周贵尧，谢贤健，黄 安，谢建平，李 瑞

（内江师范学院 地理与资源科学学院，四川 内江641110）

城市土地利用方式影响到地表污染物的负荷状况，城市地面已成为非点源污染的重要污染来源［1］；同时，城市土地利用改变了自然水文过程，暴雨径流冲刷地表携带大量污染物进入水体，直接造成水体污染。因此，土地利用变化不但影响区域水循环环境，也成为控制城市非点源污染的关键［2－4］。在城市化地区，不断增加的非透水性地面和地下排水系统，不仅加速了地表径流的形成，增加其流量，提高了洪水峰值，而且也降低了受纳水体的水质，引发了水供给问题［5］，城市暴雨径流中含有诸如营养物、杀虫剂、病菌、石油、油脂、沉淀物以及重金属等许许多多的污染物，已经成为水质破环的主要原因［6］。

内江城区地表堆积物中含有大量污染物质，特别是化学需氧量（COD），氨氮，溶解氧，铜，铬等污染物质。降雨时，这些污染物质在地表径流的冲刷下，通过城市地表排放到河道湖泊及河口，使受纳水体的水质受到严重污染［7］。笔者以内江城区为例，研究在一次典型降雨中内江城区不同土地利用方式产生的污染负荷指数。对类似中等城市不同土地利用方式在典型降雨过程中产生的污染负荷指数进行分析探讨。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

内江市位于四川盆地东南部，居沱江流域中游，地理位置位于东经104°15′—105°26′，北纬29°11′—30°02′，东西长121.5km，南北宽94.7km，全市幅员面积4 386km2，耕地面积16.36万km2，下辖市中区、东兴区、隆昌县、资中县、威远县五个区县，2010年年末全市总人口425.6万人，主城区人口141.7万人，全市GDP总产值5 609 631万元，主城区GDP总产值2 068 845万元。区内位于国务院重点规划建设的“成渝经济圈”腹心地带，是四川省“十二五”规划建设的特大城市之一，同时也是西南各省交通的重要交汇点，境内有成渝高速、内宜高速，成渝铁路、内昆铁路和沱江航道相互交错贯通的交通网络，素有“川中枢纽，川南咽喉”之称。

1.2 研究材料和方法

（1）典型降雨。通常情况下，降雨量达到5mm时仅能将地表完全湿润，降雨量为5～10mm时可形成街道降水径流，一次性降水达到20～25mm（降雨历时1h）则可将街道地表物质完全冲刷干净。因此，将历时1h左右，累计降水量为25mm左右的降水定义为一次典型降水。通常，在一次典型降雨48 h后街道地表物质恢复原状［8］。

（2）径流量。根据美国土壤保持局提出的降雨径流SCS［9］模型计算径流量，该模型是根据降水过程中水量平衡原理以及降雨径流之间的基本关系推出的径流曲线数值模型。

式中：Q——径流深（mm）；P——一次典型降雨量（mm）；S——径流开始后，流域内形成的最大持水量；CN——径流曲线值，是反映降雨前流域特征的一个综合参数，它与土壤的湿润程度、坡度、植被、土壤类型和土壤利用现状等相关。CN值是一个无量纲参数，理论取值范围是0～100，实际应用中取值范围是40～98［10］。只要确定CN值，就可由降雨量求得径流深；再将径流深乘以研究区域的面积（A），即可求出该次暴雨的径流量。

该模型的导出过程［11］是基于实际入渗量（F）与实际径流量（Q）之比等于集水区该场降雨前的最大可能入渗量（或潜在入渗量S）与最大可能径流量（或潜在径流量Qm）之比的假定基础上建立的，即

式中，假定潜在径流量（Qm）为降雨量（P）与由径流量产生的植物截留，出渗和田洼蓄水构成的出损Ia的差值，即：

实际入渗量为降雨量减去出损量和径流量，即：

将（4）式和（5）式代入（3）式，可以推出：

进而推知：

为了简化运算，通常假定集水区该场降雨的初亏损Ia为该场降雨前潜在入渗量的0.2倍，即Ia＝0.2S，由此可以推出（1）式。

1.3 不同土地利用区面积的确定

为了调查在一次典型降雨中，内江城区不同下垫面所产生的降雨径流污染负荷总量，必须事先查清该地区的各种土地利用类型。本次研究所涉及的行政范围主要是乐贤和东兴两镇。利用收集到的土地利用资料和图集，在ArcGIS 9.1软件技术的支持下对土地利用图进行数字化，得到内江城区土地利用分布图，获取有关该区域有关土地利用类型面积资料［12］。

1.4 野外样品采样

根据不同城市功能区有其特定的地表堆积物的分布特点，地表堆积物累积量与土地利用状况和性质、绿化条件、交通状况以及土地裸露程度有直接关系的原则［13］，依据一次典型降水48h后街道恢复原状理论，以典型性和代表性为原则，在木材加工厂、污水处理厂、汽车零配件生产厂、废旧金属回收处理厂附近，选择工矿用地；在日均人流量大，人口经济活动频繁、商业繁华地带选择商业用地；在距离市中心相对较远，绿化条件相对较好，公共基础设施健全，空气质量较好，市区居民居住较多的地区选择住宅用地；在内江市区城市交通主干道大洲路和东桐路分别选取一个点作为交通用地采样点；将内江师范学院第五和第八教学楼选为建筑用地。记录下采样样品编号、采样地类型、采样时间以及采样地点，将样品做技术处理，妥善保存带回实验室做进一步分析测试，同时在位于内江师范学院校内的气象监测站内测出内江城区当日降雨量。

1.5 室内污染浓度测试

将野外采集回来的样品分别进行COD、氨氮、溶解氧、铬、铜的污染负荷浓度测试。其中，COD采用重铬酸钾法测定，氨氮采用钠氏试剂光度法测定，溶解氧采用碘量法测定，重金属铬和铜采用直接吸入火焰原子法进行测定。

2 结果与分析

2.1 内江城区降雨径流模拟SCS计算结果

利用SCS模型，计算一次典型降雨内江城区不同土地利用方式即，工矿用地、商业用地、住宅用地、交通用地和建筑用地所形成的径流深。其中CN值根据美国国家工程手册所列的各种土地利用方式的径流曲线值结合实地调研结果将工矿用地、商业用地、住宅用地、交通用地和建筑用地的取值分别确定为93.00，95.00，90.00，95.00，92.00。测得内江城区当日实际降水量为28.00mm，与典型降水相差0.12个百分点，可近似看成一次典型降水，计算结果如表1所示。

由表1可知，一次典型降雨中，内江城区不同土地利用方式产生的径流深不同，工矿用地、商业用地、住宅用地、交通用地、建筑用地所产生的径流深分别是13.50，16.58，9.88，16.58，12.18。径流系数分别为0.48，0.59，0.35，0.59，0.44。

表1 内江城区降雨径流模拟SCS计算结果

2.2 一次典型降雨径流的污染物浓度模拟结果

2.2.1 地表堆积物污染物产生量 结合不同的土地利用方式下地表堆积物的粒级分布特征、污染物浸出浓度［14］，选取COD、氨氮、溶解氧、铬和铜5个衡量指标计算出试验区单位面积污染物产生量（表2）。

表2 不同土地利用方式下单位面积地表堆积物污染物产生量 g／（m2·d）

2.2.2 一次典型降水所产生的污染物浓度 由表2计算所得的不同土地利用方式下单位面积地表物污染物产生量，结合表1不同城市土地利用方式一次所产生的径流深。估算出在一次典型降雨过程中不同利用方式污染物的浓度及其污染程度，结果见表3。

由表3可知，在一次典型降雨形成的径流污染中，工矿用地的氨氮、溶解氧、铬和铜的含量及其污染程度都是最高的，特别是溶解氧的含量高达5.70 mg／L，是国家地表水质Ⅴ类标准的2.85倍。成为降雨径流的主要污染物。在COD评价指标中，除住宅用地和建筑用地没有超过国家地表水质Ⅴ类标准外，其余的三种土地利用方式均超过了国家地表水质Ⅴ类标准。其中，商业用地是Ⅴ类水质标准的1.98倍。值得注意的是，工矿用地和交通用地的铬含量都比较高，如果按照地表水质Ⅳ类标准进行评估的话，它们的含量将超标，对这些污染源也应该引起重视。

另外，从表3中还可见，对于不同的土地利用方式，在5个指标中，COD的浓度都是最高的，其中，商业用地高达79.00mg／L，污染负荷指数为V类标准的1.98倍，但从污染负荷的角度来看，COD并不是降雨径流产生污染物的主要来源。在5种土地利用方式下，一次降雨径流产生的污染负荷指数中，溶解氧是最高的。其中，工矿用地、商业用地最为明显，分别是Ⅴ类标准的2.85倍和2.00倍，住宅用地和建筑用地同样高于Ⅴ类标准的1～2倍。因此，溶解氧是一次典型降雨形成地面污染物的主要元素。在氨氮评价指标中，工矿用地的污染负荷指数最高，为0.44，但未超过国家地表水质标准。

表3 一次典型降雨不同城市土地利用方式产生的污染物浓度及其污染程度

2.3 污染负荷总量估算

内江城区工矿用地、商业用地、住宅用地、交通用地和建筑用地的面积采用谢贤健等人［12］对内江城区2009年不同土地利用类型面积的统计结果（表4），内江城区共有9种土地利用类型，工矿用地、商业用地、住宅用地、交通用地、建筑用地为主要城市用地，其余4种城市土地利用分别是江河湖泊泄洪用地、滞洪用地、其他已经供应尚未建成用地、未达到供地条件的用地，这4种土地归为城市未利用地，占城市用地总面积的58.15%，主要分布在内江城区边缘地带，这些地区人口相对较少、工农业经济发展较为滞后，各种点源和面源污染相对较少，对内江主城区污染影响相对较小，研究意义较小，因此，本文未对这4种城市土地作讨论。结合表3中几个污染物在5种主要城市土地利用下单位面积的产污量，估算在一次典型降雨所形成的径流下不同土地利用方式各自COD、氨氮、溶解氧、铬和铜的总产值，结果见表5。

表4 2009年内江市城市不同土地利用类型面积及其比例［12］

表5 不同土地利用方式下降雨径流产生的污染负荷

从表5中可见，在一次典型降雨中，COD的污染负荷总量高达2 361.08kg，氨氮、溶解氮、铬、铜的负荷总量分别为35.20，197.57，1.47，1.28kg。据内江城区气象局统计资料，内江城区近5a来一次性降雨超过28mm的降雨次数年平均为6次。据此可以估计，内江城区污染物年产量，COD为14 166.48kg，氨氮为211.20kg，溶解氧为1 185.42kg，铬为8.82 kg，铜为7.68kg。从表5中还可知，在一次典型降雨产生的地面径流中，商业用地的污染指数是最高的，COD为46.56%，氨氮为41.25%，溶解氧为37.93%，铬为76.36%，特别要指出的是COD和铬的污染指数接近于建筑用地的20倍。这些主要是因为商业用地基本上都是不透水面，其COD、氨氮、溶解氧和铬的浸出浓度都很高，并且商业用地面积在5种土地利用方式面积中所占比例相当大，分别超出工矿用地、交通用地、建筑用地6.49，7.56，6.60个百分点，与面积指数最大的住宅用地仅差2.39个百分点。同样，工矿用地的COD、氨氮、溶解氧的污染指数也是不容忽视的，在5种土地利用方式中分别列第三、第二和第三；建筑用地的氨氮、溶解氧污染指数同样值得关注，其污染负荷指数分别在五种土地利用方式中列第三和第二；交通用地的COD、氨氮、铜污染指数贡献率分别为13.27%、14.90%、和39.84%，在5种土地利用方式中分别列第二、第三和第一。

这些溶解的或固体物质在降雨径流的淋洗和冲刷作用下，通过径流过程直接排入研究区河道、湖泊以及河口中，引起受纳水体污染，直接影响人类生存的环境质量，污染饮用水源，引起水体的富营养化，破坏水生生物的生存环境，造成土壤生产能力和水质的下降，严重影响人民生产、生活质量和福利水平的高低［15－16］。

3 结论

在一次典型降雨形成的径流污染中，ρCOD为37.20 mg／L，ρ氨氮为0.67mg／L，ρ溶解氧为3.72mg／L，ρ铬为0.01mg／L，ρ铜为0.03mg／L，商业用地的COD最大，污染负荷为79.00mg／L，工业用地的氨氮、溶解氧、铬的污染负荷浓度最大，分别为0.87，5.70，0.018mg／L；交通用地的铜污染负荷浓度最大，达到0.07mg／L。内江城区因降雨产生的年污染负荷量，COD为14 166.48kg，氨氮为211.20kg，溶解氧为1 185.42 kg，铬为8.82kg，铜为7.68kg，商业用地的污染负荷贡献率最大，其中，COD为66.56%，氨氮为47.25%，溶解氧为23.85%，铬为76.36%。

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