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平原河网地区城市集水区非点源污染过程模拟与系统调控管理研究

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摘要

随着工业和生活污染源等点污染源逐步得到控制，非点源污染已成为影响城市水环境质量的最主要因素，得到各国政府和学者的重视。在这一背景下，非点源污染过程模拟以及其系统调控管理已经成为当前环境领域的热点问题和前沿领域，引起学界的广泛关注。独特的水文地貌特性使得城市化对平原河网地区城市非点源污染过程的影响深刻。论文以中国东部平原河网地区的上海市临港新城为例，从环境科学、生态学、水文学及管理学的交叉视角，运用理论研究与案例分析相结合、室内模拟与室外试验相结合、数学模型与计算机仿真相结合的方法，以平原河网地区集水区特征与划分为切入点，围绕非点源污染的“源-过程-汇”和“试验-模拟-调控”两条主线，阐释了平原河网地区城市集水区非点源污染的过程与特征，构建了平原河网地区城市集水区非点源污染调控模型，尝试提出了平原河网地区城市集水区非点源污染的系统调控方法、原则与核心策略。论文主要研究结论可概括为如下几个方面：
　　 1.基于平原河网地区所特有的且取得共识的水利分区/片管理体系，分析了平原河网地区城市集水区的特征，从空间尺度、汇流途径和调控强度三个维度，初步探讨了面向非点源污染调控的平原河网地区城市集水区四级划分体系：一级集水区从大尺度、高强度调控来体现研究区域与水利片的关系，重点关注重要外河；二级集水区从中尺度、中强度调控来体现功能分区和排水系统分布的关系，重点关注内河；三级集水区从小尺度、低强度调控来体现小区域地形与集水区出口的关系，重点关注小区域河流；四级集水区主要用于数据支持和微观机理阐释。以临港新城集水区为例，划分了1个一级集水区，13个二级集水区，137个三级集水区；二级集水区与现有规划的功能分区基本一致，可保证后续调控策略的落实。
　　 2.论文从理论上探讨了平原河网地区城市集水区非点源类型划分与过程概化方法；在此基础上，运行了大量室外试验和室内模拟的第一手数据，阐释了平原河网地区城市集水区非点源污染的过程与特征。
　　 (1)与国际上经典的“有效不透水面(Effective Impervious Areas，EIA)”相对应，从非点源调控角度提出“有效透水面(Effective Pervious Areas，EPA)”概念，即可接纳客地径流的透水面；进而引申出有效绿地(Effective Green Area)的概念。
　　 (2)分析探讨了城市不透水面的初始冲刷效应。临港新城集水区非点源污染总体输出水平较上海中心城区低；不透水面地表径流污染物中，溶解态污染物浓度低且初始冲刷效应不显著，可能与研究区域为新建区域有关；而颗粒态污染物浓度高且初始冲刷强度较大，与国内外相关研究结果基本一致。土地利用类型、降雨强度等因素对初期冲刷强度有显著影响。
　　 (3)重点阐释了城市透水面的源汇效应。理论上讲，城市透水面既是“源”也是“汇”，而现有研究主要聚焦于其汇效应，对其源效应探讨较少。
　　 a)就“源”而言：论文中的市区既有绿地地表径流污染物浓度总体较低，均低于国家地表水环境质量标准的Ⅴ类标准限值，而其初期效应不显著；而论文中的郊区新建绿地地表径流污染物浓度总体较高，大多劣于Ⅴ类标准限值，甚至部分点位COD浓度为上海市污水综合排放标准的二类标准限值的3.56倍，而其初期效应处于中度水平。因此，可以认为包括城市绿地在内的城市透水面是一种潜在的污染源，污染强度与绿地所处区域、绿地兴建时间、绿地土壤来源等因素有关。
　　 b)就“汇”而言：论文试验表明城市绿地对地表径流污染物具有显著的削减效果。COD的总体削减率(71.01±1.75％)略高于TP(69.00±1.78％)，而显著高于氨氮(64.39±1.84％)；市区既有绿地显著高于郊区新建绿地(p<0.05)；不同覆被对地表径流污染物的削减效果显著(p<0.05)，且总体削减率依次为麦冬>结缕草>无覆被；绿地对污染物的削减效应主要发生在深度60～80 cm的土层之上，并且以物理过程为主导。此外，污染负荷、水力负荷、停留时间、落干时间等因素对削减效应有一定影响。
　　 c)源汇转化条件：理论上讲，城市透水面既是“源”也是“汇”，非有效透水面以源效应为主，而有效透水面以汇效应为主；具体而言，设置路牙且客地径流难以汇入的绿地为源，而有客地径流汇入且对其起到削减作用的绿地为汇，路牙的设置与否是源汇转化的关键节点；减少路牙等因素的限制，促进客地径流的汇入是城市透水面由源向汇转变的关键途径；通过合理配置透水面的覆被植物、土壤类型和土层深度，合理引导径流汇入流量、流速和浓度，合理设置径流停留时间和落干时间，可以有效提升城市透水面对污染物的削减效应。
　　 d)以土壤盐度为例，分析探讨了降雨对城市透水面关键胁迫因子的淋溶效应。城市透水面土壤盐度在小尺度上具有时空异质性，其淋溶效应具有显著的城郊差异。本案例中的上海市区既有绿地盐化程度较低，704个表层土壤样点全部处于中度盐化以下水平；郊区滨海新建绿地盐化程度高，240个样点中，40.0％为盐土，且微域空间变异特性和斑块状盐渍化显著。市区和郊区绿地表层土壤平均变异系数分别约37.7％和67.9％。绿地土壤表层盐度季节分异显著(p<0.05)，均值表现为春>冬>秋>夏，且季节间相关关系显著(p<0.01)表明存在季节协同变化趋势。中心城区既有绿地淋溶效应不显著，出水盐度处于淡水级别；而郊区新建绿地淋溶效应显著，处于混盐水级别；降雨强度和降雨量等因素对淋溶效果影响显著。
　　 e)临港新城集水区3类主要的非点源包括地表径流(又称土地利用污染源)、降雨以及分散排放的农村生活污水，地表径流是其最主要的非点源。近几十年来，集水区地表径流污染的产生负荷和输移通量均呈现显著增加态势，可初步划分为三个变化阶段。第一阶段为1965-1994年，非点源污染的产生负荷和输移通量总量较小，且变化较小；第二阶段为1995-2003年，非点源污染问题逐步显现；第三阶段为2004-2008年，非点源污染问题凸显。究其原因：一方面区域大规模、快速开发使得土地利用结构变化从而导致“源”产出负荷显著增加，另一方面城市汇的生态功能尚未有效发挥，绿地等“汇”对非点源的缓冲和去除效应平均仅为2.07％。
　　 3.论文整合系统动力学、多目标优化、情景规划、利益相关方调查、GIS等5种模型和方法，尝试构建了平原河网地区城市集水区非点源污染调控模型，并以上海市临港新城为典型案例进行实证研究。
　　 (1)指出平原河网地区城市集水区非点源污染调控具有五方面的不确定性：非点源产生的时空不确定性导致“源”调控的不确定性、非点源污染输移过程的不确定性导致“过程”调控的不确定性、非点源污染“汇”的不确定性导致“汇”调控的不确定性、城市集水区非点源污染的调控涉及的决策者偏好和利益相关方意愿的不确定性、城市集水区非点源污染的调控手段和途径本身具有较大的不确定性。
　　 (2)对于新开发区域而言，试图从土地利用结构方面对现有土地利用规划进行较大调整来实现非点源调控，可能难度极大。论文提出了从提升城市透水面“汇”的生态功能并辅以初期径流纳管措施的角度来进行非点源调控的思路。
　　 (3)初步探讨了系统动力学、多目标优化、情景规划、利益相关方调查、GIS等5种模型和方法的耦合机制，构建平原河网地区城市集水区非点源污染调控模型的4步耦合方法：子集水区划分和子系统分析、子集水区未来发展情景设定、集水区非点源时空模拟和预测、集水区非点源调控优化方案确定。
　　 (4)设定现状情景S1、功能提升情景S2-S3(考虑有效绿地和有效湿地)以及综合削减情景S4-S5(有效绿地、有效湿地和初期径流纳管的组合)等5种典型情景方案，并将上述调控模型应用于临港新城集水区，模拟结果表明：
　　 a)仅通过有限的功能提升措施，不辅以初期径流纳管措施，对非点源的调控效果并不显著。以2020年为例，相对于现状情景S1的COD输移通量15564t/a和径流系数0.42，情景S2和S3分别削减了7.5％、7.8％的输移通量和1.3％、2.6％的径流系数。
　　 b)通过功能提升措施并辅以初期径流纳管措施，不仅实现非点源污染物输移通量的大幅度削减，还使得径流系数“零增长”。以2020年为例，相对于现状情景S1，情景S4和S5分别削减了33.3％、80.3％的输移通量和26.2％、50.6％的径流系数。
　　 c)土地利用结构微调优化。模型模拟不同情景方案下的2020年临港新城各子集水区用地结构与既有规划的平均相对误差较小，总体差异不显著(p>0.05)，仅需对既有规划土地利用结构进行微调，从而在土地利用规划上具有可操作性。
　　 (4)基于系统论，从“高-中-低”三个调控等级、“源-过程-汇”三个调控程序、核心调控内容等三方面构建平原河网地区城市集水区非点源污染调控体系。针对不同区域提出差异性的平原河网地区城市集水区非点源污染的核心调控策略：以上海全市为例提出基于雨水利用的大型城市非点源污染总体调控策略，以上海城区为例提出基于增加有效绿地的老城区非点源污染调控策略；以上海临港新城为例探讨基于径流零增长的新城镇非点源污染调控策略。

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