天津平顶沥青屋面径流雨水污染特征分析

张杏娟，程 方，王秀朵

(1. 天津城市建设学院 a. 环境与市政市政工程系；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384；2. 天津市市政工程设计研究院 总工办公室，天津 300051)

随着城市的发展，水资源需求与短缺的矛盾不断增长．雨水作为一种可供利用的非常规水资源，对缓解水危机具有十分重要的意义．我国雨水资源丰富，年降水量可达6 190亿m3[1]，但由于没有健全的暴雨汇集和调蓄设施，易造成暴雨时的洪涝灾害和旱季的严重缺水．随着城市化的高速发展，建筑物密集和路面硬化程度的不断加剧，使不透水地表面积不断扩大，雨水资源流失量急剧增加．

天然降雨对大气污染物产生淋溶作用，受到了一定污染．而城市不透水面积的不断增加以及其面层上污染物的积累，使得天然雨水降至不透水面层后形成降雨冲刷和径流输移，雨水污染严重．城市建筑物屋面是不透水面的一个重要组成部分，如上海市城区屋面面积占整个不透水面积的 75%以上[2]，济南市房屋面积占城市面积的67～70%[3]．与路面径流雨水相比，屋面污染来源单一，径流雨水相对道路、广场等不透水面水质较好，便于收集，它是城区雨水利用的重点对象[4]．建筑屋面按结构形式分平屋面和坡屋面，对于防水等级较高的平屋面多采用沥青或高聚物改性沥青．在天津城区屋面防水铺装中平顶沥青屋面施工较为广泛，并且根据国内外的屋面水质研究分析可以看出，沥青屋面污染严重．本文以天津市不同功能区(文教区和居住区)的平顶沥青屋面为研究对象，对其径流雨水水质进行监测分析，以期掌握屋面雨水水质特点及变化规律，探索其收集利用的可行性，为雨水资源化利用提供技术支持．

1 研究方法

1.1 研究区域境况及采样点的选择

天津气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温12 ℃左右，年平均降雨量550～650 mm．降雨主要集中在 5月下旬至 8月下旬，占全年降雨量的70%．

文教区选择天津市某高校实验楼(使用期约 30年)，居民区为某普通六层住宅楼(使用期约 10年)，建筑物屋面均为平顶沥青，取样位置为建筑物落雨管的出水口．

1.2 采样方法

对2010年5月至8月期间的3次有效降雨进行取样和监测分析．

采样过程：每次当雨水口开始出现水流时，开始计时，用试剂瓶(1 L)收集屋面径流雨水的瞬时水样，取样过程历经降雨全过程；根据降雨历时和降雨强度的不同，分配不同的取样时间间隔；取样结束后送回实验室检测．取样过程及降雨特征见表1．

1.3 检测分析方法

水样监测指标包括pH、色度、浊度、COD、TOC、TN、TP、BOD5和重金属(Cr6＋和 Cd)等 10项指标．

表1 取样过程的降雨特征

分析方法为：pH值采用玻璃电极法(GB6920—86)，COD为重铬酸钾法(GB11914—89)，TN为过硫酸钾氧化-紫外分光光度法(GB11894—89)，TP为钼酸铵分光光度法(GB11893—89)，BOD5为稀释接种法(HJ505—2009)，TOC采用日本TOC-VCPH型号的总有机碳测定仪监测，溶解态重金属采用美国 PE AA800型原子吸收光谱仪检测．分析中所用试剂均为分析纯，标样测定结果均在允许误差范围之内．

2 结果和讨论

2.1 屋面径流水质检测结果

对2010年5—8月期间降雨过程中平顶沥青屋面径流雨水水质进行测定分析，结果见表2．

各种污染物的浓度分别与地表水环境质量标准(GB3838—2002)或生活杂用水水质标准对比得出其污染水平．

表2 平顶沥青屋面径流雨水测定结果

由表2可以看出，营养盐污染物指标中TN为主要污染物，浓度范围为 2.781～55.01 mg/L，平均浓度为 18.082 mg/L，超出地表水环境质量 V类标准8.041倍．

有机污染物指标CODCr、BOD5和TOC，最高值可分别达1 632 mg/L、399.814 mg/L和665.2 mg/L，其中CODCr的平均值超出地表水环境质量V类标准9.028倍，并且BOD5/COD的平均值为0.201，因此平顶沥青屋面径流雨水可生化性较低，不宜生化处理．

重金属离子中 Cd在降雨初期存在超标现象，浓度范围为 0.004～0.019 mg/L，超出地表水 V类水质标准的0.3倍．其它各项重金属离子浓度均可在降雨20 min内达到地表水V类标准．

在3次有效降雨的全降雨历时中，通过对平顶沥青屋面径流雨水的感官指标检测，可以看出，初期屋面雨水径流的浊度、色度较高，初期雨水呈深棕黄色或墨绿色，随降雨时间的延长，浊度会迅速降低，色度也随之降低，但降低速度缓慢，在降雨末期仍呈现明显的黄色或淡绿色．

2.2 屋面径流雨水随时间的变化特征

屋面径流雨水的主要污染源是沉积物的累积、大气污染以及屋面材料的老化，随着降雨历时的延长，在雨水冲刷的作用下，主要污染物指标逐渐下降并趋于稳定．以文教区监测结果为例，在降雨过程中，屋面径流雨水中浊度、TP、TN和COD随降雨历时的变化情况如图1-4所示．

图1 浊度随降雨历时的变化曲线

图2 TP随降雨历时的变化曲线

图3 TN随降雨历时的变化曲线

图4 CODCr随降雨历时的变化曲线

由图1-4综合分析可知：屋面雨水在形成径流30 min内，雨水中各项指标的浓度随降雨历时的曲线出现转折点．因此，可以将降雨形成径流30 min内的雨水定为初期雨水，将降雨形成径流30 min后的雨水定为后期雨水．

屋面径流初期雨水中 TP污染较严重，在雨水冲刷作用下，TP浓度急剧下降，并在降雨100 min之内降至地表水V类水水质标准0.4 mg/L以下；屋面初期雨水中 TN和 COD污染非常严重，但随降雨历时TN和 COD浓度急剧下降，在降雨末期浓度趋于稳定，但仍处于地表水V类水水质标准(TN≤2 mg/L和COD≤40 mg/L)以上．因此，屋面雨水污染严重，不可直接回用，必须进行收集处理．

由图1、图2可以看出，6月17日的TP与浊度曲线存在很大的波动，同时 TP浓度与浊度存在一定的相关性，曲线之所以出现波动，这与降雨强度的变化有关，在降雨75 min时刻出现强降雨，雨水冲刷导致TP浓度和浊度曲线出现瞬时拐点．

2.3 屋面径流雨水水质的影响因素分析

2.3.1 季节与气温对屋面材料的影响

季节和气温对沥青屋面径流水质有影响，2010年5～8月期间，三场不同降雨，平顶沥青屋面径流雨水中CODCr最大值和最小值的比较见图5．在同年度的降雨中，时间早的一场雨污染最为严重，随着降雨次数的增加，屋面雨水的污染程度有所降低．然而夏季日光照射强烈，沥青油毡屋面材料的分解明显，多次降雨过程中，屋面雨水的污染可能会出现一定的波动，这与车伍等人的研究相符[5-6]．

2.3.2 降雨强度的影响

降雨强度对沥青屋面径流水质有明显影响，2010年5～8月期间，三场不同降雨强度的屋面雨水CODCr的削减状况如图6所示．降雨强度越大，对屋面污染物的冲刷作用越大，污染物浓度削减率越大，降低程度变化越快．

图5 不同时期屋面径流雨水中CODCr的最大值和最小值

图6 不同降雨强度下屋面径流雨水中CODCr浓度的削减状况

2.3.3 使用年限和污染源的影响

文教区屋面使用达 30年，而居民区屋面使用年限为 10年，屋面材料的老化析出对雨水污染有明显影响．

由表2可以看出，文教区屋面径流雨水污染程度高于居民区，与道路雨水文教区明显优于居民区的结果相反[7]．所选文教区采样点紧邻主干公路，车辆的交通流量大；而居民区采样点远离公路，受汽车尾气污染较弱，大气环境优于文教区．而文教区花草树木繁茂，鸟类栖息密度高于居民区，由此导致屋顶生物代谢物污染程度增大，其中生物类污染是引起屋面径流雨水中 TN、CODCr指标较高的主要因素．由此推断，与道路径流相比，虽然屋面径流的污染外源较少，但大气的雨水淋溶和大气降尘、生物代谢物等屋面沉积物是影响雨水污染的重要因素．

3 结 论

(1)平顶沥青油毡屋面径流雨水污染严重，主要污染物为COD、TOC、BOD5、TN、色度和浊度，其中，COD、BOD5、TOC 和 TN 浓度最高值达到 1 632、399.814 、665.2、55.01 mg/L．屋面径流雨水 BOD5/COD平均值为0.201，水质可生化性低．

(2)通过长时间的雨水冲刷，屋面径流雨水污染程度会降低，部分指标可达到地表水V类水的标准，但主要污染指标CODCr和TN仍超出地表水V类水水质标准．屋面雨水不可直接回用，必须进行收集处理．

(3)通过分析可知，屋面径流雨水污染影响因素为：生物类外源污染、屋面积尘、大气淋溶、屋面材料老化以及降雨强度和降雨历时．

［1］ 王 琳，杨鲁豫，王宝贞，等. 城市水资源短缺与雨水收集利用[J]. 城市给排水，2001，27(12)：1-4.

［2］ 王和意，刘 敏，刘华林，等. 城市降雨屋面径流污染分析和管理控制[J]. 长江流域资源与环境，2005，14(3)：367-371.

［3］ 孙小滨． 济南市屋面雨水水质变化与砂柱处理试验研究[D]. 济南：济南大学，2010.

［4］ 孙 红. 邯郸市屋面雨水径流污染物变化规律研究[J]. 节水灌溉，2009(5)：12-13.

［5］ 车 伍，欧 岚，汪慧贞，等. 北京城区雨水径流水质及其主要影响因素[J]. 环境污染治理技术与设备，2002，3(1)：33-37.

［6］ 车 武，汪慧珍，任 超，等. 北京城区屋面雨水污染及利用研究[J]. 中国给水排水，2001，17(6)：57-61.

［7］ 张 娜，赵乐军，李铁龙，等. 天津城区道路雨水径流水质监测及污染特征分析[J]. 生态环境学报，2009，18(6)：2 127-2 131.