城市非點(diǎn)源污染控制的景觀生態(tài)學(xué)途徑

城市非點(diǎn)源污染控制的景觀生態(tài)學(xué)途徑

1非點(diǎn)源污染控制非點(diǎn)源污染的形成不僅與區(qū)域降水過程有關(guān)，而且與地形、土地利用、植被類型、土壤結(jié)構(gòu)、區(qū)域氣候等因素密切相關(guān)。同時(shí)，由于降水過程的隨機(jī)性和其他影響因素的不確定性，非點(diǎn)源污染的破壞和管理可能比點(diǎn)源污染更嚴(yán)重。非點(diǎn)源污染主要包括農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染和城市非點(diǎn)源污染兩類.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染作為非點(diǎn)源污染的主要形式,已經(jīng)成為很多區(qū)域面臨的主要環(huán)境問題,較早即開展研究.當(dāng)前控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要措施是源污染控制和徑流過程控制.源控制主要采取生態(tài)農(nóng)業(yè)、生態(tài)施肥等技術(shù);徑流過程控制通過建立適當(dāng)?shù)娜斯に?、濕地和植被緩沖帶等生態(tài)工程技術(shù)控制暴雨徑流、截留污染物.城市非點(diǎn)源污染是隨著城市快速發(fā)展而出現(xiàn)的新問題.西方國(guó)家從20世紀(jì)60年代起就開展了這方面的研究,我國(guó)的城市非點(diǎn)源污染研究始于20世紀(jì)80年代初北京市地表徑流污染研究.與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染一樣,城市暴雨徑流作為污染物遷移轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動(dòng)力,是城市非點(diǎn)源污染的主要原因.然而土地利用的改變、不透水層面積的增加,使得城市非點(diǎn)源污染控制不同于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染控制,而控制難度更大.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外常用的治理辦法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),在地表徑流的遷移過程中控制污染物.最佳管理措施分為兩類:非工程管理措施(nonstructuralmanagementpractices)和工程管理措施(structuralmanagementpractices).將兩類管理措施配合使用,可以全面高效地控制城市非點(diǎn)源污染.除此之外,近年來(lái)還發(fā)展了其他一些方法來(lái)控制非點(diǎn)源污染,運(yùn)用經(jīng)濟(jì)手段(如稅收)將相關(guān)單位和個(gè)人聯(lián)合起來(lái)降低非點(diǎn)源污染監(jiān)測(cè)、控制的費(fèi)用;連續(xù)熵過濾法(sequentialentropyfilter,SEF),也被應(yīng)用于美國(guó)加利福尼亞州Redwood河非點(diǎn)源污染控制管理中.實(shí)際上,BMPs主要是在局部采取一些修復(fù)性措施控制非點(diǎn)源污染,其控制能力畢竟有限.要從根本上治理城市非點(diǎn)源污染,調(diào)整城市景觀格局是唯一出路.城市土地利用不但是非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的根源,也是污染物遷移的媒介,城市土地利用格局的改變對(duì)非點(diǎn)源污染的影響十分顯著.因此,通過景觀生態(tài)規(guī)劃對(duì)城市土地利用進(jìn)行調(diào)整,才能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)非點(diǎn)源污染的有效控制.有機(jī)結(jié)合局部的BMPs控制和區(qū)域的景觀格局控制,才能在整體上治理城市非點(diǎn)源污染.景觀生態(tài)規(guī)劃是基于景觀生態(tài)學(xué)的景觀格局與生態(tài)過程相互作用的原理進(jìn)行的.景觀生態(tài)規(guī)劃發(fā)展的歷程中出現(xiàn)了多種景觀生態(tài)規(guī)劃方法(模型),其中,McHarg基于適宜性分析所形成的“千層餅”規(guī)劃模式、Odum基于生態(tài)學(xué)中的分室模型(compartmentmodel)提出的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)模型、Haber和Forman以景觀格局整體優(yōu)化為核心分別形成了適用于高密度人口地區(qū)的土地利用分異(differentiatedlanduse)戰(zhàn)略和“集中與分散相結(jié)合”的規(guī)劃模式,這些模型構(gòu)成了景觀生態(tài)規(guī)劃方法發(fā)展的主要方向.Vester等建立的城市與區(qū)域規(guī)劃的靈敏度模型、Grossmann提出的等級(jí)組織系統(tǒng)理論、俞孔堅(jiān)提出的景觀生態(tài)安全格局途徑、岸根卓郎提出的城鄉(xiāng)融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型.除此之外,還有捷克的LANDEP模型、荷蘭的通用生態(tài)學(xué)模型(GEM)、美國(guó)的大城市景觀規(guī)劃模型(METLAND)、澳大利亞的南海岸研究模型等.景觀生態(tài)規(guī)劃的發(fā)展不僅促進(jìn)景觀生態(tài)學(xué)理論的進(jìn)步,而且為現(xiàn)實(shí)世界的諸多生態(tài)環(huán)境問題提供了解決方案.景觀生態(tài)規(guī)劃在生物多樣性保護(hù)、農(nóng)業(yè)污染治理、區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)等領(lǐng)域得到應(yīng)用,且在歐洲和美國(guó)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛.從規(guī)劃對(duì)象來(lái)講,城市景觀生態(tài)規(guī)劃包括環(huán)境敏感區(qū)的保護(hù)規(guī)劃、生態(tài)綠地空間規(guī)劃和城市外貌與建筑景觀規(guī)劃.具體到城市非點(diǎn)源污染控制規(guī)劃,首先需要了解城市景觀格局對(duì)非點(diǎn)源污染源、污染物遷移過程和受納水體的影響,明確非點(diǎn)源污染與景觀格局的關(guān)系,判定造成非點(diǎn)源污染的主要原因和關(guān)鍵環(huán)節(jié).在此基礎(chǔ)上,根據(jù)城市非點(diǎn)源污染控制要求,針對(duì)性地重新組合原有景觀格局或引入新的景觀要素以構(gòu)建新的景觀格局,增強(qiáng)城市景觀異質(zhì)性,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市非點(diǎn)源污染的有效控制.同時(shí)也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,城市具有人口密集和土地短缺等一系列特殊性,考慮到社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可接受性,城市景觀生態(tài)規(guī)劃應(yīng)盡可能減少對(duì)土地利用的大范圍調(diào)整,并應(yīng)將BMPs融入規(guī)劃之中,將景觀規(guī)劃和管理有機(jī)結(jié)合.2景觀生態(tài)學(xué)途徑建設(shè)城市的自然生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上無(wú)法適應(yīng)城市快速發(fā)展的需求,城市非點(diǎn)源污染控制的景觀生態(tài)規(guī)劃和管理的根本目的是通過重組或構(gòu)建新的城市景觀格局,來(lái)應(yīng)對(duì)城市中新的、更大量的和更高濃度的污染,創(chuàng)建一個(gè)新的可持續(xù)的城市生態(tài)系統(tǒng).基于景觀格局和生態(tài)過程的相互作用原理,通過景觀規(guī)劃和管理的有機(jī)結(jié)合,提出城市非點(diǎn)源污染控制的景觀生態(tài)學(xué)途徑.具體思路見圖1.景觀生態(tài)規(guī)劃首先對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行景觀分析和評(píng)價(jià),確定城市景觀空間格局與城市非點(diǎn)源污染之間的關(guān)系,明確污染源、匯和遷移過程,劃分非點(diǎn)源污染負(fù)荷強(qiáng)弱景觀,確定非點(diǎn)源污染治理的重點(diǎn);以此為基礎(chǔ),針對(duì)具體地段采用合適的管理措施,小區(qū)域尺度上主要是在徑流遷移過程中采用較成熟的既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)便的BMPs等方法;當(dāng)管理措施效果達(dá)不到水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求時(shí)(如國(guó)家地表水三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)),對(duì)“源”、“匯”景觀格局進(jìn)行調(diào)整,結(jié)合原有布局調(diào)整城市不同區(qū)域在不同尺度上的城市景觀格局或引入新的景觀要素,切斷非點(diǎn)源污染物遷移途徑,縮小污染影響范圍,降低或去除污染物,達(dá)到控制非點(diǎn)源污染的目的.3景觀格局研究在對(duì)研究區(qū)域城市景觀格局分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行非點(diǎn)源污染過程評(píng)價(jià),作為景觀規(guī)劃和管理的背景資料.城市非點(diǎn)源污染控制的景觀生態(tài)分析研究區(qū)域的景觀格局特征,結(jié)合城市非點(diǎn)源污染產(chǎn)生、遷移過程,評(píng)價(jià)不同景觀結(jié)構(gòu)的非點(diǎn)源污染適宜性和敏感性,在污染物遷移過程中引入或重新布局景觀結(jié)構(gòu).區(qū)域景觀調(diào)查中,首先分析景觀要素及結(jié)構(gòu)特征,以景觀生態(tài)類型為評(píng)價(jià)單元,分析某一景觀類型內(nèi)在的資源質(zhì)量以及與相鄰景觀類型的關(guān)系(相斥性或相容性),確定景觀類型對(duì)非點(diǎn)源污染適宜性和限制性,劃分景觀類型的適宜性等級(jí).McHarg的“千層餅”規(guī)劃模式在流域尺度上得到廣泛應(yīng)用,隨著3S技術(shù)的日益成熟和景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展,應(yīng)用景觀指數(shù)、景觀模型模擬景觀格局,分析其動(dòng)態(tài)變化,Forney等曾將景觀指數(shù)、模型與水環(huán)境指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相結(jié)合,以評(píng)估Tahoe湖流域景觀結(jié)構(gòu)布局的改變對(duì)系統(tǒng)正常功能的影響.應(yīng)用流域水文模型或與其相關(guān)模型來(lái)模擬和估算非點(diǎn)源污染負(fù)荷,明確非點(diǎn)源遷移過程及土地利用類型得非點(diǎn)源污染影響.如城市污染模擬模型(UPSM)、暴雨管理模型(SWMM)、儲(chǔ)存處理與漫流模型(STROM)等.模型的輸入為地表累積物的數(shù)量、性質(zhì)(如粒徑)、降雨量、降雨強(qiáng)度等因子,輸出為非點(diǎn)源污染物的濃度或流量.模擬非點(diǎn)源污染的困難在于污染源和污染負(fù)荷的定量化.與點(diǎn)源相比,非點(diǎn)源污染物是指從大量污染源釋放出來(lái)并在區(qū)域尺度上擴(kuò)散的小量污染物質(zhì)的集合,隨徑流進(jìn)入受納水體而造成污染.因此,非點(diǎn)源污染模型研究需要發(fā)散的模型方法,而基于該方法的模型大多較復(fù)雜.相關(guān)的非點(diǎn)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擬截流、滲透、地表儲(chǔ)存和地表漫流等水文過程.通過上述的城市景觀格局分析和非點(diǎn)源污染過程評(píng)價(jià),明確非點(diǎn)源污染過程與景觀格局的關(guān)系,判定非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的主要原因和關(guān)鍵環(huán)節(jié),為后續(xù)的景觀規(guī)劃和管理奠定基礎(chǔ).4非點(diǎn)源污染治理如圖1所示,考慮到城市生態(tài)系統(tǒng)的特殊性,特別是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可接受性,針對(duì)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的主要原因和關(guān)鍵環(huán)節(jié),首先采取管理措施對(duì)其進(jìn)行控制.BMPs是截止目前最為完善的城市非點(diǎn)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徑流和處理污染物方面效果更佳.非工程管理措施常用的方法有:露天廢物堆放點(diǎn)的管理、相關(guān)法律法規(guī)的制定、公眾的教育、水土流失控制和化學(xué)用品的使用管理、街道清潔、大氣污染物的削減、土地利用的恰當(dāng)管理等.工程管理措施包括對(duì)諸如濾污器、攔截壩等的構(gòu)建,滲透或儲(chǔ)存暴雨徑流,以減小徑流量和水土流失量.城市不透水面的非點(diǎn)源污染治理從兩個(gè)層次進(jìn)行,一是減緩徑流速率、控制徑流量以及所攜帶的污染物量;二是滯留污染物,通過工程措施過濾、吸收污染物.暴雨沖刷樓層后流經(jīng)滲透性強(qiáng)的路面和草地,進(jìn)入生態(tài)溝渠或是生態(tài)蓄水池過濾、滲透雨水.暴雨徑流匯集區(qū)采用的最佳管理措施有一個(gè)預(yù)處理的過程,通常是一個(gè)人工開挖的池塘,稱為前池(forebay),起到除去大中型固態(tài)污染物,存儲(chǔ)徑流量,減緩徑流速率以及沉淀部分污染物的作用.在城市中心街道、步行通道等空間緊湊地常應(yīng)用多孔路面(porouspavement),因其滲透性強(qiáng),既可減緩徑流速率、滲透徑流量,又能吸收一定量的污染物.現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外采用滲透池、滲透渠、干井、滯留槽等管理措施以及多水塘系統(tǒng)、植被緩沖帶、濕地系統(tǒng)等生態(tài)治理技術(shù)過濾、吸收污染物.這些措施多數(shù)是建立在靠近污染“匯”的地方.5綠道、綠地和景觀緩沖帶的建立當(dāng)BMPs不能達(dá)到城市非點(diǎn)源污染控制要求時(shí),須對(duì)城市景觀格局進(jìn)行調(diào)整(圖1).土地利用類型調(diào)整的重要一項(xiàng)是使城市不透水地面積達(dá)到合適比例.研究表明,當(dāng)離散的不透水斑塊面積占城區(qū)面積的35%時(shí),來(lái)自城區(qū)的污染物負(fù)荷達(dá)到最大.在城市非點(diǎn)源污染負(fù)荷較高的景觀中加入透水性斑塊,提高降水入滲,減緩徑流速率,促進(jìn)污染物吸收.新加坡Tampines地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒.居住、商業(yè)和工業(yè)用地等不透水地面與開放空間及其他土地利用的合理布局造就了Tampines地區(qū)“成功的、具有革新性的人類居住地”.城市和社區(qū)開放空間建設(shè)還可起到增加城市滲透面積、凈化環(huán)境、緩沖城市空間擠壓的作用.景觀生態(tài)規(guī)劃中城區(qū)綠色網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,提高城市透水地面面積減緩徑流流速,控制非點(diǎn)源污染,提高城市環(huán)境自凈功能,又可緩沖城市快速發(fā)展所帶來(lái)的空間擠壓,滿足大眾的景觀生態(tài)需求.綠色網(wǎng)絡(luò)以非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生、遷移過程為研究對(duì)象,借鑒景觀生態(tài)安全格局及生態(tài)戰(zhàn)略點(diǎn)規(guī)劃思路,優(yōu)先規(guī)劃保護(hù)非點(diǎn)源污染敏感地區(qū),并將城市綠道、綠地和自然景觀斑塊連接,重點(diǎn)從非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生的途徑進(jìn)行控制,規(guī)劃設(shè)計(jì)一個(gè)具有層次感、多樣性的景觀格局.南京市結(jié)合自身現(xiàn)有的綠地景觀,規(guī)劃設(shè)計(jì)貫通全市的綠道,并與綠地相結(jié)合,使整個(gè)城市與周邊自然生態(tài)系統(tǒng)耦合,試圖營(yíng)造一個(gè)一定意義上的生態(tài)城市.流域尺度上的景觀規(guī)劃以河流、湖泊等受污水體為中心,重新布局或引入新的景觀斑塊優(yōu)化景觀格局,在水體周圍結(jié)合相關(guān)BMPs,形成一個(gè)景觀緩沖帶,將污染物隔離于水體,同時(shí)建設(shè)成一個(gè)優(yōu)美的濱河、濱湖景區(qū).現(xiàn)階段國(guó)外主要利用植被緩沖帶以及半自然或人工濕地阻截、吸附、沉淀、降解污染物.植被緩沖帶的設(shè)計(jì)主要在于綠帶寬度的確定,對(duì)不同帶寬的去污效果不同.并總結(jié)了不同水質(zhì)保護(hù)目的和目標(biāo)所要求的緩沖帶寬度,可以作為植被緩沖帶建立的參考依據(jù).許多學(xué)者對(duì)濕地面積和容積大小進(jìn)行研究已確定其對(duì)非點(diǎn)源污染物去除效果,近年來(lái)有學(xué)者利用一級(jí)面積模型分析和預(yù)測(cè)濕地景觀對(duì)非點(diǎn)源污染物的截留量,對(duì)濕地規(guī)劃進(jìn)行定量化.6基于bmps的徑流污染治理在非點(diǎn)源控制規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中,將各種最佳管理措施進(jìn)行空間配置,以減小暴雨徑流速率,攔截、貯存徑流所攜帶的沉積物(污染物).景觀規(guī)劃分析了污染物產(chǎn)生、遷移過程,對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃,減小開闊地的裸露程度,對(duì)污染物遷移過程進(jìn)行多功能景觀設(shè)計(jì).建設(shè)生態(tài)庭院、生態(tài)溝渠、生態(tài)道路、透水路面,在非點(diǎn)源污染物遷移過程中除去污染物.將景觀生態(tài)規(guī)劃與最佳管理措施相結(jié)合發(fā)展了一種“系列化最佳管理措施”.系列化最佳管理措施(BMPsinseries)將幾種污暴雨染治理機(jī)制整合以強(qiáng)化徑流治理,因此也叫“暴雨治理鏈”(stormwatertreatmenttrain),由一系列的BMPs結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀唤Y(jié)構(gòu)組成,每一項(xiàng)都有特定的徑流污染治理目標(biāo).美國(guó)明尼蘇達(dá)州的Marshell地區(qū)大量降雨造成Redwood河洪水泛濫,為減少進(jìn)入河流的雨量并最大限度地清除暴雨攜帶的污染物,Rozumalski等在3個(gè)尺度上利用系列化最佳管理措施來(lái)進(jìn)行污染管理控制.整個(gè)過程第一步是在以家庭庭院為單元上的暴雨管理措施,每棟房屋的前后院都置有與暴雨徑流流動(dòng)吻合的草地沼澤,在此雨水可被過濾和進(jìn)行滲透;流過這片沼澤的雨水在街區(qū)的末端流入雨水儲(chǔ)存池(或滲透池),在這里將一些特殊物質(zhì)沉淀并再次進(jìn)行滲透,然后過濾帶、草地沼澤與所要恢復(fù)的濕地連接起來(lái),完成整個(gè)暴雨治理鏈.整個(gè)規(guī)劃設(shè)計(jì)用到工程管理措施中的草地沼澤、濕地和過濾帶,