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        城市屋面徑流水質(zhì)特征及屋面材料對水質(zhì)的影響

        2014-10-22 07:48:12肖敦宇姜文超建娜
        環(huán)境影響評價 2014年3期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)污染研究

        肖敦宇 姜文超 建娜

        隨著城市化推進、人口增長、土地利用轉(zhuǎn)變、氣候變化以及污染越來越嚴(yán)重,人類對于淡水資源的需求越來越大,雨水回收利用將是解決這一問題的一個很好的途徑[1]。屋面是城市不透水面積的重要組成部分,是承接天然降雨的重要城市下墊面,所形成的屋面徑流在城市雨水徑流中占有重大比重。國外對于屋面雨水的研究主要是想通過屋面雨水的收集和利用,減少城市自來水用水量的需求,緩解未來用水對現(xiàn)有水處理設(shè)備的需求以及減小雨水徑流對城市下水道系統(tǒng)的沖擊[2]。德國、丹麥、印度、日本、澳大利亞等國家在雨水收集系統(tǒng)研制方面處于國際領(lǐng)先的水平[3]。我國對于屋面雨水徑流水質(zhì)的研究起步較晚,近年來,在北京、重慶、哈爾濱、南京等地進行了屋面徑流的相關(guān)試驗研究,研究目的主要是針對城市非點源污染的控制問題,研究內(nèi)容包括屋面徑流的初期沖刷效應(yīng)、不同屋面材料對屋面徑流水質(zhì)的影響、屋面徑流水質(zhì)特征等,國內(nèi)對于雨水的利用主要停留在道路沖洗、綠化澆灑、沖洗廁所等方面,對雨水水質(zhì)的研究尚淺。本文采用統(tǒng)計學(xué)的方法,研究了國內(nèi)大中城市屋面徑流的水質(zhì)特征,并且分析了不同屋面材料對雨水徑流的影響,研究結(jié)果不僅能為我國方興未艾的雨水利用研究提供參考,而且對于我國的城市面源污染控制也具有重要意義。

        1 屋面徑流污染特征及屋面材料的影響分析

        1.1 屋面雨水徑流水質(zhì)特征

        屋面雨水是否值得回收利用,回收后能做何用途,需要根據(jù)屋面徑流的水質(zhì)特征來決定。影響屋面徑流水質(zhì)的因素眾多,首先,屋面材料中的化合物會進入到屋面雨水徑流中,由于攔截和沉積作用,鳥糞、昆蟲尸體、樹葉等有機物和大氣沉降物會對雨水徑流水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響,降雨時,一些天然的酸性物質(zhì)會和雨水中其他污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而產(chǎn)生更多種類的污染物質(zhì)[4];其次,由于屋面沒有樹木等周圍環(huán)境遮陰,受陽光直射面積大,加之屋面反射率低,屋面溫度會高于其他類型下墊面[5],高溫會加速屋面材料的化學(xué)反應(yīng)和屋面沉積物的有機分解,結(jié)合屋面材料和屋面沉積物的結(jié)構(gòu),有機分解、化學(xué)反應(yīng)及酸蝕等將會使得屋面雨水徑流水質(zhì)變得非常差。

        世界各地不同地區(qū)的屋面雨水徑流水質(zhì)往往差異較大。Romon等[6]對西班牙北部地區(qū)屋面雨水水質(zhì)進行了試驗,試驗結(jié)果顯示該地區(qū)EC值為85.0±10.0 μS/cm,TSS濃 度 為5.98±0.95 mg/L,TOC濃 度 為11.6±1.7 mg/L。Georios和Vassilios[7]研究了希臘東北部地區(qū)的屋面雨水水質(zhì),除了NH4-N濃度(平均濃度在1.24~3.18 mg/L之間)外,其余各項污染物指標(biāo)(TSS濃度≤4.2 mg/L,TP濃度平均值≤1.37 mg/L等)均可以滿足生活飲用水標(biāo)準(zhǔn),但是生物指標(biāo)不滿足歐盟飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。而對于雨水回用的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),也沒有統(tǒng)一的參考值,國外的研究,特別是北歐等屋面徑流水質(zhì)較好的地區(qū),一般把回收雨水水質(zhì)與歐盟飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對比[6,7],但也有的研究者通過自己的研究劃定標(biāo)準(zhǔn)值,如Davis和M cCuen[8]的研究論文中認(rèn)為TSS低于25 mg/L才適合作為飲用水水源,國內(nèi)的雨水徑流水質(zhì)的比較標(biāo)準(zhǔn)則為地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)。

        我國近些年來為控制城市面源污染,在一些城市進行區(qū)域性的降雨徑流監(jiān)測,如張科峰[14]、郝麗玲[10]、李立青[13]、胡坤[17]等分別對南京、重慶、武漢、哈爾濱等城市屋面徑流進行的降雨事件監(jiān)測研究。該類研究范圍大多局限于某一城市的某個區(qū)域,代表性不強;而建立全國范圍內(nèi)的統(tǒng)一監(jiān)測系統(tǒng),則費時費力,不具有當(dāng)前國內(nèi)形勢下的現(xiàn)實意義。為此,本研究收集了國內(nèi)近些年來屋面徑流水質(zhì)的研究數(shù)據(jù)(見表1),數(shù)據(jù)來源包括北京、上海、武漢、重慶、南京、海口、哈爾濱等城市3種屋面共28項研究成果,通過數(shù)據(jù)分析處理,得到屋面徑流的各項水質(zhì)特征值。分析結(jié)果顯示,我國屋面雨水徑流水質(zhì)污染嚴(yán)重,COD濃度值范圍在32.4~341.27 mg/L之間,平均值為89.54 mg/L;TSS濃度值范圍在8.30~700.00 mg/L之間,平均值為89.46 mg/L;總氮(TN)濃度值區(qū)間為1.00~25.25 mg/L,平均值為6.80 mg/L;總磷(TP)濃度值區(qū)間為0.04~0.94 mg/L,平均值為0.21 mg/L;NH3-N濃度值區(qū)間為1.00~14.73 mg/L,平均值為3.33 mg/L。除總磷平均濃度滿足地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外,其余四項污染物指標(biāo)都不滿足地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)。

        表1 屋面徑流水質(zhì)濃度

        1.2 屋面材料對降雨徑流的影響

        影響屋面徑流水質(zhì)的因素很多,主要的影響因素包括屋面材料、降雨量、降雨歷時、屋面使用年限、屋面所處的功能區(qū)等,國外針對屋面徑流中污染物負(fù)荷的研究始于20世紀(jì)70年代,并且取得了較多研究成果。Mingteh Chang[23]通過對德州納卡多奇思1997~1998年間31場降雨中5種不同材料屋面降雨徑流污染物的研究發(fā)現(xiàn),屋面雨水徑流是重要的非點源污染,不同的屋面材料對徑流水質(zhì)污染物的貢獻(xiàn)不同。

        國內(nèi)近些年也開展了一些關(guān)于屋面材料對雨水徑流影響的研究。紀(jì)桂霞[24]通過對上海市屋面雨水水質(zhì)的研究,發(fā)現(xiàn)屋面材料及污染狀況是導(dǎo)致瀝青油氈屋面懸浮固體及溶解性固體濃度高于瓦屋 面徑流的主要原因,屋面徑流水質(zhì)中氨氮、BOD5濃度的主要影響因素是大氣質(zhì)量;劉守成等[15]研究了南京市區(qū)不同類型屋面的水質(zhì)特征,3種屋面的SS和TP大小順序是:瓦屋面>瀝青屋面>混凝土屋面,COD、TN的濃度順序為:瀝青屋面>混凝土屋面>瓦屋面,表明屋面徑流的水質(zhì)受屋面材料的影響較大。鑒于表1中屋面雨水徑流污染物濃度的變差系數(shù)較大,COD、TSS、TN、TP和NH3-N的變差系數(shù)分別為0.84、1.42、0.74、0.94、1.13,說明數(shù)據(jù)分散性大,將28組實驗數(shù)據(jù)按照瓦屋面、瀝青屋面和水泥屋面分成3組,用數(shù)理統(tǒng)計的方法對屋面材料和雨水徑流水質(zhì)的關(guān)系進行研究。

        按照屋面材料分類,分別計算3種屋面材料屋面污染物濃度值的最大值、最小值、中間值、平均值以及變差系數(shù)(表2),瓦屋面、瀝青屋面和水泥屋面COD濃度值的變差系數(shù)分別為0.64、0.86、0.37,TSS濃度值的變差系數(shù)分別為1.63、0.71、0.30,TN濃度值的變差系數(shù)分別為0.31、0.66、0.47,對比表1中對應(yīng)的屋面總體污染物濃度的變差系數(shù)有明顯的降低,分組使得各組數(shù)據(jù)的離散度減小,由此可以說明屋面材料對屋面徑流污染物COD、TSS和TN有較大的影響;而瓦屋面、瀝青屋面和水泥屋面TP濃度值變差系數(shù)是0.63、0.98、1.05, NH3-N濃度值變差系數(shù)為0.95、1.05、1.51,對比表1中對應(yīng)屋面總體TP和NH3-N濃度值變差系數(shù)變化不大,分組對數(shù)據(jù)的離散度影響較小,表明屋面材料對TP和NH3-N濃度值的影響不大。

        表2 不同材料屋面徑流水質(zhì)特征值

        3種屋面降雨徑流污染物,COD濃度平均值瓦屋面和水泥屋面較為接近,為67.45 mg/L和66.39 mg/L,而瀝青屋面COD濃度平均值達(dá)到了119.70 mg/L;TSS濃度平均值瓦屋面最大,為140.21 mg/L,分別是瀝青屋面和水泥屋面的1.8倍和2.6倍,三者之間的大小關(guān)系與劉守成關(guān)于南京市屋面的研究結(jié)論一致;總氮濃度平均值大小順序由高到低依次為瀝青屋面、水泥屋面、瓦屋面,瀝青屋面總氮濃度平均值為10.23 mg/L,分別是水泥屋面和瓦屋面的1.9倍和2.5倍,三者之間的大小關(guān)系與劉守成的研究結(jié)論一致;3種材質(zhì)屋面總磷濃度平均值差別不大,大小順序由高到低依次是瀝青屋面、水泥屋面、瓦屋面,瀝青屋面為0.24 mg/L,水泥屋面和瓦屋面徑流水質(zhì)TP平均值分別為0.20 mg/L和0.18 mg/L,滿足地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/L);瀝青屋面氨氮濃度平均值最大,為4.53 mg/L,分別是瓦屋面和水泥屋面的2.0倍和3.0倍(見圖1)。

        1.3 對我國雨水利用的幾點建議

        由以上分析可知,我國屋面雨水徑流污染嚴(yán)重,和國外相比,國內(nèi)雨水回收用作飲用水困難較大。因此,對我國雨水回用提出以下幾點建議:

        圖1 不同材質(zhì)屋面降雨徑流污染物濃度值

        (1)干旱缺水地區(qū)應(yīng)堅持回收雨水徑流,簡單處理后用于綠化、洗車、沖廁等對水質(zhì)要求不高的用水需求;

        (2)水資源緊缺,需要考慮凈化雨水用作飲用水的地區(qū),應(yīng)選擇對雨水水質(zhì)影響較小的屋面材料,也可以嘗試選用金屬或者聚碳酸酯等新型屋面材料;

        (3)國家要重視城市非點源污染的治理,加強管理工業(yè)生產(chǎn)和交通運輸對大氣造成的污染,只有這樣雨水資源化才能成為可能;

        (4)積極開展雨水凈化相關(guān)課題的研究,爭取在初期雨水截留,雨水處理和處理水穩(wěn)定儲存方面取得突破性進展。

        2 結(jié)論

        (1)我國大中城市屋面雨水徑流水質(zhì)COD、TSS、TN、TP及NH3-N濃度平均值分別為89.54 mg/L,89.46 mg/L,6.80 mg/L,0.21 mg/L和3.33 mg/L,除TP外均不滿足地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),水質(zhì)污染嚴(yán)重。

        (2)屋面材料對雨水徑流中COD、TSS和TN濃度值影響較大,對TP、NH3-N濃度值影響較小,總體水質(zhì)水泥屋面最好,瓦屋面其次,瀝青屋面最差。

        (3)我國雨水資源化面臨雨水徑流水質(zhì)嚴(yán)重污染的問題,雨水回收利用任重而道遠(yuǎn)。

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