(2): 352-358. doi: 10.3969/j.issn.1674-5906.2014.02.027