烏魯木齊市不同下墊面雨水徑流水質(zhì)特性分析*

伊元榮,海米提?依米提,趙麗麗

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊830046;2.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊830046;3.烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測站,烏魯木齊830000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和資源的開發(fā)利用,烏魯木齊城市發(fā)展規(guī)模、城市集聚能力和輻射力將進(jìn)一步擴(kuò)大和加強(qiáng),在我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略中起著舉足輕重的作用,將成為我國向西部開放的重要商貿(mào)中心城和中亞區(qū)域性國際化大都市[1]。烏魯木齊城市人口的增長,城市規(guī)模的擴(kuò)大,勢必帶來需水量的增加。然而,烏魯木齊市卻是全國嚴(yán)重缺水城市之一,水資源的人均占有量僅506 m3,約為全國人均水資源占有量的1/4,全疆人均水資源占有量的1/10,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的人均1 000 m3的下限,屬典型資源型缺水城市[2]。這就決定了烏魯木齊必須走建設(shè)節(jié)水型城市之路。2006年烏魯木齊市水資源擁有量為10.59億m3,其使用量達(dá)6.37億m3,約占到水資源總量的65%[3]。而國家在對西北地區(qū)水資源調(diào)查的一項(xiàng)課題中提出,西北地區(qū)水資源利用量不得超過水資源總量的70%,否則就會(huì)擠占生態(tài)用水,造成嚴(yán)重后果。因此,從這個(gè)角度看,烏魯木齊城市水資源供需矛盾相當(dāng)緊張。水資源短缺的同時(shí),地下水超采嚴(yán)重。因此,開發(fā)利用雨水資源已成為當(dāng)前的重要研究課題,并且是烏魯木齊解決水資源匱乏的有效手段,是保護(hù)環(huán)境、防治水污染和建設(shè)節(jié)水型城市的最佳選擇之一。

城區(qū)雨水利用的可行性及可利用程度不僅取決于降雨量及其時(shí)空分布,還取決于不同下墊面上雨水徑流的水質(zhì)狀況[4]。伴隨著城市的發(fā)展,屋頂材料漸趨多樣化即SBS防水卷材屋面、瀝青油氈屋面、瓦屋面等[5],城市車流量也不斷增加,能夠通過汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損以及油脂的滲漏等[6-7],這些都會(huì)對雨水徑流的水質(zhì)產(chǎn)生影響。為實(shí)現(xiàn)雨水的資源化利用,迫切需要對不同類型下墊面(屋面和道路)上的雨水徑流水質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)測、分析和評價(jià)。

1 材料和方法

1.1 雨水水樣采集

(1)采樣時(shí)間。烏魯木齊市降雨多集中于4月、5月、9月和10月,因此,采樣時(shí)間選定在這4個(gè)月,形成徑流的初始時(shí)刻記為0 min,在形成徑流的0,10,20,30,40 min取水樣。

(2)采樣地點(diǎn)。雨水取樣點(diǎn)選定在烏魯木齊市新疆大學(xué)兩個(gè)校區(qū)的路面和屋面。根據(jù)烏魯木齊市屋面材料[4]的主要類型以及所處的地理位置,選取了兩大類屋面作為研究對象:一類是運(yùn)用比較廣泛的SBS防水卷材鋪面的屋面,即新疆大學(xué)北校區(qū)住宅樓9號(hào);另一類屋面是以瀝青油氈鋪面的屋面,即新疆大學(xué)本部學(xué)生宿舍10號(hào)。屋面徑流的收集方法是:在樓頂雨水管道出水口處放置收集瓶,收集樓頂流出的雨水。路面徑流設(shè) 4個(gè)采樣點(diǎn),即新疆大學(xué)的兩個(gè)校內(nèi)的主干道路和校外機(jī)動(dòng)車主干道路上,路面材料為瀝青柏油路面,路面徑流的收集方法為:在路面上的雨水下水井內(nèi)裝有容器,當(dāng)路面產(chǎn)生徑流時(shí)匯聚進(jìn)入該容器中。每場降雨各個(gè)采樣點(diǎn)同時(shí)取樣,樣品采集后立即轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)分析。

1.2 分析項(xiàng)目、方法與儀器

雨水徑流指標(biāo)包括:pH、SS、COD、礦化度、氨氮和電導(dǎo)率,分析方法與儀器見表(1)。

表1 分析儀器及分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 天然雨水水質(zhì)特性分析

2007年4-5月降雨期間,對天然雨水和形成徑流的不同時(shí)段不同下墊面所取水樣的pH、礦化度、COD、SS、氨氮、電導(dǎo)率和重金屬(Pb、Cu)等進(jìn)行檢測分析。通過不同下墊面雨水徑流的pH測定結(jié)果來分析,pH值都在5.7～6.2之間,呈弱酸性。重金屬的含量較低,甚至未檢出。從圖1可看出,所研究區(qū)域內(nèi)的天然降雨的水質(zhì)指標(biāo)變化幅度比較大是電導(dǎo)率和氨氮?？傮w而言,經(jīng)過淋洗大氣后的雨水水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)的數(shù)量值都在三類水質(zhì)的范圍內(nèi),是一種污染較輕的水資源。

圖1 天然雨水水質(zhì)指標(biāo)變化

2.2 不同下墊面雨水徑流水質(zhì)特性分析

2.2.1 下墊面性質(zhì)對雨水徑流水質(zhì)的影響 通過以上雨水徑流水質(zhì)指標(biāo)的分析,雨水及不同下墊面徑流水質(zhì)的優(yōu)劣次序?yàn)?天然降水 ＞屋面徑流 ＞機(jī)動(dòng)車道徑流;SBS屋面 ＞瀝青油氈屋面;北校區(qū)校外路面 ＞本部校外路面 ＞本部校內(nèi)路面 ＞北校區(qū)校內(nèi)路面。舍棄初期徑流雨水進(jìn)行綜合評價(jià),天然降水及屋面徑流的水質(zhì)較好,基本能達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);而機(jī)動(dòng)車路面徑流的污染較為嚴(yán)重,超過了地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)闉r青混凝土路面材質(zhì)釋出污染物多,且路面車輛、行人等交通量大,廢氣、揚(yáng)塵等污染物多,積塵量大,導(dǎo)致其徑流水質(zhì)污染嚴(yán)重。瀝青混凝土路面材質(zhì)及性質(zhì)決定其徑流水質(zhì)污染最重。因此,路面、屋面環(huán)保材料的使用,可減輕徑流污染,改善水環(huán)境。

2.2.2 初期徑流水質(zhì)特性 初期徑流污染嚴(yán)重,其有機(jī)污染及懸浮固體污染嚴(yán)重,它是水環(huán)境面源污染的主要污染源,隨著降雨歷時(shí)的延長,污染物濃度呈波浪型鋸齒狀下降趨勢,并最終趨于穩(wěn)定。初始濃度和達(dá)到穩(wěn)定值的濃度取決于匯水面積性質(zhì)、降雨量、降雨強(qiáng)度、大氣污染狀況、地表清掃狀況、降雨間隔時(shí)間等多種因素。一般來說,相鄰兩場降雨的間隔時(shí)間越長 ,則累積的污染物量越大;降雨強(qiáng)度增大,則雨水對地面的沖刷能力增強(qiáng);地表污染程度也與烏魯木齊市道路路面的雨水設(shè)施不完善,使得地下管網(wǎng)中的污水涌入地面造成路面上的COD和SS值很高。因此,可通過加強(qiáng)路面環(huán)境衛(wèi)生管理和清掃以及對雨水徑流進(jìn)行截流、沉淀和過濾來有效控制污染物總量。末期的路面徑流水質(zhì)和屋面徑流的相差不多,但路面徑流的 電導(dǎo)率、氨氮濃度有時(shí)卻隨降雨的進(jìn)行而增加,這是由于降水不均勻等因素所致。雨天時(shí)交通活動(dòng)并未停止,隨時(shí)都有污染物輸入,尤其是當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí),污染物的累積現(xiàn)象將更加明顯。

圖2 不同下墊面徑流COD和SS隨時(shí)間變化曲線

圖3 不同下墊面徑流電導(dǎo)率和氨氮隨時(shí)間變化

2.2.3 地理位置因素對徑流水質(zhì)的影響 上述監(jiān)測結(jié)果可知,其它條件相同時(shí)位于人口密集和機(jī)動(dòng)車流量大的市中心即新疆大學(xué)北校區(qū)校外路面水質(zhì)最差,而相對而言機(jī)動(dòng)車流量少的校內(nèi)路面水質(zhì)污染較輕。這表明地理位置及地區(qū)的氣候條件、空氣質(zhì)量、環(huán)境衛(wèi)生條件等也是很重要的徑流水質(zhì)影響因素。

2.3 污染物濃度相關(guān)性分析

對屋面、路面徑流污染物濃度進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn):2種下墊面徑流水質(zhì)指標(biāo)之間進(jìn)行了相關(guān)關(guān)系分析,得出COD與其它各指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性,特別是COD與SS間的相關(guān)性較高。相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.98以上。

3 雨水資源化利用途徑探討

現(xiàn)代城市雨水利用是一種新型的多目標(biāo)綜合性技術(shù),并將雨水利用與城市環(huán)境和生態(tài)建設(shè)緊密結(jié)合起來?？蓪?shí)現(xiàn)節(jié)水、水資源涵養(yǎng)與保護(hù)、控制城市水土流失和水澇、減輕城市排水和處理系統(tǒng)的負(fù)荷、減少水污染和改善城市生態(tài)環(huán)境等目標(biāo)。

根據(jù)用途不同,雨水利用可以分為直接利用、間接利用和綜合利用等幾類。根據(jù)烏魯木齊市降雨量全年分布不均,多以中到大雨形式集中在6-9月,蒸發(fā)和徑流量大、地下水長期過量開采的區(qū)域特點(diǎn),雨水利用應(yīng)首先考慮補(bǔ)充地下水、涵養(yǎng)地表水、綠化、沖洗道路、停車場、洗車、景觀用水和建筑工地等雜用水;有條件時(shí)還可作為洗衣、冷卻循環(huán)、沖廁和消防的補(bǔ)充水源。由于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備在一年中的大部分時(shí)間里閑置,故直接利用往往不能作為唯一的水源滿足要求,一般可以與其它水源結(jié)合起來互為備用。

3.1 雨水集蓄利用

3.1.1 屋面雨水集蓄利用系統(tǒng) 利用屋頂做集雨面的雨水集蓄利用系統(tǒng)主要用于家庭、公共和工業(yè)等方面,如澆灌、沖廁、洗衣、冷卻循環(huán)等中水系統(tǒng)?？僧a(chǎn)生節(jié)約飲用水,減輕城市排水和處理系統(tǒng)的負(fù)荷,減少污染物排放量和改善生態(tài)環(huán)境等多種效益。該系統(tǒng)又可分為單體建筑物分散式系統(tǒng)和建筑群集中式系統(tǒng)。由雨水匯集區(qū)、輸水管系、截污裝置、儲(chǔ)存、凈化和配水等幾部分組成。有時(shí)還設(shè)滲透設(shè)施與貯水池溢流管相連,使超過儲(chǔ)存容量的部分溢流雨水滲透。

3.1.2 園區(qū)雨水集蓄利用系統(tǒng) 在新建生活小區(qū)、公園或環(huán)境條件較好的城市園區(qū),可將區(qū)內(nèi)屋面、綠地和路面的雨水徑流收集、凈化并利用,達(dá)到顯著削減城市暴雨徑流量和非點(diǎn)源污染物排放量、優(yōu)化小區(qū)水系統(tǒng)、減少水澇和改善環(huán)境等效果。

圖4 COD與SS的關(guān)系

3.2 雨水滲透

采用各種雨水滲透設(shè)施,集中式和分散式,如綠地滲透、透水地面、滲透井、滲透溝、滲透池(坑)、或深井回灌,補(bǔ)充涵養(yǎng)地下水資源、減小地下水漏斗面積、緩解地面沉降、減少水澇等。這是一種間接的雨水利用技術(shù)。分散式滲透可應(yīng)用于生活小區(qū)、公園、道路和廠區(qū)等,規(guī)模大小因地制宜,設(shè)施簡單,充分利用表層植被和土壤的凈化功能減少徑流帶入水體的污染物。集中式可直接向地下深層回灌雨水,但對地下水位、雨水水質(zhì)有更高的要求。滲透地面可分為天然和人工滲透地面兩大類,前者以綠地這種天然的滲透設(shè)施為主,關(guān)鍵是提高城市綠化率,2006年烏魯木齊市建成區(qū)綠地覆蓋率已達(dá)到21.21%。人造透水地面是指在城區(qū)停車場、步行道、廣場等鋪設(shè)的各種人工透水性地面,如多孔的嵌草磚、碎石地面、透水性混凝土路面等。滲透管溝是埋設(shè)于地下的多孔管材,管材四周填充粒徑20～30 mm的碎石或其它多孔材料,雨水通過管材向四周土壤層滲透。滲透井有深井和淺井兩類,深井適用水量大而集中,水質(zhì)好的情況。城區(qū)一般宜采用后者。其井壁做成透水的,在井底和四周鋪設(shè)碎石,雨水通過井壁、井底向四周滲透,適用于擁擠的城區(qū)或地面和地下可利用空間小、表層土壤滲透性差而下層土壤滲透性好等場合。滲透池(塘)面積大,能提供較大的滲水和儲(chǔ)水容量,凈化能力強(qiáng),對水質(zhì)和預(yù)處理要求低,管理方便。具有滲透、調(diào)節(jié)、凈化、改善景觀等多重功能,適合在新建生態(tài)小區(qū)里應(yīng)用。也可根據(jù)具體條件將各種滲透裝置組合為一個(gè)綜合滲透系統(tǒng)。

3.3 生態(tài)住宅小區(qū)雨水綜合利用系統(tǒng)

目前,烏魯木齊市在建設(shè)生態(tài)住宅小區(qū)時(shí),可綜合利用雨水,根據(jù)生態(tài)學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)原理,通過人工凈化和自然凈化的結(jié)合,雨水集蓄利用、滲透與園藝水景觀相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)建筑、園林、景觀和水系的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一,人與自然和諧共存。生態(tài)住宅小區(qū)雨水綜合利用系統(tǒng)一般包括屋頂綠化、水景、滲透、雨水回用、收集與排放系統(tǒng)等。建筑物的屋頂建雨水收集系統(tǒng);溢流雨水、綠地和步行道匯集的雨水進(jìn)入一個(gè)用砂和碎石鋪設(shè)的、種有多種植物的自然水道,之后進(jìn)入有多種水生植物的水塘,同時(shí)利用太陽能和風(fēng)能使雨水在水道和水塘間循環(huán),連續(xù)凈化,形成植物魚類等生物共存的生態(tài)系統(tǒng),整個(gè)小區(qū)基本實(shí)現(xiàn)雨水零排放。

3.4 雨污分流

雨污分流重點(diǎn)是雨水的利用,由于烏魯木齊市城市的迅速發(fā)展,地面硬化率大大提高,使得雨水對地下水的補(bǔ)充被阻隔;雨水在地面匯集,大量集中在機(jī)動(dòng)車道和人行道上,引起交通堵塞;雨水從地面流失或被蒸發(fā),使城市揚(yáng)塵污染加重。因此提出道路雨水利用改進(jìn)措施是很有必要的。合流后的排水系統(tǒng)將其和污水一同排放,使較清潔的雨水白白浪費(fèi)和流失。分流后的雨水經(jīng)排水道排至需要景觀用水的集中用水點(diǎn),如人工湖、貯水池等,補(bǔ)充生態(tài)用水,用于維持和改善城市的水環(huán)境。如果我們利用雨水沖洗廁所、地面,澆灌花草、樹木,既能節(jié)約水資源又能使暴雨被分散利用,雨洪天氣行路難,水進(jìn)居室民屋、雨水污染城市水體的問題可以基本解決,這是造福子孫的福利工程。

3.5 引雨濟(jì)濕工程

在烏魯木齊市一帶有不少老河道(河床)、輸水干渠,如:頭屯河、水磨河、和平渠、硫磺溝、堿泉溝等,可將這些河道(溝)、渠道周邊地段的雨水(雨洪)有意識(shí)、有目的地引進(jìn)河道(溝)、渠道中去,然后向下游排放,至下游濕地,恢復(fù)原有的生態(tài)環(huán)境。如青格達(dá)湖、猛進(jìn)水庫一帶。

3.6 利用經(jīng)濟(jì)手段推廣雨水技術(shù)

城區(qū)雨水利用既有直接的經(jīng)濟(jì)效益又有間接廣泛的環(huán)境與社會(huì)效益。公共設(shè)施或場所的雨水利用工程屬公用事業(yè),需要政府投資,需要研究資金的來源與使用問題以及如何適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律,逐步納入合理的總體收費(fèi)與管理計(jì)劃。但對一些小范圍、小規(guī)模的雨水利用設(shè)施,如賓館飯店的中水系統(tǒng),工廠企業(yè)、居民的雨水利用設(shè)施和房地產(chǎn)開發(fā)商的小區(qū)內(nèi)的雨水利用設(shè)施等,都屬于企業(yè)、商業(yè)行為或私有投入問題,企業(yè)微觀經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的宏觀經(jīng)濟(jì)矛盾難以避免。除了嚴(yán)格的法規(guī)與行政手段外,應(yīng)通過適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)杠桿作用來調(diào)和這種矛盾,它直接關(guān)系到雨水利用技術(shù)的推廣和效益。比如通過業(yè)主適當(dāng)?shù)氖召M(fèi)、減稅或國家的補(bǔ)助金等手段來鼓勵(lì)這類有利于社會(huì)的項(xiàng)目。

4 結(jié) 論

近年來隨著生產(chǎn)生活水平的提高,煤、油、燃?xì)獾饶茉聪募ぴ?廢氣、粉塵等排放的增加造成了嚴(yán)重的大氣污染。雨水在降落過程中對大氣起到淋洗的作用,空氣中的粉塵顆粒物、可溶性的有害氣體就隨著雨水降落至地面,對本來水質(zhì)較好的雨水造成污染。雨水徑流水質(zhì)受匯水面性質(zhì)影響而呈現(xiàn)出不同的變化。屋面污染物主要為大氣干沉降物和屋面材料的分解產(chǎn)物,瀝青油氈屋面是一種主要的污染源。路面污染狀況是道路雨水污染的決定性因素,水質(zhì)比屋面雨水更復(fù)雜,隨機(jī)性更大,因此各匯水面上的污染物的產(chǎn)生具有不確定性。

(1)屋面、道路徑流污染較為嚴(yán)重,主要污染物為COD、SS、氨氮等,平均含量均超過地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn),路面COD、SS污染最嚴(yán)重。

(2)屋面、道路兩種下墊面徑流 SS含量與COD、氨氮、電導(dǎo)率之間有較好的相關(guān)性,特別是COD與SS間的相關(guān)性較高。相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98以上,因此可以通過城市下墊面的清潔除去大部分的污染物質(zhì)。

總而言之,烏魯木齊市城區(qū)雨水資源化利用對改善城市環(huán)境,保持良好的水循環(huán)系統(tǒng)及生態(tài)平衡,將具有重要意義。

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