城市非点源污染控制的景观生态学途径

城市非点源污染控制的景观生态学途径

1非点源污染控制非点源污染的形成不仅与区域降水过程有关，而且与地形、土地利用、植被类型、土壤结构、区域气候等因素密切相关。同时，由于降水过程的随机性和其他影响因素的不确定性，非点源污染的破坏和管理可能比点源污染更严重。非点源污染主要包括农业非点源污染和城市非点源污染两类.农业非点源污染作为非点源污染的主要形式,已经成为很多区域面临的主要环境问题,较早即开展研究.当前控制农业非点源污染的主要措施是源污染控制和径流过程控制.源控制主要采取生态农业、生态施肥等技术;径流过程控制通过建立适当的人工水塘、湿地和植被缓冲带等生态工程技术控制暴雨径流、截留污染物.城市非点源污染是随着城市快速发展而出现的新问题.西方国家从20世纪60年代起就开展了这方面的研究,我国的城市非点源污染研究始于20世纪80年代初北京市地表径流污染研究.与农业非点源污染一样,城市暴雨径流作为污染物迁移转化的主要驱动力,是城市非点源污染的主要原因.然而土地利用的改变、不透水层面积的增加,使得城市非点源污染控制不同于农业非点源污染控制,而控制难度更大.现在国内外常用的治理办法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),在地表径流的迁移过程中控制污染物.最佳管理措施分为两类:非工程管理措施(nonstructuralmanagementpractices)和工程管理措施(structuralmanagementpractices).将两类管理措施配合使用,可以全面高效地控制城市非点源污染.除此之外,近年来还发展了其他一些方法来控制非点源污染,运用经济手段(如税收)将相关单位和个人联合起来降低非点源污染监测、控制的费用;连续熵过滤法(sequentialentropyfilter,SEF),也被应用于美国加利福尼亚州Redwood河非点源污染控制管理中.实际上,BMPs主要是在局部采取一些修复性措施控制非点源污染,其控制能力毕竟有限.要从根本上治理城市非点源污染,调整城市景观格局是唯一出路.城市土地利用不但是非点源污染产生的根源,也是污染物迁移的媒介,城市土地利用格局的改变对非点源污染的影响十分显著.因此,通过景观生态规划对城市土地利用进行调整,才能真正实现对非点源污染的有效控制.有机结合局部的BMPs控制和区域的景观格局控制,才能在整体上治理城市非点源污染.景观生态规划是基于景观生态学的景观格局与生态过程相互作用的原理进行的.景观生态规划发展的历程中出现了多种景观生态规划方法(模型),其中,McHarg基于适宜性分析所形成的“千层饼”规划模式、Odum基于生态学中的分室模型(compartmentmodel)提出的区域生态系统模型、Haber和Forman以景观格局整体优化为核心分别形成了适用于高密度人口地区的土地利用分异(differentiatedlanduse)战略和“集中与分散相结合”的规划模式,这些模型构成了景观生态规划方法发展的主要方向.Vester等建立的城市与区域规划的灵敏度模型、Grossmann提出的等级组织系统理论、俞孔坚提出的景观生态安全格局途径、岸根卓郎提出的城乡融合系统设计模型.除此之外,还有捷克的LANDEP模型、荷兰的通用生态学模型(GEM)、美国的大城市景观规划模型(METLAND)、澳大利亚的南海岸研究模型等.景观生态规划的发展不仅促进景观生态学理论的进步,而且为现实世界的诸多生态环境问题提供了解决方案.景观生态规划在生物多样性保护、农业污染治理、区域生态环境恢复等领域得到应用,且在欧洲和美国应用领域越来越广泛.从规划对象来讲,城市景观生态规划包括环境敏感区的保护规划、生态绿地空间规划和城市外貌与建筑景观规划.具体到城市非点源污染控制规划,首先需要了解城市景观格局对非点源污染源、污染物迁移过程和受纳水体的影响,明确非点源污染与景观格局的关系,判定造成非点源污染的主要原因和关键环节.在此基础上,根据城市非点源污染控制要求,针对性地重新组合原有景观格局或引入新的景观要素以构建新的景观格局,增强城市景观异质性,实现对城市非点源污染的有效控制.同时也应该认识到,城市具有人口密集和土地短缺等一系列特殊性,考虑到社会和经济可接受性,城市景观生态规划应尽可能减少对土地利用的大范围调整,并应将BMPs融入规划之中,将景观规划和管理有机结合.2景观生态学途径建设城市的自然生态系统在结构和功能上无法适应城市快速发展的需求,城市非点源污染控制的景观生态规划和管理的根本目的是通过重组或构建新的城市景观格局,来应对城市中新的、更大量的和更高浓度的污染,创建一个新的可持续的城市生态系统.基于景观格局和生态过程的相互作用原理,通过景观规划和管理的有机结合,提出城市非点源污染控制的景观生态学途径.具体思路见图1.景观生态规划首先对研究区域进行景观分析和评价,确定城市景观空间格局与城市非点源污染之间的关系,明确污染源、汇和迁移过程,划分非点源污染负荷强弱景观,确定非点源污染治理的重点;以此为基础,针对具体地段采用合适的管理措施,小区域尺度上主要是在径流迁移过程中采用较成熟的既经济又简便的BMPs等方法;当管理措施效果达不到水质评价指标要求时(如国家地表水三类水质标准),对“源”、“汇”景观格局进行调整,结合原有布局调整城市不同区域在不同尺度上的城市景观格局或引入新的景观要素,切断非点源污染物迁移途径,缩小污染影响范围,降低或去除污染物,达到控制非点源污染的目的.3景观格局研究在对研究区域城市景观格局分析的基础上进行非点源污染过程评价,作为景观规划和管理的背景资料.城市非点源污染控制的景观生态分析研究区域的景观格局特征,结合城市非点源污染产生、迁移过程,评价不同景观结构的非点源污染适宜性和敏感性,在污染物迁移过程中引入或重新布局景观结构.区域景观调查中,首先分析景观要素及结构特征,以景观生态类型为评价单元,分析某一景观类型内在的资源质量以及与相邻景观类型的关系(相斥性或相容性),确定景观类型对非点源污染适宜性和限制性,划分景观类型的适宜性等级.McHarg的“千层饼”规划模式在流域尺度上得到广泛应用,随着3S技术的日益成熟和景观生态学的发展,应用景观指数、景观模型模拟景观格局,分析其动态变化,Forney等曾将景观指数、模型与水环境指标的统计数据相结合,以评估Tahoe湖流域景观结构布局的改变对系统正常功能的影响.应用流域水文模型或与其相关模型来模拟和估算非点源污染负荷,明确非点源迁移过程及土地利用类型得非点源污染影响.如城市污染模拟模型(UPSM)、暴雨管理模型(SWMM)、储存处理与漫流模型(STROM)等.模型的输入为地表累积物的数量、性质(如粒径)、降雨量、降雨强度等因子,输出为非点源污染物的浓度或流量.模拟非点源污染的困难在于污染源和污染负荷的定量化.与点源相比,非点源污染物是指从大量污染源释放出来并在区域尺度上扩散的小量污染物质的集合,随径流进入受纳水体而造成污染.因此,非点源污染模型研究需要发散的模型方法,而基于该方法的模型大多较复杂.相关的非点源污染模型有:HSPF(HydrologicSimulationProgram-Fortran),AGNPS(AgriculturalNonpointSourcePollution),ANSWERS(ArealNonpointSourceWatershedResponseSimulation),CREAMS(Chemicals,Runoff,andErosionfromAgriculturalManagementSystem)等.以上模型大部分是模拟截流、渗透、地表储存和地表漫流等水文过程.通过上述的城市景观格局分析和非点源污染过程评价,明确非点源污染过程与景观格局的关系,判定非点源污染产生的主要原因和关键环节,为后续的景观规划和管理奠定基础.4非点源污染治理如图1所示,考虑到城市生态系统的特殊性,特别是社会和经济可接受性,针对非点源污染产生的主要原因和关键环节,首先采取管理措施对其进行控制.BMPs是截止目前最为完善的城市非点源污染管理措施.非工程管理措施常用于污染源的整治,而工程管理措施在控制径流和处理污染物方面效果更佳.非工程管理措施常用的方法有:露天废物堆放点的管理、相关法律法规的制定、公众的教育、水土流失控制和化学用品的使用管理、街道清洁、大气污染物的削减、土地利用的恰当管理等.工程管理措施包括对诸如滤污器、拦截坝等的构建,渗透或储存暴雨径流,以减小径流量和水土流失量.城市不透水面的非点源污染治理从两个层次进行,一是减缓径流速率、控制径流量以及所携带的污染物量;二是滞留污染物,通过工程措施过滤、吸收污染物.暴雨冲刷楼层后流经渗透性强的路面和草地,进入生态沟渠或是生态蓄水池过滤、渗透雨水.暴雨径流汇集区采用的最佳管理措施有一个预处理的过程,通常是一个人工开挖的池塘,称为前池(forebay),起到除去大中型固态污染物,存储径流量,减缓径流速率以及沉淀部分污染物的作用.在城市中心街道、步行通道等空间紧凑地常应用多孔路面(porouspavement),因其渗透性强,既可减缓径流速率、渗透径流量,又能吸收一定量的污染物.现阶段国内外采用渗透池、渗透渠、干井、滞留槽等管理措施以及多水塘系统、植被缓冲带、湿地系统等生态治理技术过滤、吸收污染物.这些措施多数是建立在靠近污染“汇”的地方.5绿道、绿地和景观缓冲带的建立当BMPs不能达到城市非点源污染控制要求时,须对城市景观格局进行调整(图1).土地利用类型调整的重要一项是使城市不透水地面积达到合适比例.研究表明,当离散的不透水斑块面积占城区面积的35%时,来自城区的污染物负荷达到最大.在城市非点源污染负荷较高的景观中加入透水性斑块,提高降水入渗,减缓径流速率,促进污染物吸收.新加坡Tampines地区的成功经验值得借鉴.居住、商业和工业用地等不透水地面与开放空间及其他土地利用的合理布局造就了Tampines地区“成功的、具有革新性的人类居住地”.城市和社区开放空间建设还可起到增加城市渗透面积、净化环境、缓冲城市空间挤压的作用.景观生态规划中城区绿色网络的构建,提高城市透水地面面积减缓径流流速,控制非点源污染,提高城市环境自净功能,又可缓冲城市快速发展所带来的空间挤压,满足大众的景观生态需求.绿色网络以非点源污染物产生、迁移过程为研究对象,借鉴景观生态安全格局及生态战略点规划思路,优先规划保护非点源污染敏感地区,并将城市绿道、绿地和自然景观斑块连接,重点从非点源污染物产生的途径进行控制,规划设计一个具有层次感、多样性的景观格局.南京市结合自身现有的绿地景观,规划设计贯通全市的绿道,并与绿地相结合,使整个城市与周边自然生态系统耦合,试图营造一个一定意义上的生态城市.流域尺度上的景观规划以河流、湖泊等受污水体为中心,重新布局或引入新的景观斑块优化景观格局,在水体周围结合相关BMPs,形成一个景观缓冲带,将污染物隔离于水体,同时建设成一个优美的滨河、滨湖景区.现阶段国外主要利用植被缓冲带以及半自然或人工湿地阻截、吸附、沉淀、降解污染物.植被缓冲带的设计主要在于绿带宽度的确定,对不同带宽的去污效果不同.并总结了不同水质保护目的和目标所要求的缓冲带宽度,可以作为植被缓冲带建立的参考依据.许多学者对湿地面积和容积大小进行研究已确定其对非点源污染物去除效果,近年来有学者利用一级面积模型分析和预测湿地景观对非点源污染物的截留量,对湿地规划进行定量化.6基于bmps的径流污染治理在非点源控制规划设计过程中,将各种最佳管理措施进行空间配置,以减小暴雨径流速率,拦截、贮存径流所携带的沉积物(污染物).景观规划分析了污染物产生、迁移过程,对整个区域进行规划,减小开阔地的裸露程度,对污染物迁移过程进行多功能景观设计.建设生态庭院、生态沟渠、生态道路、透水路面,在非点源污染物迁移过程中除去污染物.将景观生态规划与最佳管理措施相结合发展了一种“系列化最佳管理措施”.系列化最佳管理措施(BMPsinseries)将几种污暴雨染治理机制整合以强化径流治理,因此也叫“暴雨治理链”(stormwatertreatmenttrain),由一系列的BMPs结合当地自然结构组成,每一项都有特定的径流污染治理目标.美国明尼苏达州的Marshell地区大量降雨造成Redwood河洪水泛滥,为减少进入河流的雨量并最大限度地清除暴雨携带的污染物,Rozumalski等在3个尺度上利用系列化最佳管理措施来进行污染管理控制.整个过程第一步是在以家庭庭院为单元上的暴雨管理措施,每栋房屋的前后院都置有与暴雨径流流动吻合的草地沼泽,在此雨水可被过滤和进行渗透;流过这片沼泽的雨水在街区的末端流入雨水储存池(或渗透池),在这里将一些特殊物质沉淀并再次进行渗透,然后过滤带、草地沼泽与所要恢复的湿地连接起来,完成整个暴雨治理链.整个规划设计用到工程管理措施中的草地沼泽、湿地和过滤带,