在海绵城市建设中,雨水滞蓄利用是城市水资源综合利用的一种有效途径,既能节约水资源,又能使水循环向着有利于城市生活的方向发展。针对这一问题,低影响开发(LID)雨水系统应运而生。它将景观规划设计与城市“雨洪控制”相结合,可减轻由于土地开发对水文功能和水环境质量造成的影响,尽最大可能减少对自然生态系统的冲击和破坏^[1] 。其主要工程措施包括生物滞留池(雨水花园)、植草沟、植被覆盖(绿色屋面)、透水性铺装等。目前为止,针对LID应用效果研究较少,尚未建立LID工程的评价体系。

　　 因此,探究低影响开发雨水系统在降雨形成径流过程中对雨水水质的处理影响至关重要,有效的低影响开发雨水系统势必要建立在可靠的降雨径流水质监测、分析和评价的基础之上^[2] 。

　　 本文以北京市2015年8~10月期间,天然降雨及2个不同下垫面的出水水质为研究对象,同时测定天然雨水、2个不同下垫面的降雨径流中13种常见污染物含量,综合比较各雨水水样水质指标,旨在明确LID对雨水水质改善所起的作用,以期引导低影响开发雨水系统的构建思路。

　　 北京市地处华北大平原北端,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。多年平均降水量在400~800mm,降水期主要集中在夏、秋两季。

　　 本次试验所选取的“LID”为“未来科技城1号、4号、5号楼”。采取的LID措施主要包括绿色屋面、植被浅沟和低势绿地。绿色屋面是指在上述3个建筑物楼顶种植花草的绿化工程,主要种植品种为佛甲草和结缕草,由植被层、基质层、过滤层、以及排水层、保护层、防水层构成,净化后的雨水通过排水管道收集至地面雨水井中,见图1。植被浅沟和低势绿地是在种植植被的景观性地表建设沟渠排水系统,盛接天然雨水。上述LID措施使收集的雨水经过植被滞留、植物吸收和土壤渗透等作用,可以达到降低地表径流流速,减小径流流量,消减峰值径流量的目标,在完成输送雨水功能的同时可满足雨水收集及净化处理要求^[3,4] ,见图2。由于所选择植被浅沟和低势绿地在工程中雨水收集后直接下渗到土壤中,所以在试验过程中主要采集水样为绿色屋顶雨水。

　　 样品收集时间段为2015年8~10月,共采集了3次降水的水样,包括天然降雨、屋面雨水和“LID”系统出水。

　　 试验样品采集分为3个部分:

　　 (1)天然降雨:取样点为北京工业大学“新环能楼C区”二楼阳台,共选取3个取样点,均匀分布,通过将自制的雨水收集装置放置在屋顶或阳台,收集天然降雨。

　　 (2)屋面雨水:取样点位于北京工业大学逸夫图书馆,也选取3个取样点,均匀分布,楼面面层材料为沥青油毡。水样取自在雨水管道出水口处放置的3个收集水箱,等比例全过程收集楼顶流出的雨水。

　　 (3)“LID”系统出水:取样点位于北京未来科技城“LID”系统出水收集井,分别为“一号楼”雨水井、“四号楼”雨水井和“五号楼”雨水井。3个雨水井均为单独的屋顶雨水收集井,不存在其他类型雨水及外排水。取样时需将带有绳索的容器放入相应雨水井中,当产生经流时,等比例全工程收集流入雨水井的雨水。

　　 水样的处置分两种情况,其一,需现场测定的项目:携带所需测定的仪器和药品在采集样品的同时进行现场测定;其二,现场取样实验室处置的项目:取样后及时进行过滤处理。过滤处理所选用的方式为抽滤,所用器材为5 000 mL抽滤瓶、抽气泵和0.11m中速定性滤纸,过滤处理后水样保存于低于4℃环境中。

　　 检测的指标包括SS、pH、浊度、COD、总氮、总磷、溶解氧、硝酸盐氮,以及铜、铁、锌、锰、铅,检测方法参考文献[5] ,其中,溶解态重金属采用ICP-MS^[6] 测定进行比对校正。

　　 采用统计软件中的适合于水环境质量评价检验方法^[7,8] ,对天然雨水、屋面雨水和LID出水3种水样之间的差异进行显著性分析,对3种雨水水样进行两两相互比较研究,并对LID系统水处理效力进行评估。

　　 以《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的功能分区作为参照级别,采用灰色关联分析法综合评价不同类型雨水水样的水质级别。选取水质因子(包括pH、DO、COD、总氮、总磷、铜、锌和铅)平均值作为比较参考序列,以水质评价标准为比较序列,求出多个关联度,与比较序列关联度最大的序列所对应的级别就是不同类型雨水所属的级别^[9] 。

　　 进行数据处理时,先对水样原始数据进行无量纲化处理,按照改进的灰色关联法求得关联度^[10,11] ,比较各关联度大小。按最大关联原则判定雨水水质所属级别,其优劣排序规则为:①级别不同,级别越低,品质越好;②级别相同,比较其次高级别,次高级别越低品质越好。

　　 对水样做主成分分析(PCA),以揭示雨水类型中的污染物来源。所有数据的整理和计算采用Excel和SPSS软件。

　　 非参数检测结果表明,各理化指标和污染物浓度在天然雨水、屋面雨水和LID出水中均表现出显著性差异,见表1。

　　 天然雨水和屋面雨水的pH为6.36和4.97显酸性;LID系统雨水pH为7.66基本接近中性,表明LID系统对于pH有一定的调节作用。

　　 在SS和浊度方面,天然雨水的SS与浊度最低;屋面雨水、LID雨水系统出水的SS与浊度比较高,这两者与天然雨水存在较大差异;其可能与屋面雨水和LID系统雨水接触不同的地表下垫面有关,使得降雨在径流形成过程中冲刷两种不同下垫面溶入了较多易溶于水的物质或携带了不同杂质;单独比较屋面雨水和LID系统雨水的SS和浊度,能反映出后者比前者的数值低,说明LID雨水系统下垫面相比屋面下垫面对水质中SS和浊度的影响更小,见图3。

　　 LID雨水系统雨水的含磷量低于天然雨水和屋面雨水,表明绿色屋面对磷有截留作用,绿色屋面能够去除雨水水体中磷的含量。文献[12] 指出:“关于磷酸盐类,其负荷的减小主要取决于绿色屋面对径流量的截留大小^[13] ,磷酸盐负荷削减随着时间而增加,植被的生长消耗磷,从而减少了磷的含量。”

　　 LID雨水系统比较天然降水在总氮方面同样有部分降低,反映了LID雨水系统可以去除部分天然降雨的总氮含量。Czemiel^[13] 在对日本某采用无机轻质土壤的绿色屋面的研究中发现,绿色屋面能够有效减少径流中总氮含量,但同时,Moran^[14] 从其所研究的绿色屋面中观察到大量的总氮从径流中流出;Monterusso^[15] 的研究也表明,具有不同排水结构的绿色屋面其硝酸盐浓度也不相同,排水层越薄其放出的硝酸盐含量越大(介于0.22~22.7mg/L),绿色屋面中硝酸盐的释放取决于植被类型。因此LID雨水系统对于天然降雨中总氮的去除能力还有待于进一步研究。

　　 在降雨中重金属减量方面,LID雨水系统也有良好表现,其LID出水的重金属含量均低于天然雨水和屋面雨水中相应重金属的含量。Czemiel等人^[13] 的研究也发现,来自于城市不透水下垫面径流的重金属浓度要高于来自于绿色屋面径流中相对应污染物浓度,可以推测LID雨水系统对重金属具有较好的处理作用。

　　 根据最大关联原则,如表2显示,天然雨水、屋面雨水对应地表水Ⅳ类水质标准,而经过屋面绿化后的LID雨水系统雨水的水质接近了地表水Ⅰ类水质标准。按水质优劣得到如下排序:LID雨水系统雨水>天然雨水>屋面雨水。

　　 通过主成分分析,可以提取出反映雨水水质的3个主要因子,从分析方差贡献率可知,其贡献率分别是60.436%、31.177%、8.387%,见表3。其不同主成分的较高正荷载分别体现在:第一主成分特点表现为因子变量在总磷、COD和铜的浓度上有较高的正载荷;第二主成分特点表现为因子变量在DO和pH上有较高的正载荷,在锌的浓度上有较高的负载荷;第三主成分特点表现在因子变量在硝酸盐氮、铜和浊度的浓度上有较高的正载荷。

　　 在此基础上又对表3的数据进一步处理,根据分析结果得到相应的主成分表达式(综合评价函数)如下:

　　 根据综合评价函数,算出3类不同水样的水质污染综合得分,见表4。表中体现了水质污染程度的定量化描述,得分越大,表明其水质污染程度越严重。由此可以看出LID处理系统雨水的综合水质优于天然雨水和屋面雨水。

　　 灰色关联分析结果表明:天然雨水与屋面雨水的综合水质接近地表水Ⅳ类水质标准。而在侯立柱等^[16] 和任玉芬^[17] 指出“天然雨水和屋面径流能达到国家地表水Ⅱ类水质标准”。分析其中主要原因是取样期间雾霾天气影响。本文取样期间,北京市出现持续雾霾天气,空气中含有较多的污染物质,经过大气沉降、径流冲刷等造成取样雨水水质较差。同时取样的LID雨水系统水质接近地表水Ⅰ类水质标准,虽然本次试验取样具有一定的局限性,但也在一定程度上反映了LID处理系统对于雨水水质的净化作用。

　　 将LID雨水系统雨水与国家标准《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)中生活杂用水和景观用水水质标准进行比较表明:

　　 (1)生活杂用水水质标准要求浊度在10NTU以下、悬浮性固体在10 mg/L以下,而LID处理系统这两个指标均较高,无法直接用于便器冲洗,洗车扫除等。而在pH、COD、色度、总磷、铁和锰等均能满足相关水质标准的要求。因此,如果考虑利用LID雨水系统处理的雨水进行中水回用,则仅需加强浊度、SS等方面的处理力度即可,从而可降低中水回用的处理成本以及对设备的要求。

　　 (2)景观水体的水质标准分为“与人体直接接触”和“非全身性接触”两类。LID处理系统雨水水质能够基本满足后者的水质要求,因此,经过进一步研究可以考虑将经过LID处理系统后的雨水回收再处理用于“非全身性直接接触”类景观用水,降低景观用水成本。

　　 不同类型水样的主成分分析表明,LID雨水系统的第一主成分中所占正载荷较重的总磷、COD、铜3个水质指标均低于天然雨水。不同LID雨水系统之间仍然有较大差异、绿色屋顶结构中主体为佛甲草和结缕草,对水体中COD的降低能力一般,COD在天然雨水及LID雨水系统雨水间没有明显的降低(见表1),结果表明COD指标不能明确衡量LID雨水系统的优劣性。而指标中总磷及重金属的变化较为明显,考虑将总磷、重金属含量作为衡量LID雨水系统的标准之一。再从水质测量数据来看,也证实了主成分分析结果较真实地反映了天然雨水、屋面雨水及LID雨水系统雨水的实际情况。

　　 通过对以上内容整理可知,LID雨水系统可将天然雨水pH从5~6降至7~8,对于污染物质总磷、总氮、铁、锰、铅的去除率分别为21%、56%、62%、85%、18%。结合前已述及的文献和本文所做的试验可知:LID雨水系统对总磷的去除率在21%~80%、总氮在30%~68%、铁在40%~80%、锰在62%~92%、铅在18%~91%,以上去除率可以作为评价LID系统水质处理效力之一。

　　 (1)通过各综合水质指标的比较,LID雨水系统比普通建筑屋面雨水收集系统在水质方面的处理效果更好。LID雨水系统对雨水的pH具有显著中和作用,对重金属具有较好的截留,吸附作用,可以列入LID雨水系统污染负荷主成分分析项目,并作为衡量LID雨水系统效力的主要影响因子。

　　 (2)天然雨水经LID雨水系统处置后可以基本达到“非直接接触”的景观用水水质标准,可以考虑将其做再处理后作为“非直接接触”的景观水回用,可以降低景观用水的成本,最大可能的实现回收利用。