城市屋面徑流水質(zhì)特征及屋面材料對水質(zhì)的影響

肖敦宇 姜文超 建娜

隨著城市化推進(jìn)、人口增長、土地利用轉(zhuǎn)變、氣候變化以及污染越來越嚴(yán)重，人類對于淡水資源的需求越來越大，雨水回收利用將是解決這一問題的一個(gè)很好的途徑[1]。屋面是城市不透水面積的重要組成部分，是承接天然降雨的重要城市下墊面，所形成的屋面徑流在城市雨水徑流中占有重大比重。國外對于屋面雨水的研究主要是想通過屋面雨水的收集和利用，減少城市自來水用水量的需求，緩解未來用水對現(xiàn)有水處理設(shè)備的需求以及減小雨水徑流對城市下水道系統(tǒng)的沖擊[2]。德國、丹麥、印度、日本、澳大利亞等國家在雨水收集系統(tǒng)研制方面處于國際領(lǐng)先的水平[3]。我國對于屋面雨水徑流水質(zhì)的研究起步較晚，近年來，在北京、重慶、哈爾濱、南京等地進(jìn)行了屋面徑流的相關(guān)試驗(yàn)研究，研究目的主要是針對城市非點(diǎn)源污染的控制問題，研究內(nèi)容包括屋面徑流的初期沖刷效應(yīng)、不同屋面材料對屋面徑流水質(zhì)的影響、屋面徑流水質(zhì)特征等，國內(nèi)對于雨水的利用主要停留在道路沖洗、綠化澆灑、沖洗廁所等方面，對雨水水質(zhì)的研究尚淺。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，研究了國內(nèi)大中城市屋面徑流的水質(zhì)特征，并且分析了不同屋面材料對雨水徑流的影響，研究結(jié)果不僅能為我國方興未艾的雨水利用研究提供參考，而且對于我國的城市面源污染控制也具有重要意義。

1 屋面徑流污染特征及屋面材料的影響分析

1.1 屋面雨水徑流水質(zhì)特征

屋面雨水是否值得回收利用，回收后能做何用途，需要根據(jù)屋面徑流的水質(zhì)特征來決定。影響屋面徑流水質(zhì)的因素眾多，首先，屋面材料中的化合物會(huì)進(jìn)入到屋面雨水徑流中，由于攔截和沉積作用，鳥糞、昆蟲尸體、樹葉等有機(jī)物和大氣沉降物會(huì)對雨水徑流水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，降雨時(shí)，一些天然的酸性物質(zhì)會(huì)和雨水中其他污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多種類的污染物質(zhì)[4]；其次，由于屋面沒有樹木等周圍環(huán)境遮陰，受陽光直射面積大，加之屋面反射率低，屋面溫度會(huì)高于其他類型下墊面[5]，高溫會(huì)加速屋面材料的化學(xué)反應(yīng)和屋面沉積物的有機(jī)分解，結(jié)合屋面材料和屋面沉積物的結(jié)構(gòu)，有機(jī)分解、化學(xué)反應(yīng)及酸蝕等將會(huì)使得屋面雨水徑流水質(zhì)變得非常差。

世界各地不同地區(qū)的屋面雨水徑流水質(zhì)往往差異較大。Romon等[6]對西班牙北部地區(qū)屋面雨水水質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示該地區(qū)EC值為85.0±10.0 μS/cm，TSS濃 度 為5.98±0.95 mg/L，TOC濃 度 為11.6±1.7 mg/L。Georios和Vassilios[7]研究了希臘東北部地區(qū)的屋面雨水水質(zhì)，除了NH4-N濃度（平均濃度在1.24～3.18 mg/L之間）外，其余各項(xiàng)污染物指標(biāo)（TSS濃度≤4.2 mg/L，TP濃度平均值≤1.37 mg/L等）均可以滿足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但是生物指標(biāo)不滿足歐盟飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。而對于雨水回用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有統(tǒng)一的參考值，國外的研究，特別是北歐等屋面徑流水質(zhì)較好的地區(qū)，一般把回收雨水水質(zhì)與歐盟飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對比[6,7]，但也有的研究者通過自己的研究劃定標(biāo)準(zhǔn)值，如Davis和M cCuen[8]的研究論文中認(rèn)為TSS低于25 mg/L才適合作為飲用水水源，國內(nèi)的雨水徑流水質(zhì)的比較標(biāo)準(zhǔn)則為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）。

我國近些年來為控制城市面源污染，在一些城市進(jìn)行區(qū)域性的降雨徑流監(jiān)測，如張科峰[14]、郝麗玲[10]、李立青[13]、胡坤[17]等分別對南京、重慶、武漢、哈爾濱等城市屋面徑流進(jìn)行的降雨事件監(jiān)測研究。該類研究范圍大多局限于某一城市的某個(gè)區(qū)域，代表性不強(qiáng)；而建立全國范圍內(nèi)的統(tǒng)一監(jiān)測系統(tǒng)，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不具有當(dāng)前國內(nèi)形勢下的現(xiàn)實(shí)意義。為此，本研究收集了國內(nèi)近些年來屋面徑流水質(zhì)的研究數(shù)據(jù)（見表1），數(shù)據(jù)來源包括北京、上海、武漢、重慶、南京、?？?、哈爾濱等城市3種屋面共28項(xiàng)研究成果，通過數(shù)據(jù)分析處理，得到屋面徑流的各項(xiàng)水質(zhì)特征值。分析結(jié)果顯示，我國屋面雨水徑流水質(zhì)污染嚴(yán)重，COD濃度值范圍在32.4～341.27 mg/L之間，平均值為89.54 mg/L；TSS濃度值范圍在8.30～700.00 mg/L之間，平均值為89.46 mg/L；總氮（TN）濃度值區(qū)間為1.00～25.25 mg/L，平均值為6.80 mg/L；總磷（TP）濃度值區(qū)間為0.04～0.94 mg/L，平均值為0.21 mg/L；NH3-N濃度值區(qū)間為1.00～14.73 mg/L，平均值為3.33 mg/L。除總磷平均濃度滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，其余四項(xiàng)污染物指標(biāo)都不滿足地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 屋面徑流水質(zhì)濃度

1.2 屋面材料對降雨徑流的影響

影響屋面徑流水質(zhì)的因素很多，主要的影響因素包括屋面材料、降雨量、降雨歷時(shí)、屋面使用年限、屋面所處的功能區(qū)等，國外針對屋面徑流中污染物負(fù)荷的研究始于20世紀(jì)70年代，并且取得了較多研究成果。Mingteh Chang[23]通過對德州納卡多奇思1997～1998年間31場降雨中5種不同材料屋面降雨徑流污染物的研究發(fā)現(xiàn)，屋面雨水徑流是重要的非點(diǎn)源污染，不同的屋面材料對徑流水質(zhì)污染物的貢獻(xiàn)不同。

國內(nèi)近些年也開展了一些關(guān)于屋面材料對雨水徑流影響的研究。紀(jì)桂霞[24]通過對上海市屋面雨水水質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)屋面材料及污染狀況是導(dǎo)致瀝青油氈屋面懸浮固體及溶解性固體濃度高于瓦屋 面徑流的主要原因，屋面徑流水質(zhì)中氨氮、BOD5濃度的主要影響因素是大氣質(zhì)量；劉守成等[15]研究了南京市區(qū)不同類型屋面的水質(zhì)特征，3種屋面的SS和TP大小順序是：瓦屋面＞瀝青屋面＞混凝土屋面，COD、TN的濃度順序?yàn)椋簽r青屋面＞混凝土屋面＞瓦屋面，表明屋面徑流的水質(zhì)受屋面材料的影響較大。鑒于表1中屋面雨水徑流污染物濃度的變差系數(shù)較大，COD、TSS、TN、TP和NH3-N的變差系數(shù)分別為0.84、1.42、0.74、0.94、1.13，說明數(shù)據(jù)分散性大，將28組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照瓦屋面、瀝青屋面和水泥屋面分成3組，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對屋面材料和雨水徑流水質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行研究。

按照屋面材料分類，分別計(jì)算3種屋面材料屋面污染物濃度值的最大值、最小值、中間值、平均值以及變差系數(shù)（表2），瓦屋面、瀝青屋面和水泥屋面COD濃度值的變差系數(shù)分別為0.64、0.86、0.37，TSS濃度值的變差系數(shù)分別為1.63、0.71、0.30，TN濃度值的變差系數(shù)分別為0.31、0.66、0.47，對比表1中對應(yīng)的屋面總體污染物濃度的變差系數(shù)有明顯的降低，分組使得各組數(shù)據(jù)的離散度減小，由此可以說明屋面材料對屋面徑流污染物COD、TSS和TN有較大的影響；而瓦屋面、瀝青屋面和水泥屋面TP濃度值變差系數(shù)是0.63、0.98、1.05， NH3-N濃度值變差系數(shù)為0.95、1.05、1.51，對比表1中對應(yīng)屋面總體TP和NH3-N濃度值變差系數(shù)變化不大，分組對數(shù)據(jù)的離散度影響較小，表明屋面材料對TP和NH3-N濃度值的影響不大。

表2 不同材料屋面徑流水質(zhì)特征值

3種屋面降雨徑流污染物，COD濃度平均值瓦屋面和水泥屋面較為接近，為67.45 mg/L和66.39 mg/L，而瀝青屋面COD濃度平均值達(dá)到了119.70 mg/L；TSS濃度平均值瓦屋面最大，為140.21 mg/L，分別是瀝青屋面和水泥屋面的1.8倍和2.6倍，三者之間的大小關(guān)系與劉守成關(guān)于南京市屋面的研究結(jié)論一致；總氮濃度平均值大小順序由高到低依次為瀝青屋面、水泥屋面、瓦屋面，瀝青屋面總氮濃度平均值為10.23 mg/L，分別是水泥屋面和瓦屋面的1.9倍和2.5倍，三者之間的大小關(guān)系與劉守成的研究結(jié)論一致；3種材質(zhì)屋面總磷濃度平均值差別不大，大小順序由高到低依次是瀝青屋面、水泥屋面、瓦屋面，瀝青屋面為0.24 mg/L，水泥屋面和瓦屋面徑流水質(zhì)TP平均值分別為0.20 mg/L和0.18 mg/L，滿足地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/L）；瀝青屋面氨氮濃度平均值最大，為4.53 mg/L，分別是瓦屋面和水泥屋面的2.0倍和3.0倍（見圖1）。

1.3 對我國雨水利用的幾點(diǎn)建議

由以上分析可知，我國屋面雨水徑流污染嚴(yán)重，和國外相比，國內(nèi)雨水回收用作飲用水困難較大。因此，對我國雨水回用提出以下幾點(diǎn)建議：

圖1 不同材質(zhì)屋面降雨徑流污染物濃度值

（1）干旱缺水地區(qū)應(yīng)堅(jiān)持回收雨水徑流，簡單處理后用于綠化、洗車、沖廁等對水質(zhì)要求不高的用水需求；

（2）水資源緊缺，需要考慮凈化雨水用作飲用水的地區(qū)，應(yīng)選擇對雨水水質(zhì)影響較小的屋面材料，也可以嘗試選用金屬或者聚碳酸酯等新型屋面材料；

（3）國家要重視城市非點(diǎn)源污染的治理，加強(qiáng)管理工業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸對大氣造成的污染，只有這樣雨水資源化才能成為可能；

（4）積極開展雨水凈化相關(guān)課題的研究，爭取在初期雨水截留，雨水處理和處理水穩(wěn)定儲(chǔ)存方面取得突破性進(jìn)展。

2 結(jié)論

（1）我國大中城市屋面雨水徑流水質(zhì)COD、TSS、TN、TP及NH3-N濃度平均值分別為89.54 mg/L，89.46 mg/L，6.80 mg/L，0.21 mg/L和3.33 mg/L，除TP外均不滿足地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)污染嚴(yán)重。

（2）屋面材料對雨水徑流中COD、TSS和TN濃度值影響較大，對TP、NH3-N濃度值影響較小，總體水質(zhì)水泥屋面最好，瓦屋面其次，瀝青屋面最差。

（3）我國雨水資源化面臨雨水徑流水質(zhì)嚴(yán)重污染的問題，雨水回收利用任重而道遠(yuǎn)。

[1]C.Vialle, C.Sablayrolles, M.Lovera, et al.Monitoring of water quality from roof runoff: Interpretation using multivariate analysis[J].Water Research, 2011,45: 3765-3775.

[2]Dennis J.L.Rooftop runoff as a source of contamination: A review[J].Science of The Total Environment, 2009, 407(21): 5429-5434.

[3]Albrechtsen H.J.Microbiological investigations of rainwater and gray water collected for toilet flushing[J].Water Science Technology, 2002,46(6-7): 311-316.

[4]King, T.L.and Bedient, P.B.Effect of acid rain upon cistern water quality.In Proceedings of an International Conference on Rainwater Cistern Systems, University of Hawaii at Manoa, 198 2: 244-248.

[5]M.Chang, C.M.Crow ley.Prelim inary observations on water quality of storm runoff from four selected residential roofs[J].Water Resources Bulletin, 1993, 29: 777-783.

[6]Ramon F., Tito M.P., A lbert G., et al.Roof selection for rainwater harvesting:Quantity and quality assessments in Spain[J].Water Research,2011, 45: 3245-3254.

[7]Georgios D.G., Vassilios A.T.Assessment of water quality of first-flush roof runoff and harvested rainwater[J].Journal of Hydrology, 2012, 466:115-126.

[8]Davis, A.P., McCuen, R.H.Stormwater Management for Smart Grow th[J].Springer, 2005.

[9]王書敏.山地城市面源污染時(shí)空分布特征研究[D].博士學(xué)位論文.重慶大學(xué), 2012,4.

[10]郝麗玲.重慶城市居民區(qū)不同下墊面降雨徑流污染及其控制研究, 碩士學(xué)位論文[D].西南大學(xué), 2012, 5.

[11]高勇.山地城市居民區(qū)面源污染特征及其控制措施, 碩士學(xué)位論文[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011, 5.

[12]顏文濤, 韓易, 何強(qiáng).山地城市徑流污染特征分析[J].土木建筑與環(huán)境工程, 2011, 33(3): 136-142.

[13]李立青, 朱仁肖, 郭樹剛, 等.基于源區(qū)監(jiān)測的城市地表徑流污染物空間分異性研究[J].環(huán)境科學(xué), 2010, 31(12): 2896-2904.

[14]張科峰, 李賀, 傅大放.南京市屋面雨水徑流水質(zhì)特征研究[J].既有建筑改造技術(shù)交流研討會(huì), 2010, 398-403.

[15]劉守成, 何兆芳, 張燁, 等.屋面雨水徑流水質(zhì)特性研究[J].環(huán)境科技,2012, 25(6):28-31.

[16]車武, 劉燕, 李俊奇.國內(nèi)外城市雨水水質(zhì)及污染控制[J].給水排水,2003, 29(10): 38-42.

[17]胡坤.城市區(qū)域內(nèi)雨水水質(zhì)評價(jià)及其利用研究, 碩士學(xué)位論文[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009, 6.

[18]侯培強(qiáng), 任玉芬, 王效科, 等.北京市城市降雨徑流水質(zhì)評價(jià)研究[J].環(huán)境科學(xué), 2012, 33(1): 71-75.

[19]王婧, 荊紅衛(wèi), 王浩正, 等.北京城區(qū)降雨徑流污染特征檢測與分析[J].給水排水, 2011, 37: 135-139.

[20]李春榮, 劉坤, 林積泉, 等.?？谑谐菂^(qū)不同下墊面降雨徑流污染特征[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2013, 29(5):80-83.

[21]董欣, 杜鵬飛, 李志一, 等.城市降雨屋面路面徑流水文水質(zhì)特征研究[J].環(huán)境科學(xué), 2008, 29(3): 607-612.

[22]李賀, 張秋菊, 李田.屋面徑流污染物的出流類型與水質(zhì)特征[J].中國給水排水, 2009, 25(9): 90-93.

[23]Mingteh C.，Matthew W.M., R.S.Beasley.Roofing as a source of nonpoint water pollution [J].Journal of Environmental Management,2004, 73(4): 307-315.

[24]季桂霞, 王平香, 邱衛(wèi)國.上海市屋面雨水水質(zhì)監(jiān)測與處理利用方法研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(6): 594-598.