天津平頂瀝青屋面徑流雨水污染特征分析

張杏娟，程 方，王秀朵

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院 a. 環(huán)境與市政市政工程系；b. 天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 總工辦公室，天津 300051)

隨著城市的發(fā)展，水資源需求與短缺的矛盾不斷增長．雨水作為一種可供利用的非常規(guī)水資源，對緩解水危機(jī)具有十分重要的意義．我國雨水資源豐富，年降水量可達(dá)6 190億m3[1]，但由于沒有健全的暴雨匯集和調(diào)蓄設(shè)施，易造成暴雨時(shí)的洪澇災(zāi)害和旱季的嚴(yán)重缺水．隨著城市化的高速發(fā)展，建筑物密集和路面硬化程度的不斷加劇，使不透水地表面積不斷擴(kuò)大，雨水資源流失量急劇增加．

天然降雨對大氣污染物產(chǎn)生淋溶作用，受到了一定污染．而城市不透水面積的不斷增加以及其面層上污染物的積累，使得天然雨水降至不透水面層后形成降雨沖刷和徑流輸移，雨水污染嚴(yán)重．城市建筑物屋面是不透水面的一個(gè)重要組成部分，如上海市城區(qū)屋面面積占整個(gè)不透水面積的 75%以上[2]，濟(jì)南市房屋面積占城市面積的67～70%[3]．與路面徑流雨水相比，屋面污染來源單一，徑流雨水相對道路、廣場等不透水面水質(zhì)較好，便于收集，它是城區(qū)雨水利用的重點(diǎn)對象[4]．建筑屋面按結(jié)構(gòu)形式分平屋面和坡屋面，對于防水等級較高的平屋面多采用瀝青或高聚物改性瀝青．在天津城區(qū)屋面防水鋪裝中平頂瀝青屋面施工較為廣泛，并且根據(jù)國內(nèi)外的屋面水質(zhì)研究分析可以看出，瀝青屋面污染嚴(yán)重．本文以天津市不同功能區(qū)(文教區(qū)和居住區(qū))的平頂瀝青屋面為研究對象，對其徑流雨水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測分析，以期掌握屋面雨水水質(zhì)特點(diǎn)及變化規(guī)律，探索其收集利用的可行性，為雨水資源化利用提供技術(shù)支持．

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域境況及采樣點(diǎn)的選擇

天津氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫12 ℃左右，年平均降雨量550～650 mm．降雨主要集中在 5月下旬至 8月下旬，占全年降雨量的70%．

文教區(qū)選擇天津市某高校實(shí)驗(yàn)樓(使用期約 30年)，居民區(qū)為某普通六層住宅樓(使用期約 10年)，建筑物屋面均為平頂瀝青，取樣位置為建筑物落雨管的出水口．

1.2 采樣方法

對2010年5月至8月期間的3次有效降雨進(jìn)行取樣和監(jiān)測分析．

采樣過程：每次當(dāng)雨水口開始出現(xiàn)水流時(shí)，開始計(jì)時(shí)，用試劑瓶(1 L)收集屋面徑流雨水的瞬時(shí)水樣，取樣過程歷經(jīng)降雨全過程；根據(jù)降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度的不同，分配不同的取樣時(shí)間間隔；取樣結(jié)束后送回實(shí)驗(yàn)室檢測．取樣過程及降雨特征見表1．

1.3 檢測分析方法

水樣監(jiān)測指標(biāo)包括pH、色度、濁度、COD、TOC、TN、TP、BOD5和重金屬(Cr6＋和 Cd)等 10項(xiàng)指標(biāo)．

表1 取樣過程的降雨特征

分析方法為：pH值采用玻璃電極法(GB6920—86)，COD為重鉻酸鉀法(GB11914—89)，TN為過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法(GB11894—89)，TP為鉬酸銨分光光度法(GB11893—89)，BOD5為稀釋接種法(HJ505—2009)，TOC采用日本TOC-VCPH型號的總有機(jī)碳測定儀監(jiān)測，溶解態(tài)重金屬采用美國 PE AA800型原子吸收光譜儀檢測．分析中所用試劑均為分析純，標(biāo)樣測定結(jié)果均在允許誤差范圍之內(nèi)．

2 結(jié)果和討論

2.1 屋面徑流水質(zhì)檢測結(jié)果

對2010年5—8月期間降雨過程中平頂瀝青屋面徑流雨水水質(zhì)進(jìn)行測定分析，結(jié)果見表2．

各種污染物的濃度分別與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)或生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對比得出其污染水平．

表2 平頂瀝青屋面徑流雨水測定結(jié)果

由表2可以看出，營養(yǎng)鹽污染物指標(biāo)中TN為主要污染物，濃度范圍為 2.781～55.01 mg/L，平均濃度為 18.082 mg/L，超出地表水環(huán)境質(zhì)量 V類標(biāo)準(zhǔn)8.041倍．

有機(jī)污染物指標(biāo)CODCr、BOD5和TOC，最高值可分別達(dá)1 632 mg/L、399.814 mg/L和665.2 mg/L，其中CODCr的平均值超出地表水環(huán)境質(zhì)量V類標(biāo)準(zhǔn)9.028倍，并且BOD5/COD的平均值為0.201，因此平頂瀝青屋面徑流雨水可生化性較低，不宜生化處理．

重金屬離子中 Cd在降雨初期存在超標(biāo)現(xiàn)象，濃度范圍為 0.004～0.019 mg/L，超出地表水 V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的0.3倍．其它各項(xiàng)重金屬離子濃度均可在降雨20 min內(nèi)達(dá)到地表水V類標(biāo)準(zhǔn)．

在3次有效降雨的全降雨歷時(shí)中，通過對平頂瀝青屋面徑流雨水的感官指標(biāo)檢測，可以看出，初期屋面雨水徑流的濁度、色度較高，初期雨水呈深棕黃色或墨綠色，隨降雨時(shí)間的延長，濁度會迅速降低，色度也隨之降低，但降低速度緩慢，在降雨末期仍呈現(xiàn)明顯的黃色或淡綠色．

2.2 屋面徑流雨水隨時(shí)間的變化特征

屋面徑流雨水的主要污染源是沉積物的累積、大氣污染以及屋面材料的老化，隨著降雨歷時(shí)的延長，在雨水沖刷的作用下，主要污染物指標(biāo)逐漸下降并趨于穩(wěn)定．以文教區(qū)監(jiān)測結(jié)果為例，在降雨過程中，屋面徑流雨水中濁度、TP、TN和COD隨降雨歷時(shí)的變化情況如圖1-4所示．

圖1 濁度隨降雨歷時(shí)的變化曲線

圖2 TP隨降雨歷時(shí)的變化曲線

圖3 TN隨降雨歷時(shí)的變化曲線

圖4 CODCr隨降雨歷時(shí)的變化曲線

由圖1-4綜合分析可知：屋面雨水在形成徑流30 min內(nèi)，雨水中各項(xiàng)指標(biāo)的濃度隨降雨歷時(shí)的曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)．因此，可以將降雨形成徑流30 min內(nèi)的雨水定為初期雨水，將降雨形成徑流30 min后的雨水定為后期雨水．

屋面徑流初期雨水中 TP污染較嚴(yán)重，在雨水沖刷作用下，TP濃度急劇下降，并在降雨100 min之內(nèi)降至地表水V類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)0.4 mg/L以下；屋面初期雨水中 TN和 COD污染非常嚴(yán)重，但隨降雨歷時(shí)TN和 COD濃度急劇下降，在降雨末期濃度趨于穩(wěn)定，但仍處于地表水V類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(TN≤2 mg/L和COD≤40 mg/L)以上．因此，屋面雨水污染嚴(yán)重，不可直接回用，必須進(jìn)行收集處理．

由圖1、圖2可以看出，6月17日的TP與濁度曲線存在很大的波動，同時(shí) TP濃度與濁度存在一定的相關(guān)性，曲線之所以出現(xiàn)波動，這與降雨強(qiáng)度的變化有關(guān)，在降雨75 min時(shí)刻出現(xiàn)強(qiáng)降雨，雨水沖刷導(dǎo)致TP濃度和濁度曲線出現(xiàn)瞬時(shí)拐點(diǎn)．

2.3 屋面徑流雨水水質(zhì)的影響因素分析

2.3.1 季節(jié)與氣溫對屋面材料的影響

季節(jié)和氣溫對瀝青屋面徑流水質(zhì)有影響，2010年5～8月期間，三場不同降雨，平頂瀝青屋面徑流雨水中CODCr最大值和最小值的比較見圖5．在同年度的降雨中，時(shí)間早的一場雨污染最為嚴(yán)重，隨著降雨次數(shù)的增加，屋面雨水的污染程度有所降低．然而夏季日光照射強(qiáng)烈，瀝青油氈屋面材料的分解明顯，多次降雨過程中，屋面雨水的污染可能會出現(xiàn)一定的波動，這與車伍等人的研究相符[5-6]．

2.3.2 降雨強(qiáng)度的影響

降雨強(qiáng)度對瀝青屋面徑流水質(zhì)有明顯影響，2010年5～8月期間，三場不同降雨強(qiáng)度的屋面雨水CODCr的削減狀況如圖6所示．降雨強(qiáng)度越大，對屋面污染物的沖刷作用越大，污染物濃度削減率越大，降低程度變化越快．

圖5 不同時(shí)期屋面徑流雨水中CODCr的最大值和最小值

圖6 不同降雨強(qiáng)度下屋面徑流雨水中CODCr濃度的削減狀況

2.3.3 使用年限和污染源的影響

文教區(qū)屋面使用達(dá) 30年，而居民區(qū)屋面使用年限為 10年，屋面材料的老化析出對雨水污染有明顯影響．

由表2可以看出，文教區(qū)屋面徑流雨水污染程度高于居民區(qū)，與道路雨水文教區(qū)明顯優(yōu)于居民區(qū)的結(jié)果相反[7]．所選文教區(qū)采樣點(diǎn)緊鄰主干公路，車輛的交通流量大；而居民區(qū)采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離公路，受汽車尾氣污染較弱，大氣環(huán)境優(yōu)于文教區(qū)．而文教區(qū)花草樹木繁茂，鳥類棲息密度高于居民區(qū)，由此導(dǎo)致屋頂生物代謝物污染程度增大，其中生物類污染是引起屋面徑流雨水中 TN、CODCr指標(biāo)較高的主要因素．由此推斷，與道路徑流相比，雖然屋面徑流的污染外源較少，但大氣的雨水淋溶和大氣降塵、生物代謝物等屋面沉積物是影響雨水污染的重要因素．

3 結(jié) 論

(1)平頂瀝青油氈屋面徑流雨水污染嚴(yán)重，主要污染物為COD、TOC、BOD5、TN、色度和濁度，其中，COD、BOD5、TOC 和 TN 濃度最高值達(dá)到 1 632、399.814 、665.2、55.01 mg/L．屋面徑流雨水 BOD5/COD平均值為0.201，水質(zhì)可生化性低．

(2)通過長時(shí)間的雨水沖刷，屋面徑流雨水污染程度會降低，部分指標(biāo)可達(dá)到地表水V類水的標(biāo)準(zhǔn)，但主要污染指標(biāo)CODCr和TN仍超出地表水V類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)．屋面雨水不可直接回用，必須進(jìn)行收集處理．

(3)通過分析可知，屋面徑流雨水污染影響因素為：生物類外源污染、屋面積塵、大氣淋溶、屋面材料老化以及降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)．

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