屋面徑流污染特性及回用分析

高玉嬋，金星龍，趙樂軍，宋現才

(1.天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300000；2. 天津市市政工程研究院，天津 300392)

隨著國際標準化組織水回用技術委員會(ISO/TC282)會議的陸續召開，水資源回用成為近年來研究的重要課題。雨水作為大自然給予的天然資源，具有氧含量高、雜質少、硬度低及易收集[1]等特點，可直接或經再處理后達到城市雜用水、工業用水等水質標準，滿足人們日常生產、生活。吳淑琰[2]在雨水徑流的回用分析研究中指出多數情況下對徑流采取初期棄流后便可作為城市景觀用水。同時張肖[3]研究結果也顯示降雨可使人工湖水中污染物濃度減小，有利于改善水質。因此，將雨水進行必要的回收利用對減輕地表水體污染、緩解城市水資源短缺具有重要意義。

對屋面徑流受污染特征進行有效監測可以為雨水回用處理提供有效數據支持。本次研究選擇SBS屋面作為研究對象，將降雨過程雨水在屋面的下滲量及蒸發量考慮在內改進取樣方法，對徑流中污染物出流規律特征和產生原因、初始沖洗效果及回用可行性進行分析，以期為制定可行的雨水利用方案提供基礎數據支持。

1 實驗材料與方法

1.1 研究區域概況

該實驗測試點選擇天津市某大學教學樓屋頂，為提高屋面的防水性能，2018年6月27日新鋪設SBS防水材料，從鋪裝至第1次采樣完成，時隔1.5個月，期間經過3場雨的沖刷，其中2場中雨，1場小雨，降雨量分別為15.6 mm(7月24日)、16.3 mm(7月30日)和8.3 mm(8月14日)。圖1為鋪設SBS防水材料后屋面情況。

圖1 鋪設SBS防水材料后屋面Fig.1 Roofing condition after laying SBS waterproof material

1.2 樣品采集及分析方法

自降雨開始，雨水形成徑流沖刷屋面，自兩側的落水管排放至地面，采樣點則設置于2個落水管下方。根據當地降雨特征，即降雨量呈先緩慢增大至最高值后緩慢下降的規律，以及《大氣降水樣品的采集與保存》(GB13580.2-92)[4]所述方法設計樣品收集原則，即自產生明顯徑流開始計時，以0～15 min內，15 min/次，15～25 min內，10 min/次，25～35 min內，5 min/次，35～55 min內，10 min/次，55～85 min內,15 min/次，85～145 min內，30 min/次，>145 min后，60 min/次的時間間隔采集樣品，將收集到的水樣混合均勻后儲存5 L到采樣瓶里進行保存。降雨基本特征見表1。雨水徑流量根據采樣耗時與容器內徑流體積所計算的瞬時徑流量[5]表示：

Q=V/t

(1)

式中：Q表示雨水徑流量，mL/min；V表示屋面徑流在規定時間間隔內排放總體積，mL；t表示監測時間間隔，min。

表1 降雨事件基本特征Tab.1 Characteristics of rainfall events

樣品收集完成后，迅速運送回實驗室進行水質分析，主要檢測指標有pH、TSS(總懸浮物)、COD(化學需氧量)、TP(總磷)和TN(總氮)。樣品具體分析方法參見文獻[6]中所述方法進行檢測。

2 結果分析與討論

2.1 不同降雨事件中徑流中污染物變化特征

2018年在3場降雨中，pH變化范圍分別為6.06～6.52(8月19日)、5.92～6.45(8月30日)、6.08～6.85(9月19日)，均表現為弱酸性，但隨著降雨時間的延長，pH逐漸增大，并趨于中性。一方面，由于空氣中存在一定量的氮氧化物、硫氧化物等酸性氣體[7]，在降雨過程中逐漸溶解；另一方面，SBS防水材料及其表面附著的固體顆粒中碳氮化合物[8]，在降雨沖刷作用下，隨徑流排放。

圖2～圖4分別為3場降雨中排放徑流量以及各污染物質量濃度隨時間的變化曲線。降雨事件Ⅰ中污染物變化過程見圖2。從圖2中可以看出，初期徑流中各污染物質量濃度較高，TSS、COD、TP、TN最高質量濃度分別為25.78、925.84、0.22、7.78 mg/L。隨后徑流量迅速增大，污染物的質量濃度迅速下降，至70 min時各污染物濃度已達較低值，分別為1.75、208.64、0.03、2.14 mg/L，隨后各項數值趨于平緩，最終分別穩定在1.00、226.03、0.03、2.46 mg/L，約為初始濃度的1/25、1/4、1/7和1/3[9]。究其原因，可能是由于前期屋頂積累了大量污染物，同時空氣中也存在大量污染性氣體和固體顆粒，經過雨水沖刷，大量污染物溶解，隨徑流排放，前期體積流量越大，單位時間內隨徑流排出的污染物越多，因此污染物濃度迅速下降，70 min時，大部分污染物已隨徑流排放，后期污染物濃度逐漸平穩。

圖2 2018-08-19屋面徑流中污染物變化特征Fig.2 Characteristics of pollutants in roof runoff on August 19, 2018

降雨事件Ⅱ中污染物變化過程見圖3。從圖3中可以看出，初始水質較差，污染嚴重，TSS、COD、TP最高質量濃度分別為90.50、2 138.90、0.42 mg/L，隨徑流時間的持續，整體呈減小趨勢，后逐漸分別穩定在29.25、335.33、0.01 mg/L。相較于降雨事件Ⅰ，首先,TSS，COD和TP的初始質量濃度較高，究其原因由于該次降雨事件前期干燥天數為10 d，與降雨事件Ⅰ(4 d)相比，干燥天數較長，污染物累積較多[10]。其次，TSS、COD、TP濃度分別于30、35和45 min處濃度降低幅度減小甚至有少許增大。分析原因是30～45 min間體積流量減小，徑流單位時間內與屋面的接觸時間增長，導致其更易溶解較多的污染物。再次，總氮濃度隨徑流量的增大而增大，可能是由于屋面污染物累積量較高，而降雨強度較小，因此徑流對于屋面污染物的溶解作用大于對污染物的稀釋作用[11]，因此自屋面徑流產生的一段時期內，TN質量濃度隨徑流體積流量的增大而增大。

圖3 2018-08-30屋面徑流中污染物變化特征Fig.3 Characteristics of pollutants in roof runoff on August 30, 2018

降雨事件Ⅲ中污染物變化過程見圖4。此次降雨量為23.8 mm，降雨強度為中雨。相較于前2次降雨事件，COD初始濃度與最終穩定濃度明顯高于前2次，分別為降雨事件Ⅰ的11倍(925.84 mg/L)和3.5倍(226.03 mg/L)，降雨事件Ⅱ的4.8倍(2 138.90 mg/L)和2.3倍(335.33 mg/L)。分析原因可能是由于距離上次取樣相隔18 d，時間較長，且期間2場小雨并未形成徑流，但溶解空氣中的污染物會隨降雨累積在屋面，導致徑流初始污染物濃度高。

圖4 2018-09-18屋面徑流中污染物變化特征Fig.4 Characteristics of pollutants in roof runoff on September 18, 2018

2.2 不同降雨事件的初始沖洗效應

不同降雨事件中屋面徑流污染物隨徑流體積的累積情況見圖5。以累積體積百分比為橫坐標，累積質量百分比為縱坐標建立曲線關系，將y=x作為參考曲線，曲線偏離參考線的角度越大，則說明初始沖洗效果越強，部分文獻中證明降雨強度與初始沖刷效果呈正相關，即降雨強度越大，初始沖洗效果越強[12]。

圖5為各場降雨的初始沖洗效果情況。各場降雨對于大部分的屋面累積污染物都產生初始沖洗效應，相比而言，降雨事件Ⅲ[見圖5(c)]初始沖洗效果圖中各曲線偏離參考線的角度最大，特別是對TSS的沖刷效果尤其明顯，因此該降雨事件的初始沖洗效果最為顯著。而8月30日的降雨沖刷效果圖中，TN變化曲線位于參考線的下方，因此未發生初始沖洗效應，該結果與TN前期變化規律一致。各場降雨初始沖刷效果各不相同，該現象不是單一因素作用的結果，而是降雨強度、屋面材質、降雨歷時等多種因素綜合作用的結果[13]。

圖5 不同降雨事件的初始沖洗效果Fig.5 First flush effect of different rainfall events

2.3 不同降雨事件中污染物的事件平均濃度

事件平均濃度(EMC)作為一個評價地表降雨徑流受污染程度的重要指標，即用降雨事件總污染物負荷與總徑流體積比值表征徑流污染,具體計算方法如下：

(2)

式中：M表示整個降雨事件中污染物總質量，mg；V表示徑流總體積，L；Ct表示t時刻污染物濃度，mg/L；Qt為t時刻雨水徑流量，mL/min。

根據式(2)，可得屋面徑流污染物EMC的統計值(見表2)。

由表2可知，在選取的3場降雨事件中除了COD外,其他指標均無顯著變化規律，而COD的EMC值在降雨事件Ⅲ中最大為3 866.18 mg/L，降雨事件Ⅱ中最小為490.38 mg/L，但均超過標準Ⅰ(40 mg/L)的上限值。TP的EMC值普遍較低，分別為0.08、0.23、0.08 mg/L，且都在標準Ⅰ和標準Ⅱ規定范圍內。同時，降雨事件Ⅰ和降雨事件ⅢTSS的EMC值符合《城市污水再利用景觀環境用水水質》湖泊、水景類標準[15]，因此該場降雨可作為湖泊、水景用水的水源之一。綜合數據結果可得，在3次降雨事件中COD污染最為嚴重，最高甚至為《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準的100倍；不同降雨條件下屋面徑流水質結果各不相同，大多數情況下均超出《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準，可考慮將屋面徑流收集進行再處理后循環利用，既可避免地下水的污染，又可緩解全球水資源短缺的現狀。

表2 屋面徑流各污染物EMC統計值Tab.2 EMC value statistic table on roof runoff

注：“-”為標準未作明確規定；標準Ⅰ為《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅴ類標準，標準Ⅱ為《城市污水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T 18921-2002)湖泊、水景類標準[14]。

3 結 語

(1)分析了以SBS防水材料為下墊面的屋面徑流TSS、COD、TP和TN隨時間變化的規律，進而得到不同降雨事件中各污染物的EMC值，分別與GB 3838-2002、GB/T 18921-2002相比，徑流水質符合城市景觀用水標準。

(2)不同參數條件下的降雨徑流對屋面各污染物的沖刷效果有所不同，降雨量越大、屋面污染總負荷越高，雨水對屋面的沖刷作用越強，初始沖洗效果越顯著；反之，降雨強度過小時，徑流對污染物的溶解作用強于稀釋作用，將不會發生初始沖洗效應。

(3)SBS屋面徑流中COD污染最嚴重，是由降雨強度、屋面材質、降雨歷時等多種因素綜合作用的結果，在雨水處理及回用過程中應著重考慮。

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