海綿城市建設(shè)背景下校園雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究

郝　強(qiáng)，王少坡，費(fèi)　瓊，張鵬達(dá)，于靜潔，孫力平

（天津城建大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，天津 300384）

目前，我國(guó)正在大力推進(jìn)海綿城市建設(shè)，雨水利用是海綿城市建設(shè)過程中重要的一項(xiàng)內(nèi)容[1].雨水是寶貴的淡水資源，而屋面雨水收集方便，水質(zhì)相對(duì)較好，具有很大的開發(fā)利用潛力，成為城市雨水利用的重點(diǎn)對(duì)象.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)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)包括節(jié)水、水資源涵養(yǎng)與保護(hù)、控制城市水土流失和水澇、減少水污染和改善城市生態(tài)環(huán)境等.國(guó)外對(duì)雨水利用技術(shù)的研究已經(jīng)較為成熟，例如，英國(guó)應(yīng)用各種排水設(shè)計(jì)方法研制了沃林福特模型（Wallingford procedure），美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）編制的暴雨雨水管理模型SWMM（strom water management model），這些模型可以根據(jù)使用者的要求，更為確切地模擬水文和水質(zhì)的變化過程.另外，國(guó)際上注重雨水利用領(lǐng)域的探索與研究，例如蓄水池的蓄水研究、不同水質(zhì)的處理與利用、與中水的聯(lián)合應(yīng)用[2].目前，我國(guó)許多城市編制了海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃，將有力推動(dòng)雨水的開發(fā)和利用，但開展海綿城市建設(shè)需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性研究工作，以保障海綿城市建設(shè)科學(xué)有效地進(jìn)行.

我國(guó)高校人口多，用水量大，同時(shí)很多高校的校園具有景觀湖，擁有較大的節(jié)水空間[3].校園雨水利用具有直接的經(jīng)濟(jì)效益，例如北京工業(yè)大學(xué)建立的校園雨水回收利用系統(tǒng)，既補(bǔ)充了綠地灌溉用水和人工湖汛期蓄水，同時(shí)作為中水系統(tǒng)補(bǔ)充水源，每年為學(xué)校節(jié)約用水30萬(wàn)t，取得了可觀的效果[4].校園雨水可以作為地下水補(bǔ)充水，有效改善水環(huán)境和區(qū)域生態(tài)環(huán)境[5]，并且減少雨季溢流污水，減輕了污水處理廠受到的沖擊負(fù)荷.本研究對(duì)天津城建大學(xué)的屋頂雨水和地面雨水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上分析了屋面徑流雨水水質(zhì)和地面徑流雨水水質(zhì)的變化規(guī)律和影響因素，可以為生態(tài)校園建設(shè)、校園洪澇災(zāi)害預(yù)防、校園雨水收集利用提供可靠的基礎(chǔ)支持.

1　材料與方法

1.1　雨水采樣點(diǎn)的選取

在天津市西青區(qū)津靜路26號(hào)天津城建大學(xué)校園內(nèi)設(shè)屋面雨水徑流水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)4處，分別為實(shí)驗(yàn)中心樓、圖書館、研究生宿舍與現(xiàn)代教育中心樓，這4幢樓的樓頂鋪設(shè)材質(zhì)均為瀝青材質(zhì).地面徑流雨水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均選擇在靠近學(xué)校正門主干路上的雨水收集井口處.

1.2　樣品采集

對(duì)2016年7月19日至8月1日期間的降雨進(jìn)行了取樣和測(cè)定分析.采樣過程為：每次開始形成徑流時(shí)，用容量為500 mL的聚乙烯塑料桶在雨水收集井口處收集路面上初期徑流的瞬時(shí)水樣，同時(shí)避開空調(diào)冷凝水管，收集沿室外雨水管（U-PVC材質(zhì)）流下來的屋面雨水瞬時(shí)水樣，并根據(jù)降雨強(qiáng)度，每隔一定時(shí)間同步收集屋面雨水和地面雨水，在此期間，同步記錄降雨特征，包括降雨歷時(shí)和降雨量等.

共對(duì)4場(chǎng)降雨進(jìn)行集中采樣.每次降雨均相隔12h以上，共歷時(shí)14 d.4場(chǎng)降雨的降雨強(qiáng)度大，徑流形成快，徑流量大.在每場(chǎng)降雨徑流形成之時(shí)開始采樣并計(jì)時(shí)，采樣歷時(shí)至降雨停止，且取樣均設(shè)有平行樣.

1.3　樣品測(cè)定

表1　水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法

2　結(jié)果及分析

2.1　雨水pH值隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律

水蒸氣在蒸發(fā)、冷凝和聚集的過程中溶解了大氣中的很多成分，例如硫氧化物、氮氧化物等，經(jīng)過一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)形成硫酸或硝酸氣溶膠，以酸雨的形式降落到地面，所以降雨初期雨水呈酸性[6].因?yàn)樵诠物L(fēng)時(shí)地表黏土和碳酸鹽粉塵被卷到大氣層中，在降雨初期，大氣層對(duì)流層中的顆粒物數(shù)量達(dá)到最大值，這些顆粒物進(jìn)入雨水中，可以起到中和雨水酸性的作用，所以在降雨開始的一段時(shí)間內(nèi)，雨水pH值往往上升速率較快.

屋面和地面降雨徑流中pH值隨降雨歷時(shí)的變化如圖1所示.

圖1　屋面和地面降雨徑流中pH值隨降雨歷時(shí)的變化

從圖1可以看出，屋面和地面在降雨過程中所形成的徑流雨水pH值呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì)，且均在徑流形成初期達(dá)到最小值.這是由于在降雨形成初期，大氣層對(duì)流層中的顆粒物被逐漸清理干凈，雨水pH呈現(xiàn)出最低值.

由于在降雨之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，屋頂累積了很多礦物粉塵顆粒污染物，這些顆粒污染物溶于水后呈弱堿性.隨著降雨的進(jìn)行，這些顆粒污染物被雨水沖刷，并溶解于雨水中，使雨水的pH值上升，并且礦物粉塵溶解得越快，雨水酸性越大.這些礦物粉塵顆粒污染物的溶解速率與降雨強(qiáng)度有關(guān)，此次實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)的4場(chǎng)降雨的降雨量均在45 mm以上，屬于暴雨，屋面和地面的徑流形成快，徑流量大.顆粒污染物在所形成的徑流雨水中不斷溶解，雨水pH值緩慢變大.

交通狀況是屋頂和地面徑流水質(zhì)的重要影響因素.交通狀況決定了地面有機(jī)污染物的數(shù)量和雨水徑流中固體懸浮物質(zhì)的濃度.區(qū)域車流量越大，所引起的初期降雨徑流水質(zhì)污染程度越大，這是由于汽車尾氣是空氣污染的因素，汽車尾氣中含有一氧化碳、氧化氮以及能夠產(chǎn)生污染的其他一些固體顆粒[7]，這些顆粒物會(huì)降落到屋頂和地面上.

2.2　降雨徑流中水質(zhì)感官指標(biāo)的變化規(guī)律

屋面和地面降雨徑流中SS隨降雨歷時(shí)的變化如圖2所示，屋面和地面降雨徑流中濁度隨降雨歷時(shí)的變化如圖3所示.

圖2　屋面和地面降雨徑流中SS隨降雨歷時(shí)的變化

圖3　屋面和地面降雨徑流中濁度隨降雨歷時(shí)的變化

從圖2-3可以看出，屋面和地面降雨徑流中SS和濁度均隨著降雨歷時(shí)的增長(zhǎng)而不斷下降.其中，初期雨水污染較嚴(yán)重，以屋頂為例，這是由于屋頂沉積了大量有機(jī)和無機(jī)污染物溶入雨水而導(dǎo)致的.此外，屋面防水材料的溶出物經(jīng)雨水沖刷后也溶入徑流，所以降雨初期的污染物濃度比降雨后期的污染物濃度要高，這就是通常所說的初期淋洗效應(yīng)[8].在降雨后期，地面徑流中濁度比屋面高，主要的原因是地面受人流量和車流量的影響，污染物負(fù)荷較大.

2.3　降雨徑流中總氮和總磷的變化規(guī)律

屋面和地面降雨徑流中TN和TP隨降雨歷時(shí)的變化如圖4所示.

圖4　屋面和地面降雨徑流中TN和TP隨降雨歷時(shí)的變化

圖5　屋面和地面降雨徑流中CODCr隨降雨歷時(shí)的變化

從圖4可以看出，TN和TP濃度在屋面和地面徑流中均隨降雨歷時(shí)的增加而逐漸減小，其變化趨勢(shì)與徑流中溶解的污染物濃度有直接關(guān)系，這是因?yàn)樵诮涤曛?，污染物的累積量不同.地面的污染物來源廣，通常有金屬、溶解態(tài)或顆粒態(tài)的固體物質(zhì)和有機(jī)物等[9].

本研究同步檢測(cè)了校園屋面和地面徑流雨水中NO3--N，NO2--N，NH4+-N，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TN 在雨水中主要是以NO3--N和NH4+-N的形式存在，TN濃度與夏天的雷雨天氣有著一定的關(guān)系，閃電會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，從而造成雨水TN濃度的增加[10]，這也是初期雨水中TN濃度較高的原因.TN最大值9.451 mg/L，NH4+-N最大值4.177 mg/L，分別超出GB3838—2002《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的4.73倍和2.09倍（氮的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)值為2.0 mg/L）.

有研究表明，磷沉降以干沉降為主，這也說明降塵是TP吸附的主要載體[11]，這也是TP濃度的變化趨勢(shì)與溶解污染物有著直接關(guān)系的原因所在.TP的濃度較低，符合GB3838—2002《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類或Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).

2.4　降雨徑流中CODCr濃度隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律

屋面和地面降雨徑流中CODCr隨降雨歷時(shí)的變化如圖5所示.

由圖5可以看出，降雨所形成的屋面徑流和地面徑流中，CODCr隨降雨歷時(shí)逐漸降低，并最后趨于穩(wěn)定.在第一場(chǎng)降雨中，屋面徑流和地面徑流中CODCr最大濃度均出現(xiàn)在各自徑流所形成的開始階段，并且在15 min內(nèi)急劇降低.由此可見，在降雨之前，無論是監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的屋頂還是地面，均聚集了較多的耗氧物質(zhì)和有機(jī)污染物.由于這4場(chǎng)降雨間隔時(shí)間較短，且每場(chǎng)降雨的降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨量接近，所以CODCr隨降雨歷時(shí)變化的曲線也具有相同的趨勢(shì).

3　SS與其他指標(biāo)的關(guān)系

國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果顯示：降雨的部分指標(biāo)與SS之間存在著很好的相關(guān)性.美國(guó)密執(zhí)安州東南區(qū)對(duì)該區(qū)降雨所形成的地表徑流進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)[12]，得出了TN與SS之間存在著良好的相關(guān)性的結(jié)論；張亞東等[13]檢測(cè)并分析了北京城區(qū)的道路雨水水質(zhì)指標(biāo)，指出COD與SS之間具有良好的相關(guān)性；趙劍強(qiáng)等[14]針對(duì)不同地區(qū)分析了道路徑流雨水的水質(zhì)特征和排污規(guī)律，指出TN和TP與SS之間均存在著一定的相關(guān)性.

3.1　SS與濁度的相關(guān)性

屋面和地面降雨徑流中SS與濁度的相關(guān)性曲線如圖6所示.

圖6　屋面和地面降雨徑流中SS與濁度的相關(guān)性曲線

如圖6所示：4場(chǎng)降雨中，屋面徑流雨水中SS與濁度的相關(guān)系數(shù)分別為 0.899 6，0.794 6，0.756 0，0.907 3；地面徑流雨水中SS與濁度的相關(guān)系數(shù)分別為0.9726，0.970 8，0.984 7，0.983 8.從以上數(shù)據(jù)可以看出，第三場(chǎng)降雨所形成的屋面徑流雨水中SS與濁度的相關(guān)性一般，第一和第四場(chǎng)降雨中相關(guān)性較好，而4場(chǎng)降雨所形成的地面徑流雨水中SS與濁度之間具有明顯的相關(guān)性.總體來說，降雨徑流雨水水質(zhì)指標(biāo)中，SS與濁度之間存在著良好的線性關(guān)系.

3.2　SS與TN的相關(guān)性

屋面和地面降雨徑流中SS與TN的相關(guān)性曲線如圖7所示.

由圖7可以看出：屋面降雨徑流中SS與TN的相關(guān)系數(shù)在4場(chǎng)降雨中分別是0.915 8，0.959 7，0.985 3，0.997 6；地面降雨徑流中SS與TN的相關(guān)系數(shù)在4場(chǎng)降雨中分別是 0.956 3，0.921 0，0.938 7，0.959 8.很顯然，在降雨徑流雨水水質(zhì)指標(biāo)中，SS與TN之間存在著很好的線性關(guān)系.

3.3　SS與TP的相關(guān)性

屋面和地面降雨徑流中SS與TP的相關(guān)性曲線如圖8所示.

圖7　屋面和地面降雨徑流中SS與TN的相關(guān)性曲線

圖8　屋面和地面降雨徑流中SS與TP的相關(guān)性曲線

由圖8可以看出：4場(chǎng)降雨中，屋面徑流雨水中SS與TP的相關(guān)系數(shù)分別為0.781 2，0.859 0，0.685 2，0.968 9；地面徑流雨水中SS與TP的相關(guān)系數(shù)分別為0.828 4，0.877 6，0.967 8，0.791 8.從以上數(shù)據(jù)中可以看出，第三場(chǎng)降雨形成的屋面徑流雨水中SS與TP的相關(guān)性較低，第二和第四場(chǎng)降雨中相關(guān)性較好，而4場(chǎng)降雨所形成的地面徑流雨水中SS與TP之間具有明顯的相關(guān)性，總體來說，降雨徑流雨水水質(zhì)指標(biāo)中，SS與濁度之間存在著良好的線性關(guān)系.

3.4　SS與CODCr的相關(guān)性

屋面和地面降雨徑流中SS與CODCr的相關(guān)性曲線如圖9所示.

圖9　屋面和地面降雨徑流中SS與CODCr的相關(guān)性曲線

由圖9可以看出：屋面降雨徑流中SS與CODCr的相關(guān)系數(shù)在4場(chǎng)降雨中分別是0.924 9，0.939 3，0.803 3，0.982 9；地面降雨徑流中SS與CODCr的相關(guān)系數(shù)在4場(chǎng)降雨中分別是 0.828 8，0.635 2，0.807 1，0.942 3，第三場(chǎng)降雨所形成的屋面徑流雨水中SS與CODCr的相關(guān)性一般，而第二場(chǎng)降雨所形成的地面徑流雨水中SS與CODCr的相關(guān)性較差.總體來說，降雨徑流雨水水質(zhì)指標(biāo)中，SS與CODCr之間存在著良好的線性關(guān)系.

4　校園雨水利用的可能性

校園雨水收集后可作為學(xué)校生活雜用用水，包括路面清洗、綠地澆灌、景觀用水補(bǔ)充、洗車、沖廁等.天津雨季降水充沛，校園的雨水水質(zhì)較好，且下墊面良好，因此雨水的收集利用是完全可行的，并且景觀湖是一種有效的雨水調(diào)蓄設(shè)施，通過合理的設(shè)計(jì)后可實(shí)現(xiàn)凈化雨水的功能[15].根據(jù)GB/T18920—2002《城市污水再生利用——景觀環(huán)境用水水質(zhì)》規(guī)定，景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)指標(biāo)列于表2中.

實(shí)際測(cè)得的校園屋面雨水在降雨后期，即在降雨開始90 min以后，pH在7～8之間，SS質(zhì)量濃度小于20 mg/L，濁度小于10 NTU，DO大于4 mg/L，TN質(zhì)量濃度小于6 mg/L，TP質(zhì)量濃度小于0.1 mg/L，NO3--N質(zhì)量濃度小于4 mg/L，由此可見，校園屋面雨水在降雨后期的水質(zhì)較好，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理可作為學(xué)校景觀用水；對(duì)于降雨初期的雨水需進(jìn)行棄流處理，以減輕后續(xù)處理的負(fù)荷，對(duì)于地面雨水需進(jìn)行截留凈化處理或者直接排入市政污水官網(wǎng).

表2　景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)指標(biāo)　mg/L

5　結(jié)論

（1）無論是屋頂徑流，還是地面徑流，水質(zhì)指標(biāo)均呈現(xiàn)出在降雨初期數(shù)值急劇增大的情況.暴雨所形成的屋面和地面徑流中，pH隨降雨歷時(shí)增加呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)，SS和濁度呈現(xiàn)出一個(gè)遞減的趨勢(shì)，越到降雨后期，其變化幅度越小；在降雨的同一時(shí)刻，地面徑流中SS濃度和濁度比屋面徑流中的高；屋面和地面徑流中總氮和總磷的含量較低，隨著降雨歷時(shí)的增加其含量逐漸減??；COD濃度隨著降雨歷時(shí)的增加逐漸降低.

（2）雨水指標(biāo)中的SS與pH、濁度、TN、TP和COD之間的相關(guān)系數(shù)較高，相關(guān)性較好，因此可以通過檢測(cè)SS濃度來表征雨水的污染情況.在雨水的處理回用過程中，可以優(yōu)先選擇能夠有效降低SS的方法.

（3）校園屋面雨水在降雨后期的水質(zhì)較好，其水質(zhì)部分指標(biāo)可以達(dá)到《城市污水再生利用——城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T18920—2002》的要求，可作為校園生活雜用水使用.