人工降雨下三種屋面徑流過程環境質量比較

葉建軍，肖衡林，高林霞，徐維生，王紅英，萬 娟

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

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人工降雨下三種屋面徑流過程環境質量比較

葉建軍，肖衡林，高林霞，徐維生，王紅英，萬 娟

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068)

采用3個木箱模擬構建了3種常見屋面，并采用人工降雨試驗手段，兩次觀測了屋面徑流過程和污染物含量的變化。結果表明：①彩鋼屋面和普通屋面徑流過程形相似且與綠化屋面相差很大；綠化屋面徑流開始時間更晚，徑流延時更長，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污染物含量隨著徑流過程有減少趨勢，綠化屋面徑流污染物含量隨徑流過程變化規律不明顯。④三種屋面徑流TP、Cd和Pb含量超過了GB3838-2002規定Ⅳ類水域含量指標。研究說明彩鋼屋面徑流重金屬污染較嚴重，綠化屋面徑流有機污染較嚴重；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；徑流過程；污染；環境質量

1 引言

目前，國內城市普遍面臨內澇威脅。在暴雨來臨時，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，當洪峰超過城市排水系統的排水能力后，內澇就發生了[1]。城市頻繁的內澇對城市居民造成了嚴重的生命財產損失。

普通的城市洪水管理措施有擴建排水設施、修建儲水池(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。將屋面徑流收集儲存或用于園林綠化灌溉，或者在小區草地就近入滲補充地下水，對減輕城市內澇災害，改善城市水環境有重要作用[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，屋面徑流的環境質量都應該給予足夠關注。一些學者發現屋面徑流中有重金屬污染物[3]、PAHs污染物[4]、農藥[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。

已有的研究多是國外開展的，取得的規律不一定適用于國內。絕大多數研究單獨研究徑流水質或水量；且對徑流取樣時，一次降雨只取一個樣。這種水質和水量分開研究、忽略徑流的水質隨徑流過程的變化的研究思路，得到的規律不完整，不利于科學指導屋面徑流的收集、處理和回用。

為解決以上問題，本研究使用木箱模擬構建3種不同類型的屋面，采用人工降雨試驗手段，相隔12月2次測量3種屋面的徑流過程和徑流污染物含量，以探明徑流水質隨徑流過程變化規律和受污染程度。

2 材料與方法

2.1 種植箱模擬三種屋面

3種屋面使用3個尺寸一致的無蓋木箱模擬。木箱凈尺寸為長×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。考慮到絕大多數普通屋面(含使用了防水卷材屋面)的面層是砂漿或細石混凝土，模擬普通屋面的木箱(編號1#)底板表面鋪設一層厚度10 mm細沙水泥砂漿，灰砂比為1∶2.0，水泥標號32.5。模擬彩鋼屋面的木箱(編號2#)中放置一塊面積為1.0×0.5 m2型號為YX25-205-820壓型板(湖北恒信銘揚置業集團有限公司生產)。模擬綠化屋面的木箱(編號3#)內自下而上依次鋪設一層0.08 mm厚聚乙烯薄膜，型號為26蓄排水板(上海綠旺塑料制品有限公司)；100 g/m2無紡布；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長效控釋肥7 g。經檢測，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

分別于2015年3月11日、2016年3月16日對3個木箱進行2次人工降雨試驗。人工降雨試驗裝置如圖2所示。為了使兩次試驗的結果具有可比性，試驗用哇哈哈純凈水，采用形同的降雨強度，即每次噴水8 L,噴水時長6.2 min。

圖2 人工降雨、徑流收集試驗裝置示意

記錄噴頭噴水開始、結束時間；木箱徑流產生、結束時間。通過控制水龍頭開關，每隔5 min移走有水的取樣塑料瓶測量水量。由于1#、2#和3#木箱徑流延時相差很大，對每一個木箱徑流過程取三個水樣測試水質，即前2個5 min水樣和10 min后所有徑流合并后取一個水樣測試水質。試驗開始時，取樣測試自來水水質。

2.3 基材及水樣分析

水樣中的重金屬元素Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni用原子吸收法測定。水樣總氮含量采用過硫酸鉀紫外分光光度法測定，總磷含量采用過硫酸鉀-鉬銻抗分光光度法測定。用BPH-220型pH值測試儀測量pH值。用CODMn法(以O2計)測試雨水和徑流水樣的 COD，用培養法測試 BOD5；用Apollo 9000燃燒分析儀分析DOC含量；總氮(TN)含量采用過硫酸鉀紫外分光光度法測定，總磷(TP)含量采用過硫酸鉀-鉬銻抗分光光度法測定。

3 結果與分析

3.1 試驗期間降雨情況

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(數據來自距離試驗場地1 km的湖北農科院小型氣象站)。

3.2 徑流過程

由于兩次試驗中，每木箱徑流過程相差很小，對兩次試驗中同時段的徑流量取平均值，得到3個木箱徑流過程如表2所示。可以看出，1#箱和2#箱的徑流過程相差很小，2#號的徑流過程開始時徑流量更大一些，徑流結束時間更早。1#和2#箱的徑流過程顯著不同于3#箱，表現在徑流開始時間早，最大5 min徑流量和前30分徑流量和總凈流量都遠大于3#箱，而徑流總延時卻遠小于3#箱。3#箱平均截留雨水超過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時徑流過程的pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量見圖3。1#、2#箱徑流pH值在第一次人工降雨試驗時開始2個5 min取樣低于降雨pH值，且pH值有隨徑流過程增加的趨勢。可能是由于屋面積塵含有酸性物質，在徑流開始時積塵含量高，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，會向徑流釋放堿性物質(如Ca(OH)2)，所以pH值偏高。3#箱第一試驗時徑流初期pH值含量超過降雨pH值，但第二試驗時徑流pH值卻比降雨低。出現這個現象的可能解釋是基材初期呈弱堿性；而經過一年后，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時徑流過程pH值、DOC、COD、BOD5、TN、TP含量。

注：圖中，圖標“1次1樣”、“1次2樣”分別表示第1次試驗時第1、2個5 min徑流取樣，“1次3樣”表示第2次試驗時第2個5 min以后的所有徑流量的取樣(圖4同)。圖中虛線為試驗用人工降雨純凈水含量，點劃線為GB3838-2002規定Ⅳ類水域含量指標(圖4同)

兩次試驗中，3#箱徑流DOC含量遠高于1#、2#箱，顯示綠化屋面系統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#箱在第一試驗時徑流DOC含量高于第二次試驗時徑流含量，徑流DOC含量隨徑流過程變化規律不明顯。1#、2#箱徑流DOC含量高于降雨含量且含量隨徑流過程有下降趨勢，表明普通屋面和彩鋼屋面也向徑流中釋放了DOC。

兩次試驗中，3#箱徑流TN、TP含量遠高于1#、2#箱，顯示綠化屋面系統向徑流中釋放的氮、磷含量高于普通屋面和彩鋼屋面。3#箱在第一試驗時徑流TN、TP含量高于第二次試驗時徑流含量，徑流TN、TP含量隨徑流過程變化規律不明顯。1#、2#箱徑流TN、TP含量高于降雨含量且含量隨徑流過程有下降趨勢，表明普通屋面和彩鋼屋面也向徑流中釋放了氮磷。三種屋面兩次試驗時多數徑流TP含量超過了GB3838-2002規定Ⅳ類水域含量指標含量(0.3 mg/L)。

兩次試驗時，3#箱徑流COD、BOD5含量高于1#、2#箱，顯示綠化屋面系統向徑流中釋放的有機物濃度高于普通屋面和彩鋼屋面。3#箱在第一試驗時徑流COD、BOD5濃度高于第二次試驗時徑流濃度，徑流COD含量隨徑流過程有增大趨勢，但BOD5含量隨徑流過程變化規律不明顯。1#、2#箱徑流COD、BOD5含量高于降雨含量且含量隨徑流過程有下降趨勢，表明普通屋面和彩鋼屋面也向徑流中釋放了有機物。綠化屋面徑流第一次試驗時所有取樣BOD5含量和第二次試驗時徑流第一個5 min取樣COD含量超過了GB3838-2002規定Ⅳ類水域含量指標含量。

1#、2#箱徑流COD、BOD5、DOC、TN、TP含量隨徑流過程有下降趨勢，出現這一現象的解釋是1#、2#箱(屋面)積塵在降雨時被沖洗并向徑流釋放有機物，在徑流開始時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時徑流過程的6種重金屬含量見圖4。兩次試驗中，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程均有減少趨勢。出現這個現象可能的解釋是普通屋面積塵在降雨時被沖洗并向徑流釋放重金屬，在徑流開始時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程變化規律不明顯。

圖4 三木箱模擬的屋面在人工降雨時徑流過程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規定Ⅳ類水域含量指標(Zn：2.0 mg/L;Cu:1.0 mg/L，超出坐標范圍，圖上無法標注; Cr、Ni沒有規定)

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

兩次試驗中，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重。3#箱徑流Cd含量遠高于1#和2#箱，Zn含量遠高于1#箱。除了Zn和Cr，3#箱兩次試驗中第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

三木箱在兩次試驗時徑流污染物總量見表3。由表3可見，兩次試驗時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 兩次試驗時三木箱徑流污染物總量 mg

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

4 結論

通過用木箱模擬構筑普通屋面、彩鋼屋面和綠化屋面，在相隔12個月兩次人工降雨試驗下，測試徑流過程5 min流量和徑流過程水質(包括Cd、Pb、Cu、Zn、Cr、Ni、TP、TN、COD、pH、DOC、BOD5)，得到如下結論。

(1)綠化屋面徑流過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程形似。與普通屋面和彩鋼屋面相比，綠化屋面的徑流開始時間更晚，徑流延時更長，徑流總量更小，徑流洪峰更低。

(2)綠化屋面徑流有機污染物的含量高于彩鋼屋面和普通屋面徑流；有機污染物含量和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污染物含量隨著徑流過程有減少趨勢，綠化屋面徑流污染物含量隨徑流過程變化規律不明顯。綠化屋面第一次試驗時徑流有機污染物含量和總量比第二次試驗時高，表明徑流有機污染物含量隨著屋頂綠化齡期有減少趨勢。

(4)三種屋面的徑流TP、Cd和Pb含量超過了GB3838-2002規定Ⅳ類水域含量指標；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

湖北工業大學高層次人才科研啟動金(編號：BSQD14047)；湖北省自然科學基金面上項目(編號：2014CFB584)

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

X52

A

1674-9944(2016)18-0040-06