（市政工程专业论文）武汉市屋面雨水水质特性分析.pdf

摘要 武汉市雨量充沛，江湖纵横，但水资源分布不平衡，降水季节分配不均。 随着城市化的迅速发展，不透水表面比例逐渐增加，径流量增加，屋面是城市 不透水面积的一个重要组成部分，它是承接大气干湿沉降的载体，加之屋面材 料的腐蚀产物，使得径流存在一定的污染性。 城区各种汇流介质产生的径流中，屋面雨水水质相对较好，便于收集。合 理利用屋面雨水有利于节约优质水资源，削减城市面源污染负荷、缓解排水系 统的排涝压力。屋面雨水资源收集后可回用于景观用水、市政及生活杂用、冷 却水和地下水。 根据武汉市屋面材料的主要类型以及所处的地理位置，选取武汉理工大学 校区内沥青屋面、瓦屋面、水泥屋面三种不同材料类型屋面作为雨水径流采样 点，在降雨期间进行了1 4 次取样化验，监测分析降雨过程中各个监测点径流雨 水的水质特性。主要研究结果如下： 武汉城区在任一次降雨中，屋面径流雨水水质复杂，随机性强：不同材料 屋面雨水径流污染程度相差较大，沥青屋面和水泥屋面径流污染较瓦屋面重， 径流污染物主要为有机污染物。 降雨产流过程中各污染物浓度随着降雨产流历程虽然变化有起伏，但变化 总趋势是初期径流污染严重，可达到很高浓度，随降雨历时的延长，污染物浓 度逐渐下降并趋于稳定。 来自不同屋面材料的径流水质在降水某一时刻前后水质变化较大，之前水 质污染程度远远超过后续的污染程度，具有明显的初始冲刷效应，降雨频繁时 屋面径流水质在降水的1 6 2 6 m i n 前污染程度较高，即为初期径流，降雨间隔 时间较长时屋面径流水质初期径流时间相应延长。 屋面径流水样监测项目的平均值在多数情况下其污染负荷高于生活杂用水 的水质标准，如水泥屋面、沥青屋面和瓦屋面c o d 中值分别为2 8 6 9 7m g l 、 2 3 3 2 4m g l 和8 6 3 6 m g l ，三种屋面浊度平均值分别为5 4 1 5 n t u 、2 0 2 7 n t u 和 3 6 n t u 其水质有时会劣于地表水环境质量标准的v 类水体，但有时又可满足 生活杂用水及再生水回用的水质标准，甚至可以达到地表水环境质量标准的 类或i i i 类要求。 汇水面性质、降雨间隔时间、降雨强度、降雨量及降雨历时等降雨条件、 季节与气温及大气降尘等对武汉城区屋面雨水径流水质特别是初雨水质均有明 显影响，使得径流水质变化规律比较复杂。 关键词：屋面径流，水质，径流污染，初始冲刷效应，雨水利用 a b s t r a c t w u h a ni sa b u n d a n ti nr a i n f a l l ，w i t hl o t so fr i v e r sa n d1 a k e si n i t ，b u tt h e d i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e si su n b a l a n c ea n dt h e q u a n t i t yo fr a i nt h r o u g h o u t s e a s o n si sb n e v e n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，t h ei m p e r v i o u ss u r f a c ei n w u h a ni n c r e a s e s ，s od o s et h ev o l u m eo fi t sr u n o 住n o wt h es u r f a c eo fr o o fb e c o m e s o n ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h eu r b a ni m p e r v i o u sa r e a s h o w e v e r , a st h es u r f a c eo f r o o fi st h ec a r r i e ro ft h ea t m o s p h e r i cd r ya n dw e ts e d i m e n t a t i o n ，a l o n gw i t ht h e c o r r o s i o no fr o o f i n gm a t e r i a l s ，t h er o o fr u n o f ft a k e sl o t so f p o l l u t a n t s ，w h i c hm a k e s i t c o n t a m i n a t i v e c o m p a r e dt or u n o f ff o r m e dt h r o u g ho t h e rc o n f l u e n tm e d i u m s ，t h eq u a l i t yo fr o o f r u n o f fi sm u c hb e t t e r , a n di t sc o l l e c t i o ni se a s i e r r e a s o n a b l er e u s eo ft h er o o fr u n o f f i sa d v a n t a g e o u st oe c o n o m i z et h eh i g h - q u a l i t yr e s o u r c e so fw a t e r , r e d u c et h ec i t y s n o l l - p o i n tp o l l u t i o nl o a da n dr e l i e v et h ep r e s s u r eo fi t sd r a i n a g es y s t e mi nf l o o dt i m e r o o fr u n o f fa f t e rc o l l e c t i o nc a nb eu s e da sl a n d s c a pw a t e r , m u n i c i p a lw a t e r , c o o l i n g w a t e ra n dr e c h a r g i n gg r o u n d w a t e r a c c o r d i n gt ot h em a i nt y p e so fr o o fm a t e r i a l sa n dt h eg e o g r a p h i cp o s i t i o no f w u h a nc i t y , w ec h o s et h r e er o o f sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s ：a s p h a l t 、t i l ea n dc e m e n ti n w u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya st h es a m p l i n gp o i n t sf o rr a i n f a l lr u n o f f a n a l y s i s o nt h eq u a l i t yo fr a i n w a t e rr u n o f ff r o mt h et h r e ep o i n t sd u r i n gp r e c i p i t a t i o nw e r e d o n ef o r14t i m e si n2 0 0 8 t h em a i nr e s u l t so ft h i ss t u d ya r es h o w na sf o l l o w e d ： w a t e rq u a l i t yo fr o o fr u n o f fi s c o m p l e xa n do fs t r o n gr a n d o m i c i t y a n di t s p o l l u t i o nl e v e ld i f f e r sg r e a t l yw i t ht h er o o fm a t e r i a l s ：t h ec o n c e n t r a t i o n so f c o n t a m i n a t e si nt h er u n o f ff r o ma s p h a l tr o o fa n dc e m e n tr o o fa r eo b v i o u s l yh i g h e r t h a ni nt h a tf r o mt i l er o o o r g a n i cc o n t a m i n a n t sa r et h em a i np o l l u t a n t si nt h er u n o f f a l t h o u g ht h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n t sc h a n g e sa l o n gw i t ht h ec o u r s eo f r u n o f f p r o c e s s ，t h eg e n e r a lt e n d e n c yi st h a tt h er u n o f fi sm o r es e r i o u s l yp o l l u t e di nt h e i n i t i a ls t a g eo fr u n o f f ；t h ec o n c e n t r a t i o no f p o l l u t a n t si ni tc a nr e a c hv e r yh i g hl e v e l a st l l ep r e c i p i t a t i o nt i m eg o e sb y , t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n t sd r o pg r a d u a l l y u n t i li ti ss t a b i l e t h eq u a l i t yo fr a i n w a t e rf r o md i f f e r e n ts a m p l i n gp o i n t sc h a n g e sal o ta tat i m e d u r i n gp r e c i p i t a t i o n t h eq u a l i t yb e f o r ei ti sm o r es e r i o u s l yp o l l u t e dt h a nt h a ta f t e r i t f i r s tf l u s he f f e c t sa r ef o u n dt ob eo b v i o u s t h ec o n c e n t r a t i o no fc o n t a m i n a t e si n v a r i o u sr o o fr u n o f fa r em u c hh i g h e ri nt h ee a r l y16 2 6m i n u t e sw h e nt h ep r e c i p i t a t i o n i sf r e q u e n t ，a n dt h a ti st h ei n i t i a ls t a g eo fr u n o f f w h e nr a i ni n t e r v a li sl o n g e r , t h e i n i t i a ls t a g eo f r u n o f fw i l la l s ol a s tl o n g e r a tm o s tt i m e ，t h ea v e r a g ev a l u e so fa l lt h em o n i t o r i n gi t e m sf o rt h er u n o f f s a m p l e sa r eh i g h e rt h a nt h o s er e q u i r e di nm i s c e l l a n e o u sd o m e s t i cw a t e rq u a l i t y s t a n d a r d ，f o re x a m p l e ，t h ea v e r a g ec o n c e n t r a t i o n so fc o d i ns a m p l e sf r o ma s p h a l t r o o f , t i l er o o fa n dc e m e n tr o o fa r e2 8 6 9 7m g l ，2 3 3 2 4m g la n d8 6 3 6 m g l ，a n dt h e t u r b i d i t yi s5 4 15 n t u 、2 0 2 7 n t ua n d3 6 n t us e p a r a t e l y s o m e t i m et h eq u a l i t yo f r o o fr u n o f fi sw o r s et h a nt h a to fg r o u pvi ne n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r do f s u r f a c ew a t e r ；b u ts o m e t i m e si tc a nr e a c ht h eq u a l i t ys t a n d a r do fm i s c e l l a n e o u s d o m e s t i cw a t e ra n dr e u s eo fr e c l a i m e dw a t e r ，a n di tc a n e v e nr e a c ht h er e q u i r e m e n to f g r o u pi i io rg r o u pi vi ne n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r do fs u r f a c ew a t e r w ec a ns e ep r e c i p i t a t i o nc o n d i t i o ns u c ha st h ep r o p e r t i e so fr u n o f fs u r f a c e ，t h e f r e q u e n c y , i n t e n s i t y , v o l u m ea n dd u r a t i o no fr a i n f a l l ；s e a s o n ，t e m p e r a t u r ea n d a t m o s p h e r i cd e p o s i t i o nh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo f r o o fr u n o f f , e s p e c i a l l y t h eq u a l i t yo fi n i t i a lr a i n f a l li nu r b a na r e ao fw u h a nc i t y a l lt h e s ef a c t o r sm a k et h e v a r i a t i o nr e g u l a r i t yo fr u n o f fq u a l i t yc o m p l e x k e yw o r d s ：s t o r mw a t e rr u n o f f , w a t e rq u a l i t y , r u n o f fp o l l u t i o n ，f i r s tf l u s h ， r a i n w a t e ru t i l i z a “o i l i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：也秒日期：j 竺弘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： i 兜君 导师签名：差应垂日期：堡2 ：墨 武汉理r 大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 水资源概况 第1 章绪论 1 1 1 1 水的重要作用及全球水资源的状况 水是最具灵性之天物，是万物的生命之源，生存之本，是连接所有生态系 统的纽带，是人类社会发展的命脉，它涉及到人类的生活水平和质量，涉及到 国民经济的各个部门；水资源是自然资源的重要组成部分，是世界上分布最广， 数量最大，开发利用最多的资源，是战略性的经济资源，是国家综合国力的有 机组成部分。因此水在自然环境中，对于生物和人类的生存具有决定性的意义。 地球上的水资源从广义上来说，指水圈内水量的总体积；通常所说的水资 源是指陆地上的淡水资源。然而陆地上的淡水资源只占地球水体总量的2 5 3 左 右，其中7 0 是固定冰川，即分布在两级地区和中、低纬度地区的高山冰川， 很难加以利用，目前人类比较容易利用的淡水资源约占全球淡水总储量的o 3 ， 仅占全球总储水量的十万分之七。据联合国官员预测，世界一些主要城市将严 重缺水。他们认为，到2 0 1 0 年不论是发展中国家还是发达国家的城市都将面临 严重的缺水问题，甚至还有可能发生严重的水荒【i 】。 同时由于水资源在时空分配上不均匀，加之人类对水资源不合理开采利用 以及城市发展中城市化、工业化程度的提高，对水污染的加重等等，使得用水 矛盾越来越突出【2 】。进入2 l 世纪，我们面临旱涝灾害、干旱缺水、水环境恶化 三大问题，水成为全世界各国人民关注的焦点，人类社会遇到了前所未有的水 问题的挑战1 3 。可以毫不夸张地说，全球正面临着严重的水资源短缺问题。 1 1 1 2 我国水资源状况分析 由中国环境统计2 0 0 5 年显示，我国水资源总量从2 0 0 0 年的2 7 7 0 0 8 亿 k m 3 下降到2 4 1 2 9 6 亿k m 3 ，人均水资源占有量从2 1 9 3 9m 3 p e r s o n 降为1 8 5 6 3 m 3 p e r s o n ，降水量呈逐年下降趋势【4 1 。我国水资源地区分布不均，总体来说是南 方多于北方，东部地区多于西部地斟5 1 ，北京的人均水资源量不足4 0 0 m 3 ，只有 武汉理工大学硕十学位论文 全国水平的1 7 ，是世界人均水资源量的1 3 0 ，是我国严重缺水的3 0 个大城市 中的一个特大型城市；辽宁是我国水资源严重短缺的省份，全省水资源人均占有 量仅为8 6 0 m 3 ，离联合国确定的人均水拥有量应超过1 0 0 0 m 3 的标准相距甚远； 山东济南市也是以黄河水为主要生活用水的城市，该市年缺水7 0 0 0 万m 3 ，缺水 量相当于其南部绵绣川水库和卧虎山水库总蓄水量的两倍；水资源较为充足的 湖北，甚至广东也开始出现水资源危机【1 1 。 由于所处地理位置和气候的影响，我国是一个水旱灾害频繁发生的国家， 随着人口的急剧增加和对水土资源不合理的利用，导致水环境的恶化，水质污 染日趋严重，水污染治理严重滞后，水土流失严重，加剧了洪涝灾害的发生， 长期困扰着经济的发展。如我国七大水系中近一半河段污染严重，8 6 的城市河 段不达标。1 9 9 0 年，在被评价的9 4 个城市河流中，6 5 个受到不同程度的污染。 总之，我国水资源总量虽然较多，但人均量并不丰富。水资源地区分布不 均，水土资源组合不平衡；年内分配集中，年际变化大；连丰连枯年份比较突 出；河流的泥沙淤积严重。这些特点造成了我国容易发生水旱洪涝灾害，水的 供需产生矛盾，这也决定了我国对水资源的开发利用和治理的任务十分艰巨。 1 1 1 3 雨水作为水资源的可行性分析 水资源已经成为全世界各国人民关注的焦点，人类社会遇到了前所未有的 水问题的挑战。雨水作为自然界水循环的阶段性产物，其水质优良，是城市中 十分宝贵的水资源。雨水取之于自然，是地球上一切可更新水资源的源泉，其 总量达5 1 0 万亿m 3 ，雨水资源开发、收集与利用不仅对解决目前水水资源短缺 问题具有战略意义，同时也将成为2 1 世纪干旱、半干旱地区水利深度发展的必 然趋势【6 】。在1 9 9 8 年的“国际雨水利用学术会议暨中国第二届雨水大会上， 水利专家们指出，就地充分利用雨水资源，采取各种有效措施提高雨水利用能 力和效率，是解决城市水资源危机的重要途径【_ 7 1 。可见将雨水资源收集并利用， 能够解决城市化地区长期供水难的大问题。 从广义上讲，一切利用雨水资源的活动都可称为雨水利用，特定意义上的 雨水利用则是指有目的地将降雨转化为径流或地下水并加以收集、调配和利用。 从这个意义上讲雨水已成为新时代最有效的水资源，科学合理地开发、收集、 利用雨水资源将成为解决我国水环境问题，缓解水资源危机的重要途径，我们 必须充分认识到开发、收集、利用雨水资源的重要性、必要性和紧迫性。通过 2 武汉理工大学硕十学位论文 合理的规划和设计，采取相应的工程设施，将城区雨水加以充分利用，是解决 城市水资源短缺的重要手段。雨水利用可在一定程度上缓解城市水资源的供需 矛盾，而且还可有效地减少城市地面水径流量，延滞汇流时间，减轻雨水排除 设施的压力，减少防洪投资和洪灾损失。 1 1 2 城市降雨径流污染的概念和分类 根据传统水资源环境污染的发生类型，把污染源分成为点源和非点源。点 源污染是以离散的方式，在确定的单个或多个地点进入水体，排污量可直接测 定。非点源污染相对于点源污染而言，在不确定的时间内，通过不确定的排放 方式，向水体排放不定量的污染物【8 】。城市降雨径流污染属于非点源污染范畴， 是仅次于农业污染的第二大面污染源【9 】。 城市降雨径流污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面 ( 如商业区、居住区、停车场、街道等) ，建筑物( 如屋顶) 、绿化带等，冲刷、 聚集一系列污染物质( 如原油、氮、磷、重金属、有机物质等) 通过排水系统直 接排入水体而造成的水体非点源污染。城市降水径流污染是伴随着城市化进程 而产生的，是人类活动集中和加强对环境产生负面影响的表现。在城市化进程 中，产生的大量不透水地面改变了流域水文过程，使城市地表径流的流量增加、 峰值加大、峰值时间提前，为城市地表径流污染的发生提供了外部动力条件。 城市中人口密度增加，人类的各种活动频繁造成城市地表累积较多的污染物质， 为城市地表径流污染提供了物质基础。因此，在城市地表，特别是不透水地面 累积的各种污染物质在降水及其形成径流的击溅、溶解、冲刷和搬运作用下便 形成了城市地表径流污染【1 0 】。美国环境保护局( u s e p a ) 已将它列为导致全美 国河流和湖泊污染的第三大污染源。 城市降雨径流一般可分为街道径流、庭院径流和屋面径流三种l l l j 。 m c g r o m a i r e m e r t z 等人【1 2 】对法国巴黎的城市径流污染特征进行了研究得出以 下结论：街道径流污染物浓度最高，屋面径流污染物浓度最低。屋面径流中s s 、 c o d 和b o d 5 浓度较低，p b 、z n 等金属浓度较高( 这与屋面材料、屋面雨水集 流系统材料采用p b 、z n 、c u 等金属材料有关) ，溶解污染物多，且大量的重金 属呈溶解态；街道径流和庭院径流中s s 和c o d 浓度较高，b o d 5 浓度较低，固 体污染物居多，其中街道径流中碳氢化合物浓度较高( 这与街道交通量和交通工 武汉理t 大学硕士学位论文 具排放尾气有直接关系) 。杨德敏等【1 3 】通过选取城市街道、庭院和屋面三种城市 代表性监测点分析径流中的营养元素n 、p 的变化时发现，城市降雨径流中氮主 要以硝态氮形态输出，各类城市降雨径流中的氮磷浓度差异较大，降雨过程中 氮、磷浓度在雨水冲刷下总体上呈下降趋势，氮浓度变化幅度较大，磷相对稳 定。 1 1 3 城市降雨径流污染的来源及危害 1 1 3 1 城市降雨径流污染来源 城市降雨径流中的污染物来自三个方面：土地表面、降水和排水系统1 1 4 1 。 地表污染物是径流污染的主要部分。污染物以各种形式在街道、阴沟和其 它与排水系统直接连接的不透水路面上。例如：行人丢弃的废物，从家庭和其 它开阔地上冲刷到街道的碎屑和污染物，建造和拆除房屋的废土、垃圾，粪便 或随风飘散的碎屑，汽车漏油，轮胎磨损，从空中干沉降的污染物等。 降水对径流污染物的主要贡献是降水淋洗空气污染物，特别是工业区尤为 突出。研究表明，在屋顶产生的径流里，1 0 - - 2 5 的氮，2 5 的硫和不到5 的磷来自降雨，而在街道商场的停车场，商业区和交通繁忙街道产生的径流 中，几乎所有氮、1 6 - 4 0 的硫和1 3 的磷来自降雨。 排水系统也是径流污染的来源之一，其对城市径流水质的影响主要是排水 系统中的沉积物及漫溢的污水，在雨天被冲刷带入径流成为径流污染的一部分。 1 1 3 2 城市降雨径流的主要污染物 降雨径流污染的主要污染物有悬浮沉积物、营养物质、耗氧物质、细菌和 有毒污染物等。城市径流中挟带有大量的悬浮物质，主要来源于交通工具锈蚀 产生的碎屑物质、机动车产生的废弃物、大气干湿沉降、轮胎和刹车磨擦产生 的物质以及居民烟囱释放出的烟尘等，重点在工业园、商业区及高速公路和建 筑工地等；富营养化物质典型的是n 、p 两种，由于磷的化合物一般都是吸附在 颗粒物上，因此建筑工地是磷的一个重要来源地；氮的化学形态是可溶解的， 不需要吸附在颗粒物上，它的主要来源是化肥的施用：由于生活垃圾、树叶、 草及杂乱废弃物的堆放，城市径流中携带着大量的耗氧物质，其中c o d 污染是 庭院和街道径流污染的主要因素之一；径流中有毒污染物包括重金属、杀虫剂、 4 武汉理工人学硕士学位论文 多氯联苯和多环芳烃等，其中重金属是城市径流中一种最典型的有毒污染物； 细菌和病毒的主要来源是下水道溢流、宠物以及城市中的野生生物等，一般来 说，城市径流中细菌的含量都是超过公众对水要求的健康标准【1 5 】。 1 1 3 3 城市降雨径流污染的危害 城市降雨径流污染危害规模大，防治困难。h e a n e y 和h u b e e r ( 1 9 8 4 ) 6 j 研究 认为每年由城市地表径流造成的污染负荷相当于污水处理厂排放的污染负荷， 城市地表径流水中污染物s s 、重金属及碳氢化合物的浓度在数量级上与未经处 理的城市污水基本相同。s o o k r l u n d 和l 庙t i n e n d 【1 7 】于1 9 7 3 年在瑞典斯德哥尔摩 市对公路路面、商业区和居住区的路面径流年污染物负荷率进行研究，结果表 明，三种不同土地使用类型路面的b o d 5 负荷率分别为l o o k g ( h m 2 a ) 、 4 3 k g ( 1 1 n 1 2 哪、1 4 k g ( h m 2 哪，s s 负荷率分别为1 1 8 5 k g ( h m 2 哪、6 2 0 k g ( h m 2 - a ) 、 1 7 3k g ( h m 2 曲，可见城市地表径流污染的危害是相当大的。以下将从卫生学、 物理化学和美学三个方面考虑雨水径流对受纳水体的危害。这些方面的影响将 改变受纳水体的使用功能和生态保护区的价值。 ( 1 ) 卫生学 雨水径流对受纳水体的卫生学影响是关系公共卫生和健康的重大问题，地 表径流携带的物质中可能存在着大量的病原菌，一旦进入水体将会严重威胁人 们身体健康。人们接触水体的同时接触到这些病原微生物，即使考虑受纳水体 对雨水的稀释作用，雨水径流仍会造成水体相关水质指标的剧烈变化。 ( 2 ) 物理化学 用受纳水体物理和化学性质变化来表征雨水径流对受纳水体的影响，是目 前评价地表水径流对受纳水体影响的主要方法。通过对比地表水体排入径流后 的水质与原先所执行的水质标准来说明受纳水体所受的影响。在另一些情况下， 雨水径流中的某种污染物可能引发其它水质指标的变化。雨水径流对受纳水体 在物理化学性质上的影响是多方面的。以下分别从颗粒态物质、营养物质、耗 氧物质、以及有毒物质各方面探讨雨水径流对受纳水体的影响。 颗粒态物质 雨水径流对受纳水体最严重的影响在于其输入了大量的颗粒态物质，这些 固体负荷将对受纳水体产生多方面的影响。首先，水体中固体浓度过大，会改 变植物、动物的结构和生长。第二，固体浓度过高会降低水的透明度，并导致 武汉理工大学硕士学位论文 受纳水体浊度的波动。第三，固体物质大量沉积于河底，会改变原有底栖生物 的生存环境，并引发许多与河床底泥有关的问题。最常见的对河床底泥的化学 影响是由于沉淀颗粒中含有有机化合物，它们在河底进行生物降解消耗水中的 溶解氧。另外，由于固体物质的沉积使得附着于其上的有毒物质在底泥中累积， 对水体造成长期的、潜在的影响。 营养物质 水体富营养化是雨水径流对水体造成的一种较为严重的影响。雨水径流中 若携带大量的营养物质排入受纳水体，就会导致水体中营养物质的浓度增加从 而刺激藻类和其他水生植物的大量繁殖，恶化水体感官性状，降低水体美学价 值，破坏水体溶解氧平衡，使得溶解氧昼夜变化过大、生物种群多样性减少， 并且降低供水水质、增加制水成本，甚至破坏水体作为供水水源的用途。雨水 径流对水体的潜在富营养化威胁应得到有关部门的重视。 耗氧物质 雨水径流对受纳水体的另一个重要影响是由于大量耗氧有机物的排入所造 成的溶解氧的损耗。在雨水径流排入受纳水体后，其中的有机物质在微生物的 作用下被还原成为简单的无机物，这期间需要消耗大量的溶解氧，氨的硝化作 用也会消耗水中的溶解氧，从而造成受纳水体中溶解氧的降低。 有毒物质 雨水径流中若含有有毒物质，如重金属、毒性有机物等，将对受纳水体产 生严重的影响。水体中的重金属以颗粒态、胶体、溶于水的离子形式通过物理 化学和生物作用进入底泥，进入水生物和底栖动物体内，再由食物链前移至鱼 体、鸟类和人体中。重金属的毒性影响有两种，其一为急剧快速的毒性影响， 因毒物浓度过高而导致水生物在短期大量死亡；其二为长期慢性的毒性影响， 因毒物浓度较低，水生生物在与水接触较长时间后渐渐死亡。地表径流中的绝 大多数重金属常附着在悬浮固体上使之没有表现出毒性，但这些附着于固体之 上的重金属将对水体产生长期的、潜在的影响。 ( 3 ) 美学 雨水径流大量排入受纳水体还会影响受纳水体的美学价值。雨水径流中有 时会携带一些不悦目的物质，包括一些悬浮物和油类物质等。尽管美学质量的 下降不会影响人们的身体健康，但它严重影响了受纳水体的社会经济价值，包 括其作为娱乐用水的欣赏价值。因为美学也是水体设计用途的一个方面，所以， 6 武汉理工大学硕十学位论文 对它的影响也可以作为一种水质指标来衡量。 1 1 4 屋面降雨径流污染概述 随着城市化不断推进，城市的不透水表面比例逐渐增加。不透水区域的下 渗几乎为零，径流量增加。屋面作为城市不透水面积的一个重要组成部分，占 据了较大部分的城市面积。由于屋面是承接大气干湿沉降的载体，加之屋面材 料本身的腐蚀产物，使得屋面雨水径流存在一定的污染性，会给受纳水体和城 市环境带来危害。然而在水资源日益匮乏的今天，雨水已成为一种宝贵的水资 源，城区各种汇流介质产生的径流中，屋面雨水水质相对较好，便于收集。合 理利用城市屋面雨水不仅有利于节约优质水资源，还能在一定程度上削减城市 面源污染负荷、缓解城市排水系统的排涝压力，屋面径流又不失为可开发利用 的又一个水资源。 1 1 4 1 屋面降雨径流污染来源 屋面降雨径流中的污染物来源多样而复杂，归纳起来主要来自：降水、屋 面沉淀物及屋面材料析出物。 ( 1 ) 降水：降水对径流污染的贡献主要是降水淋洗空气中的污染物，降水污 染物含量由两部分组成，一部分为降水污染物背景值，另一部分是降水通过大 气引起的湿沉降，即大气中的粉尘、烟尘、有毒物质等在降水的冲洗作用下汇 集于雨水。 ( 2 ) 屋面沉淀物：屋面沉淀物的影响主要是指雨前污染物在屋面上大量累积， 在降雨初期被雨水冲刷汇聚到径流，成为屋面径流污染的主要来源之一。 ( 3 ) 屋面材料析出物：大量研究表明不同的屋面材料以及不同使用年龄的同 一种屋面材料所产生的腐蚀产物也有所不同，对屋面径流污染会产生重要影响。 1 1 4 2 屋面降雨径流主要污染物 屋面径流污染晴天累积，雨天排放，是一个涉及多介质、多时空尺度和多 污染物的复杂过程。目前国内外所研究的屋面径流污染的主要污染物有：悬浮 沉积物、营养物质、耗氧物质、细菌和有毒污染物等。 ( 1 ) 悬浮沉积物：屋面径流中挟带有大量的悬浮物质，它主要来源于大气干 7 武汉理工人学硕十学位论文 湿沉降、落叶以及居民烟囱释放出的烟尘等。 ( 2 ) 富营养化物质：径流中富营养化物质典型的是n 、p 两种。氮的化学形态 是可溶解的，磷的化合物一般是吸附在颗粒上的。 ( 3 ) 耗氧物质：由于生活垃圾、树叶以及杂乱废弃物的堆放，屋面径流中携 带有大量的耗氧物质。其中c o d 污染是屋面径流污染的主要因素之一。 ( 4 ) 有毒污染物：屋面径流中有毒污染物包括重金属、多氯联苯( p c b s ) 和多 环芳烃( p a h s ) 。其中重金属是屋面径流中最典型的有毒物质，a l l e ne d a v i s d 【i 引 等人的研究表明：径流中的c u 主要来源于建筑防腐材料，z n 主要来源于屋面 材料，c a 主要来源于大气沉降及建筑物外墙材料。多氯联苯和多环芳烃主要来 源于大气的干湿沉降。 1 1 4 3 屋面降雨径流污染特征 屋面降雨径流污染与点源污染相比具有下例显著不同的特征： ( 1 ) 屋面降雨径流的发生具有随机性 由于降雨径流污染主要受水文循环过程的影响和支配，而降雨常常都是随 机发生的，降雨过程的随机性和偶然性就决定了由此产生的屋面径流的污染就 必然具有随机性。 ( 2 ) 排放具有间歇性、无规律性 污染物晴天时在屋面上累积，降雨时则随屋面径流而排放，屋面径流污染 只在雨天产生，污染物的来源和排放点不固定，故其排放具有间歇性、突然性、 随机性的特征，且瞬时排放量较大，这为城市径流污染物的处理造成了很大困 难。 ( 3 ) 污染负荷的时空变化幅度大 由于随机性的存在，屋面径流的污染负荷并不稳定。不同的城市功能区， 其人类活动的方式与强弱不同，大气污染程度不同，建筑屋面不同，相应的屋面 沉积物的性质和数量也不同，产生的径流负荷差异较大。 ( 4 ) 径流污染物浓度变化较大 屋面初期径流污染物含量较高，初期径流的污染比较严重，末期较为干净。 主要污染物为c o d 和s s 。 ( 5 ) 影响因素多 屋面雨水径流污染物含量不但与降雨强度、降雨量、降雨历时等有关，而 武汉理_ j = 人学硕士学位论文 且还与屋面材料、城市化程度等有关。影响城市屋面径流污染物的因素不但很 多，且许多具有随机性，在地表污染物的累积和冲刷两个环节中都有随机性因 素起作用。 ( 6 ) 组分复杂 城市屋面径流污染物不但含量较高，而且由于来源多样，导致污染物组分 复杂。 1 2 国内外雨水利用研究现状与进展分析 1 2 1 国外研究概况 1 2 1 1 国外研究现状 近年来，国外在城市地表径流方面开展的研究工作主要有以下方面： ( 1 ) 城市径流中污染物的成分含量及影响因素：国外己开展的这方面的研究 很多，如德国专家g s t o t z l l 9 】对德国r f g 地区的降雨所产生径流的水样进行分 析，分析项目有重金属、矿物油类、化学需氧量、s s 、b o d 等，并指出影响各 成分含量的因素；法国的研究者【2 0 】对巴黎市中心屋面、庭院和街道的降雨径流 进行取样分析，分析了径流中s s 、c o d 、氯化物、b o d 、重金属等污染物的含 量，并比较了屋面、庭院和街道径流污染的程度。i k t s 砌s 【2 l j 提出了雨水中有 毒污染物平均浓度的估算方法。w i k l a n d e r l 2 2 测试了沉积于某街道上沉积物的颗 粒级配及重金属含量，研究其与交通流量及周围环境的关系。p a t r i c k l b r e z o n i k ， t e r e s a h s t a d e l m a n n 2 3 】对流域的暴雨径流量、负荷以及污染物浓度之间关系进行 分析研究，并建立城市暴雨负荷和污染物浓度的预测模型。 ( 2 ) 污染源及污染物从地表到受纳水体的迁移过程：国外对污染物由路面迁 移到受纳水体的过程进行了大量的研究，如h u b e r 和d i c k e n s o n 【2 4 1 1 9 8 8 年发表了 污染物晴天时的累积模式，认为污染物在晴天的累积量是时间的指数函数。 m e t c a l f 和e d d y t 2 5 】等人1 9 7 1 年提出地表污染物冲刷模型，认为径流过程中不透 水地表表层沉积的冲刷速率与沉积的污染物量成正比。d e l e t i c 2 6 j 等人采用自动 监测设备对城市地表雨水口处径流雨水水质的p h 、温度、浊度及电导率进行了 连续测定，获得了大量的数据，并给出了固体排放速率与地表径流量的相关式。 ( 3 ) 分析城市地表径流中污染物对受纳水体水质影响：地表径流污染物随径 9 武汉理工人学硕士学位论文 流进入受纳水体后对水体水质影响很大，受纳水体的物理、化学性质随之改变。 据j b e l l i s l 2 7 】的研究，受纳水体中金属含量的3 5 7 5 来自于公路路面径流。 ( 4 ) 对城市地表径流污染控制措施的研究：g o r d i n e 和b a r r y j 【2 8 j 研究了渗滤 系统、干湿式滞留池、沉淀池等径流控制措施，分析各种措施对污染物的去除 机理、设计方法及处理效率，并认为渗滤系统中渗坑是一种最有效的径流污染 控制方法。b m a e s t r i 和b n l o r d 【2 9 】按照联邦公路管理委员会的要求，以减少 路面径流带入受纳水体的污染负荷为目的，研究了几种暴雨径流管理控制措施。 1 2 1 2 国外研究进展 城市降雨径流研究经历了一个演变过程。国际研究的共识是：雨水利用将 成为解决2 1 世纪水资源短缺的重要途径【3 0 】。 ( 1 ) 模型研究 城市径流模型研究：早期利用数学模型模拟城市径流非点源污染的形成 是研究其污染来源和扩散的手段。随着研究的深入，机理模型和连续时间序列 响应模型成为模型开发的主要方向。9 0 年代后在对过去城市径流非点源污染模 型多年应用经验总结的基础上，不断完善和提高己建立的模型，如把h r u 方法 和g r u 方法运用到洪水预报水文模型【3 ，随着计算机技术的飞速发展和3 s 技 术在流域研究中的广泛应用，很多功能超大的流域模型被开发出来，这些模型 己经不再是单纯的数学运算程序，而是具有空间信息处理、数据库技术、数学 计算、可视化表达等功能的大型专业软件，如k y u n g s o o kc h o i 3 2 】等运用g i s 技 术来控制s w m m 中的参数，从而使该模型的应用领域更加广泛。 城市雨水集汇流和转输模型研究：该模型是指经建筑屋顶一雨落管一雨 水调节池一雨水的预处理一贮留池一水泵一雨水利用( 绿化、洗车、工业) ；硬 化路面一雨水篦一路面引水沟一雨水管道一雨水的预处理一贮留池一水泵等一 雨水利用。雨水在转输过程中形成的水流，只受大气压作用、重力作用及沿程 阻力的影响，可将其看作明渠水流进行流量计算，但由于其流量是沿程递增的， 流速、断面形状等也随沿程和时间而变化，因而是非恒定流，非均匀流。 城市雨水利用规划模型研究：包括系统研究和具体规划【3 3 1 。前者指城市 雨水利用应从总体上进行系统规划，把整个城市看作研究对象；后者包括城市 水体规划和城市雨水管网系统规划。 城市雨水渗透模型研究：雨水渗透就是利用工程措施将自然降雨量按规 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 划的目标渗入地下，以改善原有的渗透状态或补尝城市建设所造成的影响，包 括集水、输水、渗水或辅渗结合、储渗结合等环节【3 4 1 。 ( 2 ) 管理控制研究 包括污染源和汇的管理控制。研究途径包括两方面：一是将非点源污染物 的排放控制在最低限度；其次就是对污染物扩散途径的控制，通过机理模型来 分析污染物的扩散机理，采取适当措施减少污染物排放。 工程措施：兴建工程措施来达到控制污染，如修建沉淀池、蓄水池和处理 污染的建筑物等。这些方法对控制径流污染、利用雨水资源有很好的效果。美 国、前苏联、印度等国都对雨水集水面进行了研列3 5 】。墨西哥利用天然不透水 岩石表层作为集水面；美国利用化学材料处理集水面增加集水效率；索马里在 集水面上铺设塑料薄膜、沥青纸等，集水效果很好【3 6 】；德国将来自不同面积的 降水径流分别收剿3 7 1 。a f e w k e s 3 8 1 通过现场试验获得数据，校正改进了雨水收 集容积大小模型，并利用这一模型生成了一系列有关集水面积、需水量、降雨 量和储存容积之间关系的设计曲线。g r e b s r 【”】等通过对沉积塘流入和流出量的 监测结果表明，沉积塘可捕获来自城区地表径流污染物中8 7 的总悬浮颗粒物。 非工程措施：指用加强管理来达到控制污染，实质上就是对污染物源的控 制。除了制定合理的政策法规和实行科学的管理外，目前国外主要是集中采用 教育的方法。 ( 3 ) 初始冲刷研究 初始冲刷( f i r s tf l