（植物营养学专业论文）武汉市动物园面源污染控制技术及其机理研究.pdf

华中农业大学博士学位论文2 0 0 7 陈庆锋 武汉市动物园面源污染控制技术及其机理研究 摘要 随着旅游事业的蓬勃发展，城市旅游区的面源污染日趋加重，造成周围水环 境的水质和景观功能逐渐丧失。目前，国内外关于城市旅游区面源污染控制技术 及其机理的研究相对较少，这严重阻碍了城市旅游区水环境质量和景观功能的改 善。本研究选择武汉市动物园作为城市旅游区的典型代表，较系统地研究了武汉 市动物园面源污染的特征、控制技术和控制机理，并总结提出了城市旅游区面源 污染的控制原则和对策，主要研究结论如下： ( 1 ) 武汉市动物园的面源污染与其它区域相比，主要有以下特征：1 ) 是一 种离散型小点源和面源混合型的污染；2 ) 暴雨径流的初期冲刷效应依然存在。在 暴雨径流的前期，径流中污染物的浓度和负荷相对较高，但这种初期冲刷效应与 其他城市区域相比较弱；3 ) 氮磷等营养物质是径流中的主要污染物，山坡暴雨径 流是径流中颗粒物的主要来源，颗粒态是污染物的主要形态；4 ) 动物园的透水性 地表比例高，生态工程技术是控制面源污染的有效途径。 ( 2 ) 根据武汉市动物园面源污染的特征，在猩猩馆流域和犬科馆流域分别采 用了塘湿地在线控制技术和滤渠塘离线控制技术，通过系统研究这两种控制技术 的特点以及对面源污染的控制效果，主要获得以下研究结果：1 ) 在线控制技术和 离线控制技术可以分别拦截流域内降雨量在6 6 7 m m 和3 1 3 m m 以下的降雨径流； 2 ) 2 0 0 5 年，在线控制技术和离线控制技术对暴雨径流中的t l q 、t i p 、t s s 和c o d 的年持留率分别可以达到9 7 9 、9 8 0 、9 8 2 、9 7 8 和8 3 9 、8 2 9 、8 6 4 、 8 5 5 ；3 ) 在线控制技术对暴雨径流的产流时间、径流流速和流量具有多重在线 调控作用，适用于土地资源相对丰富的城市旅游区。离线控制技术是一种经济高 效的暴雨径流污染处理系统，其关键是截流初期污染较重的降雨径流，不仅适用 于旅游区，而且可以用于土地资源相对紧张的城市居民区、商业区和工业区等其 他区域。 ( 3 ) 通过研究塘和湿地中水、土壤、沉积物和水生植物中养分含量的时空变 化规律以及各个指标之间的相互关系，进一步探索了塘一湿地在线控制模式的净化 机理，研究结果发现：1 ) 塘和湿地中氧化还原电位( o r e ) 的变幅是一1 2 0 - 2 2 0 m v ， 主要发生了硫、铁和锰体系的氧化和还原。o r p 与其他指标的相关系数大小顺序 为d o 、p h 、s p c o n d 、全锰、如矗一n 、f c ”、温度、t d n 和t d p ；2 ) 除d o 、o r p 和硫酸盐外，其它各种指标的浓度一般在雨季大于非雨季；3 ) 湿地土壤和基质的 吸附是去除径流中污染物的主要途径。湿地土壤中不同指标的浓度表现出明显的 武汉市动物园面源污染控制技术及其机理研究 季节性规律，影响因素主要有降雨、温度和植被。从年度差异来看，湿地土壤中 的污染物浓度逐年升高，已经成为流域中污染物的一个库；4 ) 湿地沉积物既是污 染物的一个重要汇，又是污染物的主要内源。有机质，全氮和碱解氮主要集中在 沉积物的表层1 0 c m ，浓度明显高于周围土壤；5 ) 菖蒲、芦苇和美人蕉对湿地中 的污染物具有较强的吸收能力。水生植物在腐烂过程中不仅释放污染物，同时对 污染物也具有一定的吸附能力，并且在冬季所携带的养分含量高于夏季。鸢尾释 放的c o d v 。和t p 量最大，其次是香蒲、菖蒲和美人蕉，芦苇释放量最少。而菖 蒲和香蒲对水中c o d 和t p 的吸附量最大，其次是鸢尾、美人蕉和芦苇；6 ) 随 着水力负荷的增大，在冬季湿地对污染物的去除率逐渐降低，甚至为负。 ( 4 ) 通过比较9 种基质材料对暴雨径流中营养物质的吸附特性以及静态和动 态吸附能力，进一步揭示了滤渠一塘离线控制技术的净化机理，研究结果表明：1 ) 从相关系数大小来看，土壤、白矾石、陶粒、钢渣、石灰石、碎石和蛭石对营养 物质的吸附过程更适合用f r c u n d l i c h 方程来描述，而沙子和沸石适合用i a n g m u i r 方程；2 ) 不同的基质材料对铵态氮的吸附平衡时间顺序为沸石和蛭石 沙子和陶 粒 其他，对供试水中的铵态氮具有较高的去除效率而对n 0 3 - - n 吸附较弱，其中 沙子、土壤、沸石和蛭石对n h 4 + - n 去除率大于9 0 ：3 ) 9 种供试基质对磷酸盐 的动态去除效率高于其他形态的磷，其中对磷素的平衡吸附量大小顺序为沸石、 土壤、蛭石 陶粒、钢渣、石灰石 碎石、沙子和白矾石，对磷素的动态吸附能 力为沸石、石灰石、自矾石、土壤 钢渣、碎石、沙子 陶粒和蛭石；4 ) 沸石、 蛭石、陶粒和沙子对暴雨径流中的氮素去除能力较强，而石灰石、沸石和土壤对 暴雨径流中的磷素具有较强的去除能力。 ( 5 ) 城市旅游区面源污染的控制方案必须是一个基于流域尺度上的系统性方 案，以管理为主、工程为辅的原则为主导，所有的工程技术应服从旅游区整体的 管理和未来规划，并根据现场条件尽量采用就地、分散式处理。控制原则主要有 源头控制原则、水量和t s s 削减原则、水质改善原则、经济高效原则、生态学原 则和景观化、人性化原则等。 关键词：城市旅游区；暴雨径流；塘，湿地；基质材料；控制机理；生态工程；管 理措旌；氧化还原电位 华中农业大学博士学位论文2 0 0 7 陈庆锋 c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i s mo fd i f f u s ep o l l u t i o na t w u h a n c i t yz o o w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft o u r i s ti n d u s t r y , d i f f u s ep o l l u t i o ni nt h eu r b a n t o u r i s ta r e ah a si n c r e a s e da n dh a sap r o f o u n de f f e c to nt h ew a t e rq u a f f t ya n de c o s y s t e m d e g r a d a t i o no fn e a r b ys t r e a m sa n dr e s e r v o i r s h o w e v e r , t h ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n d m e c h a n i s mo fd i f f i l p o l l u t i o ni nt h eu r b a nt o u r i s ta r e ah a sr e c e i v e dl i t t l er e s e a r c h a t t e n t i o n ：t h e r e f o r e ，as y s t e m i cr e s e a r c hw a s c o n d u c t e d0 1 1t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c c o n t r o l t e c h n o l o g y , c o n t r o lm e c h a n i s ma n dc o n t r o lp r i n c i p l eo fd i f f u s ep o l l u t i o ni nt h ec a s e s t u d yo fw u h a nc i t yz o o ，w u h a n ，h u b e ip r o v i n c e t h em a i nr e s u l t so f t h i ss t u d ya r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) i nc o m p a r i s o nw i t ho t h e ru r b a na r e a s , t h ep i i m a r yc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f u s e p o l l u t i o na tw u h a nc i t yz o oi n c l u d e s ：1 11 1 圮d i f f u s ep o l l u t i o na r o s ef r o mb o t hd i f f u s e a n ds m a l ls c a t t e r e dp o i n ts o u r c e s ；2 、a l t h o u g ht h ef i r s tf l u s he f f e c tw a sw e a k e rt h a nt h a t o fo t h e ru r b a na r e a s ，i tw a sa l s oo b s e r v e di nt h eu r b a nt o u r i s ta r e a ；3 ) n i t r o g e na n d p h o s p h o m sw c i et h em a i np o l l u t a n t si nr u n o f fa n dt h ep a r t i c u i n t em a t t e rw a st h em a i n f o r mo fp o l l u t a n t s ；钔e c o l o g i c a le n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yw a sa l le f f e c t i v ew a yt o c o n t r o lt h ed i f f u s ep o l l u t i o n b a s e do nt h ea b o v ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a no n l i n ep o n d - w e t l a n d ss y s t e m i nt h eo r a n g u t a nh o u s ec a t c h m e n t , a n da no f l l i 】t l of i l t e r i n gd i t e h - p o n ds y s t e mi nt h e c r u l n ch o u s ec a t c h m e n t , w a sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h ed i f f u s ep o l l u t i o na tw u h a na t y z o o 。r e s p e c t i v e l y 1 1 ”r e s u l t ss h o w e dt h a t ：1 ) 皿eo n l i n ec o n t l o ls y s t e mc o u l ds t o r et h e r u n o f fo f6 6 7 m mr a i n f a l lc o m p l e t e l y , a n dt h eo f f i i n ec o n t t o ls y s t e mc o u l ds t o r et h e l u n o f fo f3 1 3 m mr a i n f a l l ；2 1mr e t e n t i o nr a t e so f i s s ，c o d ，t n , t pf o rt h eo n l i n e m o d ea c c o u n t e df o r9 8 2 ，9 7 8 ，9 7 9 a n d9 8 0 ，r e s p e c t i v e l ya n dt h o s ef o rt h e o f f i i n em o d ea c c o u n t e df o r8 6 4 ，8 5 5 ，8 3 9 a n d8 2 9 i n2 0 d 5 ；3 ) t h eo n l i n e c o n t r o ls y s t e mm a yb eb e t t e ra d a p t e dt ou r b a nz o o s s u b u r b sa n dt o w n st h a th a v e a b u n d a n ta v a i l a b l el a n da r e a o nt h e0 t h e rh a n d , t h eo f f l i n ec o n t r o ls y s t e mc a ns a v e l a n dr e s o u r c e sa n di sm o r ce f f e c t i v ea n de c o n o m i c a lf o rd i 丘u s cp o l l u t i o nc o n t r o li n u r b a na r e a s s u c ha si n d u s t t i a la n dr e s i d e n t i a la r e a s ( 3 ) t os t u d yt h ec o n t r o lm e c h a n i s mo ft h eo n l i n es y s t e m ，t h es p a t i o - t e m p o r a l v a r i a t i o na n dc o r r e l a t i o no fn u t r i e n t si nw a t e r , s o i ls e d i m e n ta n dh y d r o p h y t e sw e r e i n v e s t i g a t e di nt h ew e t l a n da n dp o n d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：1 ) o r p ( o x i d a t i o na n d r c d u c t a n tp o t e n t i a l ) v a r i e dw i t h i nt h er a n g e so f - 1 2 0 2 2 0 m vi nt h ew e t l a n da n dp o n d 武汉市动物园面源污染控制技术及其机理研究 d u r i n gt h er a n g e s u l f u r , i r o na n dm a n g a n e s es y s t e m s w e r et h em a i nr e d o xp r o c e s s 1 1 l e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n0 r pa n dt h eo t h e rp a r a m e t e r sw e r ei nt h ef o l l o w i n g o r d e r ：d o p h s p c o n d m n n h 4 - n f e “ t t d n t d p ；e x c e p tf o rd o ， o r pa n ds u l f a t e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fo t h e rp a r a m e t e r sw e r eh i g h e ro nr a i n yd a y st h a n t h o s eo n , t r yd a y s ；3 、t h ea d s o r p t i o no fs o i la n ds u b s t r a t em a t e r i a l sw a st h em a i n a p p r o a c ht or e m o v ep o l l u t a n t sf r o mw e t l a n d t h ec o n c e n t r a t i o no fs o i lp o l l u t a n t s i n c r e a s e df m m2 0 0 4t o2 0 0 6g r a d u a l l y ；4 1w 甜a n ds e d i m e n tw a sn o to n l yt h es i n k , b u t a l s ot h es o u r c eo fp o l l u t a n t s t h ec o n c e n t r a t i o no fn u t r i e n t si nt h es e d i m e n lw h i c hw e r e h i g h e rt h a nt h o s ei nt h es o i l , w a sc o n c e n t r a t e do nt h ef i r s tl o c ml a y e r ；5 1d u r i n gt h e d e c o m p o s i n gp r o c & a s , t h eh y d r o p h y t e si nt h ew e t l a n dn o to n l yr e l e a s e dp o l l u t a n t s , b u t a l s oa d s o r b e dp o l l u t a n t s t h cc o n c e n t r a t i o no fn u t r i e n t si nt h eh y d r o p h y t e sw a sh i g h e r i nt h ew i n t e rt h a nt h a ti nt h es u m m e r , 们i nt h ew i n t e r , t h er e m o v a le f f i c i e n c yf o r p o l l u t a n t sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fh y d r a u l i ci o a di nt h ew e t l a n d ( 4 ) t os t u d yt h ec o n t r o lm e c h a n i s mo ft h eo f f l i n es y s t e m , t h ea d s o r p t i o na n d r e m o v a lc a p a c i t i e so fd i f f e r e n ts u b s t r a t em a t e r i a l sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d o u rr e s u l t s w e r e 雒f o l l o w s ：1 ) a c c o r d i n gt oc o r r e l a t i o nc o e f 6 瞄e n t , t h ea d s o r p t i o no fs o i l ，a l u m i n i t e s t o n e ，c e r a m i cg r a n u l e , s t e e ls l a g , l i m e s t o n e , g r a v e la n dv e r m i c u l i t ec o u l db ed e s c n i b e a b yt h ee q u a t i o no ff r e a n d l i c hs u i t a b l y , a n dt h a to fs a n da n dz e o l i t ec o u l db ed e s c r i b e d b yt h ee q u a t i o no fl a n g m u i r ；, 2 ) me q u a t i o nt i m eo fd i f f e r e n ts u b s t r a t em a t e r i a l sw a s i nt h ef o l l o w i n g o r d e r ：z e o l i t e , v e r m i c u f i t e s a n d , c e r a m i cg r a n u l e o t h e r s t h er e m o v a l e f f i c i e n c yo ft h es u b s t r a t em a t e r i a l sf o rn h 产nw a sh i g h e rt h a nt h a tf o rn o ；- n ；3 ) t h er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h es u b s t r a t em a t e r i a l sf o rd i s s o l v e dr e a c t i v ep h o s p h o r u sw a s h i g h e r t h a nt h a tf o ro t h e rp h o s p h o r u s t ke q u a t i o na d s o r p t i o nc a p a c i 哆o ft h es u b s t r a t e m a t e r i a l sw a s 缸t h ef o l l o w i n go r d e r ：z e o l i t e s o i l , v e r m i c u l i t e s t e e ls l a g , l i m e s t o n e , c e r a m i cg r a n u l e g r a v e ls a n d , u l u m i n i t es t o n e t h eo r d e ro fd y n a m i ca d s o r p t i o n c a p a c i t yw a sa sf o l l o w s ：z e o f i t e ，s o i l ，l i m e s t o n e , a l u m i n i t es t o n e s t e e ls l a g , g r a v e l ， s a n d c e r a m i cg r a n u l e , v e r m i c u l i t e ( 5 ) m c o n t r o ls t r a t e g yo fd i f f u s ep o l l u t i o ni nt h eu r b a nt o u r i s ta r e as h o u l db ea l l i n t e g r a t e dp r o j e c t , w h i c hi sg i v e np r i o r i t yt om a n a g e m e n tp r a c t i c e a l lt h ec o n t r o l p r a c t i c e s , w h i c ha r ee c o n o m i c a l , e f f e c t i v e ，e c o l o g i c a la n dl a n d s c a p i n g , s h o u l db e c o n n e c t e dw i t ht h ed e v e l o p m e n tt a r g e to ft h et o u r i s ta r e a t h em a i nc o n t r o lp r i n d p l e s i n c l u d es 0 1 t r e ec o n t r o l , w a t e rq u a n t i t yc o n t r o l , w a t e r q u a l i t yc o n t r o la n dt o t a ls u s p e n d e d s o l i d sc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：u r b a nt o u r i s ta r e a ；r u n o f f p o l l u t i o n ；p o n d w e t l a n d ；s u b s t r a t em a t e r i a l ； c o n t r o lm e c h a n i s m ；e c o l o g i c a le n g i n e e r i n g ；m a n a g e m e n tp r a c t i c e ；o x i d a t i o na n d r e d u c t a n tp o t e n t i a l i v 华中农业大学博士学位论文2 0 0 7 陈庆锋 v 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 否 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特另0 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：他k 鸹 -时向：谚7 年，月肜日 薹萎菩：j#：丢：?l蕊舌辛薹兰菩翥i鲈 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学博士学位论文2 0 0 7 陈庆锋 第1 章城市面源污染研究综述 水是生命之源，是生态环境的基本要素，是人类社会得以生存和发展的源泉和动 力。自古以来，人类文明的发源和进步都离不开水资源，人类的历史就是一部人类开 发和利用水资源的历史。根据考古史料证明，中华民族的文明史是一部崇拜自然、认 识自然和改造自然的历史，是一部不断认知和利用生态原理的历史。中华民族历来崇 尚“天地人合”、“阴阳调和”与“天地合一”的生态思想。然而到二十世纪末，我国 的九大水系都已遭受到不同程度的污染，绝大多数已相当严重，水资源的量与质业已 成为我国经济可持续发展的主要制约因素。水环境的恶化同时引起淡水物种的灭绝、 水生态环境的整体退化和自然灾害发生频率的大幅上升。目前，我国8 2 的河流受到 不同程度的污染，海河、辽河、淮河、巢湖、滇池、太湖等污染更为严重，流域水环 境质量亟需改善，地表水污染已经严重影响到人民的饮用水安全，特别是流经城市的 河段有机污染严重，湖泊富营养化问题突出，地下水也受到不同程度的污染( 车伍等， 2 0 0 4 ；鲍全盛，王华东，1 9 9 6 ：李立青等，2 0 0 6 ) 。随着人类经济活动的深入发展， 水环境污染已经成为一个全球性的问题。面源污染( 或非点源污染，n o n p o i n ts o u r c e p o l l u t i o n ) 的严重性，随着点源污染( p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ) 治理程度的提高而逐渐表 现出来，尤其是当点源污染控制水平达到一定程度后，面源污染逐渐成为水环境污染 的重要原因( 王晓燕，2 0 0 3 ) 。 1 1 城市面源污染的产生及其特征 据统计，全球淡水生态系统7 0 以上的负荷都来自流域排水和表面径流，全球表 层系统有3 0 - - 5 0 受到面源污染物的影响。上世纪7 0 年代初至8 0 年代末，人们开展 了广泛的面源污染研究，特别是关于农业流域内的面源污染研究。其中早期的研究( 上 世纪7 0 年代和8 0 年代初期) 主要是关于农业面源污染物中磷氮等营养元素在农田中 的径流流失量及对水体的影响。如b e n o i t ( 1 9 7 3 ) ，h u b b a r d ( 1 9 8 2 ) ，r a s t ( 1 9 8 3 ) ， u t t o r m u r k ( 1 9 7 4 ) 等人分别报道了磷氮随地表径流的流失。c l e s c e r i ( 1 9 8 6 ) ，f r a s e r ( 1 9 8 1 ) 和e p a ( 1 9 8 9 ) 分别报道了磷氮流失对受纳水体的影响。在美国，6 0 的水 污染起源于面源污染，在所有的评估的湖泊河流中，受面源污染物损害的占8 0 ( 贺 缠生，傅伯杰，1 9 9 8 ) 在欧洲一些国家中，绝大多数的水体富营养化与面源污染的 输出有关。例如，丹麦2 7 0 条河流中9 4 的氮负荷和5 2 的磷负荷来自于面源污染； 荷兰农业面源提供的总氮、总磷分别占水环境污染物中氮磷总量的6 0 和4 0 5 0 ； 奥地利北部地区进入水环境的面源氮量远比点源大( v i g h i , 1 9 8 7 ；k r o n b a n ge ta 1 ，1 9 9 6 ； b o e t s 1 9 9 价 二十世纪八十年代以来，随着经济的飞速发展，我国水环境问题日益突出，江河 湖泊富营养化非常严重。据资料表明，我国东部区域主要的湖泊中，已经富营养化的 湖泊达到7 0 左右，其中，超富营养化的湖泊为3 2 ，其他湖泊也正在向富营养化 武汉市动物园面源污染控制技术及其机理研究 发展，已经成为我国最重要的环境问题之一( 金相灿，2 0 0 1 ) 。水体富营养化的污染 面积广，危害大，突发性强，对生态系统的破坏严重，造成局部地区水质型缺水，水 资源日益紧张。随着城市化带来的水资源匮乏、人口增长与生态问题的不断出现，控 制城市暴雨径流污染，再度引起人们的重视。因此，要改善水环境，缓解城市水资源 的供需矛盾，关键是要加强对面源污染的研究和治理。 1 1 1 面源污染概述 水环境的污染源一般可分为点源和面源。点源主要包括工业废水、污水处理厂的 出水和城市生活污水，主要通过排污口或排污管道直接向河流、海洋或湖泊( 水库， 塘) 等集中排放。点源排放的规律性较强，一般其水质、水量、排放周期、排放时间 比较固定，因而也易于识别、控制。面源是与点源相对的，是一种分散的污染源，其 污染物的来源面积广，可以简单的定义为晴天累积、雨天排放的不固定排放源 ( n o v o t n ya n do l e m ，1 9 9 4 ：n o v o t n y ，1 9 9 9 ) 。面源污染开始发现于二十世纪六十年代， 而我国的面源污染研究始于上世纪八十年代中期，主要以农业面源污染的研究为主， 直到九十年代中期才有对城市面源污染的研究，但主要集中在污染特征的研究，缺乏 相应的控制技术和控制机理方面的研究。在点源污染逐步得到控制的情况下，面源污 染已经成为水环境污染的重要来源，并最终将成为我们所必须面临的最重要的水污染 问题。 面源污染是指在较大范围内，在降雨一径流冲刷作用下，地表系统中溶解的和颗 粒态的污染物质从特定的地点，通过区域径流过程进入相邻受纳水体( 如江河溪流、 湖泊、人工水库以及海湾等) ，并且在水体中大量富积而导致的水体污染( n o v o t n ya n d 0 1 e m , 1 9 9 3 ) 。目前，鉴于面源包含许多小点源，美国科学家提出扩散污染( d i f f u s e p o l l u t i o n ) 的概念，既包括面源，还包括部分特定点源。根据定义，面源污染的范围 非常广泛。从产生的地点上，它可分为城市暴雨径流、农田径流、牧场径流、山林地 区径流、矿山径流、大气沉降和建筑施工污染等。从污染物上，它包括好氧有机物、 病原菌、侵蚀土壤、化肥、农药、重金属和油类等。不同类型的污染在发生的机理上 既有相似之处，又有各自的特点，类型之间的界限往往是模糊的。另外，面源污染的 产生主要是由于人类各种工农业活动导致生态结构和过程发生显著的变化，进而改变 了养分物质在区域系统之间原有的平衡关系所致。因此，根据人类影响的有无，还可 以将面源污染分为自然的和人为的两大类( n o v o t n ya n dc h e s t e r , 1 9 8 1 ) 。其中，自然 面源污染是指自然生态系统在没有人类活动强度干扰下，固有的养分输出。这一过程 属于自然生态系统下正常的物质循环流动过程，大多数元素的流通量都比较小。实际 上它是一种环境输出背景值。人为面源污染是当前研究的重点，主要分为农业面源污 染和城市面源污染，污染过程复杂，影响因素多。通过对面源污染的大量研究表明， 氮磷营养盐和粪便的污染已成为受纳水体的主要面源污染( h u m e n l k , 1 9 9 2 ；h a r r i se t a 1 ，1 9 9 5 ) 。 2 华中农业大学博士学位论文2 0 0 7 陈庆锋 农业面源污染是最主要的面源污染源，主要包括农田中过量施用的化肥、农药、 粪便、生活垃圾和土壤流失所携带的颗粒物。目前，国内外对面源污染的研究主要集 中在对农业面源的研究。2 0 0 0 年，全美河流和湖泊中农业面源的贡献率分别达到了 4 8 和4 1 ，是最大的污染源。在我国，农业面源污染的研究开始于上个世纪八十年 代，主要集中在巢湖、太湖、滇池、于桥水库、淮河和三峡等湖泊、水库以及河流地 区，为我国农业面源污染的研究提供了丰富的基础数据( 阎伍玖，鲍祥，2 0 0 1 ；晏维金 等，1 9 9 9 ) 。随着化肥和农药施用量的逐年提高，农业面源在我国水环境的贡献将不 断增加。 城市面源污染是仅次于农业面源污染的第二大污染源。广义的城市面源污染，按 其成因可分为城市地表径流污染、大气的干湿沉降、城市水土流失及河流底泥的二次 污染；狭义的城市面源污染即指城市地表径流污染，它是城市水体面源污染最主要的 类型。美国环保署( u se p a ，1 9 9 5 ) 已把城市地表径流列为导致全美河流和湖泊污 染的第三大污染源，并在1 9 9 8 年的国家水质调查报告中提出城市径流是表面水体水 质损害的主要致因之一。城市面源污染是城市生态系统失调的结果，城市人口密集、 土地资源短缺，人类活动和生产活动频繁，人类干扰性强度高，污染物产生量大，发 生面广。从时间上看，城市中污染源排放具有间歇性，污染物晴天累积，雨天排放； 从空间上看，由于受到排水系统的影响，在小尺度上呈现点源特征，而在较大尺度上 呈现面源特征。从污染物种类上看，城市面源污染物有总悬浮物( t s s ) 、总氮( t n ) 、 总磷( t p ) 、c o d 、大肠杆菌、石油烃类、重金属和农药等，污染物种类、排放强度 与城市的发展程度、经济活动类型以及居民行为等因素密切相关，自然背景效应很低。 这些污染物对湖泊以及周边环境有着负面作用。铜、汞、锌等重金属对水生生物、鱼 类和鸟类有毒害作用，并通过食物链逐级富集，人类食用这些鱼类时重金属便在人体 内积累，最终可能导致癌症、神经紊乱以及影响新生婴儿健康。氮磷等营养元素可以 使得湖泊呈现富营养化，藻类生长过盛，降低湖泊透明度，窒息鱼类并导致其死亡。 杀虫剂多为有机物质，不易分解，能够在鱼类、鸟类的器官组织中积累，通过放大效 应，对人类的健康产生间接危害。而诸如细菌等病原体则直接危害人类健康，使得湖 水不能满足人们的娱乐需要。 城市道路交通系统和屋顶等不透水性地表是城市暴雨径流中污染物的主要来源 ( 张建云，2 0 0 2 ；h a r tc ta 1 。2 0 0 4 ) 美国e p a 提出了城市暴雨径流的主要污染评价 指标，如悬浮固体、有机物、植物营养物和重金属等( e p a ，1 9 8 3 ) 。早在1 9 8 1 年美国 就预计城市径流带入水体的b o d 量约相当于城市污水经处理后的b o d 排放总量， 而且1 2 9 种重点污染物中有约5 0 在城市径流中出现。法国的研究者对巴黎市中心4 个屋面、3 个庭院和6 个街道取样点的1 6 场降雨数据分析结果表明：庭院和街道的 径流污染非常严重，主要表现为s s 和c o d 污染。街道径流s s 接近或好于污水 ( 1 5 0 m g l ) 的占1 5 ，但都超过欧共体的处理厂排放标准；c o d 则有6 0 超标。屋 面径流也有一定的污染，有的指标甚至超过街道径流，对水体和渗透土壤构成潜在危 3 武汉市动物园面源污染控制技术及其机理研究 害。按照s a n s a l o n e 的观点，城市路面径流中的主要污染物质通常包括有：金属、颗 粒态或溶解态的固体物质、有机物及包括冬季除冰盐在内的无机物。这些物质的主要 来源有：车辆排放物、车辆部件磨损、液体化学品泄漏、路面磨损、路面维修等。其 中，路面、轮胎及车辆部件磨损是固态物质的主要来源，冬季除冰盐则产生氯化物 ( s a n s a l o n ea n db u c h b e r g e r , 1 9 9 7 ) 。美国及荷兰的一些研究结果也认为( h e a n e ya n d h u b e e f1 9 8 4 ；v a na n dv a n ，1 9 8 3 ) ，城市地表径流雨水中污染物s s 、重金属及碳氢化 合物的浓度在数量级上与未经处理的城市污水基本相同，而c o d 及b o d 要比未经 处理的城市污水低。另外s a r t o r 和b o y d 的研究( s a r t o r , e ta 1 ，1 9 7 4 ) 认为，在街道表 面沉积的污染物中，只占总重量6 的极细小颗粒( ( 4 3 y m ) 具有相对较大的污染潜 力，占总污染负荷中b o d 5 的2 5 ，n 、p 营养物的3 3 5 0 ，重金属的5 0 以上， 农药的7 5 。另据2 0 0 0 年北京市2 5 场暴雨的实测资料，屋面初期径流的平均c o d 为3 0 0 - 2 0 0 0 m g l ( 最高值可达到3 3 4 0 m g l ) ，平均s s 为4 0 0 8 0 0 m g l ( 最高值达 到1 9 8 5 m g l ) 。径流的c o d 和s s 值随降雨时间增加而逐渐下降，最终趋向稳定值( 汪 慧贞，李宪法，2 0 0 2 ) 。美国环保署( e p a ，1 9 8 3 ) 的研究报告也指出，美国城市及 不同地域之问暴雨径流水质的统计结果无明显区别，污染成分的加权平均浓度与城 市、地理位置和地面条件等没有明显关系，但各种指标的变化范围很大。因此一味强 调提高点污染的控制水平而忽略面源污染，特别是城市径流污染，并不能从根本上控 制水体污染( 袁铭道，1 9 8 6 ) 。 一般而言，城市化又称都市化或城镇化，包括两个方面的含义：一方面是指农村 人口转变为城市人口、农村地域转变为城市地域的过程，即城市化的数量过程；另一 个方面指城市文化、城市生活方式和价值观等城市文明在农村的地域扩散过程，即城 市化的质量过程。城市化前，土地利用类型以自然景观，如林地，草地等为主时，基 本没有污染物的形成；随着城市化的发展，土地利用类型以农业景观为主时，面源污 染的污染物主要为化肥和农药；而城市化地区，土地利用类型以城市景观，如住宅区、 工业区、商业区等为主时，面源污染的污染物中除营养物质外，出现了诸如大肠杆菌 之类的病菌污染物、硝酸盐以及铅、铜、锌等重金属。污染物种类发生变化的原因主 要在于人类行为的改变，住宅区对城市面源污染中的有机污染物贡献度较高，病菌污 染物来源于城市中动物和入的排泄物，工业区往往被认为是铅、铜、锌等重金属污染 物的主要来源。影响城市面源污染的因素主要包括：降雨强度、降雨量、土地利用类 型、降雨历时、大气沉降、捧水系统和地表清扫频率等因素。这些因素随机性强，难 于控制，这就给城市面源污染的控制带来了很多困难。 暴雨径流污染是面源污染的主要形式。暴雨径流不仅携带污染物，而且还是一种 重要的资源。研究表明，雨水属于轻度污染水，有机污染物含量低、溶解氧接近饱和、 钙质含量低、总硬度小、易于处理，净化后可用作饮用水、生活杂用水、工业杂用水 等很多方面，比回用生活污水更便宜，且工艺流程简单，水质更可靠，细菌和病毒的 污染率低，经处理或净化的雨水其公众可接受性强，能有效缓解水资源的短缺，是重 4 华中农业大学博士学位论文2 0 0 7 陈庆锋 要的开源措施，可在很大程度上缓解我国水资源短缺的现状( 王琳等，2 0 0 1 ) 。我国 的雨水资源丰富，年降雨量可达6 1 9 0 0 亿m 3 ，但分布不均匀。在我国，大部分城市 缺少健全的暴雨洪水的汇集和调蓄设施，雨水资源非但没有被充分利用，反而增加了 雨水的流失量，减少了地下水的补给量，大量初期暴雨径流对地表水体也构成了严重 污染。如能在控制暴雨径流污染的同时，通过将初期污染较重的降雨径流集中处理， 而将后期污染较轻的雨水集中处理回用，这样不但对暴雨洪水的水量起到调蓄作用， 削减洪涝灾害，控制面源污染、改善城市生态环境、促进水循环；同时还能补充地下 水，防止城市地表的下沉。这将缓解城市水资源的匮乏、短缺，促进当地经济的可持 续发展( 王宝贞，2 0 0 4 ) 。 对于面源污染的特征，国内外学者从面源发生机理的角度( n o v o t n ya n dc h e s t e r , 1 9 8 1 ；加丑，1 9 8 5 ；吴月华和阮仁良，1 9 9 1 ) ，主要总结了以下六个特征： ( 1 ) 发生地点的广泛性，难以有效地用管道收集。面源污染是在流域尺度上发生 的，用传统的水力学设施无法进行有效的收集。 ( 2 ) 发生时间的随机性。降雨是面源污染的主要驱动力，而降水过程受复杂的气 象因素所控制，具有随机性和偶然性。 ( 3 ) 发生时机的潜伏性和滞后性。面源的潜伏性和滞后性是指污染物的形成和污 染的发生并不是同步进行的。污染物晴天在地表上积累，这段时期是面源污染的潜伏 期。一旦暴雨来临，潜伏期内累积的污染物就会迅速随径流流失，造成周围水体的污 染。潜伏期越长，地表累积的污染物越多，暴雨发生时所形成的污染负荷就越高，对 周围水体的潜在危害越大