平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染過程模擬與系統(tǒng)調(diào)控管理研究.pdf

1、隨著工業(yè)和生活污染源等點(diǎn)污染源逐步得到控制，非點(diǎn)源污染已成為影響城市水環(huán)境質(zhì)量的最主要因素，得到各國政府和學(xué)者的重視。在這一背景下，非點(diǎn)源污染過程模擬以及其系統(tǒng)調(diào)控管理已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題和前沿領(lǐng)域，引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。獨(dú)特的水文地貌特性使得城市化對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)城市非點(diǎn)源污染過程的影響深刻。論文以中國東部平原河網(wǎng)地區(qū)的上海市臨港新城為例，從環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)及管理學(xué)的交叉視角，運(yùn)用理論研究與案例分析相結(jié)合、室內(nèi)模擬與室外

2、試驗(yàn)相結(jié)合、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法，以平原河網(wǎng)地區(qū)集水區(qū)特征與劃分為切入點(diǎn)，圍繞非點(diǎn)源污染的“源-過程-匯”和“試驗(yàn)-模擬-調(diào)控”兩條主線，闡釋了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染的過程與特征，構(gòu)建了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染調(diào)控模型，嘗試提出了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染的系統(tǒng)調(diào)控方法、原則與核心策略。論文主要研究結(jié)論可概括為如下幾個(gè)方面：
　　 1.基于平原河網(wǎng)地區(qū)所特有的且取得共識(shí)的水利分區(qū)/片管理體系，

3、分析了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)的特征，從空間尺度、匯流途徑和調(diào)控強(qiáng)度三個(gè)維度，初步探討了面向非點(diǎn)源污染調(diào)控的平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)四級(jí)劃分體系：一級(jí)集水區(qū)從大尺度、高強(qiáng)度調(diào)控來體現(xiàn)研究區(qū)域與水利片的關(guān)系，重點(diǎn)關(guān)注重要外河；二級(jí)集水區(qū)從中尺度、中強(qiáng)度調(diào)控來體現(xiàn)功能分區(qū)和排水系統(tǒng)分布的關(guān)系，重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)河；三級(jí)集水區(qū)從小尺度、低強(qiáng)度調(diào)控來體現(xiàn)小區(qū)域地形與集水區(qū)出口的關(guān)系，重點(diǎn)關(guān)注小區(qū)域河流；四級(jí)集水區(qū)主要用于數(shù)據(jù)支持和微觀機(jī)理闡釋。以臨港新城集

4、水區(qū)為例，劃分了1個(gè)一級(jí)集水區(qū)，13個(gè)二級(jí)集水區(qū)，137個(gè)三級(jí)集水區(qū)；二級(jí)集水區(qū)與現(xiàn)有規(guī)劃的功能分區(qū)基本一致，可保證后續(xù)調(diào)控策略的落實(shí)。
　　 2.論文從理論上探討了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源類型劃分與過程概化方法；在此基礎(chǔ)上，運(yùn)行了大量室外試驗(yàn)和室內(nèi)模擬的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，闡釋了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染的過程與特征。
　　 (1)與國際上經(jīng)典的“有效不透水面(Effective Impervious Areas，E

5、IA)”相對(duì)應(yīng)，從非點(diǎn)源調(diào)控角度提出“有效透水面(Effective Pervious Areas，EPA)”概念，即可接納客地徑流的透水面；進(jìn)而引申出有效綠地(Effective Green Area)的概念。
　　 (2)分析探討了城市不透水面的初始沖刷效應(yīng)。臨港新城集水區(qū)非點(diǎn)源污染總體輸出水平較上海中心城區(qū)低；不透水面地表徑流污染物中，溶解態(tài)污染物濃度低且初始沖刷效應(yīng)不顯著，可能與研究區(qū)域?yàn)樾陆▍^(qū)域有關(guān)；而顆粒態(tài)污染物濃度

6、高且初始沖刷強(qiáng)度較大，與國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果基本一致。土地利用類型、降雨強(qiáng)度等因素對(duì)初期沖刷強(qiáng)度有顯著影響。
　　 (3)重點(diǎn)闡釋了城市透水面的源匯效應(yīng)。理論上講，城市透水面既是“源”也是“匯”，而現(xiàn)有研究主要聚焦于其匯效應(yīng)，對(duì)其源效應(yīng)探討較少。
　　 a)就“源”而言：論文中的市區(qū)既有綠地地表徑流污染物濃度總體較低，均低于國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，而其初期效應(yīng)不顯著；而論文中的郊區(qū)新建綠地地表徑流污染物濃度總

7、體較高，大多劣于Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值，甚至部分點(diǎn)位COD濃度為上海市污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的二類標(biāo)準(zhǔn)限值的3.56倍，而其初期效應(yīng)處于中度水平。因此，可以認(rèn)為包括城市綠地在內(nèi)的城市透水面是一種潛在的污染源，污染強(qiáng)度與綠地所處區(qū)域、綠地興建時(shí)間、綠地土壤來源等因素有關(guān)。
　　 b)就“匯”而言：論文試驗(yàn)表明城市綠地對(duì)地表徑流污染物具有顯著的削減效果。COD的總體削減率(71.01±1.75％)略高于TP(69.00±1.78％)，而顯著高于氨氮

8、(64.39±1.84％)；市區(qū)既有綠地顯著高于郊區(qū)新建綠地(p<0.05)；不同覆被對(duì)地表徑流污染物的削減效果顯著(p<0.05)，且總體削減率依次為麥冬>結(jié)縷草>無覆被；綠地對(duì)污染物的削減效應(yīng)主要發(fā)生在深度60～80 cm的土層之上，并且以物理過程為主導(dǎo)。此外，污染負(fù)荷、水力負(fù)荷、停留時(shí)間、落干時(shí)間等因素對(duì)削減效應(yīng)有一定影響。
　　 c)源匯轉(zhuǎn)化條件：理論上講，城市透水面既是“源”也是“匯”，非有效透水面以源效應(yīng)為主，而有效

9、透水面以匯效應(yīng)為主；具體而言，設(shè)置路牙且客地徑流難以匯入的綠地為源，而有客地徑流匯入且對(duì)其起到削減作用的綠地為匯，路牙的設(shè)置與否是源匯轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；減少路牙等因素的限制，促進(jìn)客地徑流的匯入是城市透水面由源向匯轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵途徑；通過合理配置透水面的覆被植物、土壤類型和土層深度，合理引導(dǎo)徑流匯入流量、流速和濃度，合理設(shè)置徑流停留時(shí)間和落干時(shí)間，可以有效提升城市透水面對(duì)污染物的削減效應(yīng)。
　　 d)以土壤鹽度為例，分析探討了降雨對(duì)城市

10、透水面關(guān)鍵脅迫因子的淋溶效應(yīng)。城市透水面土壤鹽度在小尺度上具有時(shí)空異質(zhì)性，其淋溶效應(yīng)具有顯著的城郊差異。本案例中的上海市區(qū)既有綠地鹽化程度較低，704個(gè)表層土壤樣點(diǎn)全部處于中度鹽化以下水平；郊區(qū)濱海新建綠地鹽化程度高，240個(gè)樣點(diǎn)中，40.0％為鹽土，且微域空間變異特性和斑塊狀鹽漬化顯著。市區(qū)和郊區(qū)綠地表層土壤平均變異系數(shù)分別約37.7％和67.9％。綠地土壤表層鹽度季節(jié)分異顯著(p<0.05)，均值表現(xiàn)為春>冬>秋>夏，且季節(jié)間相關(guān)關(guān)

11、系顯著(p<0.01)表明存在季節(jié)協(xié)同變化趨勢。中心城區(qū)既有綠地淋溶效應(yīng)不顯著，出水鹽度處于淡水級(jí)別；而郊區(qū)新建綠地淋溶效應(yīng)顯著，處于混鹽水級(jí)別；降雨強(qiáng)度和降雨量等因素對(duì)淋溶效果影響顯著。
　　 e)臨港新城集水區(qū)3類主要的非點(diǎn)源包括地表徑流(又稱土地利用污染源)、降雨以及分散排放的農(nóng)村生活污水，地表徑流是其最主要的非點(diǎn)源。近幾十年來，集水區(qū)地表徑流污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量均呈現(xiàn)顯著增加態(tài)勢，可初步劃分為三個(gè)變化階段。第一階段為

12、1965-1994年，非點(diǎn)源污染的產(chǎn)生負(fù)荷和輸移通量總量較小，且變化較小；第二階段為1995-2003年，非點(diǎn)源污染問題逐步顯現(xiàn)；第三階段為2004-2008年，非點(diǎn)源污染問題凸顯。究其原因：一方面區(qū)域大規(guī)模、快速開發(fā)使得土地利用結(jié)構(gòu)變化從而導(dǎo)致“源”產(chǎn)出負(fù)荷顯著增加，另一方面城市匯的生態(tài)功能尚未有效發(fā)揮，綠地等“匯”對(duì)非點(diǎn)源的緩沖和去除效應(yīng)平均僅為2.07％。
　　 3.論文整合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多目標(biāo)優(yōu)化、情景規(guī)劃、利益相關(guān)方調(diào)查

13、、GIS等5種模型和方法，嘗試構(gòu)建了平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染調(diào)控模型，并以上海市臨港新城為典型案例進(jìn)行實(shí)證研究。
　　 (1)指出平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染調(diào)控具有五方面的不確定性：非點(diǎn)源產(chǎn)生的時(shí)空不確定性導(dǎo)致“源”調(diào)控的不確定性、非點(diǎn)源污染輸移過程的不確定性導(dǎo)致“過程”調(diào)控的不確定性、非點(diǎn)源污染“匯”的不確定性導(dǎo)致“匯”調(diào)控的不確定性、城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染的調(diào)控涉及的決策者偏好和利益相關(guān)方意愿的不確定性、城市集水

14、區(qū)非點(diǎn)源污染的調(diào)控手段和途徑本身具有較大的不確定性。
　　 (2)對(duì)于新開發(fā)區(qū)域而言，試圖從土地利用結(jié)構(gòu)方面對(duì)現(xiàn)有土地利用規(guī)劃進(jìn)行較大調(diào)整來實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源調(diào)控，可能難度極大。論文提出了從提升城市透水面“匯”的生態(tài)功能并輔以初期徑流納管措施的角度來進(jìn)行非點(diǎn)源調(diào)控的思路。
　　 (3)初步探討了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、多目標(biāo)優(yōu)化、情景規(guī)劃、利益相關(guān)方調(diào)查、GIS等5種模型和方法的耦合機(jī)制，構(gòu)建平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染調(diào)控模型的4步耦

15、合方法：子集水區(qū)劃分和子系統(tǒng)分析、子集水區(qū)未來發(fā)展情景設(shè)定、集水區(qū)非點(diǎn)源時(shí)空模擬和預(yù)測、集水區(qū)非點(diǎn)源調(diào)控優(yōu)化方案確定。
　　 (4)設(shè)定現(xiàn)狀情景S1、功能提升情景S2-S3(考慮有效綠地和有效濕地)以及綜合削減情景S4-S5(有效綠地、有效濕地和初期徑流納管的組合)等5種典型情景方案，并將上述調(diào)控模型應(yīng)用于臨港新城集水區(qū)，模擬結(jié)果表明：
　　 a)僅通過有限的功能提升措施，不輔以初期徑流納管措施，對(duì)非點(diǎn)源的調(diào)控效果并不顯

16、著。以2020年為例，相對(duì)于現(xiàn)狀情景S1的COD輸移通量15564t/a和徑流系數(shù)0.42，情景S2和S3分別削減了7.5％、7.8％的輸移通量和1.3％、2.6％的徑流系數(shù)。
　　 b)通過功能提升措施并輔以初期徑流納管措施，不僅實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源污染物輸移通量的大幅度削減，還使得徑流系數(shù)“零增長”。以2020年為例，相對(duì)于現(xiàn)狀情景S1，情景S4和S5分別削減了33.3％、80.3％的輸移通量和26.2％、50.6％的徑流系數(shù)。

17、>　　 c)土地利用結(jié)構(gòu)微調(diào)優(yōu)化。模型模擬不同情景方案下的2020年臨港新城各子集水區(qū)用地結(jié)構(gòu)與既有規(guī)劃的平均相對(duì)誤差較小，總體差異不顯著(p>0.05)，僅需對(duì)既有規(guī)劃土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，從而在土地利用規(guī)劃上具有可操作性。
　　 (4)基于系統(tǒng)論，從“高-中-低”三個(gè)調(diào)控等級(jí)、“源-過程-匯”三個(gè)調(diào)控程序、核心調(diào)控內(nèi)容等三方面構(gòu)建平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源污染調(diào)控體系。針對(duì)不同區(qū)域提出差異性的平原河網(wǎng)地區(qū)城市集水區(qū)非點(diǎn)源