前期晴天數(shù)對不同材質(zhì)屋面徑流污染特征的影響*

張 昱 陳 超 王瑞梅 邱春生# 謝尚宇 祁 麗 孫力平 宋現(xiàn)財 趙樂軍

(1.天津城建大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,天津 300384;2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300142;3.華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;4.天津市市政工程設(shè)計研究院,天津 300384)

城市不透水下墊面積累的大量污染物在降雨過程中隨徑流進(jìn)入地表水,是城市水生態(tài)環(huán)境惡化的重要原因之一[1-3]。屋面作為城市不透水下墊面的重要組成部分,是承接大氣沉降與其自身表面析出的污染物的重要載體[4],[5]69,[6],因此屋面徑流是降雨徑流污染的重要來源[7-9]。

屋面徑流污染特征受大氣污染狀況、降雨特征、前期晴天數(shù)和屋面材質(zhì)等諸多因素影響[5]70,[10]724,[11],[12]38。特別是,前期晴天數(shù)與屋面沉積污染物存在較強的相關(guān)性。屋面沉積污染物主要來源于大氣沉降,并且隨著前期晴天數(shù)的增加而增加,因此前期晴天數(shù)可在一定程度上反映城市不透水下墊面的沉積污染物累積程度[13]3525。席玥等[14]研究發(fā)現(xiàn),前期晴天數(shù)越長,因大氣沉降和屋面材質(zhì)老化等過程而累積的屋面沉積污染物就越多,導(dǎo)致降雨徑流中懸浮物(SS)的濃度越高。石少山[15]研究發(fā)現(xiàn),影響污染物的場次降雨徑流平均濃度的主要因素是前期晴天數(shù)。楊龍等[16]比較了城市彩鋼屋面和油氈屋面的徑流污染特征發(fā)現(xiàn),油氈屋面的徑流污染物平均濃度大于彩鋼屋面,還發(fā)現(xiàn)徑流污染程度受到屋面材質(zhì)老化程度和結(jié)構(gòu)的影響。龍劍波等[17]比較混凝土屋面、瓦屋面和3種綠色屋頂?shù)膹搅魉|(zhì)特征發(fā)現(xiàn),前期晴天數(shù)、屋面材質(zhì)與徑流污染程度有較強的相關(guān)性。由此可見,前期晴天數(shù)和屋面材質(zhì)是影響城市屋面徑流水質(zhì)的重要因素,其中油氈、塑鋼和瓦是城市住宅區(qū)3種常見的典型屋面材質(zhì)[12]39。

本研究采用人工模擬降雨方式,考察不同前期晴天數(shù)下油氈、塑鋼和瓦3種不同材質(zhì)屋面徑流污染特征,分析前期晴天數(shù)對屋面徑流污染程度和顆粒物粒徑分布的影響,并對屋面徑流中不同污染物進(jìn)行相關(guān)性分析,以期為城市雨水面源污染控制提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗方法

油氈、塑鋼和瓦3種屋面材質(zhì)的長均為3.0 m,寬均為1.5 m,坡度均為5°。將3種屋面材質(zhì)置于相同露天環(huán)境下,設(shè)置前期晴天數(shù)分別為3、5、8、12、17 d,然后用人工降雨裝置模擬降雨,設(shè)置降雨強度為25 mm/h,降雨持續(xù)時間1 h,0～20 min內(nèi)每隔5 min取1次瞬時屋面徑流水樣,20～60 min內(nèi)每隔10 min取1次瞬時屋面徑流水樣,測定化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮和重金屬含量。同時,另一組3種屋面材質(zhì)在相同條件下達(dá)到不同前期晴天數(shù)分別為3、5、8、12、17 d時,用5 L超純水充分清洗屋面模擬降雨的全水樣,用超純水定容至5 L后測定SS的顆粒物粒徑分布。

1.2 樣品分析

全水樣預(yù)處理:3種不同材質(zhì)屋面收集的全水樣依次過孔徑300、200、100、50 μm的尼龍篩網(wǎng),然后再依次過孔徑10、0.45 μm的濾膜,用超純水清洗各篩網(wǎng)或濾膜上的顆粒物,最后定容到50 mL。

分別用重量法、哈希微回流法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法測定SS、COD、TN和TP[18]等常規(guī)水污染物,顆粒物粒徑分布用激光粒度分析儀(Mastersizer 3000,Malvern)測定。

另取20 mL瞬時屋面徑流水樣于消解管中,加入2 mL濃HNO3,微波消解后過孔徑0.45 μm的微孔濾膜,用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定Cr、Cu、Ni、Pb和Cd等重金屬污染物[19]。

污染物場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度計算方法如式(1)所示。

(1)

式中:E為污染物的場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度,mg/L;ci為第i個時間間隔內(nèi)的污染物平均質(zhì)量濃度,mg/L,以第i次測量計;Qi為第i個時間間隔內(nèi)的降雨徑流平均流量,L/min,根據(jù)降雨強度和屋面面積計算得到;Δti為第i個時間間隔,min。

2 結(jié)果與分析

2.1 前期晴天數(shù)對不同材質(zhì)屋面徑流污染的影響

2.1.1 不同材質(zhì)屋面污染物場次降雨徑流濃度

3種材質(zhì)屋面的常規(guī)水污染物場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度如表1所示。由表1可見,SS、COD、TN和TP的場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度均表現(xiàn)為油氈屋面>瓦屋面>塑鋼屋面。油氈屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度都大于其他兩種屋面,這是因為油氈多為石油副產(chǎn)物,在持續(xù)晴天的陽光照射下,其表面會析出各種污染物,而且油氈表面粗糙,孔隙較多,有利于顆粒物的累積[20]。

表1 不同材質(zhì)屋面的常規(guī)水污染物場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度Table 1 Rainfall event mean mass concentrations of conventional water pollutants from roofs of different materials mg/L

3種材質(zhì)屋面的重金屬污染物場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度如表2所示。由表2可見,3種材質(zhì)屋面徑流重金屬濃度不同。塑鋼屋面Cu、Cd的場次降雨徑流平均濃度高于油氈屋面和瓦屋面,這可能與塑鋼屋面在降雨沖刷后發(fā)生銹蝕有關(guān)。瓦屋面Cr和Ni的場次降雨徑流平均濃度高于油氈屋面和塑鋼屋面。油氈屋面Pb的場次降雨徑流平均濃度最高。張科峰等[10]728的研究顯示,屋面徑流的重金屬含量一定程度上受屋面材質(zhì)及其腐蝕程度影響。由此可見,屋面材質(zhì)對污染物的濃度有較大影響[21-22]。

表2 不同材質(zhì)屋面的重金屬污染物場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度Table 2 Rainfall event mean mass concentrations of heavy metal pollutants from roofs of different materials μg/L

不同材質(zhì)屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度與前期晴天數(shù)的線性相關(guān)分析結(jié)果如圖1所示?？傮w而言,不同材質(zhì)屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度與前期晴天數(shù)呈顯著正相關(guān)(p<0.001),說明這些污染物主要來自于大氣沉降,前期晴天數(shù)是影響這些污染物在屋面累積的關(guān)鍵因素[23-25]。VERMETTE等[26]的研究也表明,降雨徑流中攜帶的污染物隨前期晴天數(shù)的增加而增加。由此可見,前期晴天數(shù)影響著地表顆粒物及各類污染物的累積,隨著前期晴天數(shù)增加,降雨徑流中污染物的濃度也隨之增加,是指示城市徑流污染物累積程度的重要水文參數(shù)。

圖1 污染物場次降雨徑流平均質(zhì)量濃度與前期晴天數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between rainfall event mean mass concentrations of pollutants and antecedent dry period

2.1.2 不同材質(zhì)屋面全水樣中顆粒物粒徑分布特征

圖2為3種材質(zhì)屋面全水樣中不同粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)隨前期晴天數(shù)變化的情況。3種材質(zhì)屋面全水樣中不同粒徑顆粒物的分布大體相似,隨著前期晴天數(shù)增加,50 μm以下的小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)明顯增加,而50 μm以上的大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)明顯減少[13]3524。相對而言,油氈屋面的變化較為平緩,而塑鋼屋面和瓦屋面變化較大,因為塑鋼屋面和瓦屋面比較平滑,降雨對其表面污染物的沖刷較為徹底,而油氈屋面表面粗糙,降雨沖刷作用受到一定的阻礙[27-28]。綜上所述,前期晴天數(shù)增加,降雨徑流中50 μm以下的小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)增大,50 μm以上的大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)減小,主要與屋面材質(zhì)和顆粒物特性有關(guān)。

圖2 3種材質(zhì)屋面全水樣中顆粒物粒徑分布隨前期晴天數(shù)的變化情況Fig.2 The variation of particle size distribution in total water samples from roofs of 3 materials with different antecedent dry period

2.2 污染物與SS的相關(guān)性分析

不同材質(zhì)屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度的Pearson相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),油氈屋面、塑鋼屋面和瓦屋面的SS與COD、TP的相關(guān)系數(shù)分別為0.856和0.896、0.765和0.952、0.833和0.861,高度相關(guān),可以認(rèn)為SS是COD和TP的重要載體[12]44,[29];SS與TN的相關(guān)性較弱,相關(guān)系數(shù)都在0.5以下,這可能與氮和磷在降雨徑流中的形態(tài)不同有關(guān)[30],因為屋面徑流中氮主要以溶解態(tài)的形式存在,而磷則是以顆粒物的形式存在[31-32]。SS與5種重金屬的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.60以上,油氈屋面的SS與Cr、Cu的相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到了0.80以上。綜上所述,屋面徑流中SS是COD、TP和重金屬等污染物的主要載體[33-35]。因此,要想控制屋面徑流中的COD、TP和重金屬,控制SS是關(guān)鍵。

進(jìn)一步分析3種材質(zhì)屋面的污染物與不同粒徑顆粒物之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn),3種材質(zhì)的屋面徑流中,COD、TP、Cu、Pb和Cd等污染物與不同粒徑的顆粒物呈強相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均高于0.7,但隨著顆粒物粒徑增大,相關(guān)系數(shù)有逐漸減少的趨勢。由此說明,小粒徑顆粒物是富集降雨徑流中污染物的主要載體,大粒徑顆粒物富集污染物能力較弱[36]。其原因是越細(xì)小的顆粒物擁有越大的比表面積,對污染物的吸附能力就越強[37]。因此,COD、TP和重金屬等污染物的控制關(guān)鍵是控制細(xì)小的顆粒物。

3 結(jié) 論

1) 屋面材質(zhì)不同,污染物的場次降雨徑流平均濃度也不同,SS、COD、TN和TP等常規(guī)水污染物的場次降雨徑流平均濃度均表現(xiàn)為油氈屋面>瓦屋面>塑鋼屋面,但不同種類重金屬在不同材質(zhì)屋面上的場次降雨徑流平均濃度各不相同,塑鋼屋面的Cu、Cd最高,瓦屋面Cr、Ni最高,而油氈屋面Pb最高。隨著前期晴天數(shù)增加,降雨徑流中污染物的濃度通常也會隨之增加。

2) 前期晴天數(shù)增加,降雨徑流中50 μm以下的小粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)增大,50 μm以上的大粒徑顆粒物體積分?jǐn)?shù)減小。

3) SS是COD、TP和重金屬等污染物的主要載體,污染物與小粒徑的顆粒物相關(guān)性更高,因此要想控制屋面徑流中的COD、TP和重金屬,關(guān)鍵是控制細(xì)小的顆粒物。