北京城区屋面雨水污染及利用研究

车武¹，汪慧珍¹，任超¹，刘红²，孟光辉²
(1.北京建筑工程学院城建系，北京100044；2.北京市城市节约用水办公室，北京100036)

　　摘　要：对北京城区屋面雨水水质做了大量分析测定，发现屋面径流尤其初期径流污染很严重。分析了屋面材料、气温、降雨量、降雨强度、降雨时间及空气污染等因素对水质的影响。通过研究，讨论了北京城区屋面雨水的利用方案。
　　关键词：屋面径流；雨水污染；雨水利用
　　中图分类号：TU991.64
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2001)06-0057-05

　　城市雨水的利用是一种新的开源节流综合性技术，并有利于改善城市生态环境。20世纪90年代以来，北京市屋面汇集的雨水资源量增加幅度很大，年平均增长率约为20%。1998年城区建筑屋面年平均径流量约1.3×108 m3，占城区汇水面年均径流量的64%左右。屋面雨水便于收集，水质相对较好，因此，它是城区雨水利用的重点对象。

1　城区屋面雨水径流水质分析

　　研究发现，北京城区屋面雨水并非一般认为的那样具有较好的水质。相反，其污染比较严重，而且还受屋面材料、空气质量、气温、降雨强度与雨量、降雨历时、建筑的地理位置等诸多因素的影响。
1.1 一般规律
　　通过对大量降雨径流全过程水质的分析测定，发现屋面初期雨水径流污染最为严重，水质混浊，色度大。主要污染物为COD、SS，总氮、总磷、重金属、无机盐等污染物浓度则较低。随着降雨时间的延长，污染物浓度逐渐下降，色度也随之降低。图1、图2为1999年和2000年一些典型的降雨径流COD浓度随时间的变化曲线。
　　从图中可看出，气温、降雨和屋面等条件不同会导致初始浓度、曲线形状也有所不同。虽然是不同季节、不同年份、不同地点和屋面的多场降雨测定数据，但COD浓度的变化规律基本一致，都随降雨历时的增加很快趋向一个稳定值(约100 mg/L左右)，SS的变化规律也基本一致。

　　　　　

　　图3为2000年5月18日一场特殊的短时暴雨资料。由于冲刷作用强烈，初始污染物浓度、尤其是SS浓度非常高，但在10 min之内，浓度就大幅下降，很快趋于平缓。一般降雨强度越大，浓度达到稳定值的时间就越短，这场雨对大气的冲洗也很强烈，收集的天然雨水中SS浓度比通常高几倍。

　　两个雨季的水质规律反映出屋面径流水质是多种因素共同作用的结果，雨水的收集利用和污染控制应重视这些因素。
1.2 屋面材料的影响
　　北京建筑屋面主要有平屋顶和坡屋顶之分。从屋面材料看有水泥砖保护层屋面、卵石保护层屋面、瓦屋面、石油沥青油毡屋面等。
　　研究表明，屋面材料对径流水质有很大影响。对典型的坡顶瓦屋面和平顶沥青油毡屋面雨水径流的比较，后者的污染明显严重(如图4所示)，其初期径流的COD浓度可高达上千，且色度大，有异味，主要为溶解性COD。

　　坡顶瓦屋面由于易于冲刷，初期径流的SS浓度可能较高，取决于降雨条件和降雨的间隔时间，但色度和COD浓度一般均明显小于油毡屋面。如遇到暴雨，强烈的冲刷作用把积累在平顶屋面上的颗粒物冲洗下来，则初期雨水中的SS也会达到较高浓度(见图3)。
　　两种屋面初期径流COD浓度一般相差3～8倍左右，随着气温升高差距增大。由于沥青为石油的副产品，其成分较为复杂，许多污染物质可能溶入雨水中，而瓦屋面不含溶解性化学成分。
　　图5可清楚地反映新旧油毡材料对径流水质的影响。a图是两个相似的旧材料屋面的径流水质比较，两者的COD浓度曲线非常相近；b图是两楼屋面更换成新的表面铝箔弹性体沥青防水卷材后，两者径流水质的比较，更换后的屋面初期径流污染程度有显著的降低。说明表面铝箔沥青卷材比旧的沥青油毡耐高温，抗分解，减少了带入径流的污染物，但这种屋面的另一个问题是强烈的反光会构成城区光污染问题。

1.3　季节与气温的影响
　　对1998年11月—2000年11月的屋面径流水质进行了分析，发现4月—5月和夏季的降雨初期径流COD浓度最高。主要原因是经过漫长的冬、春旱季，屋顶积累了大量沉积物和污染物，在4月—5月被初期几场雨冲刷下来。同时测定的天然雨水中的COD和SS浓度一般都比较低，也说明每场雨初期径流中较高浓度污染物来自屋面。随着降雨的增多，屋面径流水质有所好转，但进入夏季后，气温升高和日照增强又使水质恶化，雨水径流的色度较大，因为黑色的沥青油毡极易在太阳的暴晒下吸热变软，且容易老化，分解出有机物质。一般日照越强烈，气温越高，沥青油毡屋面材料的分解越明显，屋面雨水径流中的COD也越高。
　　图6为1999年某油毡屋面初期雨水的COD浓度。尽管每场雨的影响因素多，结果有随机性，但水质最差的降雨是在雨季的初期和夏季。表1是1998年11月22日屋面降雪的水质分析结果，虽然因空气污染，屋面融化雪水径流很脏，颜色发黑，但COD浓度仅79 mg/L，可见气温对水质影响明显。

表1　屋面雪水的水质测定结果 指标 屋面积雪 雪水径流 pH 6.58 6.82 COD(mg/L) 40.2 78.6 氯化物(mg/L) 1.13 2.78 硫酸盐(mg/L) 9.65 55.24 SS(mg/L) 127 65 色度(倍) 15 80 NO₃-N(mg/L) 2.07 1.98 NO₂-N(mg/L) 0.422 0.326 氨氮(mg/L) 2.53 3.47

1.4 初期屋面雨水的弃流量确定
　　由于屋面(特别是沥青油毡屋面)初期径流污染物浓度很高，而这部分水量所占比例又很小，因此，雨水的收集利用应考虑舍弃这部分脏水，减小对后续设施的影响，如渗透过程中对地下水可能造成的污染及对渗透装置的堵塞。初期雨水弃流量的合理确定关系到雨水收集利用系统的经济性和安全性。
　　根据屋面雨水水质变化规律的分析，初期弃流量可以由降雨曲线和水质变化曲线来确定，即观测径流COD浓度达到相对稳定时所对应的降雨量。
　　根据1999年—2000年两个雨季的大量数据分析，得出在北京市降雨和平顶油毡屋面条件下的初期弃流量为2 mm左右(见表2)。

表2　初期弃流量估算表 日期 8月2日 8月8日 9月4日 10月7日 COD稳定值(mg/L) 120 130 85 110 稳定值对应的降雨量(mm) 2 2 2 1.5

　　图7清楚地表明，尽管降雨条件和COD曲线可能相差很大，但每一场雨的径流COD浓度达到相对稳定值所对应的降雨量相差不大，在1～3 mm的范围，具体取决于降雨条件、屋面形式和屋面污染状况。一般初始浓度低，达到稳定时对应的降雨量就较小，但因坡顶瓦屋面和金属等屋面径流污染物浓度较低，再考虑到屋面雨水汇集到雨落管出水口需一定时间，观测COD达到稳定时所对应的降雨量因滞后而略为偏大，因此采用2 mm降雨量作为初期弃流量是合理的。

　　同时也对SS的数据做了分析，降雨量为2 mm后的SS浓度一般也能达到相对稳定的浓度，即排除2 mm的初期降雨量后，可以在很大程度上减少雨水对后续收集利用设施的影响。
1.5　油毡屋面径流的可生化性分析
　　对屋面雨水的可生化性做了分析研究，结果见表3。

表3　屋面径流可生化性分析 COD(mg/L) BOD₅(mg/L) BOD₅/COD 1 723
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为生活污水接种；②为雨落管下泥土接种；括号内数值为溶解性COD。

　　表中数据来自不同沥青油毡屋面、不同降雨过程的水样，有一定的代表性，但可生化性较差。经接种后其BOD5/COD值仅略有提高。最后一组数据中屋面径流的COD浓度很高，BOD₅/COD也略偏高，原因是该场雨为人工液氮降雨，但天然雨水的COD仅24 mg/L，因此，导致高浓度COD的原因主要还是屋面材料、气温及降雨强度等因素的影响。

2　屋面雨水利用方案分析

2.1　纳入中水系统
　　北京市至今已建成几十座中水工程，它是缓解水紧张状况的一种有力的节水措施。把屋面雨水纳入中水系统从技术上是可以实现的，但研究认为，这不是一种首选的合理方案。水量平衡不当是目前一些中水系统运行不佳的主要问题之一，而雨水的季节波动和随机性很大，北京降雨又非常集中(6月—9月)，雨水的纳入会加大中水系统水量平衡的难度，即为了满足雨水的贮存要求及保证系统的正常运行，就必须增大调蓄设备，如处理前的雨水调节池和处理后的中水池，这会造成经济上的不合理。此外，城区中水工程主体建筑多为高层，中水系统常建在拥挤的地下设备层，再增加庞大的调蓄设备通常难以实现，如果仅仅利用宾馆、饭店建筑屋面的雨水，能收集的雨量也相对较少。
　　因此，建议以小区或建筑群为单元来考虑采用独立的雨水收集利用系统。
2.2　独立的雨水利用系统
　　针对北京市降雨及屋面径流水质特点，提出如下的雨水收集处理及利用系统。

　　

　　舍去2mm左右的初期降雨量后，可得到水质较稳定的处理系统进水。由于降雨的非连续性，该系统也是间断性运行。为了减少占地和一次投资，通过池内构造的合理设计及运行控制，可将调节池和储水池合二为一。雨水的调储是整个系统的关键，关系到系统的技术可行性和经济合理性。
　　目前城区油毡屋面所占比例较大，因其水质污染较重，为不利条件。对其所进行的混凝剂选择和过滤试验表明，因雨水中主要为溶解性COD，采用直接过滤对COD、SS和色度的去除效果很差，但投加混凝剂后效果可明显提高。对聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁三种混凝剂进行了试验比较，最佳投药量分别为5、6和6mg/L。在三种混凝剂中，使用聚合氯化铝的出水效果最好，且投加量最少，所以可选择聚合氯化铝作为雨水处理的混凝剂。
　　经初期弃流的屋面径流雨水，在最佳投药条件下经接触过滤，COD一般可去除65%左右，SS可去除90%以上，色度可去除55%左右，出水水质可满足《生活杂用水水质标准》。
2.3　雨水渗透与自然净化利用系统
　　雨水的这类利用系统是指在城区充分利用绿地、花坛、池塘、湖泊洼地、河道等人工或天然设施来接纳净化雨水，或采用各种透水性地面、渗透管沟、渗透井、渗透池塘等技术措施以截留、下渗雨水，补充城区地下水，减少雨水资源的流失和水体的污染。这种系统是把屋面雨水的直接收集利用与间接收集利用相结合，把人工处理与自然净化相结合，把水资源的“开源节流”和绿化、景观、改善城市水环境和生态环境相结合，是一种广义的生态型雨水综合利用系统，因此是一种值得推广的技术，但必须解决好屋面雨水的污染问题。可以通过改善屋面防水材料或利用初期雨水弃流设备，也可利用人工花坛、绿地等设施来截纳、净化屋面雨水中的污染物。
　　用天然土和人工配制土壤对油毡屋面雨水进行的试验研究结果表明，尽管油毡屋面径流的可生化性较差，土壤层对污染物仍有较强的净化和再生能力，经过1 m厚天然土层的渗透，COD去处率可达60%；经1 m厚人工土层的渗透，COD可去除70%～80%，即屋面雨水通过天然绿地或人工渗透装置的渗透可达到较好的水质。经合理的设计和控制，并保证至地下水位有一定厚度的土层，可以防止雨水对地下水的污染。
　　以北京某小区为例进行了雨水的直接排放、直接收集处理利用和自然净化与渗透利用设计方案的比较和技术经济分析，结果表明，后者具有明显的优越性，为最佳方案。

3　结论

　　①城区屋面雨水径流尤其初期径流的污染比较严重，主要污染物为COD和SS，沥青油毡屋面初期雨水中的COD浓度可高达上千。
　　②屋面径流的污染与屋面材料有直接关系，沥青油毡是一种主要污染源，还受空气污染、气温、降雨量与降雨强度等多种因素影响。
　　③屋面径流的可生化性不高，BOD₅/COD一般在0.1～0.2左右。
　　④屋面雨水的利用应考虑约2 mm的初期雨水弃流量，后期雨水的COD一般可稳定在100 mg/L左右。
　　⑤从雨水的利用和环境保护角度考虑，屋面径流的污染应受到重视并采取相应的控制措施。
　　⑥对屋面雨水的利用方案应作技术经济分析，自然净化与渗透利用方案的效益/投入比相对较高，值得提倡，对缓解北京用水的紧张状况，改善城市生态环境具有积极意义。

参考文献：

　　［1］车武.我国缺水城市雨水利用技术的探讨［J］.中国给水排水，1999，15(3)：22-23.
　　［2］车武,刘红,孟光辉.雨水利用与城市环境［J］.北京节能，1999，(3)：13-14.

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　　收稿日期：2001-01-18