北京城區屋面雨水污染及利用研究
車武1，汪慧珍1，任超1，劉紅2，孟光輝2
(1.北京建筑工程學院城建系，北京100044；2.北京市城市節約用水辦公室，北京100036)
摘 要：對北京城區屋面雨水水質做了大量分析測定，發現屋面徑流尤其初期徑流污染很嚴重。分析了屋面材料、氣溫、降雨量、降雨強度、降雨時間及空氣污染等因素對水質的影響。通過研究，討論了北京城區屋面雨水的利用方案。
關鍵詞：屋面徑流；雨水污染；雨水利用
中圖分類號：TU991.64
文獻標識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)06-0057-05
城市雨水的利用是一種新的開源節流綜合性技術，并有利于改善城市生態環境。20世紀90年代以來，北京市屋面匯集的雨水資源量增加幅度很大，年平均增長率約為20%。1998年城區建筑屋面年平均徑流量約1.3×108 m3，占城區匯水面年均徑流量的64%左右。屋面雨水便于收集，水質相對較好，因此，它是城區雨水利用的重點對象。
1 城區屋面雨水徑流水質分析
研究發現，北京城區屋面雨水并非一般認為的那樣具有較好的水質。相反，其污染比較嚴重，而且還受屋面材料、空氣質量、氣溫、降雨強度與雨量、降雨歷時、建筑的地理位置等諸多因素的影響。
1.1 一般規律
通過對大量降雨徑流全過程水質的分析測定，發現屋面初期雨水徑流污染最為嚴重，水質混濁，色度大。主要污染物為COD、SS，總氮、總磷、重金屬、無機鹽等污染物濃度則較低。隨著降雨時間的延長，污染物濃度逐漸下降，色度也隨之降低。圖1、圖2為1999年和2000年一些典型的降雨徑流COD濃度隨時間的變化曲線。
從圖中可看出，氣溫、降雨和屋面等條件不同會導致初始濃度、曲線形狀也有所不同。雖然是不同季節、不同年份、不同地點和屋面的多場降雨測定數據，但COD濃度的變化規律基本一致，都隨降雨歷時的增加很快趨向一個穩定值(約100 mg/L左右)，SS的變化規律也基本一致。
圖3為2000年5月18日一場特殊的短時暴雨資料。由于沖刷作用強烈，初始污染物濃度、尤其是SS濃度非常高，但在10 min之內，濃度就大幅下降，很快趨于平緩。一般降雨強度越大，濃度達到穩定值的時間就越短，這場雨對大氣的沖洗也很強烈，收集的天然雨水中SS濃度比通常高幾倍。
兩個雨季的水質規律反映出屋面徑流水質是多種因素共同作用的結果，雨水的收集利用和污染控制應重視這些因素。
1.2 屋面材料的影響
北京建筑屋面主要有平屋頂和坡屋頂之分。從屋面材料看有水泥磚保護層屋面、卵石保護層屋面、瓦屋面、石油瀝青油氈屋面等。
研究表明，屋面材料對徑流水質有很大影響。對典型的坡頂瓦屋面和平頂瀝青油氈屋面雨水徑流的比較，后者的污染明顯嚴重(如圖4所示)，其初期徑流的COD濃度可高達上千，且色度大，有異味，主要為溶解性COD。
坡頂瓦屋面由于易于沖刷，初期徑流的SS濃度可能較高，取決于降雨條件和降雨的間隔時間，但色度和COD濃度一般均明顯小于油氈屋面。如遇到暴雨，強烈的沖刷作用把積累在平頂屋面上的顆粒物沖洗下來，則初期雨水中的SS也會達到較高濃度(見圖3)。
兩種屋面初期徑流COD濃度一般相差3～8倍左右，隨著氣溫升高差距增大。由于瀝青為石油的副產品，其成分較為復雜，許多污染物質可能溶入雨水中，而瓦屋面不含溶解性化學成分。
圖5可清楚地反映新舊油氈材料對徑流水質的影響。a圖是兩個相似的舊材料屋面的徑流水質比較，兩者的COD濃度曲線非常相近；b圖是兩樓屋面更換成新的表面鋁箔彈性體瀝青防水卷材后，兩者徑流水質的比較，更換后的屋面初期徑流污染程度有顯著的降低。說明表面鋁箔瀝青卷材比舊的瀝青油氈耐高溫，抗分解，減少了帶入徑流的污染物，但這種屋面的另一個問題是強烈的反光會構成城區光污染問題。
1.3 季節與氣溫的影響
對1998年11月—2000年11月的屋面徑流水質進行了分析，發現4月—5月和夏季的降雨初期徑流COD濃度最高。主要原因是經過漫長的冬、春旱季，屋頂積累了大量沉積物和污染物，在4月—5月被初期幾場雨沖刷下來。同時測定的天然雨水中的COD和SS濃度一般都比較低，也說明每場雨初期徑流中較高濃度污染物來自屋面。隨著降雨的增多，屋面徑流水質有所好轉，但進入夏季后，氣溫升高和日照增強又使水質惡化，雨水徑流的色度較大，因為黑色的瀝青油氈極易在太陽的暴曬下吸熱變軟，且容易老化，分解出有機物質。一般日照越強烈，氣溫越高，瀝青油氈屋面材料的分解越明顯，屋面雨水徑流中的COD也越高。
圖6為1999年某油氈屋面初期雨水的COD濃度。盡管每場雨的影響因素多，結果有隨機性，但水質最差的降雨是在雨季的初期和夏季。表1是1998年11月22日屋面降雪的水質分析結果，雖然因空氣污染，屋面融化雪水徑流很臟，顏色發黑，但COD濃度僅79 mg/L，可見氣溫對水質影響明顯。
1.4 初期屋面雨水的棄流量確定
由于屋面(特別是瀝青油氈屋面)初期徑流污染物濃度很高，而這部分水量所占比例又很小，因此，雨水的收集利用應考慮舍棄這部分臟水，減小對后續設施的影響，如滲透過程中對地下水可能造成的污染及對滲透裝置的堵塞。初期雨水棄流量的合理確定關系到雨水收集利用系統的經濟性和安全性。
根據屋面雨水水質變化規律的分析，初期棄流量可以由降雨曲線和水質變化曲線來確定，即觀測徑流COD濃度達到相對穩定時所對應的降雨量。
根據1999年—2000年兩個雨季的大量數據分析，得出在北京市降雨和平頂油氈屋面條件下的初期棄流量為2 mm左右(見表2)。
圖7清楚地表明，盡管降雨條件和COD曲線可能相差很大，但每一場雨的徑流COD濃度達到相對穩定值所對應的降雨量相差不大，在1～3 mm的范圍，具體取決于降雨條件、屋面形式和屋面污染狀況。一般初始濃度低，達到穩定時對應的降雨量就較小，但因坡頂瓦屋面和金屬等屋面徑流污染物濃度較低，再考慮到屋面雨水匯集到雨落管出水口需一定時間，觀測COD達到穩定時所對應的降雨量因滯后而略為偏大，因此采用2 mm降雨量作為初期棄流量是合理的。
同時也對SS的數據做了分析，降雨量為2 mm后的SS濃度一般也能達到相對穩定的濃度，即排除2 mm的初期降雨量后，可以在很大程度上減少雨水對后續收集利用設施的影響。
1.5 油氈屋面徑流的可生化性分析
對屋面雨水的可生化性做了分析研究，結果見表3。
410
104 230
28
12 0.13
0.07
0.12 541 97
128① 0.18
0.24 602
355 48
42 0.08
0.12 956(857) 123①
141② 0.13
0.15 3 124(2964) 600①
700② 0.19
0.22 注①為生活污水接種；②為雨落管下泥土接種；括號內數值為溶解性COD。
表中數據來自不同瀝青油氈屋面、不同降雨過程的水樣，有一定的代表性，但可生化性較差。經接種后其BOD5/COD值僅略有提高。最后一組數據中屋面徑流的COD濃度很高，BOD5/COD也略偏高，原因是該場雨為人工液氮降雨，但天然雨水的COD僅24 mg/L，因此，導致高濃度COD的原因主要還是屋面材料、氣溫及降雨強度等因素的影響。
2 屋面雨水利用方案分析
2.1 納入中水系統
北京市至今已建成幾十座中水工程，它是緩解水緊張狀況的一種有力的節水措施。把屋面雨水納入中水系統從技術上是可以實現的，但研究認為，這不是一種首選的合理方案。水量平衡不當是目前一些中水系統運行不佳的主要問題之一，而雨水的季節波動和隨機性很大，北京降雨又非常集中(6月—9月)，雨水的納入會加大中水系統水量平衡的難度，即為了滿足雨水的貯存要求及保證系統的正常運行，就必須增大調蓄設備，如處理前的雨水調節池和處理后的中水池，這會造成經濟上的不合理。此外，城區中水工程主體建筑多為高層，中水系統常建在擁擠的地下設備層，再增加龐大的調蓄設備通常難以實現，如果僅僅利用賓館、飯店建筑屋面的雨水，能收集的雨量也相對較少。
因此，建議以小區或建筑群為單元來考慮采用獨立的雨水收集利用系統。
2.2 獨立的雨水利用系統
針對北京市降雨及屋面徑流水質特點，提出如下的雨水收集處理及利用系統。
舍去2mm左右的初期降雨量后，可得到水質較穩定的處理系統進水。由于降雨的非連續性，該系統也是間斷性運行。為了減少占地和一次投資，通過池內構造的合理設計及運行控制，可將調節池和儲水池合二為一。雨水的調儲是整個系統的關鍵，關系到系統的技術可行性和經濟合理性。
目前城區油氈屋面所占比例較大，因其水質污染較重，為不利條件。對其所進行的混凝劑選擇和過濾試驗表明，因雨水中主要為溶解性COD，采用直接過濾對COD、SS和色度的去除效果很差，但投加混凝劑后效果可明顯提高。對聚合氯化鋁、硫酸鋁、三氯化鐵三種混凝劑進行了試驗比較，最佳投藥量分別為5、6和6mg/L。在三種混凝劑中，使用聚合氯化鋁的出水效果最好，且投加量最少，所以可選擇聚合氯化鋁作為雨水處理的混凝劑。
經初期棄流的屋面徑流雨水，在最佳投藥條件下經接觸過濾，COD一般可去除65%左右，SS可去除90%以上，色度可去除55%左右，出水水質可滿足《生活雜用水水質標準》。
2.3 雨水滲透與自然凈化利用系統
雨水的這類利用系統是指在城區充分利用綠地、花壇、池塘、湖泊洼地、河道等人工或天然設施來接納凈化雨水，或采用各種透水性地面、滲透管溝、滲透井、滲透池塘等技術措施以截留、下滲雨水，補充城區地下水，減少雨水資源的流失和水體的污染。這種系統是把屋面雨水的直接收集利用與間接收集利用相結合，把人工處理與自然凈化相結合，把水資源的“開源節流”和綠化、景觀、改善城市水環境和生態環境相結合，是一種廣義的生態型雨水綜合利用系統，因此是一種值得推廣的技術，但必須解決好屋面雨水的污染問題。可以通過改善屋面防水材料或利用初期雨水棄流設備，也可利用人工花壇、綠地等設施來截納、凈化屋面雨水中的污染物。
用天然土和人工配制土壤對油氈屋面雨水進行的試驗研究結果表明，盡管油氈屋面徑流的可生化性較差，土壤層對污染物仍有較強的凈化和再生能力，經過1 m厚天然土層的滲透，COD去處率可達60%；經1 m厚人工土層的滲透，COD可去除70%～80%，即屋面雨水通過天然綠地或人工滲透裝置的滲透可達到較好的水質。經合理的設計和控制，并保證至地下水位有一定厚度的土層，可以防止雨水對地下水的污染。
以北京某小區為例進行了雨水的直接排放、直接收集處理利用和自然凈化與滲透利用設計方案的比較和技術經濟分析，結果表明，后者具有明顯的優越性，為最佳方案。
3 結論
?、俪菂^屋面雨水徑流尤其初期徑流的污染比較嚴重，主要污染物為COD和SS，瀝青油氈屋面初期雨水中的COD濃度可高達上千。
?、谖菝鎻搅鞯奈廴九c屋面材料有直接關系，瀝青油氈是一種主要污染源，還受空氣污染、氣溫、降雨量與降雨強度等多種因素影響。
?、畚菝鎻搅鞯目缮圆桓撸珺OD5/COD一般在0.1～0.2左右。
?、芪菝嬗晁睦脩紤]約2 mm的初期雨水棄流量，后期雨水的COD一般可穩定在100 mg/L左右。
?、輳挠晁睦煤铜h境保護角度考慮，屋面徑流的污染應受到重視并采取相應的控制措施。
?、迣ξ菝嬗晁睦梅桨笐骷夹g經濟分析，自然凈化與滲透利用方案的效益/投入比相對較高，值得提倡，對緩解北京用水的緊張狀況，改善城市生態環境具有積極意義。
參考文獻：
?。?］車武.我國缺水城市雨水利用技術的探討［J］.中國給水排水，1999，15(3)：22-23.
?。?］車武,劉紅,孟光輝.雨水利用與城市環境［J］.北京節能，1999，(3)：13-14.
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E-mail:chewu812@sina.com
收稿日期：2001-01-18
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