随着经济快速发展和人口数量的激增，流域污染问题日趋严重，而由降雨（或融雪）冲刷作用引起的非点源污染则是流域的主要污染源^[1]。相关研究表明，即使点源污染被全面控制以后，地表水体河流水质达标率也不超过65%，甚至部分指标非点源污染负荷超过点源污染^{[2, 3]}。“水十条”明确提出关于流域污染治理目标，使得流域非点源污染成为治理水污染的主要任务和重点。

目前关于非点源污染的主要研究内容包括非点源污染机理研究、非点源污染时空变化规律性研究及环境因子（包括地形、降雨条件、土地利用类型和土壤类型等）对产汇污影响的研究等^{[4, 5, 6, 7]}，研究形式以野外试验^{[8, 9]}及数值模拟^{[10, 11]}为主。本文以东江流域为研究对象，分别于城镇区、农业区进行野外非点源径流场试验，研究自然降雨过程中东江流域不同地类常规污染物与重金属的非点源污染排放特征，以期为非点源污染控制提供依据。

东江流域是珠江水系干流之一，发源江西寻乌，自东北向西南流经广东河源、惠州、东莞等市，于虎门入海，干流全长562 km，全流域集水面积35 340 km2，属亚热带季风性湿润气候区，干湿季节分明，年平均降雨量为1750 mm，平均气温21.7 ℃。东江担负着为广东省和香港特别行政区4000多万人供水的重任，因此对东江水质的保护具有重要意义。东江流域内城镇用地约占10%，耕地约占9%，园地约占6%，林地约占72%，随着社会经济的快速发展，流域内土地利用变化显著，带来严重的环境负荷^[12]。

根据东江流域的土地利用的类型、面积和分布情况^[12]，试验于东江流域下游东莞市区选取城市用地代表地块，设置庭院与公路径流场小区；农业用地代表地块则位于流域上游的惠州、河源，设置菜地、水田与林地径流场小区。基本概况见表 1。在径流场集水区安装雨量计、小区出口处加装三角流量堰，分别进行流量、雨量观测，同时加装自动装置实现水质自动采样系统（ISCO6172）。

表 1 径流场基本概况 Table 1 Characteristics of field runoff plots

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于2015年雨季共采集到7场有效降雨（表 2），径流场监测在降雨开始产流时采集，降雨前期30 min内采样频率为5 min/次，30~60 min期间为10 min/次，60 min后为30 min/次，直至降雨结束。分析项目包括常规污染物指标SS、TN、TP、COD_Cr及重金属铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As），所有水质项目按照国家水质分析标准进行测定。

表 2 降雨事件记录 Table 2 General records of rainfall events

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受降雨条件及下垫面特点的影响，同一区域在不同降雨事件中或不同区域在同一场次降雨事件中的污染物质浓度差异很大^[7]。本研究采用美国环保署建议使用的流量加权平均浓度（Event mean concentrations，EMC）进行径流水质分析，其计算方法如下：

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初期冲刷现象（FFE，First flush effect）于20世纪80年代在雨水径流污染控制中首次提出，是非点源污染控制研究中的重要问题。在如何准确描述初期冲刷现象方面，目前应用比较多的是Geiger提出的质量初期冲刷理论，即以污染物的累积污染负荷与累积径流量的无量纲累积曲线M（V）的发散来直观判断是否发生了初期冲刷现象。为进一步量化描述初期冲刷现象，可采用初期冲刷比值MFF_n来描述初期冲刷程度，其计算公式如下：

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流量加权平均浓度EMC可较为科学直观地判定降雨径流水质。本试验统计了5个小区雨水径流的常规污染物与重金属的EMC值，并与《地表水环境质量GB3838—2002》中的Ⅴ类水标准进行比较分析（表 3）。结果表明，不同土地利用类型污染物排放规律差别较大，从各降雨事件EMC的平均值分析，SS、COD浓度从高到低顺序为菜地＞林地＞水田＞公路＞庭院；TN为菜地＞水田＞公路＞庭院＞林地；TP为水田≈菜地＞林地＞公路＞庭院。农用地雨水径流SS、COD、TN、TP污染物平均浓度明显高于城市用地，表明农业用地水质较差，是流域内的主要非点源。

表 3 不同下垫面雨水径流EMC值/mg·L^-1 Table 3 EMC of runoff under different land-use types

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对于农业用地类型，降雨强度及施肥是径流水质的关键影响因素。菜地、水田、林地径流COD分别是Ⅴ类水标准的2.3、1.6、1.9倍，COD易吸附在泥沙上而以颗粒态的形态流失，与SS相关性很高，因此两者具有相似的非点源排放负荷规律^{[13, 14, 15]}。农业用地下垫面硬化度低，土壤直接受到降雨径流的冲刷、侵蚀从而产生污染物，因此降雨强度是COD、SS的主要影响因素。各用地类型TN是Ⅴ类水标准1.11~7.25倍，菜地、水田的TP是Ⅴ类水标准2.5倍。农业用地N、P污染物则可能受到施肥的影响，明显高于城市用地，据调查可知径流小区所种植的农作物生长期间需施用大量复合肥，其中磷肥约为150 kg P₂O₅·hm^-2，同时，一般情况下赤红壤与潮沙泥田对磷肥的保蓄能力也较其他肥料强^{[16, 17]}。

对于城市用地类型，二次降雨间隔是雨水径流污染物量的主要影响因素。降雨事件2的二次降雨间隔达23 d，故其EMC平均值明显比较高，降雨事件3的降雨强度虽比降雨事件1大，但二次降雨间隔短（仅1 d），故污染物浓度差异不大。对比不同的城市用地，公路径流各项污染物平均浓度均高于庭院，主要是公路受人类商业活动与公路交通等的影响大。

不同土地利用类型的典型毒害物EMC均低于Ⅴ类水标准。其中，公路径流重金属类污染物明显较其他用地类型高，主要是受车胎磨损、汽车尾气、道路老化等因素的影响，公路的典型毒害物流失也不容忽视。这与Lee J H^[18]、冯伟^[19]等的研究结果相符。

雨水径流是非点源污染物输移的驱动因子及载体，城市地表径流量与非点源污染物存在明显的线性相关性^{[20, 21]}。利用SPSS对城市用地与农业用地雨水径流的不同污染物平均值进行Pearson相关分析，见表 4。结果表明，庭院、公路用地类型相关性好，除庭院TP相关系数稍低外（＞0.65），污染物平均值与径流量显著正相关。农业用地类型中，菜地相关性显著（均大于0.8），但水田、林地小区径流污染物平均值与径流量未有显著相关性，与类似文献报道^[7]结论有出入。对其原因分析发现，水田径流场两次监测虽然降雨强度相同，但农作物处于不同生长周期，分别处于蓄水灌溉期与晒田干水期，下垫面特征明显不同，降雨所形成的地表径流量与污染物量也差别较大。这也是导致同其他文献结果存在差异的主要原因。林地由于两次监测二次降雨间隔差别大，土壤水分饱和度差异明显，分析结果差异性也较大，但若对于单一场次降雨事件进行拟合，排除二次降雨间隔及下垫面部分特殊情形的干扰，其相关性显著。这表明二次降雨间隔与下垫面特性是非点源污染物浓度的主要影响因素。

表 4 污染负荷与径流量相关系数 Table 4 Pearson correlation coefficients between pollution loads and runoff flow under different land use types

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对比不同用地类型每场降雨的M（V）曲线图（图 1）可知，庭院SS与COD发生显著初期冲刷现象，TN、TP与重金属则初期冲刷不显著，重金属在降雨后期发生二次初期冲刷现象^{[22, 23]}。在其他研究中也存在类似的情况。总体来讲，对公路、菜地、水田、林地等下垫面，大部分指标都发生了明显的初期冲刷现象，部分指标在同一小区中出现不同的现象，或出现二次初期冲刷现象。这主要是由于受到降雨雨型的影响。

图 1 不同用地类型径流场降雨径流初期冲刷M（V）曲线 Figure 1 M（V） curves of first flush effect in different runoff plots

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根据M（V）可以直观地定性描述初期冲刷现象，而初期冲刷比值MFF_n则可定量地表征初期冲刷的强弱程度，本研究对每次降雨事件的MFF₃₀按不同用地类型与污染物进行统计分析，以研究不同污染物和不同土地利用类型的初始冲刷现象的差别。

通过比较MFF₃₀平均值可确定各污染物指标初期现象的显著性，其统计结果显示各指标初期冲刷现象显著程度顺序为：SS＞COD＞Pb＞TN＞Zn＞TP＞Cu＞As（图 2）。总的来说，常规污染物要较重金属初期效应显著，大部分重金属的MFF30变化范围较常规污染物广，表明重金属污染物的初期冲刷现象主要受不同用地类型的影响。

图 2 不同污染物MFF30值比较 Figure 2 MFF30 of different pollutants

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分析不同土地利用类型的MFF₃₀平均值（表 5）可知，城市用地N、P污染物初期冲刷不显著。庭院由于清扫频率高，污染物本底值低，重金属初期冲刷不显著；公路则由于人类商业活动及道路交通的影响，背景值较高，具有明显的初期冲刷效应；农用地具有较为显著的初期冲刷现象，但其中菜地常规污染物MFF₃₀值不高。主要原因是降雨事件1的降雨强度为中雨，且雨量峰值出现在后期，所以降雨初期对地表的冲刷、侵蚀作用不明显。

表 5 不同用地类型 MFF₃₀ 平均值 Table 5 Average MFF₃₀ values of different land use types

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为进一步研究初期冲刷现象的影响因素，本研究选取下垫面特性较为稳定的庭院、公路、菜地及林地为研究对象，分析MFF₃₀值与降雨特征进行Pearson相关分析（表 6）。上述结果表明，各项污染物与降雨量、降雨强度及二次降雨间隔存在显著的相关关系，但与降雨历时的相关性却不显著。

表 6 污染物MFF ₃₀值与降雨特征的相关性 Table 6 Correlation coefficients between MFF₃₀ and rainfall characteristic parameters

表选项

（1）不同用地类型污染物排放规律差别较大，总体来说，农业用地水质较差，是流域主要非点源，但公路产生的重金属污染也不容忽视。庭院、公路、菜地小区污染物浓度与径流量相关性显著，水田、林地小区则相关性较差，主要是由二次降雨间隔与地表特性变化引起的。

（2）庭院SS与COD发生显著初期冲刷现象，而TN与TP与重金属则初期冲刷不显著，对于公路、菜地、水田、林地等，则大部分指标都发生了明显的初期冲刷现象，同时部分场次降雨中也会出现二次冲刷的现象。

（3）各污染物MFF₃₀的大小顺序：SS＞COD＞Pb＞TN＞Zn＞TP＞Cu＞As，常规污染物比重金属的初期效应更显著。对比不同用地类型发现，农用地发生初期冲刷现象更明显，但公路径流中重金属污染物也存在显著初期冲刷现象。降雨量、降雨强度及二次降雨间隔是影响初期冲刷现象的主要因素。