海绵城市建设背景下校园雨水水质监测研究

郝　强，王少坡，费　琼，张鹏达，于静洁，孙力平

（天津城建大学 环境与市政工程学院，天津 300384）

目前，我国正在大力推进海绵城市建设，雨水利用是海绵城市建设过程中重要的一项内容[1].雨水是宝贵的淡水资源，而屋面雨水收集方便，水质相对较好，具有很大的开发利用潜力，成为城市雨水利用的重点对象.现代城市雨水利用是一种新型的多目标综合性技术，可实现目标包括节水、水资源涵养与保护、控制城市水土流失和水涝、减少水污染和改善城市生态环境等.国外对雨水利用技术的研究已经较为成熟，例如，英国应用各种排水设计方法研制了沃林福特模型（Wallingford procedure），美国环境保护署（EPA）编制的暴雨雨水管理模型SWMM（strom water management model），这些模型可以根据使用者的要求，更为确切地模拟水文和水质的变化过程.另外，国际上注重雨水利用领域的探索与研究，例如蓄水池的蓄水研究、不同水质的处理与利用、与中水的联合应用[2].目前，我国许多城市编制了海绵城市建设专项规划，将有力推动雨水的开发和利用，但开展海绵城市建设需要进行大量的基础性研究工作，以保障海绵城市建设科学有效地进行.

我国高校人口多，用水量大，同时很多高校的校园具有景观湖，拥有较大的节水空间[3].校园雨水利用具有直接的经济效益，例如北京工业大学建立的校园雨水回收利用系统，既补充了绿地灌溉用水和人工湖汛期蓄水，同时作为中水系统补充水源，每年为学校节约用水30万t，取得了可观的效果[4].校园雨水可以作为地下水补充水，有效改善水环境和区域生态环境[5]，并且减少雨季溢流污水，减轻了污水处理厂受到的冲击负荷.本研究对天津城建大学的屋顶雨水和地面雨水进行监测，在此基础上分析了屋面径流雨水水质和地面径流雨水水质的变化规律和影响因素，可以为生态校园建设、校园洪涝灾害预防、校园雨水收集利用提供可靠的基础支持.

1　材料与方法

1.1　雨水采样点的选取

在天津市西青区津静路26号天津城建大学校园内设屋面雨水径流水质监测采样点4处，分别为实验中心楼、图书馆、研究生宿舍与现代教育中心楼，这4幢楼的楼顶铺设材质均为沥青材质.地面径流雨水水质监测点均选择在靠近学校正门主干路上的雨水收集井口处.

1.2　样品采集

对2016年7月19日至8月1日期间的降雨进行了取样和测定分析.采样过程为：每次开始形成径流时，用容量为500 mL的聚乙烯塑料桶在雨水收集井口处收集路面上初期径流的瞬时水样，同时避开空调冷凝水管，收集沿室外雨水管（U-PVC材质）流下来的屋面雨水瞬时水样，并根据降雨强度，每隔一定时间同步收集屋面雨水和地面雨水，在此期间，同步记录降雨特征，包括降雨历时和降雨量等.

共对4场降雨进行集中采样.每次降雨均相隔12h以上，共历时14 d.4场降雨的降雨强度大，径流形成快，径流量大.在每场降雨径流形成之时开始采样并计时，采样历时至降雨停止，且取样均设有平行样.

1.3　样品测定

表1　水质指标检测方法

2　结果及分析

2.1　雨水pH值随降雨历时的变化规律

水蒸气在蒸发、冷凝和聚集的过程中溶解了大气中的很多成分，例如硫氧化物、氮氧化物等，经过一系列复杂的化学反应形成硫酸或硝酸气溶胶，以酸雨的形式降落到地面，所以降雨初期雨水呈酸性[6].因为在刮风时地表黏土和碳酸盐粉尘被卷到大气层中，在降雨初期，大气层对流层中的颗粒物数量达到最大值，这些颗粒物进入雨水中，可以起到中和雨水酸性的作用，所以在降雨开始的一段时间内，雨水pH值往往上升速率较快.

屋面和地面降雨径流中pH值随降雨历时的变化如图1所示.

图1　屋面和地面降雨径流中pH值随降雨历时的变化

从图1可以看出，屋面和地面在降雨过程中所形成的径流雨水pH值呈现逐渐增高的趋势，且均在径流形成初期达到最小值.这是由于在降雨形成初期，大气层对流层中的颗粒物被逐渐清理干净，雨水pH呈现出最低值.

由于在降雨之前的很长一段时间内，屋顶累积了很多矿物粉尘颗粒污染物，这些颗粒污染物溶于水后呈弱碱性.随着降雨的进行，这些颗粒污染物被雨水冲刷，并溶解于雨水中，使雨水的pH值上升，并且矿物粉尘溶解得越快，雨水酸性越大.这些矿物粉尘颗粒污染物的溶解速率与降雨强度有关，此次实验监测的4场降雨的降雨量均在45 mm以上，属于暴雨，屋面和地面的径流形成快，径流量大.颗粒污染物在所形成的径流雨水中不断溶解，雨水pH值缓慢变大.

交通状况是屋顶和地面径流水质的重要影响因素.交通状况决定了地面有机污染物的数量和雨水径流中固体悬浮物质的浓度.区域车流量越大，所引起的初期降雨径流水质污染程度越大，这是由于汽车尾气是空气污染的因素，汽车尾气中含有一氧化碳、氧化氮以及能够产生污染的其他一些固体颗粒[7]，这些颗粒物会降落到屋顶和地面上.

2.2　降雨径流中水质感官指标的变化规律

屋面和地面降雨径流中SS随降雨历时的变化如图2所示，屋面和地面降雨径流中浊度随降雨历时的变化如图3所示.

图2　屋面和地面降雨径流中SS随降雨历时的变化

图3　屋面和地面降雨径流中浊度随降雨历时的变化

从图2-3可以看出，屋面和地面降雨径流中SS和浊度均随着降雨历时的增长而不断下降.其中，初期雨水污染较严重，以屋顶为例，这是由于屋顶沉积了大量有机和无机污染物溶入雨水而导致的.此外，屋面防水材料的溶出物经雨水冲刷后也溶入径流，所以降雨初期的污染物浓度比降雨后期的污染物浓度要高，这就是通常所说的初期淋洗效应[8].在降雨后期，地面径流中浊度比屋面高，主要的原因是地面受人流量和车流量的影响，污染物负荷较大.

2.3　降雨径流中总氮和总磷的变化规律

屋面和地面降雨径流中TN和TP随降雨历时的变化如图4所示.

图4　屋面和地面降雨径流中TN和TP随降雨历时的变化

图5　屋面和地面降雨径流中CODCr随降雨历时的变化

从图4可以看出，TN和TP浓度在屋面和地面径流中均随降雨历时的增加而逐渐减小，其变化趋势与径流中溶解的污染物浓度有直接关系，这是因为在降雨之前，污染物的累积量不同.地面的污染物来源广，通常有金属、溶解态或颗粒态的固体物质和有机物等[9].

本研究同步检测了校园屋面和地面径流雨水中NO3--N，NO2--N，NH4+-N，结果发现，TN 在雨水中主要是以NO3--N和NH4+-N的形式存在，TN浓度与夏天的雷雨天气有着一定的关系，闪电会产生氮氧化物，从而造成雨水TN浓度的增加[10]，这也是初期雨水中TN浓度较高的原因.TN最大值9.451 mg/L，NH4+-N最大值4.177 mg/L，分别超出GB3838—2002《地面水环境质量标准》中Ⅴ类标准的4.73倍和2.09倍（氮的Ⅴ类标准值为2.0 mg/L）.

有研究表明，磷沉降以干沉降为主，这也说明降尘是TP吸附的主要载体[11]，这也是TP浓度的变化趋势与溶解污染物有着直接关系的原因所在.TP的浓度较低，符合GB3838—2002《地面水环境质量标准》中Ⅱ类或Ⅰ类水质标准.

2.4　降雨径流中CODCr浓度随降雨历时的变化规律

屋面和地面降雨径流中CODCr随降雨历时的变化如图5所示.

由图5可以看出，降雨所形成的屋面径流和地面径流中，CODCr随降雨历时逐渐降低，并最后趋于稳定.在第一场降雨中，屋面径流和地面径流中CODCr最大浓度均出现在各自径流所形成的开始阶段，并且在15 min内急剧降低.由此可见，在降雨之前，无论是监测点所在的屋顶还是地面，均聚集了较多的耗氧物质和有机污染物.由于这4场降雨间隔时间较短，且每场降雨的降雨强度、降雨历时、降雨量接近，所以CODCr随降雨历时变化的曲线也具有相同的趋势.

3　SS与其他指标的关系

国内外研究结果显示：降雨的部分指标与SS之间存在着很好的相关性.美国密执安州东南区对该区降雨所形成的地表径流进行水质检测[12]，得出了TN与SS之间存在着良好的相关性的结论；张亚东等[13]检测并分析了北京城区的道路雨水水质指标，指出COD与SS之间具有良好的相关性；赵剑强等[14]针对不同地区分析了道路径流雨水的水质特征和排污规律，指出TN和TP与SS之间均存在着一定的相关性.

3.1　SS与浊度的相关性

屋面和地面降雨径流中SS与浊度的相关性曲线如图6所示.

图6　屋面和地面降雨径流中SS与浊度的相关性曲线

如图6所示：4场降雨中，屋面径流雨水中SS与浊度的相关系数分别为 0.899 6，0.794 6，0.756 0，0.907 3；地面径流雨水中SS与浊度的相关系数分别为0.9726，0.970 8，0.984 7，0.983 8.从以上数据可以看出，第三场降雨所形成的屋面径流雨水中SS与浊度的相关性一般，第一和第四场降雨中相关性较好，而4场降雨所形成的地面径流雨水中SS与浊度之间具有明显的相关性.总体来说，降雨径流雨水水质指标中，SS与浊度之间存在着良好的线性关系.

3.2　SS与TN的相关性

屋面和地面降雨径流中SS与TN的相关性曲线如图7所示.

由图7可以看出：屋面降雨径流中SS与TN的相关系数在4场降雨中分别是0.915 8，0.959 7，0.985 3，0.997 6；地面降雨径流中SS与TN的相关系数在4场降雨中分别是 0.956 3，0.921 0，0.938 7，0.959 8.很显然，在降雨径流雨水水质指标中，SS与TN之间存在着很好的线性关系.

3.3　SS与TP的相关性

屋面和地面降雨径流中SS与TP的相关性曲线如图8所示.

图7　屋面和地面降雨径流中SS与TN的相关性曲线

图8　屋面和地面降雨径流中SS与TP的相关性曲线

由图8可以看出：4场降雨中，屋面径流雨水中SS与TP的相关系数分别为0.781 2，0.859 0，0.685 2，0.968 9；地面径流雨水中SS与TP的相关系数分别为0.828 4，0.877 6，0.967 8，0.791 8.从以上数据中可以看出，第三场降雨形成的屋面径流雨水中SS与TP的相关性较低，第二和第四场降雨中相关性较好，而4场降雨所形成的地面径流雨水中SS与TP之间具有明显的相关性，总体来说，降雨径流雨水水质指标中，SS与浊度之间存在着良好的线性关系.

3.4　SS与CODCr的相关性

屋面和地面降雨径流中SS与CODCr的相关性曲线如图9所示.

图9　屋面和地面降雨径流中SS与CODCr的相关性曲线

由图9可以看出：屋面降雨径流中SS与CODCr的相关系数在4场降雨中分别是0.924 9，0.939 3，0.803 3，0.982 9；地面降雨径流中SS与CODCr的相关系数在4场降雨中分别是 0.828 8，0.635 2，0.807 1，0.942 3，第三场降雨所形成的屋面径流雨水中SS与CODCr的相关性一般，而第二场降雨所形成的地面径流雨水中SS与CODCr的相关性较差.总体来说，降雨径流雨水水质指标中，SS与CODCr之间存在着良好的线性关系.

4　校园雨水利用的可能性

校园雨水收集后可作为学校生活杂用用水，包括路面清洗、绿地浇灌、景观用水补充、洗车、冲厕等.天津雨季降水充沛，校园的雨水水质较好，且下垫面良好，因此雨水的收集利用是完全可行的，并且景观湖是一种有效的雨水调蓄设施，通过合理的设计后可实现净化雨水的功能[15].根据GB/T18920—2002《城市污水再生利用——景观环境用水水质》规定，景观环境用水的再生水水质指标列于表2中.

实际测得的校园屋面雨水在降雨后期，即在降雨开始90 min以后，pH在7～8之间，SS质量浓度小于20 mg/L，浊度小于10 NTU，DO大于4 mg/L，TN质量浓度小于6 mg/L，TP质量浓度小于0.1 mg/L，NO3--N质量浓度小于4 mg/L，由此可见，校园屋面雨水在降雨后期的水质较好，经过恰当的预处理可作为学校景观用水；对于降雨初期的雨水需进行弃流处理，以减轻后续处理的负荷，对于地面雨水需进行截留净化处理或者直接排入市政污水官网.

表2　景观环境用水的再生水水质指标　mg/L

5　结论

（1）无论是屋顶径流，还是地面径流，水质指标均呈现出在降雨初期数值急剧增大的情况.暴雨所形成的屋面和地面径流中，pH随降雨历时增加呈现稳定增长的趋势，SS和浊度呈现出一个递减的趋势，越到降雨后期，其变化幅度越小；在降雨的同一时刻，地面径流中SS浓度和浊度比屋面径流中的高；屋面和地面径流中总氮和总磷的含量较低，随着降雨历时的增加其含量逐渐减小；COD浓度随着降雨历时的增加逐渐降低.

（2）雨水指标中的SS与pH、浊度、TN、TP和COD之间的相关系数较高，相关性较好，因此可以通过检测SS浓度来表征雨水的污染情况.在雨水的处理回用过程中，可以优先选择能够有效降低SS的方法.

（3）校园屋面雨水在降雨后期的水质较好，其水质部分指标可以达到《城市污水再生利用——城市杂用水水质标准GB/T18920—2002》的要求，可作为校园生活杂用水使用.