摘 要：综合国内外综合资料‚对城市不同建筑材料屋面和不同路面的雨水径流水质特征进行了对比分析‚阐明了影响城市雨水径流水质的三大因素‚并论述了城市雨水收集利用的现实意义。
关键词：雨水径流;水质分析;雨水收集利用
城市雨水作为一种宝贵资源‚长期以来却未得到应有的重视。充分利用城市建筑物多、地面硬化程度高等条件‚收集雨水并加以利用‚是解决城市水资源缺乏的有效途径。由于城市雨水在降落的过程中‚携带了一定浓度的溶解性气体、悬浮物及溶解性固体、有机物、氮、磷、重金属、细菌和某些病原菌等‚ 故雨水水质与当地空气质量、建筑屋面材料、道路路面、降雨间隔、降雨强度以及降雨历时等因素有关。笔者综合了国内外资料‚对城市不同建筑材料屋面和不同路面的雨水径流水质特征进行了研究。
1 国内外城市雨水径流污染研究概况
随着点源污染控制的不断完善和城市的快速扩张‚非点源污染的矛盾日益突出‚对城市水系构成严重的威胁。在很多发达国家‚点源污染基本得到有效控制‚雨水径流带来的非点源污染已成为水体污染的主要因素。如美国约有 60%的河流和 50%的湖泊污染与非点源污染有关;在已实现污水二级处理的城市‚水体生化需氧量 (BOD)年负荷约 40% ～ 80%来自雨水径流[1-2]。
我国雨水径流引起的污染很严重。在太湖、滇池等重要湖泊‚非点源污染已经成为水质恶化的主要原因之一[3]。雨水径流携带大量污染物排入城市水系造成了严重污染[4]。据初步的保守估算‚目前在北京和上海的城区雨水径流污染占水体污染负荷的比例约占 10%。北京申奥、上海申博的成功加速了排水工程和污水处理厂的建设速度。到 2010 年的规划实施后‚城市雨水径流污染负荷的比例北京将上升至 12%以上‚上海将上升到 20%左右。
事实上‚考虑径流污染物输送的非连续性和爆发性‚其污染负荷所占的比例在雨季的短时段内会成倍升高‚超过点源污染‚对城市水体造成冲击性影响‚严重制约城市水环境质量的彻底改善‚许多城市暴雨后发生的水污染事件都是很好的例证。近 20 ～30年间‚城市雨水污染在发达国家受到广泛关注‚许多国家对城市径流污染及控制进行了深入的研究‚制定了系统的法规、管理和技术体系。
近年来‚我国非点源污染矛盾有加重趋势‚水污染控制的力度也在加大‚城市径流污染开始引起越来越多的重视。如北京 1998年开始对城市雨水径流污染控制和雨水资源利用进行系统研究[5]‚不仅分析径流污染指标及变化范围‚对污染物的冲刷输送规律、主要影响因素、污染物负荷和控制对策等都进行了研究。虽然研究取得了一批成果‚但对径流量及其水质缺少全面监测数据‚对径流污染源、输送机制、污染总量及相适应的合理排水体系和控制管理对策缺乏系统研究‚所以我国目前尚未建立与雨水径流控制配套的技术和法规体系。
2 国外发达国家城市雨水径流水质研究
2.1 美国城市雨水径流水质特征
美国国家环境保护局 (USEPA)于 1983年提出城市暴雨径流的主要污染评价指标‚如悬浮固体、有机物、植物营养物和重金属 (表 1)[6]。美国 EPA的研究报告未明确区分路面、屋面汇水面径流‚其主要反映城市综合的径流水质。研究报告指出‚美国城市及不同地域之间暴雨径流水质的统计结果无明显区别污染成分的加权平均浓度 EMC(eventmeanconcentration)与城市、地理位置和地面条件等没有明显关系‚但各种指标的变化范围很大。
2.2 法国巴黎不同汇水面雨水径流污染物分析
国外是近年才开始注意屋面径流的污染‚法国的研究者对巴黎市中心 4个屋面 (2瓦、1石板、1锌板 )、3个庭院和 6个街道取样点的 16场降雨数据分析‚结果见表 2 [7]‚据此可做出图 1。
图 1a为巴黎不同汇水面雨水径流中 SS污染物浓度状况。由图可见‚庭院和道路径流中 SS的中值大大超出了欧共体对处理厂排放的规定‚特别是最大污染浓度的初期雨水‚更是远远超出规定值‚因此不能直接排放。虽然屋面径流的平均污染浓度略低于排放标准‚但其最大值同样远远超过排放规定‚若不进行弃流就直接排放‚会对水体带来严重污染。
图 1b为巴黎不同汇水面雨水径流中 COD污染物浓度状况。根据图表分析可得‚庭院和道路径流的 COD污染较为严重‚约有 60%超标。不同汇水面雨水径流的 COD平均值基本满足排放标准‚但是最大污染浓度仍然大大超出规定值。
图 1c为巴黎不同汇水面雨水径流中 Pb污染物浓度状况。由图可见‚屋面、庭院以及道路径流中Pb浓度均严重超标。特别是金属屋面产生的径流中‚重金属 Pb的污染物浓度最高‚其最大值甚至高达排放标准的 55倍。如果直接排放‚对水体和现场渗透土壤可能造成严重危害。
此外‚从数据表中还可以看出一个较为明显的情况。屋面径流中 Zn含量的最大值严重超出排放规定的范围‚其他情况下基本满足排放标准。
综上所述‚本研究肯定了庭院和街道径流污染的严重性‚主要表现为 SS和 COD污染。同时屋面径流也有一定的污染‚由金属屋面产生的一些重金属污染最为严重‚甚至超过街道径流。
2.3 德国屋面和道路雨水径流污染
德国有资料 (W.F.Geiger教授：Modulestormwatertreatment)将屋面雨水径流与路面雨水径流水质区分 (表 3)‚以便对不同的水质进行处理和利用。
3 国内城市雨水径流水质的研究
北京连续 4年对城区雨水径流进行了分析。因初期径流污染物浓度很高‚是需要重点控制的对象‚ 故将初期径流水质和各场雨平均污染物浓度结果分别列于表 4和表 5。路面和油毡屋面初期径流 COD通常达数千 mg/L;COD、SS、合成洗涤剂、酚、石油类和重金属铅‚路面和屋面径流都超出北京地下水人工回灌水质标准‚如果直接回灌地下或排入水体将造成污染‚必须采取有效的初期雨水控制措施。沥青油毡屋面的有机污染物比瓦屋面的约高 3倍‚路面径流的主要污染物 COD、SS、TN、TP和部分重金属的初期浓度和加权平均浓度都比屋面的高。
根据表 4和表 5‚分析初期径流和平均径流的污染物情况 (图 2)‚可以看出‚北京市城区雨水初期径流和平均径流的污染物浓度有较大差别。
4 城市雨水径流水质分析
4.1 国内外城市雨水径流水质分析
表 1至表 5的数据及分析处理基础不完全一致‚难以做全面的精确对比‚通过主要污染指标数量级和变化范围的比较可对污染程度做出评价。分析比较可得‚巴黎 3种汇水面径流主要污染物的中值和最大值明显小于北京。巴黎、德国屋面径流 COD中值和北京天然雨水的平均值接近‚但都低于北京屋面的 COD值。油毡材料和大气的降尘是北京屋面 COD值偏高的主要原因。表 1、表 2的 BOD都相对较低‚表明城市径流的可生化性差‚与北京的研究结论相符。
根据美国 EPA的研究‚不同城市和地域间雨水径流水质的统计结果无明显区别‚故北京城区雨水水质分析结果应具有一定的代表性。考虑目前北京城市地面环境状况、大气质量等在中国城市中至少属于中上等‚因此‚从定量和定性两方面分析判断‚ 我国主要城市径流污染比一些发达国家的城市径流污染程度明显严重。许多发达国家的经验已经证明‚必须及早深入研究和制定控制对策。
4.2 影响城市雨水径流水质的因素
影响城市雨水径流水质的因素有很多也很复杂‚综合起来主要有：降雨量、降雨时间、降雨强度、两场降雨之间的时间间隔、屋面防水材料组成物质和老化程度、气温、日照强度等。目前北京市建筑物大多采用沥青油毡作为防水材料‚老化的油毡经高温日晒‚析出相当量的有机物溶入径流‚造成屋面径流 COD居高不下‚这是屋面径流主要污染源。与油毡屋面相比‚瓦质屋面径流的水质较好‚两者 COD相差 3～8倍‚而且气温越高‚两者相差越大 (图 3)。路面径流的污染除与路面材料、路面老化程度有关外‚地面清洁度及水土流失也是主要影响因素。
(1)城区雨水径流污染严重‚主要为有机物污染和悬浮固体污染‚一般规律是：初期径流污染最严重‚可达到很高的浓度‚随降雨历时的延长‚浓度逐渐下降并趋于稳定。
(2)汇水面性质对雨水径流水质有最直接的重要影响。屋面污染物主要为干沉降物和屋面材料的分解产物‚油毡屋面是一种主要的污染源。路面污染状况是道路雨水污染的决定性因素‚水质比屋面雨水更复杂‚随机性更大‚初期径流的 COD和 SS浓度一般均超过城市污水 (图 4)。
(3)气温、降雨的间隔时间、降雨强度和雨量对城区雨水径流水质均有明显影响‚这些因素相互交错或同时作用‚使径流水质变化规律比较复杂。气温主要对油毡屋面水质影响显著‚夏季可导致油毡屋面初期径流 COD高达数千 mg/L‚色度大‚主要为溶解性难生物降解有机物‚ρ(BOD5)/ρ(COD)值一般为 0.1～0.2。通常以在 25℃ 下 5日内所消耗的溶解氧量为标准‚记为 BOD5。
由于上述因素影响及北京的降雨特点‚屋面及道路雨水径流污染负荷均表现随季节变化趋势。
5 结论
城区雨水径流的污染直接关系到雨水资源的合理利用和城市非点源污染的控制、城市生态环境建设及可持续发展‚必须给予足够的重视‚并采取相应的控制措施‚如城市排水系统的合理规划与设计、屋面材料的改进、初期雨水径流的有效控制、路面环境及雨水管理的立法等。
雨水利用是一个系统工程‚必须全盘考虑‚合理规划。需要掌握当地水资源状况、可利用的雨水资源及季节分配;城市规划和给排水基础设施‚如不透水面积、城区发展、排水体制、污水处理厂、目前节水技术设施等;地下水位和地质条件;雨水水质及处理要求;水利设施及旱涝情况;雨水利用与现有水资源的合理调配等。这些必要的基础研究和资料是合理开发利用雨水的前提及技术保障。——论文作者：蒋德明 1‚蒋玮 2
参考文献：
[1] DikshitAK‚LoucksDP.EstimationNonpointPollutantLoadings[C]//AGeographicalInformationBasedNonpointSourceSimulationModel.JEnvironSys‚1996‚24(4)：395.
[2] USEPA.Nationalwaterqualityinventory.ReporttoCongressExecutiveSummary[R].WashigntonDC：USEPA‚1995.
[3] 金相灿.中国湖泊环境 [M].北京：海洋出版社‚1995.
[4] 刘曼蓉‚曹万金.南京市城北地区暴雨径流污染研究 [J].水文‚1990‚(6)：15.
[5] 车武‚李俊奇‚曹秀芹‚等.对城市雨水地下回灌的分析 [J].城市环境与城市生态‚2001‚14(4)：28.
[6] EPA.Resultsofthenationwideurbanrunoffprogram‚Finalreport‚U.S.EnvironmentalAgency[R ].NTISAccessionNo.PB84185552‚1983.
[7] GromaireMertzMC‚GarnaudS‚GonzalezA‚et‚al.CharacterisationofUrbanRunoffPollutioninParis[J].WatSciTech‚1999‚39 (2)：1.
