城市水土流失监测探讨

国 铭，李 铮

(延庆县水土保持工作站，北京延庆 102100)

目前，我国处在城市化高度发展时期。城市的快速扩张主要占用的是周边耕地，且扩张后的城市用地以硬化形式为主，这就使得在相同降雨情况下水土流失量增加。我国关于城市区域地表径流及周边受纳水体环境的研究日益增多，但目前几乎还未有系统的城市水土流失监测资料。鉴于此笔者试图通过分析城市非点源污染的主要污染物、地表径流量、区域特性，引入城市水土流失监测系统，为实现城市非点源污染的有效控制提供可靠、实时的观测数据，以保护城市地表水资源和水环境质量。

1 城市水土流失特征

城市交通、商业、居住区域地面硬化率极高，透水界面所占比例极低，一次降雨过程结束后，径流汇集快，由地下雨水收集管网排入受纳水体，所以城市水土流失主要以水的流失为主。另外，在暴雨和其他强降水过程中，雨水会从不透水地面(由沥青、塑料、混凝土等建造)以及屋顶流入下水管道，而不是由土壤进行过滤。城市大面积的硬化地表阻碍了雨水的下渗，缩短了地表径流的汇集时间，致使地下水位降低和城市洪涝灾害频繁发生。硬化地表(道路、停车场和人行道)是在城市建设过程中形成的，而大多数城市的排水系统会将未处理的雨水排入周边受纳水体。城市雨水径流中含有大量的污染物，其初期径流的污染负荷远高于城市生活污水［1］，由非点源引起的水环境污染已成为当前城市水环境综合治理中亟待解决的主要问题之一。

1.1 流失量特征

美国国家环境保护局关于不透水地表与城市径流的数据关系如表1所示。由于城市雨水被引入下水管道，地表水的自然渗透就减少了，径流量和流速就会增加。事实上，如果大小相同，一个典型城市的不透水覆盖层阻止地表水渗入地下的能力是一个典型林地的5.5 倍。

表1 自然用地与城市用地降水利用数据

北京市城区面积达750 km2［2］，假设北京市区硬化面积占总面积的70%，多年平均降雨量为587 mm，以表1数据计算，则北京市平均每年在硬化区域产生的地表径流量达到1.69亿m3。

1.2 污染物特征

城市地表径流流过不透水的硬化地表往往会从道路和停车场带走汽油、机油、重金属、垃圾和其他污染物，从草坪带走化肥和农药。道路和停车场是镍、铜、锌、镉、铅和多环芳烃的主要来源地，这是汽油和其他矿物燃料燃烧产生的副产品［3］;屋顶雨水内含有大量的有机化合物与锌(由镀锌水槽产生)，住宅区的草坪、公园和高尔夫球场中使用的化肥是硝酸盐和磷的一个重要来源地。

我国的兰州、北京、武汉以及美国的城市地表径流各主要污染物浓度［4］见表2。由表2可以看出，与美国相比，我国城市非点源污染各主要污染物平均浓度偏高，且各主要污染物平均浓度均远高于我国地表水环境质量Ⅴ类标准［5］和城镇二级污水处理厂二级排放标准［6］。以北京为例，SS(悬浮物)、COD(化学需氧量)、TP(全磷)、TN(全氮)的超标倍数分别为24.47、14.55、4.35 和 5.6，说明我国城市非点源污染非常严重。

表2 城市(国家)非点源污染主要污染物浓度 mg/L

1.3 流失区域特征

我国南方城市、北方城市，以及特大城市、中等城市的道路、屋面径流中主要污染物浓度见表3［7］。由表3可以看出，我国城市非点源污染具有一定的地域性特征，如屋面径流和路面径流，特大城市的污染程度均高于中等城市;南方城市道路径流污染物浓度较北方城市高，而北方城市屋面径流污染物浓度较南方城市高。

欧阳威等［8］分别对4场降雨事件在3类不同下垫面条件下的径流出流规律进行了监测，在同场次降雨事件中，不同下垫面透水性的强弱对径流的冲刷效应有直接影响。草地屋顶较沥青路面与硬质屋顶径流量相对少，对累积污染物质冲刷力弱，因此草地屋顶径流中除TP外，其他4类污染物的初始浓度都要低于其在沥青路面和硬质屋顶径流中的浓度，这也说明草地屋顶对这些污染物质能够起到削减作用。

表3 我国城市道路、屋面雨水径流污染物浓度 mg/L

2 城市水土流失的监测方法

最近10年我们对水土流失的监测主要通过监测站点与相应技术及软件结合计算该地区的水土流失量及污染物流失量。以北京为例，监测站点主要对坡地径流观测小区进行监测，然后通过“3S”技术及北京市水土流失监测管理系统，计算北京市全年的水土流失量和污染物流失量。监测站点中的坡地径流观测小区主要以耕地、荒坡地、水保措施用地等为主，对城市等硬化地区的水土流失及污染物流失情况的监测未列入监测系统中，现有监测站点见表4。

表4 北京市坡地径流观测场

2.1 水土流失监测系统

以北京为例，水土流失监测预报系统建设的目标是摸清水土流失及非点源污染状况，进行治理效益及开发建设项目水土流失观测，发布地区水土流失公报，最终为水土流失预测及治理决策提供数据支持。主要用“3S”技术进行宏观监测，通过坡地径流小区观测、沟道控制站观测、小流域观测及现场调查进行微观监测，通过水土流失预测模型进行数据分析计算，主要监测内容如表5所示。

表5 北京市水土流失监测指标

2.2 城市水土流失监测

可以参照坡地径流观测小区的方式，在城市中选取商业区、住宅区、交通区、工业区4种不同类型用地监测区域，选择集水口为样品采集点或安装自动采样系统，4类监测区域中间设置小型气象观测站，对降雨过程进行实时观测，监测项目主要有气象指标、水土流失量、TP、TN、COD、SS;环保部门可以根据情况加测Pb、NH3－N、Cu等，卫生部门可加测细菌数等。

城市水土流失监测作为分项并入各省市水土流失监测系统，如图1所示。通过对我国大中小城市的水土流失监测，进一步完善水土流失数据类型，填补我国城市水土流失数据库的空白。

图1 水土流失监测系统简图

3 结语

(1)由于种种原因，我国大部分城市硬化面积巨大、非点源污染严重，各级政府对于水土流失及水环境污染问题已经有了新的认识，并着力加以解决。引入城市水土流失监测体系，是为了更好地完善水土流失数据库建设，真正实现对各种土地使用类型的监测，真实反映我国水土流失的程度及特点。

(2)我国城市非点源污染物以SS、COD和营养物质为主，污染呈现较明显的地域性特征，特大城市污染程度高于中等城市，屋面及路面径流污染物浓度也具有一定的地域性特征，南方城市道路径流污染物浓度高于北方城市，而北方城市屋面径流污染物浓度高于南方城市［4］。因此，各个地区可以根据城市的发展情况确定监测区域和面积，通过实时监测和调查，利用小区域的水土流失数据，通过“3S”技术、水土流失数据管理系统等先进科学技术，测算当地城市水土流失情况，为城市有效保护水土资源和控制非点源污染提供支撑，为城市的发展决策提供切实可靠的数据帮助。

(3)今后，在城市规划和发展上，要充分考虑水土流失和非点源污染等问题，强化硬化区域与植被区域相融合、工程措施与非工程措施相结合的建设理念，加强受纳水体保护与植被缓冲带建设，有效控制城市水土流失和污染物流失。

相信，随着对城市非点源污染问题的深入研究，国内外技术交流的进一步增加，群众环保意识的进一步提高，城市水土流失和非点源污染终将得到有效控制。

［1］叶闽，杨国胜，张万顺，等.城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究［J］.环境科学与技术，2006，29(2):67－69.

［2］季崇苹，刘伟东，轩春怡.北京城市化进程对城市热岛的影响研究［J］.地球物理学报，2006，49(1):69 －77.

［3］洪克险.论面源污染控制在城市水污染治理中的重要性——上海面源污染现状及思考［J］.污水处理，2008(10):55－58.

［4］丁程程，刘健.中国城市面源污染现状及其影响因素［J］.中国人口· 资源与环境，2011，21(3):86－89.

［5］GB 3838—2002，地表水环境质量标准［S］.

［6］GB 8978—1996，污水综合排放标准［S］.

［7］赵剑强.城市地表径流污染与控制［M］.北京:中国环境科学出版社，2002:11－40.

［8］欧阳威，王玮，郝芳华，等.北京城区不同下垫面降雨径流产污特征分析［J］.中国环境科学，2010，30(9):1249－1256.