屋面径流污染特性及回用分析

高玉婵，金星龙，赵乐军，宋现才

(1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300000；2. 天津市市政工程研究院，天津 300392)

随着国际标准化组织水回用技术委员会(ISO/TC282)会议的陆续召开，水资源回用成为近年来研究的重要课题。雨水作为大自然给予的天然资源，具有氧含量高、杂质少、硬度低及易收集[1]等特点，可直接或经再处理后达到城市杂用水、工业用水等水质标准，满足人们日常生产、生活。吴淑琰[2]在雨水径流的回用分析研究中指出多数情况下对径流采取初期弃流后便可作为城市景观用水。同时张肖[3]研究结果也显示降雨可使人工湖水中污染物浓度减小，有利于改善水质。因此，将雨水进行必要的回收利用对减轻地表水体污染、缓解城市水资源短缺具有重要意义。

对屋面径流受污染特征进行有效监测可以为雨水回用处理提供有效数据支持。本次研究选择SBS屋面作为研究对象，将降雨过程雨水在屋面的下渗量及蒸发量考虑在内改进取样方法，对径流中污染物出流规律特征和产生原因、初始冲洗效果及回用可行性进行分析，以期为制定可行的雨水利用方案提供基础数据支持。

1 实验材料与方法

1.1 研究区域概况

该实验测试点选择天津市某大学教学楼屋顶，为提高屋面的防水性能，2018年6月27日新铺设SBS防水材料，从铺装至第1次采样完成，时隔1.5个月，期间经过3场雨的冲刷，其中2场中雨，1场小雨，降雨量分别为15.6 mm(7月24日)、16.3 mm(7月30日)和8.3 mm(8月14日)。图1为铺设SBS防水材料后屋面情况。

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

1.2 样品采集及分析方法

自降雨开始，雨水形成径流冲刷屋面，自两侧的落水管排放至地面，采样点则设置于2个落水管下方。根据当地降雨特征，即降雨量呈先缓慢增大至最高值后缓慢下降的规律，以及《大气降水样品的采集与保存》(GB13580.2-92)[4]所述方法设计样品收集原则，即自产生明显径流开始计时，以0～15 min内，15 min/次，15～25 min内，10 min/次，25～35 min内，5 min/次，35～55 min内，10 min/次，55～85 min内,15 min/次，85～145 min内，30 min/次，>145 min后，60 min/次的时间间隔采集样品，将收集到的水样混合均匀后储存5 L到采样瓶里进行保存。降雨基本特征见表1。雨水径流量根据采样耗时与容器内径流体积所计算的瞬时径流量[5]表示：

Q=V/t

(1)

式中：Q表示雨水径流量，mL/min；V表示屋面径流在规定时间间隔内排放总体积，mL；t表示监测时间间隔，min。

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

样品收集完成后，迅速运送回实验室进行水质分析，主要检测指标有pH、TSS(总悬浮物)、COD(化学需氧量)、TP(总磷)和TN(总氮)。样品具体分析方法参见文献[6]中所述方法进行检测。

2 结果分析与讨论

2.1 不同降雨事件中径流中污染物变化特征

2018年在3场降雨中，pH变化范围分别为6.06～6.52(8月19日)、5.92～6.45(8月30日)、6.08～6.85(9月19日)，均表现为弱酸性，但随着降雨时间的延长，pH逐渐增大，并趋于中性。一方面，由于空气中存在一定量的氮氧化物、硫氧化物等酸性气体[7]，在降雨过程中逐渐溶解；另一方面，SBS防水材料及其表面附着的固体颗粒中碳氮化合物[8]，在降雨冲刷作用下，随径流排放。

图2～图4分别为3场降雨中排放径流量以及各污染物质量浓度随时间的变化曲线。降雨事件Ⅰ中污染物变化过程见图2。从图2中可以看出，初期径流中各污染物质量浓度较高，TSS、COD、TP、TN最高质量浓度分别为25.78、925.84、0.22、7.78 mg/L。随后径流量迅速增大，污染物的质量浓度迅速下降，至70 min时各污染物浓度已达较低值，分别为1.75、208.64、0.03、2.14 mg/L，随后各项数值趋于平缓，最终分别稳定在1.00、226.03、0.03、2.46 mg/L，约为初始浓度的1/25、1/4、1/7和1/3[9]。究其原因，可能是由于前期屋顶积累了大量污染物，同时空气中也存在大量污染性气体和固体颗粒，经过雨水冲刷，大量污染物溶解，随径流排放，前期体积流量越大，单位时间内随径流排出的污染物越多，因此污染物浓度迅速下降，70 min时，大部分污染物已随径流排放，后期污染物浓度逐渐平稳。

图2 2018-08-19屋面径流中污染物变化特征Fig.2 Characteristics of pollutants in roof runoff on August 19, 2018

降雨事件Ⅱ中污染物变化过程见图3。从图3中可以看出，初始水质较差，污染严重，TSS、COD、TP最高质量浓度分别为90.50、2 138.90、0.42 mg/L，随径流时间的持续，整体呈减小趋势，后逐渐分别稳定在29.25、335.33、0.01 mg/L。相较于降雨事件Ⅰ，首先,TSS，COD和TP的初始质量浓度较高，究其原因由于该次降雨事件前期干燥天数为10 d，与降雨事件Ⅰ(4 d)相比，干燥天数较长，污染物累积较多[10]。其次，TSS、COD、TP浓度分别于30、35和45 min处浓度降低幅度减小甚至有少许增大。分析原因是30～45 min间体积流量减小，径流单位时间内与屋面的接触时间增长，导致其更易溶解较多的污染物。再次，总氮浓度随径流量的增大而增大，可能是由于屋面污染物累积量较高，而降雨强度较小，因此径流对于屋面污染物的溶解作用大于对污染物的稀释作用[11]，因此自屋面径流产生的一段时期内，TN质量浓度随径流体积流量的增大而增大。

图3 2018-08-30屋面径流中污染物变化特征Fig.3 Characteristics of pollutants in roof runoff on August 30, 2018

降雨事件Ⅲ中污染物变化过程见图4。此次降雨量为23.8 mm，降雨强度为中雨。相较于前2次降雨事件，COD初始浓度与最终稳定浓度明显高于前2次，分别为降雨事件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离上次取样相隔18 d，时间较长，且期间2场小雨并未形成径流，但溶解空气中的污染物会随降雨累积在屋面，导致径流初始污染物浓度高。

图4 2018-09-18屋面径流中污染物变化特征Fig.4 Characteristics of pollutants in roof runoff on September 18, 2018

2.2 不同降雨事件的初始冲洗效应

不同降雨事件中屋面径流污染物随径流体积的累积情况见图5。以累积体积百分比为横坐标，累积质量百分比为纵坐标建立曲线关系，将y=x作为参考曲线，曲线偏离参考线的角度越大，则说明初始冲洗效果越强，部分文献中证明降雨强度与初始冲刷效果呈正相关，即降雨强度越大，初始冲洗效果越强[12]。

图5为各场降雨的初始冲洗效果情况。各场降雨对于大部分的屋面累积污染物都产生初始冲洗效应，相比而言，降雨事件Ⅲ[见图5(c)]初始冲洗效果图中各曲线偏离参考线的角度最大，特别是对TSS的冲刷效果尤其明显，因此该降雨事件的初始冲洗效果最为显著。而8月30日的降雨冲刷效果图中，TN变化曲线位于参考线的下方，因此未发生初始冲洗效应，该结果与TN前期变化规律一致。各场降雨初始冲刷效果各不相同，该现象不是单一因素作用的结果，而是降雨强度、屋面材质、降雨历时等多种因素综合作用的结果[13]。

图5 不同降雨事件的初始冲洗效果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浓度

事件平均浓度(EMC)作为一个评价地表降雨径流受污染程度的重要指标，即用降雨事件总污染物负荷与总径流体积比值表征径流污染,具体计算方法如下：

(2)

式中：M表示整个降雨事件中污染物总质量，mg；V表示径流总体积，L；Ct表示t时刻污染物浓度，mg/L；Qt为t时刻雨水径流量，mL/min。

根据式(2)，可得屋面径流污染物EMC的统计值(见表2)。

由表2可知，在选取的3场降雨事件中除了COD外,其他指标均无显著变化规律，而COD的EMC值在降雨事件Ⅲ中最大为3 866.18 mg/L，降雨事件Ⅱ中最小为490.38 mg/L，但均超过标准Ⅰ(40 mg/L)的上限值。TP的EMC值普遍较低，分别为0.08、0.23、0.08 mg/L，且都在标准Ⅰ和标准Ⅱ规定范围内。同时，降雨事件Ⅰ和降雨事件ⅢTSS的EMC值符合《城市污水再利用景观环境用水水质》湖泊、水景类标准[15]，因此该场降雨可作为湖泊、水景用水的水源之一。综合数据结果可得，在3次降雨事件中COD污染最为严重，最高甚至为《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准的100倍；不同降雨条件下屋面径流水质结果各不相同，大多数情况下均超出《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准，可考虑将屋面径流收集进行再处理后循环利用，既可避免地下水的污染，又可缓解全球水资源短缺的现状。

表2 屋面径流各污染物EMC统计值Tab.2 EMC value statistic table on roof runoff

注：“-”为标准未作明确规定；标准Ⅰ为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准，标准Ⅱ为《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)湖泊、水景类标准[14]。

3 结 语

(1)分析了以SBS防水材料为下垫面的屋面径流TSS、COD、TP和TN随时间变化的规律，进而得到不同降雨事件中各污染物的EMC值，分别与GB 3838-2002、GB/T 18921-2002相比，径流水质符合城市景观用水标准。

(2)不同参数条件下的降雨径流对屋面各污染物的冲刷效果有所不同，降雨量越大、屋面污染总负荷越高，雨水对屋面的冲刷作用越强，初始冲洗效果越显著；反之，降雨强度过小时，径流对污染物的溶解作用强于稀释作用，将不会发生初始冲洗效应。

(3)SBS屋面径流中COD污染最严重，是由降雨强度、屋面材质、降雨历时等多种因素综合作用的结果，在雨水处理及回用过程中应着重考虑。

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