城市非点源污染研究进展及防治措施★

杨丰恺 姜应和* 徐天会

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430070;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056; 3.中交城乡建设规划设计研究院有限公司，湖北武汉 430051)

1 概述

近年来，随着全球城市化进程的加快，大片农田和林地转变为道路、建筑及其他铺砌区域［1］，导致城市不透水面积不断增长。非点源(Non-Point Source，简称NPS)污染是指污染物通过自然或人为方式进行沉积，降水时随地表径流流入湖泊、河流、海洋和地下水等受纳水体而造成水体污染的现象。城市土地类型的转变造成非点源污染物累积和冲刷过程发生了改变［2］。城市非点源污染如今已成为城市水环境的主要污染源之一，随之会带来水体富营养化、黑臭水体和饮用水源污染等一系列严重问题［3］。我国目前处于城市化突飞猛进的发展阶段，所面临的城市非点源污染压力远高于发达国家。因此针对城市非点源污染进行特征影响分析和防治措施研究具有重要意义。

2 城市非点源污染的来源及特征

非点源污染常按产生区域和过程分为城市、农业和其他非点源污染三类。与后两者相比，由于城市中土地利用类型繁多，人类活动频繁，地表所积累的大量大气沉降及各种人类活动带来的污染物随雨水径流的冲刷直接排入受纳水体，使得城市非点源污染成为城市水环境污染的主要原因［4］。总结归类早期研究发现，城市非点源污染最主要的来源为地表径流，而地表径流中的污染物主要来自大气干湿沉降、道路交通污染和其他分散来源［5-7］。

2.1 大气干湿沉降

大气中的灰尘和其他有毒有害物质等直接沉降至水体或沉降至地面并在地表累积，这些污染物在降雨时随地面径流最终进入水体被称之为大气的干湿沉降［8］。最典型的大气沉降污染就是“酸雨”，而引发酸雨的主要原因是工业废气中的硫氧化物和氮氧化物等成分。邓焕广等［9］发现随着工业化的发展，上海市工业排放废气由1989年的3 614.4亿m3增长到2004年的9 466亿m3。马慧雅［10］对北京城区不同典型功能区降雨污染物进行分析发现，城市氮素主要以硝态氮沉降为主要来源。刘生红［11］在武汉市梦泽湖区域对大气降尘进行了长期的收集和监测，估算出大气降尘对COD，TN和TP一年的贡献量分别为23 685 kg，3 030 kg和86.7 kg。此外张超［12］发现巢湖市大气降尘的 COD，TN和 TP中分别含有79.20%，82.84%和74.36%的溶解形态污染物。

2.2 道路交通

城市道路交通是城市非点源污染独有的一大来源，虽然关于道路交通排放污染已有相关的研究，由于和大气污染相关性十分紧密，因此大部分研究主要集中在汽车尾气和细小颗粒物上［13］，因为这两种污染物易受大气传输的影响。如毛彦景［14］对重庆高速公路路面径流污染的研究中发现，路面灰尘粒径越细，携带的污染物越多，且80%以上的污染物都聚积在粒径2.00 mm以下的灰尘中。熊胜益［15］发现西安城市道路汽车尾气排放主要来源是细小颗粒物(粒径小于1μm)，且是造成PM_(10)污染的主因。相对于汽车尾气排放污染，对道路中非排气污染相关的分析和模型研究较为缺乏［16］，然而后者对于水体的污染也是不容忽视的［17］。道路非排气污染包括刹车片磨损［18］、轮胎磨损［19］和道路磨损［20］。这一污染源受车辆(如重型车辆和汽车)的分布以及其他特定的条件的影响较大［21］，如在寒冷地区会长期使用冬季轮胎［22］。除此之外，道路交通中非点源污染另一个来源是发动机油和刹车油等车辆液体的泄漏，虽然这些液体的成分较易分析，但很少有研究将其作为污染源来进行表征［23，24］。道路中还可能存在其他特殊污染物，如汽车内涂层中含有的双酚A最终也会随径流排至水体［25］。

2.3 分散来源

由于城市内部是一个庞大的系统，因此存在着各种其他分散的非点源污染来源［26］。如用于城市绿化维护使用的杀虫剂等化学药剂［5］、工地建筑垃圾［27］、人为不当行为等［28］。分散来源的特点是成分极其混杂［29］，既含有垃圾堆放通过物理和化学作用产出的污染物，同时也含有人畜及野生动物排泄物中病源性微生物等。随着城市化的飞速发展，这部分污染对城市非点源污染的贡献率仍不容忽视。

综上所述，城市非点源污染具有随机性、广泛性和复杂性特征。由于其与降水过程密切相关，同时降水也具有非常大的随机性和地域差异性［30］，造成非点源污染负荷在时间(不同季节)和空间(不同地域)上的变化幅度巨大。城市不透水地表面积占比不断增加，导致更多的污染物随径流进入水体的现象愈发普遍。同时污染物在进入水体前的迁移转化过程遍及范围十分广泛，且非点源污染对环境的影响需要一个积累过程，往往存在着较为明显的滞后效应［31］。城市非点源污染的复杂性体现在污染物成分复杂，且无法在固定监测点进行监测，尤其对污染物来源的跟踪和确定十分困难［32］。大气干湿沉降和道路交通是主要来源，是目前相关研究的重点方向。虽然分散来源的危害相对体量并不大，但因为受当地习俗传统，法规制度及社会经济条件等多因素的限制［33］，对其的评估和控制的研究依然存在困难，需要引起重视。

3 城市非点源污染的影响因素

城市非点源污染中各污染物的分布和含量受多种因素的影响，涉及自然气候、人类活动以及社会经济等多个方面，主要影响因素有以下几种。

3.1 水文气候

降雨可直接影响到城市地表雨水径流中污染物的分布特性，因此也是影响城市非点源污染的重要因素。城市中不透水下垫面所占比例逐年增加，不同强度的降雨将对城市下垫面产生不同的冲刷效果，造成城市地表径流中污染物浓度和污染物量存在显著差异［34］。

与农业非点源污染不同，城市非点源污染的主要来源之一是地表灰尘。Li等［35］研究发现NPS污染物浓度随着地表灰尘量的增加而增加，说明 NPS污染物存在于灰尘中［35］。Adachi等［36］同样发现地表灰尘是污染物的重要载体。灰尘中的污染物分布随季节的变化使得NPS污染也具有季节性变化。李晓燕［37］指出，灰尘中的Pb和As含量在冬季要明显高于夏季。在北欧地区，冬季积雪将污染物积累在灰尘中，若在春季短时间内发生融雪，将导致短时间污染负荷非常高。Westerlund等［38］在瑞典北部测得融雪时的污染物浓度和颗粒物浓度分别是晴天时期的8倍和5倍。因此，气候也是影响城市非点源污染的因素之一。

3.2 土地利用

城市化最主要的影响是造成土地利用类型的多样化，不同的土地利用类型有着不同的下垫面，进而影响非点源污染中不同污染物的积累与转输过程。郭青海等［39］在武汉市汉阳区利用逐步回归模型对土地利用类型和流域水体的关系进行分析，发现城市水体非点源污染主要来源是滩地、居民地和商业用地，不同土地利用类型对非点源污染的贡献差别较大;而关于各土地利用类型中不同污染物的差异同样有学者进行过研究，如Ballo等［40］在对上海城区内四种不同土地利用类型的径流研究发现，总磷的浓度变化显著;此外在不同土地利用类型中各下垫面上污染物特性方面，常静等［41，42］在上海市城区进行过雨水径流的监测，结果表明道路中TSS，COD，TN和TP污染物量最大，其次是屋顶;侯培强等［43］对我国各大城市的非点源污染现状进行过分析，结果表明城市雨水径流中的各污染物平均浓度为道路大于屋面，且道路径流COD，TN，TP 和 SS浓度分别是屋面径流的 2.5倍，1.3倍和2.0倍和5.0倍。因此，土地利用是影响城市非点源污染的重要因素之一，加强土地利用的管理以及完善土地利用的规划是削减城市非点源污染的关键途径。

3.3 灰尘粒径分布

除了水文气候和土地利用类型之外，近年来部分研究者发现非点源污染中的污染物种类和量与地表粉尘的粒径分布也存在着联系。李晓燕［37］在贵阳市对地表灰尘重金属的监测中发现，金属元素更易在细粒径灰尘中富集。同样，在北京道路沉积物的粒径分布研究发现粉尘粒径越小的路面上有着更高的金属污染浓度［44］。因此，有学者认为路面上细颗粒粉尘是影响污染负荷的主要因素［45］。粉尘粒径的分布对雨水水质存在着较大的影响，Shen等［46］发现粒径小于38μm的细颗粒是主要的溶解性污染物来源，粒径在74μm～300μm的较粗颗粒主要以固态污染物存在。关于灰尘粒径分布对径流中污染物影响的研究有助于更深入地了解径流污染物形态输出及成因［47］，可为城市非点源污染的管控提供理论依据。

4 城市非点源污染的防治措施

4.1 工程措施

城市非点源污染控制大多是采用工程方法对污染物的源头、迁移过程和终端进行控制，尽量将雨水污染物拦截在源头并在污染迁移过程中进行处理。对于源头控制，较为常用的是低影响开发(LID)技术和最佳管理措施(BMPs)等，通过分散式措施尽可能还原至天然状态下的自然景观，用以保证对生态环境产生最低的负面影响。绿色屋顶是一个目前可有效减少城市地表径流量的工程方法之一。在适宜气候下，约36 cm厚度的绿色屋顶即可降低约50%的年径流量［48］。然而在污染物迁移途中，人工湿地和植草沟等被广泛应用。杨勇等［49］发现，采用生态集雨沟、植草沟和植被过滤袋可以对非点源污染起到较好的控制效果。植草沟通过滞留、过滤和渗透等作用可减少10% ～20%以上的径流峰值，同时降低径流污染物的量［50］。尹炜等［51］发现复合式潜流人工湿地—塘的组合系统可去除径流中64.7% ～90.4%的COD，TN等污染物。严立［52］同样发现三段式潜流湿地系统对初期雨水中TN和TP的去除率分别有51.2%和64.8%。此外，雨水调蓄近年来也逐渐受到国内研究者关注，并在各大城市研究其对非点源污染的去除效率［53-55］。

4.2 非工程措施

在管理层面，需加强城市环境管理，提高对城市街道清扫的质量。同时应从更加宏观的角度考虑各方面对非点源污染的影响。如龙剑波等［56］分析了城市规划和城市非点源污染控制耦合缺失的原因，提出结合两者应遵循的原则和对策。杨柳等［57］从景观生态学角度探讨了城市化和城市非点源污染间的联系。

在政策制度层面，美国环保署(EPA)于2001年发布了国家城市非点源污染管理措施指南草案［58］，该指南包含一系列管理措施，认为应将各州，地方政府和社区团体纳入地表水与地下水质量保护计划，同时强调在重视点源污染的基础之上，必须加大对非点源污染控制的力度［59］。这一系列措施代表着整个开发过程中对城市径流的综合治理措施，对于城市非点源污染的控制意义重大。然而我国目前尚无完善的对城市非点源污染的针对性制度，依旧处于水环境管理制度体系的盲区［60］。

5 展望

城市非点源污染的来源决定了其拥有随机性、广泛性和复杂性特征，且治理难度较大。国内外研究者已对城市非点源污染的来源、特征、影响因素和防治措施等进行过较为系统全面的调查与研究。然而我国目前正处于高速发展时期，且相关研究工作起步较晚，因此在对城市非点源污染的管理控制上仍旧面临极大的挑战。为了促进环境、社会和经济的和谐发展，笔者在国内外关于城市非点源污染现有研究基础上提出以下几点参考性建议:

1)针对于城市非点源污染特性，模型法的应用将有利于更加系统地对非点源污染进行宏观把控。

2)结合我国目前实施的“海绵城市”建设规划，针对城市非点源污染的主要来源，尽可能在源头对非点源污染进行有效控制。

3)完善城管体系，有效控制阳台洗衣废水和餐馆潲水排入雨水管道，道路街尘水冲入雨水管道所形成的非常规性非点源污染。

4)在管理和政策上应借鉴具有相关经验的发达国家，加强相关行业政策的制定和行业标准的研究。同时应在现有法律、法规中对城市非点源污染的相关内容进行合理的改良创新，逐步形成一系列完善的城市非点源污染综合管理体系。