Study on Management and Control of Nonpoint Source Pollution from Urban Surface Runoff

Abstract

Urbanization is the dominant form of land-use change in terms of impacts on water quality, hydrology, physical properties of watersheds and their nonpoint source (NPS) pollution potential at present. Urbanization has changed the source, process and sink of urban NPS pollution, especially raised the pollution load of urban runoff NPS in receiving water. Urban runoff pollution is a hot spot of research on NPS. This paper analyzed type, source and harm of the NPS pollutants of urban runoff and its influence on the receiving water. Through estimating NPS pollution load of urban runoff and summarizing the law and characteristics of urban runoff NPS systemically, study on management and control of urban runoff NPS pollution was focused on the application of BMPs (best management practices). It is a fresh methodology that management and control on NPS pollution from urban surface runoff was analyzed by methods of landscape ecology, environmental economics and environmental management. The paper provided a scientific reference for mitigating urban water environment pressure and an effective method for management and control of NPS pollution from urban surface runoff.     

城市地表污染物累积和降雨径流冲刷过程研究进展

城市地表污染物是城市降雨径流污染的主要来源,其累积和降雨冲刷过程分别是沉降-悬浮-再沉降以及悬浮-沉淀-再悬浮的动态过程。描述累积过程的模型主要有线性、指数、对数等形式,其中以指数及一些变形形式发展相对成熟并得到了广泛的应用。这些模型都将雨前干期天数（ADWP）作为主要的影响因子。而描述冲刷过程的模型主要基于一级反应动力学假设,这类模型已被人们广泛接受。为使冲刷模型更接近实际,人们进一步在其中引入了雨天排污因素,并取得较好的成效。虽然城市地表径流的研究取得了较大的进步,但是目前的模型基本属于经验型或基于大量监测数据的统计学模型,尚缺对污染物输移过程的机理性描述。因此,从城市地表污染物输移过程的机理出发,建立城市地表污染物累积和降雨冲刷过程的物理模型是今后城市降雨径流污染研究工作中一个亟待解决的问题.     

中国城市面源污染现状及其影响因素

城市面源污染已成为危害我国城市水体的重要污染源,本文结合国内外研究成果,对城市面源污染的污染特征、影响因素以及控制措施进行了综合分析。我国城市面源污染强度较高,污染物以SS、COD、营养物质为主,污染呈现一定的地域特征和时间特征。影响城市面源污染的因素很多,主要有下垫面、前期晴天时间以及降雨强度等。城市面源污染控制技术方面,要将工程措施与非工程措施综合实施,工程措施主要有植被控制、渗滤系统和湿地滞留系统等,各工程措施相结合,以取得更好的污染控制效果。     

太湖流域农田生态系统管理与非点源污染控制

太湖是我国的五大淡水湖之一,正面临着严重的水体富营养化问题。随着点源污染得到逐步治理,农田非点源污染已成为太湖水体富营养化的主要污染源。概述了太湖流域农田生态系统管理与非点源污染控制,指出随着流域内化肥用量以及农田氮磷盈余量的不断增加,流域内农田非点源污染负荷将进一步加大。农田中的氮磷通常通过农田排水和地表径流等途径进入地表水体。为有效控制农田非点源污染,应实施科学合理的农田生态系统管理：避免氮磷肥的过量使用,适当增施有机肥和钾肥,推广应用测土配方施肥,加强微生物肥和控效肥等新型肥料的研制和推广,实行保护性耕作,合理安排农事活动时间,以此减少非点源污染物形成;调整土地利用方式,优化土地资源配置,对潜在的非点源污染物进行有效的截留。     

Artificial wetlands and water quality improvement

This paper illustrates the role of plants to assist the treatment of water pollution in man-made wetlands in tropical and temperate climates. It also considers the potential for environmental education of these wetland systems. The management and natural treatment of pollution is described in the Mai Po Marshes, Hong Kong and a wetland in London which is also an important site for birds. The design of the Putrajaya Lake and Wetland system in Malaysia is compared with a constructed wetland and lake for the treatment of urban surface runoff in a new residential development in the United Kingdom. The benefits of these natural systems are discussed in the context of the global trend for introducing sustainable methods of environmental management and low cost pollution treatment systems.     

Controlling non-point-source pollution by rural resource recycling. Nitrogen runoff in Tai Lake valley, China, as an example

Agricultural non-point-source (NPS) pollution is regarded as the dominant contributor to water quality degradation and eutrophication in China. Nitrogen (N) is a primary source of pollution in fresh water bodies. In this work a linear programming model was developed to simulate the effectiveness of different nitrogen runoff control policies, using Pinghu City in Tai Lake valley as an example. Four policy scenarios were tested: a tax at a rate equivalent to 50% of the cost of nitrogen fertilizer (S1); a ban on summer fertilizer applications to make the most use of fertilizer applied in the spring (S2); mandatory substitution of regular fertilizers by controlled-release fertilizers (S3); and a subsidy of US$300 ha⁻¹ (RMB￥150 mu⁻¹) for using compost (S4). The results indicate that all four policies would effectively reduce nitrogen runoff—by 9.8, 26.8, 14.4, and 80.0%, respectively. A subsidy for recycling domestic animal manure and utilizing compost had the most significant effect on the reduction of nitrogen runoff without reducing household income. This research suggests that measures to control agricultural NPS pollution should be combined with a policy to promote recycling of bio-resources and that financial support for NPS pollution control combined with bio-resource recycling should be regarded as one aspect of public investment in regional sustainable development.     

西太湖区域水环境容量分配及水质可控目标研究

西太湖流域产业、人口集聚,水环境污染一直以来是该区域经济可持续发展的制约因素之一,利用2010年的监测数据对西太湖主要入湖河流及湖体的水环境状况进行了分析,通过对研究区域工业点源、城镇和农村生活源、农田面源和畜禽水产污染源排污的分布情况调查,并计算了入河污染物量;利用构建的西太湖区域水量水质数学模型,估算了区域水环境容量,依据水环境功能区的水质目标与水域面积分配到了各市/区,在充分调查现有与规划的各类型污染源总量控制工程措施的基础上,量化出具有空间分布的流域污染削减率,并提出水质可控目标。结果表明:太湖湖体受总氮污染影响总体水质劣于Ⅴ类,研究区域主要入湖河流基本处于Ⅳ类,氨氮超标最严重;进入水体的COD为25 410.2 t/a,氨氮2 795.4 t/a,总氮4 646.4 t/a,总磷313.8 t/a,其中城镇生活源污染物入河量所占的比例最大,各类污染物均在35%~50%,尤以宜兴市和常州武进区负荷较大;各控制单元进入水体的污染物量基本都超过了水环境容量,近期各市/区COD、氨氮、总氮和总磷的削减率分别为8.0%~56.0%,8.0%~62.1%,6.0%~41.8%,8.0%~59.9%,远期污染物削减率更高;最终通过模型推算,定出西太湖湖体各污染因子的可控目标,2015年,COD、氨氮、总氮和总磷分别为4.50、0.80、3.50和0.08 mg/L,2020年进一步达到4.50、0.60、3.00和0.07 mg/L,为西太湖总量控制提供科学依据。     

降雨径流面源污染年负荷预测方法的开发——以镇江古运河为例

在对镇江古运河2009~2013年的降雨量、降雨径流污染物量监测的基础上,运用回归分析建立降雨量-径流污染方程,并采用灰色理论对未来降雨量进行预测,进而得出降雨径流面源污染年负荷值。结果表明:2014~2020年间,镇江古运河降雨径流中污染物TP、NH₃-N和SS的年负荷与降雨量同向变化,2020年降雨量达到1 381.2 mm时,污染物TP、NH₃-N和SS的年负荷可分别达到217.15 t、421.4 t、5 811.87 t,数值较大;灰色理论与回归分析结合所提出的降雨径流面源污染年负荷预测方法,能够在小样本、贫信息和波动数据序列情况下,简捷有效的对降雨径流面源污染负荷进行高精度的预测,实用与推广价值较大。     

城镇化过程中的流域面源污染时空变化

以斧头湖流域为研究对象,在野外调查的基础上,借助遥感和GIS技术,对2008年、2015年斧头湖流域土地利用格局、人畜排放进行分析,利用输出系数模型解析斧头湖的面源污染负荷时空分布及主要来源。结果表明:斧头湖流域2008～2015年面源总氮（TN）和总磷（TP）负荷输出分别从由原来的 2 915 和 178 t 增长至 3 252 和 202 t。城镇化发展使得农村耕地面积减少,耕地对TN的输出贡献比例降低,但是耕地化肥使用依然是TN最主要来源。城镇化使得居民区对面源贡献增大,特别是TP的贡献显著增加。随着人们生活水平的提高,畜禽养殖对面源污染的贡献也显著增加,应予以足够重视     

“长江经济带”战略背景下武汉城市水环境承载力综合评价

为揭示长江经济带战略背景下武汉城市水环境承载力的演化特征,理解长江经济带建设过程中武汉城市水环境的承载基础,从水资源环境、水污染控制和社会经济承载3个子系统来构建城市水环境承载力指标体系,采用结构熵权法和均方差决策法进行主客观联合赋权,对长江经济带战略下的武汉城市水环境承载背景进行研究。研究结果表明：（1）2004~2013年武汉城市水资源、环境与社会经济的发展协调性较好,城市水环境承载力综合值呈上升态势,具有较好的水环境承载基础;（2）水资源环境和水污染控制两个子系统在武汉城市水环境承载力中贡献较大;（3）长江经济带建设背景下水污染控制是提升武汉水环境承载力的关键,未来控制城市生活污水、加强城市环保基础设施的建设和管理是武汉城市水环境管理的重中之重     

三峡库区香溪河流域非点源营养盐输出变化的试验研究

综合三峡库区香溪河流域土地利用结构和水系特点,在三大支流出口处设置常规水质监测断面,于干流响滩处设置水文控制断面,通过断面水质水量监测,利用数字滤波法解析径流多源和污染多源,研究上游来流点源和非点源营养盐输出负荷变化。结果表明：受农业非点源污染影响,TN是高岚河（0788 mg/L）＞古夫河（0712 mg/L）＞南阳河（0567 mg/L）;南阳河受磷矿企业点源输入的影响,TP是南阳河（0323 mg/L）＞高岚河（0074 mg/L）＞古夫河（0053 mg/L）;断面流量与降雨量的相关系数〖WTBX〗R〖WTBZ〗2=0720 2;TN和TP非点源年负荷输出分别占总量的61%和40%的, 20100607次降雨径流监测分析发现此次降雨汇流期间营养盐TN和TP输出的非点源贡献率分别达752%和709%;营养盐负荷主要受径流量影响,TN和TP输出负荷与流量的相关系数分别是0963 6和0978 9     

城镇化过程对鄱阳湖流域生态系统的影响

城镇化是社会经济发展和现代文明的重要标志,但带来了严重的资源危机和生态环境问题。以鄱阳湖独特的流域特征为研究对象,以城市人口数量表征城镇化的进程,分类解析1990~2011年江西省统计年鉴数据,通过讨论鄱阳湖土地资源结构变化、水资源变化特征、湿地生态系统、生物多样性等资源消耗程度,以及大气污染和水污染为代表的城镇主要污染问题,探讨快速城镇化下鄱阳湖生态环境对干扰的响应。结果表明：鄱阳湖流域各城市的城镇化进展及其机制不同,南昌、九江和上饶城市扩张迅速,而景德镇和赣州发展较平缓;城镇化导致水资源日益紧缺,各城市年总用水量2003年以后均呈增加趋势,其中农业用水量逐年增加,工业用水量各城市年变化存在差异;生物多样性特征受到严重威胁,湖泊水面及湿地面积的持续减少,生物环境的组成和结构发生改变;九江等城市工业废气排放量加大、南昌等城市工业废水排放高,造成湖区环境恶化。根据分析,建议鄱阳湖流域未来从规划土地利用类型、统一调配水资源、制定生物多样性保护对策、加强环境污染治理、强化环保宣传和规划与政策法律化等多方面采取措施。本文为鄱阳湖生态系统可持续发展和生态经济区的城镇化建设提供理论参考     

城镇化平原河网区下垫面特征变化及洪涝影响研究

城镇化是人类改变地表最深刻、最剧烈的过程之一,针对平原区城镇化引起的洪涝加剧问题,以浙东沿海奉化江流域中下游平原为例,利用高分辨率遥感影像和地形图资料获取1990~2010年间下垫面特征信息,从土地利用类型、河网水系和地面高程3个方面,分析城镇化过程中平原河网地区下垫面特征变化及其对区域洪涝调蓄能力的影响。研究结果表明:平原区城镇化对下垫面的影响不仅表现为城镇不透水面的增加,径流系数的增大,同时城镇扩张过程中农田和水系转化为城镇用地,而后者具有相对较高的防洪标准,使得新建城区地面高程明显增大,河网调蓄能力亦呈不断减少趋势。洪涝模拟显示以上下垫面变化导致区域可调蓄洪涝的空间逐渐减少,洪涝风险程度加大,并呈现向相对低洼地带转移的趋势特征。     

非点源污染影响因素及区域差异

随着点源污染控制加强,非点源问题更加突出。污染时间、方式、总量的三不确定给农业环境管理带来困难,控制措施难以有效实施,特别是农业非点源污染日益加剧,水环境质量不断恶化。从污染产生过程,结合污染特征,分析了非点源污染汇污的各种影响因素,包括污染物现存总量及变化趋势和环境净化能力、农业生产活动及管理水平、气候和水文条件;特别提出社会经济活动对污染影响显著;指出主导影响因子的时空变化,并存在地域差异。强调了在三峡库区开展基础调查工作和建立污染数据库的必要性,以期为库区农业环境质量现状评价和总体控制措施的筛选提供科学依据。     

三峡库区及上游流域面源污染特征与防治策略

三峡水库自2003年蓄水运行以来,富营养化问题突出,面源污染防治愈发受到关注。依托2004、2005年生态环境调查成果,在分析三峡库区及其上游流域（简称三峡地区）面源污染负荷特征、面源污染发生原因的基础上,提出了区域面源污染防治策略。研究结果表明：入库污染负荷总量组成中,面源贡献占绝对优势;空间分布上,上游长江干流、嘉陵江及乌江流域贡献占绝对优势,库区区间贡献较小;形态特征上,氮对水体的影响以溶解态为主,磷对水体的影响以颗粒态为主。从面源污染发生过程来看,三峡地区生态环境脆弱、土地利用不合理为土壤侵蚀、污染物迁移转化提供了先决条件;而农村经济增长迅速、耕作管理技术落后亦增大了面源污染的风险。结合上述分析以及三峡地区实际情况,针对性地提出污染控制分区策略、工程措施治理策略、生态经济培育策略、农业耕作管理策略,旨在为三峡水库长效环境保护提供借鉴.     

基于SWAT模型的昌江流域土地利用变化对水环境的影响研究

土地利用快速变化对水环境带来较大影响,定量分析土地利用与水环境污染的关系是土地利用结构调整的重要依据。利用3S技术,通过SWAT模型对1983年与2012年昌江流域的水量和水质模拟,分析了土地利用时空变化,结合氨氮、总磷模拟数据,定量分析了土地利用变化下该流域的水环境污染负荷。研究结果表明:该区域林地、草地、水域、城镇及建设用地呈增加趋势,耕地则呈减小趋势。林地占比最大,为70%左右,其次为水田。水田为水环境非点源负荷贡献的第一大来源,且其占流域略多于20%的面积,贡献了该区域总磷总量的53.48%~57.01%和氨氮总量的51.86%~56.57%;农业耕作以25%的地类面积,贡献了60%~65%的非点源污染负荷;旱地的单位面积贡献污染负荷高于林地及城镇及建设用地,表明农业非点源污染是该区域水环境非点源污染的主要来源。     

面源磷负荷改进输出系数模型及其应用

传统的输出系数模型是模拟较大流域面源污染的有效手段,但它假设同一土地利用类型的输出系数相同,忽视了营养物径流和截留过程中其他流域特征对输出系数空间分布的影响,难以为流域分区管理提供依据。在传统输出系数模型基础上,引入产污因子（CI）和截留因子（RI）,校正地形、降雨、植被缓冲带对面源磷流失空间格局的影响。用改进输出系数模型模拟滇池流域面源磷负荷并将模拟结果应用于流域管理。结果表明,改进的输出系数模型能更好地模拟面源磷污染的空间格局,识别出面源总磷的关键风险区--湖滨平原地带以及与入滇河流邻近的山谷、台地。以2008年滇池流域面源总磷的模拟结果（3525 t）为基准,若单位面积磷肥施用量减少20%,面源总磷负荷将减少86%;若环湖公路内侧全部实现退耕还林或还草,面源总磷负荷将减少60%;若同时实施减少磷肥施用量和环湖公路内退耕两项措施,面源总磷负荷将减少130%     

流域尺度的营养物质输移模型研究综述

近几十年来,水体富营养化已成为许多国家密切关注的环境问题,氮、磷等湖泊富营养化营养元素与流域的点源、非点源排放密切相关。随着点源治理水平的逐步提高,非点源污染的比重和危害将逐步增大。对流域的营养物质输移进行数值模拟对于揭示我国浅水湖泊富营养化的机制有重要的意义。国内外对这类模型已经有相当多的研究,形成了种类繁多的各类非点源污染模型。从湖泊营养盐外源输移的研究角度出发,分析了流域尺度的营养盐输移模拟机理性模型的结构特征,并对非点源污染模型在国内外的研究概况、模型的研究动态、主要模型的功能、结构及其特点和发展趋势进行了多视角的综述。     

Study on the Non-point Source Pollution in the Upper and Middle Reaches of the Taoer River Basin

The Taoer River basin is the epitome in the west of Northeast China and it is one of the most fragile and sensitive ecoregions. Thus, protection of water quality of the Taoer River is important. Not only point source pollution but non-point source (NPS) pollution results in deteriorating water quality. In this study, long-term hydrologic impact assessment model was used to evaluate the impacts of land use change impacts on NPS pollution, and the replacement cost method was used to calculate the economic loss caused by NPS pollution. Through analyzing the NPS pollutant loads of different land categories and the economic loss, the article puts forward that there exists a close relationship between land-use types and NPS pollution, and agricultural pollution is the main component of the NPS pollution in this area. The results of this study can provide decision-making basis for agricultural development and land-use change.     

城市降雨屋面径流污染分析和管理控制

城市屋面是城市不透水面积的一个重要组成部分,屋面径流是城市非点源污染的一个重要来源。分析国外对屋面径流水质研究情况并结合自己的实验结果发现,屋面径流水质含有的污染物浓度较高。实验研究表明不同屋面材料、屋面的使用时间长短、位于不同功能区的屋面其径流中污染物浓度存在有很大的差异,其大致的规律是混凝土屋面径流的污染指标基本上都比较高,屋面使用的年载越长,其径流中污染物浓度相对越高,靠近交通要道的屋面,径流中污染物浓度都较高。用无量纲累积污染物量与累积径流量的比值方法分析初始冲刷效应,发现屋面径流初始冲刷比较明显。屋面径流处理后实现再利用,处理过程简单,可以成为城市用水的一个重要来源。