前期晴天數對不同材質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 宋現財 趙樂軍

(1.天津城建大學環境與市政工程學院,天津 300384;2.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142;3.華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;4.天津市市政工程設計研究院,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入地表水,是城市水生態環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、前期晴天數和屋面材質等諸多因素影響[5]70,[10]724,[11],[12]38。特別是,前期晴天數與屋面沉積污染物存在較強的相關性。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的增加而增加,因此前期晴天數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]研究發現,前期晴天數越長,因大氣沉降和屋面材質老化等過程而累積的屋面沉積污染物就越多,導致降雨徑流中懸浮物(SS)的濃度越高。石少山[15]研究發現,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。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現,油氈屋面的徑流污染物平均濃度大于彩鋼屋面,還發現徑流污染程度受到屋面材質老化程度和結構的影響。龍劍波等[17]比較混凝土屋面、瓦屋面和3種綠色屋頂的徑流水質特征發現,前期晴天數、屋面材質與徑流污染程度有較強的相關性。由此可見,前期晴天數和屋面材質是影響城市屋面徑流水質的重要因素,其中油氈、塑鋼和瓦是城市住宅區3種常見的典型屋面材質[12]39。

本研究采用人工模擬降雨方式,考察不同前期晴天數下油氈、塑鋼和瓦3種不同材質屋面徑流污染特征,分析前期晴天數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行相關性分析,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種屋面材質置于相同露天環境下,設置前期晴天數分別為3、5、8、12、17 d,然后用人工降雨裝置模擬降雨,設置降雨強度為25 mm/h,降雨持續時間1 h,0～20 min內每隔5 min取1次瞬時屋面徑流水樣,20～60 min內每隔10 min取1次瞬時屋面徑流水樣,測定化學需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮和重金屬含量。同時,另一組3種屋面材質在相同條件下達到不同前期晴天數分別為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

全水樣預處理:3種不同材質屋面收集的全水樣依次過孔徑300、200、100、50 μm的尼龍篩網,然后再依次過孔徑10、0.45 μm的濾膜,用超純水清洗各篩網或濾膜上的顆粒物,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量濃度,mg/L;ci為第i個時間間隔內的污染物平均質量濃度,mg/L,以第i次測量計;Qi為第i個時間間隔內的降雨徑流平均流量,L/min,根據降雨強度和屋面面積計算得到;Δti為第i個時間間隔,min。

2 結果與分析

2.1 前期晴天數對不同材質屋面徑流污染的影響

2.1.1 不同材質屋面污染物場次降雨徑流濃度

3種材質屋面的常規水污染物場次降雨徑流平均質量濃度如表1所示。由表1可見,SS、COD、TN和TP的場次降雨徑流平均質量濃度均表現為油氈屋面>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物,在持續晴天的陽光照射下,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 不同材質屋面的常規水污染物場次降雨徑流平均質量濃度Table 1 Rainfall event mean mass concentrations of conventional water pollutants from roofs of different materials mg/L

3種材質屋面的重金屬污染物場次降雨徑流平均質量濃度如表2所示。由表2可見,3種材質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生銹蝕有關。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及其腐蝕程度影響。由此可見,屋面材質對污染物的濃度有較大影響[21-22]。

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

不同材質屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度與前期晴天數的線性相關分析結果如圖1所示。總體而言,不同材質屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度與前期晴天數呈顯著正相關(p<0.001),說明這些污染物主要來自于大氣沉降,前期晴天數是影響這些污染物在屋面累積的關鍵因素[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的增加而增加。由此可見,前期晴天數影響著地表顆粒物及各類污染物的累積,隨著前期晴天數增加,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。

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

2.1.2 不同材質屋面全水樣中顆粒物粒徑分布特征

圖2為3種材質屋面全水樣中不同粒徑顆粒物體積分數隨前期晴天數變化的情況。3種材質屋面全水樣中不同粒徑顆粒物的分布大體相似,隨著前期晴天數增加,50 μm以下的小粒徑顆粒物體積分數明顯增加,而50 μm以上的大粒徑顆粒物體積分數明顯減少[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,前期晴天數增加,降雨徑流中50 μm以下的小粒徑顆粒物體積分數增大,50 μm以上的大粒徑顆粒物體積分數減小,主要與屋面材質和顆粒物特性有關。

圖2 3種材質屋面全水樣中顆粒物粒徑分布隨前期晴天數的變化情況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的相關性分析

不同材質屋面的污染物場次降雨徑流平均濃度的Pearson相關性分析發現,油氈屋面、塑鋼屋面和瓦屋面的SS與COD、TP的相關系數分別為0.856和0.896、0.765和0.952、0.833和0.861,高度相關,可以認為SS是COD和TP的重要載體[12]44,[29];SS與TN的相關性較弱,相關系數都在0.5以下,這可能與氮和磷在降雨徑流中的形態不同有關[30],因為屋面徑流中氮主要以溶解態的形式存在,而磷則是以顆粒物的形式存在[31-32]。SS與5種重金屬的相關系數均達到0.60以上,油氈屋面的SS與Cr、Cu的相關系數更是達到了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是關鍵。

進一步分析3種材質屋面的污染物與不同粒徑顆粒物之間的相關性發現,3種材質的屋面徑流中,COD、TP、Cu、Pb和Cd等污染物與不同粒徑的顆粒物呈強相關性,相關系數均高于0.7,但隨著顆粒物粒徑增大,相關系數有逐漸減少的趨勢。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鍵是控制細小的顆粒物。

3 結 論

1) 屋面材質不同,污染物的場次降雨徑流平均濃度也不同,SS、COD、TN和TP等常規水污染物的場次降雨徑流平均濃度均表現為油氈屋面>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) 前期晴天數增加,降雨徑流中50 μm以下的小粒徑顆粒物體積分數增大,50 μm以上的大粒徑顆粒物體積分數減小。

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性更高,因此要想控制屋面徑流中的COD、TP和重金屬,關鍵是控制細小的顆粒物。