烏魯木齊市不同下墊面雨水徑流水質特性分析*

伊元榮,海米提?依米提,趙麗麗

(1.新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊830046;2.干旱半干旱區可持續發展國際重點實驗室,烏魯木齊830046;3.烏魯木齊市環境監測站,烏魯木齊830000)

隨著社會經濟的發展和資源的開發利用,烏魯木齊城市發展規模、城市集聚能力和輻射力將進一步擴大和加強,在我國西部大開發戰略中起著舉足輕重的作用,將成為我國向西部開放的重要商貿中心城和中亞區域性國際化大都市[1]。烏魯木齊城市人口的增長,城市規模的擴大,勢必帶來需水量的增加。然而,烏魯木齊市卻是全國嚴重缺水城市之一,水資源的人均占有量僅506 m3,約為全國人均水資源占有量的1/4,全疆人均水資源占有量的1/10,遠遠低于國際公認的人均1 000 m3的下限,屬典型資源型缺水城市[2]。這就決定了烏魯木齊必須走建設節水型城市之路。2006年烏魯木齊市水資源擁有量為10.59億m3,其使用量達6.37億m3,約占到水資源總量的65%[3]。而國家在對西北地區水資源調查的一項課題中提出,西北地區水資源利用量不得超過水資源總量的70%,否則就會擠占生態用水,造成嚴重后果。因此,從這個角度看,烏魯木齊城市水資源供需矛盾相當緊張。水資源短缺的同時,地下水超采嚴重。因此,開發利用雨水資源已成為當前的重要研究課題,并且是烏魯木齊解決水資源匱乏的有效手段,是保護環境、防治水污染和建設節水型城市的最佳選擇之一。

城區雨水利用的可行性及可利用程度不僅取決于降雨量及其時空分布,還取決于不同下墊面上雨水徑流的水質狀況[4]。伴隨著城市的發展,屋頂材料漸趨多樣化即SBS防水卷材屋面、瀝青油氈屋面、瓦屋面等[5],城市車流量也不斷增加,能夠通過汽車尾氣排放、輪胎和路面磨損以及油脂的滲漏等[6-7],這些都會對雨水徑流的水質產生影響。為實現雨水的資源化利用,迫切需要對不同類型下墊面(屋面和道路)上的雨水徑流水質進行系統的監測、分析和評價。

1 材料和方法

1.1 雨水水樣采集

(1)采樣時間。烏魯木齊市降雨多集中于4月、5月、9月和10月,因此,采樣時間選定在這4個月,形成徑流的初始時刻記為0 min,在形成徑流的0,10,20,30,40 min取水樣。

(2)采樣地點。雨水取樣點選定在烏魯木齊市新疆大學兩個校區的路面和屋面。根據烏魯木齊市屋面材料[4]的主要類型以及所處的地理位置,選取了兩大類屋面作為研究對象:一類是運用比較廣泛的SBS防水卷材鋪面的屋面,即新疆大學北校區住宅樓9號;另一類屋面是以瀝青油氈鋪面的屋面,即新疆大學本部學生宿舍10號。屋面徑流的收集方法是:在樓頂雨水管道出水口處放置收集瓶,收集樓頂流出的雨水。路面徑流設 4個采樣點,即新疆大學的兩個校內的主干道路和校外機動車主干道路上,路面材料為瀝青柏油路面,路面徑流的收集方法為:在路面上的雨水下水井內裝有容器,當路面產生徑流時匯聚進入該容器中。每場降雨各個采樣點同時取樣,樣品采集后立即轉入實驗室進行化驗分析。

1.2 分析項目、方法與儀器

雨水徑流指標包括:pH、SS、COD、礦化度、氨氮和電導率,分析方法與儀器見表(1)。

表1 分析儀器及分析方法

2 結果與分析

2.1 天然雨水水質特性分析

2007年4-5月降雨期間,對天然雨水和形成徑流的不同時段不同下墊面所取水樣的pH、礦化度、COD、SS、氨氮、電導率和重金屬(Pb、Cu)等進行檢測分析。通過不同下墊面雨水徑流的pH測定結果來分析,pH值都在5.7～6.2之間,呈弱酸性。重金屬的含量較低,甚至未檢出。從圖1可看出,所研究區域內的天然降雨的水質指標變化幅度比較大是電導率和氨氮。總體而言,經過淋洗大氣后的雨水水質化學指標的數量值都在三類水質的范圍內,是一種污染較輕的水資源。

圖1 天然雨水水質指標變化

2.2 不同下墊面雨水徑流水質特性分析

2.2.1 下墊面性質對雨水徑流水質的影響 通過以上雨水徑流水質指標的分析,雨水及不同下墊面徑流水質的優劣次序為:天然降水 ＞屋面徑流 ＞機動車道徑流;SBS屋面 ＞瀝青油氈屋面;北校區校外路面 ＞本部校外路面 ＞本部校內路面 ＞北校區校內路面。舍棄初期徑流雨水進行綜合評價,天然降水及屋面徑流的水質較好,基本能達到地表水Ⅲ類水質標準;而機動車路面徑流的污染較為嚴重,超過了地表水Ⅴ類水質標準,因為瀝青混凝土路面材質釋出污染物多,且路面車輛、行人等交通量大,廢氣、揚塵等污染物多,積塵量大,導致其徑流水質污染嚴重。瀝青混凝土路面材質及性質決定其徑流水質污染最重。因此,路面、屋面環保材料的使用,可減輕徑流污染,改善水環境。

2.2.2 初期徑流水質特性 初期徑流污染嚴重,其有機污染及懸浮固體污染嚴重,它是水環境面源污染的主要污染源,隨著降雨歷時的延長,污染物濃度呈波浪型鋸齒狀下降趨勢,并最終趨于穩定。初始濃度和達到穩定值的濃度取決于匯水面積性質、降雨量、降雨強度、大氣污染狀況、地表清掃狀況、降雨間隔時間等多種因素。一般來說,相鄰兩場降雨的間隔時間越長 ,則累積的污染物量越大;降雨強度增大,則雨水對地面的沖刷能力增強;地表污染程度也與烏魯木齊市道路路面的雨水設施不完善,使得地下管網中的污水涌入地面造成路面上的COD和SS值很高。因此,可通過加強路面環境衛生管理和清掃以及對雨水徑流進行截流、沉淀和過濾來有效控制污染物總量。末期的路面徑流水質和屋面徑流的相差不多,但路面徑流的 電導率、氨氮濃度有時卻隨降雨的進行而增加,這是由于降水不均勻等因素所致。雨天時交通活動并未停止,隨時都有污染物輸入,尤其是當降雨強度較小時,污染物的累積現象將更加明顯。

圖2 不同下墊面徑流COD和SS隨時間變化曲線

圖3 不同下墊面徑流電導率和氨氮隨時間變化

2.2.3 地理位置因素對徑流水質的影響 上述監測結果可知,其它條件相同時位于人口密集和機動車流量大的市中心即新疆大學北校區校外路面水質最差,而相對而言機動車流量少的校內路面水質污染較輕。這表明地理位置及地區的氣候條件、空氣質量、環境衛生條件等也是很重要的徑流水質影響因素。

2.3 污染物濃度相關性分析

對屋面、路面徑流污染物濃度進行相關分析發現:2種下墊面徑流水質指標之間進行了相關關系分析,得出COD與其它各指標之間有一定的相關性,特別是COD與SS間的相關性較高。相關系數都達到了0.98以上。

3 雨水資源化利用途徑探討

現代城市雨水利用是一種新型的多目標綜合性技術,并將雨水利用與城市環境和生態建設緊密結合起來。可實現節水、水資源涵養與保護、控制城市水土流失和水澇、減輕城市排水和處理系統的負荷、減少水污染和改善城市生態環境等目標。

根據用途不同,雨水利用可以分為直接利用、間接利用和綜合利用等幾類。根據烏魯木齊市降雨量全年分布不均,多以中到大雨形式集中在6-9月,蒸發和徑流量大、地下水長期過量開采的區域特點,雨水利用應首先考慮補充地下水、涵養地表水、綠化、沖洗道路、停車場、洗車、景觀用水和建筑工地等雜用水;有條件時還可作為洗衣、冷卻循環、沖廁和消防的補充水源。由于整個系統的設備在一年中的大部分時間里閑置,故直接利用往往不能作為唯一的水源滿足要求,一般可以與其它水源結合起來互為備用。

3.1 雨水集蓄利用

3.1.1 屋面雨水集蓄利用系統 利用屋頂做集雨面的雨水集蓄利用系統主要用于家庭、公共和工業等方面,如澆灌、沖廁、洗衣、冷卻循環等中水系統。可產生節約飲用水,減輕城市排水和處理系統的負荷,減少污染物排放量和改善生態環境等多種效益。該系統又可分為單體建筑物分散式系統和建筑群集中式系統。由雨水匯集區、輸水管系、截污裝置、儲存、凈化和配水等幾部分組成。有時還設滲透設施與貯水池溢流管相連,使超過儲存容量的部分溢流雨水滲透。

3.1.2 園區雨水集蓄利用系統 在新建生活小區、公園或環境條件較好的城市園區,可將區內屋面、綠地和路面的雨水徑流收集、凈化并利用,達到顯著削減城市暴雨徑流量和非點源污染物排放量、優化小區水系統、減少水澇和改善環境等效果。

圖4 COD與SS的關系

3.2 雨水滲透

采用各種雨水滲透設施,集中式和分散式,如綠地滲透、透水地面、滲透井、滲透溝、滲透池(坑)、或深井回灌,補充涵養地下水資源、減小地下水漏斗面積、緩解地面沉降、減少水澇等。這是一種間接的雨水利用技術。分散式滲透可應用于生活小區、公園、道路和廠區等,規模大小因地制宜,設施簡單,充分利用表層植被和土壤的凈化功能減少徑流帶入水體的污染物。集中式可直接向地下深層回灌雨水,但對地下水位、雨水水質有更高的要求。滲透地面可分為天然和人工滲透地面兩大類,前者以綠地這種天然的滲透設施為主,關鍵是提高城市綠化率,2006年烏魯木齊市建成區綠地覆蓋率已達到21.21%。人造透水地面是指在城區停車場、步行道、廣場等鋪設的各種人工透水性地面,如多孔的嵌草磚、碎石地面、透水性混凝土路面等。滲透管溝是埋設于地下的多孔管材,管材四周填充粒徑20～30 mm的碎石或其它多孔材料,雨水通過管材向四周土壤層滲透。滲透井有深井和淺井兩類,深井適用水量大而集中,水質好的情況。城區一般宜采用后者。其井壁做成透水的,在井底和四周鋪設碎石,雨水通過井壁、井底向四周滲透,適用于擁擠的城區或地面和地下可利用空間小、表層土壤滲透性差而下層土壤滲透性好等場合。滲透池(塘)面積大,能提供較大的滲水和儲水容量,凈化能力強,對水質和預處理要求低,管理方便。具有滲透、調節、凈化、改善景觀等多重功能,適合在新建生態小區里應用。也可根據具體條件將各種滲透裝置組合為一個綜合滲透系統。

3.3 生態住宅小區雨水綜合利用系統

目前,烏魯木齊市在建設生態住宅小區時,可綜合利用雨水,根據生態學、工程學、經濟學原理,通過人工凈化和自然凈化的結合,雨水集蓄利用、滲透與園藝水景觀相結合,實現建筑、園林、景觀和水系的協調統一,實現經濟效益和環境效益的統一,人與自然和諧共存。生態住宅小區雨水綜合利用系統一般包括屋頂綠化、水景、滲透、雨水回用、收集與排放系統等。建筑物的屋頂建雨水收集系統;溢流雨水、綠地和步行道匯集的雨水進入一個用砂和碎石鋪設的、種有多種植物的自然水道,之后進入有多種水生植物的水塘,同時利用太陽能和風能使雨水在水道和水塘間循環,連續凈化,形成植物魚類等生物共存的生態系統,整個小區基本實現雨水零排放。

3.4 雨污分流

雨污分流重點是雨水的利用,由于烏魯木齊市城市的迅速發展,地面硬化率大大提高,使得雨水對地下水的補充被阻隔;雨水在地面匯集,大量集中在機動車道和人行道上,引起交通堵塞;雨水從地面流失或被蒸發,使城市揚塵污染加重。因此提出道路雨水利用改進措施是很有必要的。合流后的排水系統將其和污水一同排放,使較清潔的雨水白白浪費和流失。分流后的雨水經排水道排至需要景觀用水的集中用水點,如人工湖、貯水池等,補充生態用水,用于維持和改善城市的水環境。如果我們利用雨水沖洗廁所、地面,澆灌花草、樹木,既能節約水資源又能使暴雨被分散利用,雨洪天氣行路難,水進居室民屋、雨水污染城市水體的問題可以基本解決,這是造福子孫的福利工程。

3.5 引雨濟濕工程

在烏魯木齊市一帶有不少老河道(河床)、輸水干渠,如:頭屯河、水磨河、和平渠、硫磺溝、堿泉溝等,可將這些河道(溝)、渠道周邊地段的雨水(雨洪)有意識、有目的地引進河道(溝)、渠道中去,然后向下游排放,至下游濕地,恢復原有的生態環境。如青格達湖、猛進水庫一帶。

3.6 利用經濟手段推廣雨水技術

城區雨水利用既有直接的經濟效益又有間接廣泛的環境與社會效益。公共設施或場所的雨水利用工程屬公用事業,需要政府投資,需要研究資金的來源與使用問題以及如何適應市場經濟規律,逐步納入合理的總體收費與管理計劃。但對一些小范圍、小規模的雨水利用設施,如賓館飯店的中水系統,工廠企業、居民的雨水利用設施和房地產開發商的小區內的雨水利用設施等,都屬于企業、商業行為或私有投入問題,企業微觀經濟與社會的宏觀經濟矛盾難以避免。除了嚴格的法規與行政手段外,應通過適當的經濟杠桿作用來調和這種矛盾,它直接關系到雨水利用技術的推廣和效益。比如通過業主適當的收費、減稅或國家的補助金等手段來鼓勵這類有利于社會的項目。

4 結 論

近年來隨著生產生活水平的提高,煤、油、燃氣等能源消耗激增,廢氣、粉塵等排放的增加造成了嚴重的大氣污染。雨水在降落過程中對大氣起到淋洗的作用,空氣中的粉塵顆粒物、可溶性的有害氣體就隨著雨水降落至地面,對本來水質較好的雨水造成污染。雨水徑流水質受匯水面性質影響而呈現出不同的變化。屋面污染物主要為大氣干沉降物和屋面材料的分解產物,瀝青油氈屋面是一種主要的污染源。路面污染狀況是道路雨水污染的決定性因素,水質比屋面雨水更復雜,隨機性更大,因此各匯水面上的污染物的產生具有不確定性。

(1)屋面、道路徑流污染較為嚴重,主要污染物為COD、SS、氨氮等,平均含量均超過地表水環境質量Ⅴ級標準,路面COD、SS污染最嚴重。

(2)屋面、道路兩種下墊面徑流 SS含量與COD、氨氮、電導率之間有較好的相關性,特別是COD與SS間的相關性較高。相關系數達到了0.98以上,因此可以通過城市下墊面的清潔除去大部分的污染物質。

總而言之,烏魯木齊市城區雨水資源化利用對改善城市環境,保持良好的水循環系統及生態平衡,將具有重要意義。

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