第1章绪论
1.1 城市面源污染研究的背景与意义
1.1.1 流域水生态环境问题解决的紧切要求
长江中下游平原是我国工业与城镇密集、经济发达的平原水网地区。但随着城镇化进程的持续加快，叠加全球气候变化作用，特别是我国五大淡水湖鄱阳湖、洞庭湖、太湖、洪泽湖、巢湖流域面临着水资源短缺和水环境恶化的双重压力，给流域水资源利用带来了困难。例如，《太湖健康状况报告（2018）》显示，2018年太湖流域人均水资源量低于全国平均水平，378个水功能区中有222个达标，达标率为58.7%，其中一级水功能区达标率仅为50.0%。虽然太湖流域河湖水功能区达标率呈逐年上升趋势，但短期内流域河网等水功能区水环境治理形势依然十分紧迫。《江苏省“十三五”太湖流域水环境综合治理行动方案》明确指出，到2020年，太湖流域重点考核断面以及河网水功能区水质达标率分别达到80%，流域5个设区市地表水丧失使用功能（劣于Ⅴ类）的水体、建成区黑臭水体基本消除。
长江经济带城市化水平高，面源污染强度大，污染物以营养物质、COD和悬浮物为主，对城市内部河网及外部流域性河湖生态环境质量带来较大冲击。据推算，长江经济带城市面源污染年排放量为TN17.1万t、TP1.4万t、NH3-N7.32万t、COD21.7万t。对于长江及其主要支流雅砻江、大渡河、岷江、嘉陵江、涪江、乌江、渠江、金沙江和我国五大淡水湖流域，城市面源污染通过城市内部河网等通道逐步汇入，成为大江、大河、大湖等重要水体的主要污染来源之一，对长江、五大淡水湖等流域性、区域性江河湖泊的水生态环境造成巨大压力。因此，在流域水环境亟待精准治理的背景下，开展精准高效的面源污染物控制减排工作是满足国家与地方“十四五”水生态保护与生态文明建设的迫切需求。
1.1.2 城市水环境综合整治提升工作的迫切需求
目前，我国正处在城市化快速发展的阶段，常住城镇人口从1978年占总人口的17.92%上升到2020年的63.89%，全国城镇人口年均提高1.1个百分点，为我国经济发展注入了巨大的活力。但是，社会经济快速发展，新城区面积迅速扩展，而治污设施建设滞后，同时旧城区仍存在脏乱现象，造成城市各类污染加剧。
大量污染物因暴雨随着地表径流排入水体，使城市河网水质恶化，水体的生态功能严重受损。因此，江苏省“263”行动计划明确提出，牵头推进太湖流域所辖县（市）建成区黑臭水体整治工作，2020年设区市建成区基本消除黑臭水体，提升环境质量。2016年，太湖流域无锡、苏州等水生态文明试点城市水体黑臭较为严重，仅无锡市就有161条被列入重点整治的黑臭河道。滨湖城市水系连通阻隔、断头支浜众多等不利因素对短期内河网黑臭治理提出了更高要求，治理工作刻不容缓。
随着多年工业废水等治污力度的不断加大，点源污染得到有效治理，而由面源污染引起的河网水环境承载力超载问题日益成为制约城市河网水质进一步提升的瓶颈。城市内部人类活动强度大，不透水面比例高，降水径流急促，初期雨水污染物浓度高，携带大量污染负荷进入河流，造成城市河网水质超标、水生态恶化，水生态环境承载力超载问题依然严峻。据估算，上海、武汉、苏州、无锡等城市面源污染占城市水体总污染负荷的40%～60%。2018年，以无锡市为例，受城市面源污染影响，蠡湖周边河道枯水期点位监测结果显示，整体呈污染水平，其中骂蠡港、东新河、芦村河、曹王泾污染*为严重，几乎全部达劣Ⅴ类水平；TP呈局部地区超标，Ⅳ、Ⅴ类水标准的点位占38.7%，劣Ⅴ类水标准的点位占9.7%；以现状浓度降低20%为水质目标，区域整体水生态环境承载力超载严重，TN、TP、CODMn和NH3-N需分别削减60%、56%、77%和51%。
城市面源污染主要以降雨引起的雨水径流的形式产生，径流中的污染物主要来自雨水对河流周边道路表面沉积物、垃圾等的冲刷，具有污染来源的多样化、时空分布的分散性和不均匀性、污染途径的随机性和多样性、污染成分的复杂性和多变性等特征，其控制减排工作开展难度很大。因此，研究雨洪复杂条件下的滨湖城市面源污染问题，制定面源污染调控技术，以科学有效的手段调控和削减滨湖城市雨水径流所带来的面源污染成为国家和地方经济、社会与环境协调发展亟待解决的问题。
1.1.3 城市河网区面源截污技术突破的迫切性
国外针对雨洪污染负荷的研究起源于20世纪30年代，主要模式或措施有美国的*佳管理实践（best management practice，BMP）、英国的可持续城市排水系统（sustainable urban drainage systems，SUDS）、新西兰的低影响开发（low impact development，LID）、德国的集中式/分散式（central/decentral）等。我国针对复杂雨洪条件下的面源污染研究起步于20世纪80年代，主要集中于北京、广州、西安、武汉、珠海等大中城市，研究内容主要侧重于城区面源污染的宏观特征调查和基于国外模型的污染负荷研究。雨水系统的设计仍处于强调“快排快泄”阶段，很少考虑滨湖城市雨洪引起的面源污染问题。如何在快速城镇化进程中避免复杂雨洪条件下的面源污染问题，是应对社会生态文明建设的新挑战。
城市面源污染具有面广、量大、多变、时空分布不均衡、成分复杂、无明显排污口和责任人不清等问题，尤其在滨湖城市河网区，水网密集、支浜众多，且存在大量的堰、水闸、泵站等控制工程，天然水系受到人为阻隔，因而控制过程极其复杂，目前尚无统一的管理调控措施。在近年的研究中，人们已经注意到暴雨径流中多种污染物对城市水体的多重胁迫影响、潜在安全风险和复合污染效应，但在复杂雨洪条件下，如何经济、实用、可行地进行滨湖城市河网区的面源污染源解析、定量识别污染源通量、实施面源污染削减分配，*终实现面向整个河网水系的水环境改善鲜有研究涉及。
因此，本书选择位于经济发达区域的无锡市滨湖区，研究复杂雨洪条件下的滨湖城市面源污染问题，在定量识别污染物来源与负荷估算的基础上，科学合理地界定水环境承载力，分配区域面源污染削减量，从源头上控制城市河网的入河面源污染，可为滨湖城市的河网水环境治理提供一套可供参考的技术体系。这对于在快速城镇化进程中减轻和避免面源污染负荷的不利影响具有重要理论与实践意义，是响应城市水生态文明建设迫切需求和保障太湖流域滨湖河网水质提升的关键举措。
1.2 城市面源污染特征与问题
1.2.1 城市面源污染产生载体多且密集
长江经济带面积约205万km2，占全国国土面积的21%，人口和GDP占全国的40%以上。区域城市化水平高，城市规模大，2016年该区域包含地级及以上城市、县级城市246个，占全国657个城市的37.44%，其中200万人口以上的地级市占全国的43.55%。包含我国七大城市群中的三个，即成渝城市群、长江中游城市群和长三角城市群（2018年11月18日《中共中央国务院关于建立更加有效的区域协调发展新机制的意见》）。长江经济带城市市辖区建成区面积约占全国的38%。
1.2.2 城市面源污染年产生量巨大
长江经济带城市化水平高，面源污染强度大，污染物以营养物质、COD和悬浮物为主。据推算，长江经济带以1.41%的建设用地产生了水体总污染负荷中5.50%的TN、4.75%的TP、11.11%的NH3-N和44.38%的COD。
1.2.3 城市面源污染空间差异显著
城市面源污染表现为以三大城市群为中心，强度由内向外逐渐降低的圈层特点，随城市等级由特大到大、中、小依次递减的特点，城市之间表现为特大城市污染程度高于中等城市，如特大城市路面径流悬浮物、COD、TN浓度是中等城市的1.4～1.6倍。城市内部则表现为不同功能类型区的污染强度存在差异，如无锡市雨水径流中TN表现为交通区>商业区>工业区>居民区。
1.2.4 城市面源污染阶段性冲刷效应显著，季节差异明显
地表径流面源污染物在降水时间上呈现“初期-中期-后期”阶段性差异，初期径流污染物的浓度高于后期径流，初期冲刷效应明显。初期为冲刷携带阶段，浓度骤增至*高；中期为污染物径流阶段，浓度骤减；后期为降雨径流阶段，浓度平稳。初期雨水径流污染负荷高，携带大量地表累积污染物进入排水系统，输出了整个降雨事件50%～80%的污染负荷。季节上，长江经济带受季风气候影响，夏季降水多，强度大，TN、TP污染负荷占全年的50%左右。
1.3 城市面源污染研究内容
本书主要聚焦于识别滨湖城市面源污染来源，建立雨洪径流与面源污染耦合模型，提出多目标多约束的水环境调控方案，提出有针对性的滨湖城市面源污染控制技术和方案。
1.3.1 城市河网区面源污染源解析及水质响应定量识别
构建雨洪复杂条件下城市河网区面源污染源的产生与入河模型，在降雨全过程的雨量、TN、TP、同位素等指标监测基础上，开展城市面源污染类型识别及污染物产生量、入河量、贡献率解析，核算污染总量与通量；识别面源污染物的时空分布规律和主要风险区域，建立雨洪复杂条件下滨湖城市河网水质对面源污染的响应关系。
1.3.2 城市河网水环境承载力评价与面源污染削减目标分配
构建雨洪复杂条件下滨湖城市河网水环境承载力评价模型，核算滨湖城市河网区主要污染物承载能力；构建河网及入河面源污染物削减量核算方法，确定面源入河污染物总量控制目标；在面源污染源解析与排放量分布规律识别的基础上，提出河网区面源污染负荷削减目标的空间分配方案，确定不同下垫面的面源污染负荷削减量、削减类型。
1.3.3 面向河网水质改善的城市面源污染调控方案
开展不同下垫面性状对雨洪条件下面源污染物阻隔效果分析，制定主要下垫面面源污染、地表漫流与入河雨污管网污染物的调控方案；分析雨洪情景下断头浜面源污染对河网水质的冲击作用，提出断头浜面源污染调控技术。
1.4 研究技术框架
针对近年来城市工业、生活废水点源污染逐步得到有效治理，而面源污染引起的河网水环境承载力超载日益成为制约城市河网水质进一步提升的瓶颈的问题，通过构建雨洪复杂条件下城市河网区径流面源污染模型，解析面源污染来源与负荷量及面源风险区域识别，并根据不同来源区硝酸盐中氮氧稳定同位素值的不同，定量溯源水体氮。将面源污染模型与同位素源解析相结合研究河网水质对面源污染负荷的响应关系；基于合理的水质目标准确核算在不影响水体功能条件下的城市河网水环境承载力，并以此为约束条件，明确河网环境可受纳的*大污染排放量和削减量。根据一定分配原则，采用基于基尼系数的多目标优化方法进行河网区面源污染负荷削减目标的空间分配，确定不同下垫面的面源污染负荷削减量和削减区域；在上述基础上，根据“源头削减—过程削减—末端治理”的思路，提出雨洪复杂条件下滨湖城市河网区面源污染原位控制、入河雨污管网污染物及断头浜面源污染一体化调控方案（图 1-1）。
图 1-1 滨湖城市河网区面源污染水质响应与调控研究技术框架
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