城市化地区多环芳烃非点源污染过程的机理与模拟方法研究

This project will explore the mechanism of the non-point source pollution (NPSP) of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in urbanized areas. An integrated approach will be adopted which combines physical model, field sampling, laboratory analysis and numerical simulation. Based on indoor simulation experiments, the transport mechanism of PAHs from contaminated soils during rainfall runoff events will be revealed. The impact of soil organic matters, especially those black carbon compounds, on the enrichment behavior of PAHs will be quantitatively studied. An approach to calculate the enrichment ratio of PAHs will be proposed. By field sampling and monitoring, the washoff-buildup process of PAHs on urban impervious surfaces will be studied, and a long-term dynamic simulation model will be developed. With the study results on the pollution mechanisms, developing a distributed NPSP model based on watershed hydrological processes will be attempted. The developed model will then be applied to the plain area of Beijing. This project aims to modify the traditional theory of enrichment ratio, and expand the knowledge on the buildup-washoff process of pollutants on urban surfaces. By introducing the concept of "water quality response unit", this project also aims to bridge the gap between the mechanism study at a small scale and watershed modeling at a large scale, and to eventually make structural model innovation. In addition, the project will provide a theoretic basis and technological supports for the management on the regional water and soil environment.

本项目综合运用物理模型、野外采样、实验室分析、数学模拟等研究手段，对城市化地区多环芳烃（PAHs）非点源污染过程的机理进行深入研究。通过室内模拟实验，揭示降雨-径流过程中土壤PAHs污染负荷输出的微观机制，量化土壤有机质，特别是黑碳物质，对PAHs富集行为的影响，建立PAHs"富集系数"的计算方法。通过野外采样和监测，研究不透水地表PAHs累积-冲刷过程的特征及影响因素，发展可用于长期、动态计算的数学模型。在机理研究的基础上，尝试开发基于流域水文过程的PAHs非点源污染分布式模型，并将模型用于研究北京平原区PAHs的非点源污染问题。本项目将对传统"富集系数"理论进行修正，并完善对城市地表污染物累积-冲刷规律的认识。本项目将引入"水质响应单元"的概念以实现微观机理研究与宏观流域模拟的整合，最终实现模型结构创新。以北京平原区为例开展研究，也可为当地水、土环境的管理提供重要的理论依据和支撑技术。

多环芳烃（PAHs）是城市环境中典型的持久性有机污染物，其污染特征与城市能源消费结构密切相关。但降雨径流驱动下的PAHs非点源污染过程还缺乏深入的机理研究。本项目综合运用物理模型、野外采样、实验室分析、数学模拟等研究手段，开展了三方面研究内容：降雨过程中土壤PAHs随地表径流输出的富集机制及其数学表征；不透水地表PAHs的累积-冲刷规律及其数学表征；基于流域水文过程的PAHs非点源污染分布式模拟。本研究首先对传统“富集系数”理论进行了重要修正。研究发现，PAHs的富集行为和输出规律，不但和土壤有机质的总含量相关，还跟其具体构成密切相关，土壤中黑碳物质的种类和含量显著影响PAHs的富集系数。本研究还将总汞的行为与PAHs进行了对比，发现土壤有机质中的重质部分对汞的富集与迁移过程起到了关键作用，这一点与PAHs完全相反，后者取决于土壤有机质中的轻质部分。研究还构建了基于累积-冲刷过程的城市路PAHs非点源污染数学模型。该模型耦合了积尘的累积过程和冲刷过程，可以实现对雨前晴天期地表积尘累积量和雨期积尘冲刷量进行连续动态模拟。利用该模型定量分析了北京市道路地表径流PAHs污染的风险。此外，研究还揭示了北京土壤PAHs污染的历史演变规律及其对城市能源结构与大气环境的指示意义。研究结果表明，2004至2013年的十年间，北京城区表层土壤总PAHs的含量水平虽并未显著下降，但其组分构成发生了明显的改变，相关的环境风险显著降低；虽然燃煤仍是北京土壤PAHs污染的主要来源之一，但其比重已经下降并被机动车尾气超越。研究结果证明北京市长期的大气治理环境已取得显著成效，针对机动车的各项政策措施（如限购、限行、限排）是必要的。此外，研究结果还表明加强秸秆燃烧、区域联动治污的重要性和必要性。总之，本项目所获得的研究成果在围观机理揭示和宏观管理支撑方面均具有重要的意义。本项目成果共发表SCI论文11篇，均为JCR一区文章，其中项目负责人为第一或通讯作者的文章有9篇。