前期晴天数对不同材质屋面径流污染特征的影响*

张 昱 陈 超 王瑞梅 邱春生# 谢尚宇 祁 丽 孙力平 宋现财 赵乐军

(1.天津城建大学环境与市政工程学院,天津 300384;2.中国铁路设计集团有限公司,天津 300142;3.华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;4.天津市市政工程设计研究院,天津 300384)

城市不透水下垫面积累的大量污染物在降雨过程中随径流进入地表水,是城市水生态环境恶化的重要原因之一[1-3]。屋面作为城市不透水下垫面的重要组成部分,是承接大气沉降与其自身表面析出的污染物的重要载体[4],[5]69,[6],因此屋面径流是降雨径流污染的重要来源[7-9]。

屋面径流污染特征受大气污染状况、降雨特征、前期晴天数和屋面材质等诸多因素影响[5]70,[10]724,[11],[12]38。特别是,前期晴天数与屋面沉积污染物存在较强的相关性。屋面沉积污染物主要来源于大气沉降,并且随着前期晴天数的增加而增加,因此前期晴天数可在一定程度上反映城市不透水下垫面的沉积污染物累积程度[13]3525。席玥等[14]研究发现,前期晴天数越长,因大气沉降和屋面材质老化等过程而累积的屋面沉积污染物就越多,导致降雨径流中悬浮物(SS)的浓度越高。石少山[15]研究发现,影响污染物的场次降雨径流平均浓度的主要因素是前期晴天数。杨龙等[16]比较了城市彩钢屋面和油毡屋面的径流污染特征发现,油毡屋面的径流污染物平均浓度大于彩钢屋面,还发现径流污染程度受到屋面材质老化程度和结构的影响。龙剑波等[17]比较混凝土屋面、瓦屋面和3种绿色屋顶的径流水质特征发现,前期晴天数、屋面材质与径流污染程度有较强的相关性。由此可见,前期晴天数和屋面材质是影响城市屋面径流水质的重要因素,其中油毡、塑钢和瓦是城市住宅区3种常见的典型屋面材质[12]39。

本研究采用人工模拟降雨方式,考察不同前期晴天数下油毡、塑钢和瓦3种不同材质屋面径流污染特征,分析前期晴天数对屋面径流污染程度和颗粒物粒径分布的影响,并对屋面径流中不同污染物进行相关性分析,以期为城市雨水面源污染控制提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 实验方法

油毡、塑钢和瓦3种屋面材质的长均为3.0 m,宽均为1.5 m,坡度均为5°。将3种屋面材质置于相同露天环境下,设置前期晴天数分别为3、5、8、12、17 d,然后用人工降雨装置模拟降雨,设置降雨强度为25 mm/h,降雨持续时间1 h,0～20 min内每隔5 min取1次瞬时屋面径流水样,20～60 min内每隔10 min取1次瞬时屋面径流水样,测定化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮和重金属含量。同时,另一组3种屋面材质在相同条件下达到不同前期晴天数分别为3、5、8、12、17 d时,用5 L超纯水充分清洗屋面模拟降雨的全水样,用超纯水定容至5 L后测定SS的颗粒物粒径分布。

1.2 样品分析

全水样预处理:3种不同材质屋面收集的全水样依次过孔径300、200、100、50 μm的尼龙筛网,然后再依次过孔径10、0.45 μm的滤膜,用超纯水清洗各筛网或滤膜上的颗粒物,最后定容到50 mL。

分别用重量法、哈希微回流法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法测定SS、COD、TN和TP[18]等常规水污染物,颗粒物粒径分布用激光粒度分析仪(Mastersizer 3000,Malvern)测定。

另取20 mL瞬时屋面径流水样于消解管中,加入2 mL浓HNO3,微波消解后过孔径0.45 μm的微孔滤膜,用电感耦合等离子体质谱法测定Cr、Cu、Ni、Pb和Cd等重金属污染物[19]。

污染物场次降雨径流平均质量浓度计算方法如式(1)所示。

(1)

式中:E为污染物的场次降雨径流平均质量浓度,mg/L;ci为第i个时间间隔内的污染物平均质量浓度,mg/L,以第i次测量计;Qi为第i个时间间隔内的降雨径流平均流量,L/min,根据降雨强度和屋面面积计算得到;Δti为第i个时间间隔,min。

2 结果与分析

2.1 前期晴天数对不同材质屋面径流污染的影响

2.1.1 不同材质屋面污染物场次降雨径流浓度

3种材质屋面的常规水污染物场次降雨径流平均质量浓度如表1所示。由表1可见,SS、COD、TN和TP的场次降雨径流平均质量浓度均表现为油毡屋面>瓦屋面>塑钢屋面。油毡屋面的污染物场次降雨径流平均浓度都大于其他两种屋面,这是因为油毡多为石油副产物,在持续晴天的阳光照射下,其表面会析出各种污染物,而且油毡表面粗糙,孔隙较多,有利于颗粒物的累积[20]。

表1 不同材质屋面的常规水污染物场次降雨径流平均质量浓度Table 1 Rainfall event mean mass concentrations of conventional water pollutants from roofs of different materials mg/L

3种材质屋面的重金属污染物场次降雨径流平均质量浓度如表2所示。由表2可见,3种材质屋面径流重金属浓度不同。塑钢屋面Cu、Cd的场次降雨径流平均浓度高于油毡屋面和瓦屋面,这可能与塑钢屋面在降雨冲刷后发生锈蚀有关。瓦屋面Cr和Ni的场次降雨径流平均浓度高于油毡屋面和塑钢屋面。油毡屋面Pb的场次降雨径流平均浓度最高。张科峰等[10]728的研究显示,屋面径流的重金属含量一定程度上受屋面材质及其腐蚀程度影响。由此可见,屋面材质对污染物的浓度有较大影响[21-22]。

表2 不同材质屋面的重金属污染物场次降雨径流平均质量浓度Table 2 Rainfall event mean mass concentrations of heavy metal pollutants from roofs of different materials μg/L

不同材质屋面的污染物场次降雨径流平均浓度与前期晴天数的线性相关分析结果如图1所示。总体而言,不同材质屋面的污染物场次降雨径流平均浓度与前期晴天数呈显著正相关(p<0.001),说明这些污染物主要来自于大气沉降,前期晴天数是影响这些污染物在屋面累积的关键因素[23-25]。VERMETTE等[26]的研究也表明,降雨径流中携带的污染物随前期晴天数的增加而增加。由此可见,前期晴天数影响着地表颗粒物及各类污染物的累积,随着前期晴天数增加,降雨径流中污染物的浓度也随之增加,是指示城市径流污染物累积程度的重要水文参数。

图1 污染物场次降雨径流平均质量浓度与前期晴天数的关系Fig.1 Relationship between rainfall event mean mass concentrations of pollutants and antecedent dry period

2.1.2 不同材质屋面全水样中颗粒物粒径分布特征

图2为3种材质屋面全水样中不同粒径颗粒物体积分数随前期晴天数变化的情况。3种材质屋面全水样中不同粒径颗粒物的分布大体相似,随着前期晴天数增加,50 μm以下的小粒径颗粒物体积分数明显增加,而50 μm以上的大粒径颗粒物体积分数明显减少[13]3524。相对而言,油毡屋面的变化较为平缓,而塑钢屋面和瓦屋面变化较大,因为塑钢屋面和瓦屋面比较平滑,降雨对其表面污染物的冲刷较为彻底,而油毡屋面表面粗糙,降雨冲刷作用受到一定的阻碍[27-28]。综上所述,前期晴天数增加,降雨径流中50 μm以下的小粒径颗粒物体积分数增大,50 μm以上的大粒径颗粒物体积分数减小,主要与屋面材质和颗粒物特性有关。

图2 3种材质屋面全水样中颗粒物粒径分布随前期晴天数的变化情况Fig.2 The variation of particle size distribution in total water samples from roofs of 3 materials with different antecedent dry period

2.2 污染物与SS的相关性分析

不同材质屋面的污染物场次降雨径流平均浓度的Pearson相关性分析发现,油毡屋面、塑钢屋面和瓦屋面的SS与COD、TP的相关系数分别为0.856和0.896、0.765和0.952、0.833和0.861,高度相关,可以认为SS是COD和TP的重要载体[12]44,[29];SS与TN的相关性较弱,相关系数都在0.5以下,这可能与氮和磷在降雨径流中的形态不同有关[30],因为屋面径流中氮主要以溶解态的形式存在,而磷则是以颗粒物的形式存在[31-32]。SS与5种重金属的相关系数均达到0.60以上,油毡屋面的SS与Cr、Cu的相关系数更是达到了0.80以上。综上所述,屋面径流中SS是COD、TP和重金属等污染物的主要载体[33-35]。因此,要想控制屋面径流中的COD、TP和重金属,控制SS是关键。

进一步分析3种材质屋面的污染物与不同粒径颗粒物之间的相关性发现,3种材质的屋面径流中,COD、TP、Cu、Pb和Cd等污染物与不同粒径的颗粒物呈强相关性,相关系数均高于0.7,但随着颗粒物粒径增大,相关系数有逐渐减少的趋势。由此说明,小粒径颗粒物是富集降雨径流中污染物的主要载体,大粒径颗粒物富集污染物能力较弱[36]。其原因是越细小的颗粒物拥有越大的比表面积,对污染物的吸附能力就越强[37]。因此,COD、TP和重金属等污染物的控制关键是控制细小的颗粒物。

3 结 论

1) 屋面材质不同,污染物的场次降雨径流平均浓度也不同,SS、COD、TN和TP等常规水污染物的场次降雨径流平均浓度均表现为油毡屋面>瓦屋面>塑钢屋面,但不同种类重金属在不同材质屋面上的场次降雨径流平均浓度各不相同,塑钢屋面的Cu、Cd最高,瓦屋面Cr、Ni最高,而油毡屋面Pb最高。随着前期晴天数增加,降雨径流中污染物的浓度通常也会随之增加。

2) 前期晴天数增加,降雨径流中50 μm以下的小粒径颗粒物体积分数增大,50 μm以上的大粒径颗粒物体积分数减小。

3) SS是COD、TP和重金属等污染物的主要载体,污染物与小粒径的颗粒物相关性更高,因此要想控制屋面径流中的COD、TP和重金属,关键是控制细小的颗粒物。