人工降雨下三種屋面徑流過(guò)程環(huán)境質(zhì)量比較

葉建軍，肖衡林，高林霞，徐維生，王紅英，萬(wàn) 娟

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

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人工降雨下三種屋面徑流過(guò)程環(huán)境質(zhì)量比較

葉建軍，肖衡林，高林霞，徐維生，王紅英，萬(wàn) 娟

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068)

采用3個(gè)木箱模擬構(gòu)建了3種常見(jiàn)屋面，并采用人工降雨試驗(yàn)手段，兩次觀測(cè)了屋面徑流過(guò)程和污染物含量的變化。結(jié)果表明：①彩鋼屋面和普通屋面徑流過(guò)程形相似且與綠化屋面相差很大；綠化屋面徑流開(kāi)始時(shí)間更晚，徑流延時(shí)更長(zhǎng)，徑流總量更小，徑流洪峰更低。②綠化屋面徑流COD、BOD5、DOC、TN和TP的含量和DOC、TN、TP和Cd總量高于彩鋼屋面和普通屋面徑流；除了Cd，彩鋼屋面徑流Pb、Cu、Zn、Cr、Cu含量都比普通屋面徑流高。③彩鋼屋面和普通屋面徑流多數(shù)污染物含量隨著徑流過(guò)程有減少趨勢(shì)，綠化屋面徑流污染物含量隨徑流過(guò)程變化規(guī)律不明顯。④三種屋面徑流TP、Cd和Pb含量超過(guò)了GB3838-2002規(guī)定Ⅳ類(lèi)水域含量指標(biāo)。研究說(shuō)明彩鋼屋面徑流重金屬污染較嚴(yán)重，綠化屋面徑流有機(jī)污染較嚴(yán)重；三種屋面的徑流都受到了污染，不能直接排放或利用。

屋面徑流；徑流過(guò)程；污染；環(huán)境質(zhì)量

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)城市普遍面臨內(nèi)澇威脅。在暴雨來(lái)臨時(shí)，屋面與路面等不透水面上的徑流不能就地入滲，而是迅速形成洪峰，當(dāng)洪峰超過(guò)城市排水系統(tǒng)的排水能力后，內(nèi)澇就發(fā)生了[1]。城市頻繁的內(nèi)澇對(duì)城市居民造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。

普通的城市洪水管理措施有擴(kuò)建排水設(shè)施、修建儲(chǔ)水池(罐)并收集或截留雨水徑流和將不透水路面改造成透水路面等。將屋面徑流收集儲(chǔ)存或用于園林綠化灌溉，或者在小區(qū)草地就近入滲補(bǔ)充地下水，對(duì)減輕城市內(nèi)澇災(zāi)害，改善城市水環(huán)境有重要作用[2]。

不管收集利用屋面徑流，還是讓屋面徑流排放到天然河湖中去，屋面徑流的環(huán)境質(zhì)量都應(yīng)該給予足夠關(guān)注。一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)屋面徑流中有重金屬污染物[3]、PAHs污染物[4]、農(nóng)藥[5]和除草劑[6]，表明屋面利用屋面徑流前需要查清屋面徑流的污染情況。

已有的研究多是國(guó)外開(kāi)展的，取得的規(guī)律不一定適用于國(guó)內(nèi)。絕大多數(shù)研究單獨(dú)研究徑流水質(zhì)或水量；且對(duì)徑流取樣時(shí)，一次降雨只取一個(gè)樣。這種水質(zhì)和水量分開(kāi)研究、忽略徑流的水質(zhì)隨徑流過(guò)程的變化的研究思路，得到的規(guī)律不完整，不利于科學(xué)指導(dǎo)屋面徑流的收集、處理和回用。

為解決以上問(wèn)題，本研究使用木箱模擬構(gòu)建3種不同類(lèi)型的屋面，采用人工降雨試驗(yàn)手段，相隔12月2次測(cè)量3種屋面的徑流過(guò)程和徑流污染物含量，以探明徑流水質(zhì)隨徑流過(guò)程變化規(guī)律和受污染程度。

2 材料與方法

2.1 種植箱模擬三種屋面

3種屋面使用3個(gè)尺寸一致的無(wú)蓋木箱模擬。木箱凈尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1.0 m×0.5 m×0. 35 m，底板靠近擋板處的中間部位有?20 mm 的排水孔。考慮到絕大多數(shù)普通屋面(含使用了防水卷材屋面)的面層是砂漿或細(xì)石混凝土，模擬普通屋面的木箱(編號(hào)1#)底板表面鋪設(shè)一層厚度10 mm細(xì)沙水泥砂漿，灰砂比為1∶2.0，水泥標(biāo)號(hào)32.5。模擬彩鋼屋面的木箱(編號(hào)2#)中放置一塊面積為1.0×0.5 m2型號(hào)為YX25-205-820壓型板(湖北恒信銘揚(yáng)置業(yè)集團(tuán)有限公司生產(chǎn))。模擬綠化屋面的木箱(編號(hào)3#)內(nèi)自下而上依次鋪設(shè)一層0.08 mm厚聚乙烯薄膜，型號(hào)為26蓄排水板(上海綠旺塑料制品有限公司)；100 g/m2無(wú)紡布；4 cm厚種植基材。種植基材配方(體積比)：碎磚45%，碎混凝土7%，河砂30%，泥炭土8%，表土10%。每升基材添加奧綠R長(zhǎng)效控釋肥7 g。經(jīng)檢測(cè)，種植基材中粗顆粒的粒徑范圍為1～10 mm，干密度1.28 g/cm3，飽和含水量29%，孔隙率48%。種植基材氮磷、主要重金屬含量見(jiàn)表1。

表1 種植基材重金屬、氮磷含量 mg/kg

上述木箱在2015年3月11日制作并以2%的坡度放置。同時(shí)在3#木箱中均勻栽種60株佛甲草。種植箱如圖1所示。

圖1 種植箱照片(攝于2016年3月15日)

2.2 人工降雨徑流觀測(cè)

分別于2015年3月11日、2016年3月16日對(duì)3個(gè)木箱進(jìn)行2次人工降雨試驗(yàn)。人工降雨試驗(yàn)裝置如圖2所示。為了使兩次試驗(yàn)的結(jié)果具有可比性，試驗(yàn)用哇哈哈純凈水，采用形同的降雨強(qiáng)度，即每次噴水8 L,噴水時(shí)長(zhǎng)6.2 min。

圖2 人工降雨、徑流收集試驗(yàn)裝置示意

記錄噴頭噴水開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間；木箱徑流產(chǎn)生、結(jié)束時(shí)間。通過(guò)控制水龍頭開(kāi)關(guān)，每隔5 min移走有水的取樣塑料瓶測(cè)量水量。由于1#、2#和3#木箱徑流延時(shí)相差很大，對(duì)每一個(gè)木箱徑流過(guò)程取三個(gè)水樣測(cè)試水質(zhì)，即前2個(gè)5 min水樣和10 min后所有徑流合并后取一個(gè)水樣測(cè)試水質(zhì)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，取樣測(cè)試自來(lái)水水質(zhì)。

2.3 基材及水樣分析

水樣中的重金屬元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni用原子吸收法測(cè)定。水樣總氮含量采用過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定，總磷含量采用過(guò)硫酸鉀-鉬銻抗分光光度法測(cè)定。用BPH-220型pH值測(cè)試儀測(cè)量pH值。用CODMn法(以O(shè)2計(jì))測(cè)試雨水和徑流水樣的 COD，用培養(yǎng)法測(cè)試 BOD5；用Apollo 9000燃燒分析儀分析DOC含量；總氮(TN)含量采用過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法測(cè)定，總磷(TP)含量采用過(guò)硫酸鉀-鉬銻抗分光光度法測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)期間降雨情況

從2015年3月1日至2016年3月31日共有157 d降雨，期間降雨總量為1424.4 mm，最大降雨量為78.1 mm日(6月7日)；6月降雨量最大，為306.5 mm；12月降雨量最小，為21 mm(數(shù)據(jù)來(lái)自距離試驗(yàn)場(chǎng)地1 km的湖北農(nóng)科院小型氣象站)。

3.2 徑流過(guò)程

由于兩次試驗(yàn)中，每木箱徑流過(guò)程相差很小，對(duì)兩次試驗(yàn)中同時(shí)段的徑流量取平均值，得到3個(gè)木箱徑流過(guò)程如表2所示。可以看出，1#箱和2#箱的徑流過(guò)程相差很小，2#號(hào)的徑流過(guò)程開(kāi)始時(shí)徑流量更大一些，徑流結(jié)束時(shí)間更早。1#和2#箱的徑流過(guò)程顯著不同于3#箱，表現(xiàn)在徑流開(kāi)始時(shí)間早，最大5 min徑流量和前30分徑流量和總凈流量都遠(yuǎn)大于3#箱，而徑流總延時(shí)卻遠(yuǎn)小于3#箱。3#箱平均截留雨水超過(guò)3000 g，而1#和2#箱，只截留200 g左右雨水。

表2 三木箱人工降雨下徑流過(guò)程特征

3.3 徑流pH及氮、磷、BOD5、COD和DOC含量

三木箱在兩次人工降雨試驗(yàn)時(shí)徑流過(guò)程的pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量見(jiàn)圖3。1#、2#箱徑流pH值在第一次人工降雨試驗(yàn)時(shí)開(kāi)始2個(gè)5 min取樣低于降雨pH值，且pH值有隨徑流過(guò)程增加的趨勢(shì)?？赡苁怯捎谖菝娣e塵含有酸性物質(zhì)，在徑流開(kāi)始時(shí)積塵含量高，隨著灰塵被逐漸沖洗，pH值有所回升；1#箱模擬的是普通屋面，有水泥砂漿面層，會(huì)向徑流釋放堿性物質(zhì)(如Ca(OH)2)，所以pH值偏高。3#箱第一試驗(yàn)時(shí)徑流初期pH值含量超過(guò)降雨pH值，但第二試驗(yàn)時(shí)徑流pH值卻比降雨低。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的可能解釋是基材初期呈弱堿性；而經(jīng)過(guò)一年后，基材在酸雨和植物和微生物作用下，堿度下降。

圖3 三木箱模擬的屋面在兩次人工降雨試驗(yàn)時(shí)徑流過(guò)程pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量。

注：圖中，圖標(biāo)“1次1樣”、“1次2樣”分別表示第1次試驗(yàn)時(shí)第1、2個(gè)5 min徑流取樣，“1次3樣”表示第2次試驗(yàn)時(shí)第2個(gè)5 min以后的所有徑流量的取樣(圖4同)。圖中虛線為試驗(yàn)用人工降雨純凈水含量，點(diǎn)劃線為GB3838-2002規(guī)定Ⅳ類(lèi)水域含量指標(biāo)(圖4同)

兩次試驗(yàn)中，3#箱徑流DOC含量遠(yuǎn)高于1#、2#箱，顯示綠化屋面系統(tǒng)向徑流中釋放的可溶性碳含量高于普通屋面和彩鋼屋面。3#箱在第一試驗(yàn)時(shí)徑流DOC含量高于第二次試驗(yàn)時(shí)徑流含量，徑流DOC含量隨徑流過(guò)程變化規(guī)律不明顯。1#、2#箱徑流DOC含量高于降雨含量且含量隨徑流過(guò)程有下降趨勢(shì)，表明普通屋面和彩鋼屋面也向徑流中釋放了DOC。

兩次試驗(yàn)中，3#箱徑流TN、TP含量遠(yuǎn)高于1#、2#箱，顯示綠化屋面系統(tǒng)向徑流中釋放的氮、磷含量高于普通屋面和彩鋼屋面。3#箱在第一試驗(yàn)時(shí)徑流TN、TP含量高于第二次試驗(yàn)時(shí)徑流含量，徑流TN、TP含量隨徑流過(guò)程變化規(guī)律不明顯。1#、2#箱徑流TN、TP含量高于降雨含量且含量隨徑流過(guò)程有下降趨勢(shì)，表明普通屋面和彩鋼屋面也向徑流中釋放了氮磷。三種屋面兩次試驗(yàn)時(shí)多數(shù)徑流TP含量超過(guò)了GB3838-2002規(guī)定Ⅳ類(lèi)水域含量指標(biāo)含量(0.3 mg/L)。

兩次試驗(yàn)時(shí)，3#箱徑流COD、BOD5含量高于1#、2#箱，顯示綠化屋面系統(tǒng)向徑流中釋放的有機(jī)物濃度高于普通屋面和彩鋼屋面。3#箱在第一試驗(yàn)時(shí)徑流COD、BOD5濃度高于第二次試驗(yàn)時(shí)徑流濃度，徑流COD含量隨徑流過(guò)程有增大趨勢(shì)，但BOD5含量隨徑流過(guò)程變化規(guī)律不明顯。1#、2#箱徑流COD、BOD5含量高于降雨含量且含量隨徑流過(guò)程有下降趨勢(shì)，表明普通屋面和彩鋼屋面也向徑流中釋放了有機(jī)物。綠化屋面徑流第一次試驗(yàn)時(shí)所有取樣BOD5含量和第二次試驗(yàn)時(shí)徑流第一個(gè)5 min取樣COD含量超過(guò)了GB3838-2002規(guī)定Ⅳ類(lèi)水域含量指標(biāo)含量。

1#、2#箱徑流COD、BOD5、DOC、TN、TP含量隨徑流過(guò)程有下降趨勢(shì)，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的解釋是1#、2#箱(屋面)積塵在降雨時(shí)被沖洗并向徑流釋放有機(jī)物，在徑流開(kāi)始時(shí)灰塵含量高因而徑流污染物含量高，隨著灰塵被逐漸沖洗，徑流中灰塵含量降低，污染物含量也隨之下降。

3.4 徑流重金屬含量

三木箱在兩次人工降雨試驗(yàn)時(shí)徑流過(guò)程的6種重金屬含量見(jiàn)圖4。兩次試驗(yàn)中，1#箱徑流6種重金屬含量和2#箱徑流除Cu、Zn外4種重金屬含量隨徑流過(guò)程均有減少趨勢(shì)。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象可能的解釋是普通屋面積塵在降雨時(shí)被沖洗并向徑流釋放重金屬，在徑流開(kāi)始時(shí)灰塵含量高因而徑流重金屬含量高，隨著灰塵被逐漸沖洗，徑流中灰塵含量降低，重金屬含量也隨之下降。3#箱徑流6種重金屬含量含量隨徑流過(guò)程變化規(guī)律不明顯。

圖4 三木箱模擬的屋面在人工降雨時(shí)徑流過(guò)程6種重金屬含量

注：人工降雨使用的純凈水未檢出重金屬含量，GB3838-2002規(guī)定Ⅳ類(lèi)水域含量指標(biāo)(Zn：2.0 mg/L;Cu:1.0 mg/L，超出坐標(biāo)范圍，圖上無(wú)法標(biāo)注; Cr、Ni沒(méi)有規(guī)定)

2#箱第一次試驗(yàn)時(shí)徑流Cu和Zn含量隨徑流變化規(guī)律與其他重金屬不一致，表現(xiàn)在徑流后期的含量反而升高。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的可能解釋是彩鋼屋面材料(涂料)中含有Cu和Zn，在降雨時(shí)向徑流中釋放了Cu和Zn。

兩次試驗(yàn)中，2#箱徑流除了Cd與1#含量相近外，其他5種重金屬含量都比1#含量高。表明彩鋼屋面徑流受重金屬污染更嚴(yán)重。3#箱徑流Cd含量遠(yuǎn)高于1#和2#箱，Zn含量遠(yuǎn)高于1#箱。除了Zn和Cr，3#箱兩次試驗(yàn)中第2、3試樣重金屬含量比1#和2#箱含量高。

3.5 徑流污染物總量

三木箱在兩次試驗(yàn)時(shí)徑流污染物總量見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，兩次試驗(yàn)時(shí)2#箱徑流每種污染物的總量都高于1#箱；3#箱徑流的Pb、Cr、Cu和Ni總量低于1#箱，其他污染物總量高于1#；3#箱徑流的Pb、Cr、Cu、Zn和Ni總量低于2#箱，其他污染物總量高于2#。

表3 兩次試驗(yàn)時(shí)三木箱徑流污染物總量 mg

3#箱第一次試驗(yàn)徑流Cr、Cu、DOC、TN和TP總量都高于第二次試驗(yàn)，其他重金屬總量低于第二次試驗(yàn)；2#箱第一次試驗(yàn)徑流Cr、Cu、Zn、Ni和DOC總量都高于第二次試驗(yàn)，其他污染物總量低于第二次試驗(yàn)；1#箱第一次試驗(yàn)徑流Cr、Cu、Ni、DOC和TP總量都高于第二次試驗(yàn)，其他污染物總量低于第二次試驗(yàn)。

4 結(jié)論

通過(guò)用木箱模擬構(gòu)筑普通屋面、彩鋼屋面和綠化屋面，在相隔12個(gè)月兩次人工降雨試驗(yàn)下，測(cè)試徑流過(guò)程5 min流量和徑流過(guò)程水質(zhì)(包括Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、TP、TN、COD、pH、DOC、BOD5)，得到如下結(jié)論。

(1)綠化屋面徑流過(guò)程與普通屋面和彩鋼屋面相差很大，彩鋼屋面和普通屋面徑流過(guò)程形似。與普通屋面和彩鋼屋面相比，綠化屋面的徑流開(kāi)始時(shí)間更晚，徑流延時(shí)更長(zhǎng)，徑流總量更小，徑流洪峰更低。

(2)綠化屋面徑流有機(jī)污染物的含量高于彩鋼屋面和普通屋面徑流；有機(jī)污染物含量和Cd總量也高于彩鋼屋面和普通屋面徑流；彩鋼屋面徑流除了Cd與普通屋面徑流含量相近外，其他5種重金屬含量都比普通屋面含量高。

(3)彩鋼屋面和普通屋面徑流多數(shù)污染物含量隨著徑流過(guò)程有減少趨勢(shì)，綠化屋面徑流污染物含量隨徑流過(guò)程變化規(guī)律不明顯。綠化屋面第一次試驗(yàn)時(shí)徑流有機(jī)污染物含量和總量比第二次試驗(yàn)時(shí)高，表明徑流有機(jī)污染物含量隨著屋頂綠化齡期有減少趨勢(shì)。

(4)三種屋面的徑流TP、Cd和Pb含量超過(guò)了GB3838-2002規(guī)定Ⅳ類(lèi)水域含量指標(biāo)；三種屋面的徑流都受到了污染，不能直接排放或利用。

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Comparative Study on Environmental Quality of Runoff Processes from Three types of Roofs Under Artificial Rainfall

YE Jianjun, Xiao Henglin, Gao Linxia, Xu Weisheng, Wang Hongying, Wan Juan

(SchoolofCivilEngineering,Architectureandenvironment,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan,Hubei430068,China)

Three wooden crate were firstly created to simulate three types of popular roof tops. Then artificial rainfall was sprinkled on them, and the runoff processes from them and the pollutant contents of runoff were investigated. Results showed that : 1) the runoff processes from color steel roof were similar with those from conventional roof, but were quite different with those from green roof. Runoff from green roof initiated later, lasted longer, and had a larger volume but lower peak. 2) COD, BOD5, DOC, TN and TP concentrations and DOC, TN, TP and Cd amounts in runoff from green roof were higher than those from color steel roof and conventional roof. Except for Cd, other five heavy metals Pb, Cu, Zn, Cr and Cu concentrations in runoff from color steel roof were higher than from those from conventional roof. 3)while most pollutant contents in runoff from color steel roof and conventional roof decreased with the runoff process, the pollutant contents in runoff from green roof were not changing along with runoff process. 4) TP, Cd and Pb concentrations in runoff from the three types of roofs were all beyond the stipulated values of GB3838-2002. This study verified that runoff from color steel roof was polluted seriously by heavy metals, and runoff from green roof polluted seriously by organic pollutants. Runoff from the three types of roofs were all polluted, could not be directly discharged or used.

roof type；roof runoff；runoff process；pollution；environmental quality

2016-08-15

湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)金(編號(hào)：BSQD14047)；湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號(hào)：2014CFB584)

葉建軍(1974—)，男，副教授，博士，主要從事屋頂綠化、邊坡生態(tài)防護(hù)和綠色爆破研究。

X52

A

1674-9944(2016)18-0040-06