車武 歐嵐 　　　　　劉紅 孟光輝
（北京建筑工程學(xué)院） （北京市城市節(jié)水辦公室）

　　城市雨水是一種寶貴的資源，而屋面雨水因便于收集，水質(zhì)相對(duì)較好，在我國(guó)廣大的缺水城市和地區(qū)具有很大的開發(fā)利用潛力。與集中收集、貯存和處理后利用的工藝相比，屋面雨水通過(guò)綠地或其它人工滲透裝置調(diào)貯、下滲、補(bǔ)充地下水源的技術(shù)方案，具有投資少、設(shè)備簡(jiǎn)單、見效快、便于管理和較高的生態(tài)環(huán)境效益等突出優(yōu)點(diǎn)[1][2]。
　　由于城市環(huán)境因素和屋面材料的影響，城區(qū)屋面雨水也受到相當(dāng)程度的污染，尤其瀝青油氈屋面初期雨水徑流污染非常嚴(yán)重，主要污染指標(biāo)COD可高達(dá)上千mg/l[3]。因此，研究屋面雨水在土壤中的凈化規(guī)律、確定需要采取的污染控制措施是采用滲透方案的前提條件和技術(shù)保障。

1　試驗(yàn)裝置及材料

　　試驗(yàn)裝置如圖1所示。選擇有一定代表性的表層（0.5～2m）天然沙性粘土和由沙性粘土加粒徑為2.5～5 mm的爐渣拌和而成的人工土,比較它們對(duì)屋面雨水的凈化規(guī)律和效果。兩種滲透試驗(yàn)土質(zhì)的性能匯于表1,可見人工土的滲透性能明顯優(yōu)于天然土。表中滲透系數(shù)是用室內(nèi)定水頭測(cè)定法測(cè)定計(jì)算[1]，因改變了土壤原有狀態(tài)，一般比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定值偏小。

表1 土壤滲透試驗(yàn)材料 土樣 組成 滲透性能 滲透系數(shù)K(m/s) 人工土 50%的天然沙性粘土加50%的爐渣 好 2.22×10^-4 天然土 100%的天然沙性粘土 差 1.14×10^-6

　　將兩種土壤分別填入滲透裝置（厚度依次為天然土2、1、0.5m和人工土1、 0.5m）后再在表層覆蓋少量雨落管下的泥土，因?yàn)檫@些泥土常期與屋面雨水接觸，土中的細(xì)菌適應(yīng)屋面雨水中的有機(jī)物，有一定接種作用。最后在表層移植一些植被以改善表層土壤性能，增強(qiáng)滲透裝置凈化雨水的能力，模擬自然綠地條件下雨水在土壤中的下滲凈化過(guò)程，為雨水滲透工程應(yīng)用及污染控制技術(shù)措施提供依據(jù)。
　　因目前城區(qū)油氈屋面的比例很大、污染較重，屬于不利條件。測(cè)定結(jié)果表明，它主要為有機(jī)污染，色度大，并含有一定量的SS，其它一些污染指標(biāo)濃度很低。研究結(jié)果還表明[1]，污染物主要集中在初期徑流中，雨水的利用宜舍棄這部分雨水，經(jīng)初期棄流后的屋面雨水水質(zhì)較穩(wěn)定，SS濃度很小，COD濃度一般可維持在100mg/l左右。因此，用這種屋面雨水做試驗(yàn)用水，測(cè)定指標(biāo)主要為COD。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1兩種土壤凈化作用及比較
　　2000年雨季屋面雨水滲透凈化試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種土壤對(duì)屋面雨水中的污染物均有明顯的凈化作用。經(jīng)過(guò)一段土壤層滲透后，主要污染物COD有不同幅度的下降，下降幅度與運(yùn)行條件有關(guān)。
　　油氈屋面雨水的BOD5/COD比值很?。?.1～0.2左右），且以溶解性有機(jī)物為主[3]。土壤層能較大幅度地去除COD，除了土壤中的微生物作用外，還有植物、土壤對(duì)污染物的吸收、過(guò)濾、吸附、分解等物理、化學(xué)和生物的綜合作用，是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。
人工土的滲透性能好，能獲得較大的滲透量。由于爐渣粒徑較大，還帶有較多的空隙，為土壤層構(gòu)成很好的通透性，且增加吸附表面積，為土壤微生物群提供良好的棲息環(huán)境。因此，試驗(yàn)結(jié)果顯示，它比天然土還具有更強(qiáng)的凈化作用。
　　以10月20日試驗(yàn)結(jié)果為例（圖2），當(dāng)進(jìn)水COD濃度保持在初期棄流后的濃度范圍時(shí)，0.5m厚的兩種土層COD去除率在30～40%左右，而1m土層的去除率提高到50～70%左右，凈化作用明顯。

　　對(duì)屋面雨水的色度也有很顯著的去除效果，如11月2日的試驗(yàn)結(jié)果（圖3），經(jīng)過(guò)1m厚的土層，油氈屋面雨水的色度可從140度降低到40度左右。對(duì)其它幾種污染成分的去除作用見表2。從這幾種指標(biāo)看，0.5m深人工土的凈化作用與1m天然土的相當(dāng)。圖3 滲透裝置對(duì)色度的去除效果

表2 幾種污染成分的凈化作用（mg/l） 成份 進(jìn)水 出水 天然土0.5m 天然土1m 人工土0.5m 酚 0.013 0.007

0.002

石油類 2.8 1.4 <0.4 <0.4 陰離子合成洗滌劑 1.6 1.55 1.44 1.48

2.2負(fù)荷對(duì)滲透凈化作用的影響
　　在5月至11月的試驗(yàn)期間，對(duì)兩種土壤滲透裝置進(jìn)行不同負(fù)荷下的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果匯總于圖4。

　　由圖可見，當(dāng)負(fù)荷增加，0.5m滲透裝置的去除率有下降趨勢(shì)，人工土的下降趨勢(shì)比天然土明顯。因?yàn)槿斯ね恋臐B透速率明顯大于天然土，在0.5m較短距離上，雨水與土壤的接觸時(shí)間也較短，當(dāng)負(fù)荷增加，污染物比較容易穿透滲濾層。而負(fù)荷對(duì)1m 滲透裝置的去除率沒(méi)有明顯影響，說(shuō)明在試驗(yàn)的負(fù)荷范圍，下部的0.5m厚土層有足夠的保護(hù)作用?？偟目?，人工土滲透裝置對(duì)COD的去除率高于天然土滲透裝置。
2.3滲透深度與COD去除率的關(guān)系
　　垂直滲透試驗(yàn)清楚地表明COD去除率隨滲透深度的增加而明顯提高，如圖5-1所示。8月5日的試驗(yàn)結(jié)果是一個(gè)典型的例子，一般在相同深度上，人工土的去除率在較大滲透容量的前提下仍大于天然土，有明顯的優(yōu)越性。

　　以每一滲透柱所有試驗(yàn)的COD平均去除率分析，可以得到同樣的結(jié)論（圖中1、2曲線），出水COD去除率與深度密切相關(guān)。清楚地表明污染物在1.5m左右的土壤層中已得到很大部分的去除。說(shuō)明實(shí)際工程中深度至1.5m左右的表層土對(duì)污染物凈化起重要作用。另一組水平滲透槽試驗(yàn)研究還表明，隨著雨水與土壤接觸長(zhǎng)（深）度的增加，COD去除率可進(jìn)一步提高，達(dá)到90%以上[1]。
2.4滲透裝置中污染物的積累及土壤再生能力的分析
　　土壤中污染物的積累及土壤凈化能力的恢復(fù)是關(guān)系到滲透設(shè)施發(fā)揮可持續(xù)功能的一個(gè)重要的安全和工程性問(wèn)題。
　　由于降雨的隨機(jī)性、非連續(xù)性及水質(zhì)水量的波動(dòng)很大，屋面雨水的滲透過(guò)程屬非穩(wěn)態(tài)，每一次試驗(yàn)條件或?qū)嶋H運(yùn)行條件的不同，滲透裝置的性能會(huì)有不同的表現(xiàn)。但總的看，從5月至11月，各滲透裝置沒(méi)有明顯表現(xiàn)因污染物的累積而導(dǎo)致滲透凈化能力的下降。如天然土0.5m的COD去除率在30～40%左右；到11月2日的去除率仍維持在32%的正常水平；人工土0.5m的去除率在40～50%左右；11月2日試驗(yàn)前50分鐘內(nèi)出水COD去除率保持在40～50%的正常水平，兩個(gè)小時(shí)后維持到35%；人工土1m的去除率在60～80%左右，10月20日最后一次試驗(yàn)，前50分鐘出水的去除率也保持70～80%正常水平，約3小時(shí)后維持在60%；同樣，天然土1m裝置到11月2日的去除率也能維持在63%的正常水平。
　　但就每一次試驗(yàn)而言，各裝置也多表現(xiàn)出隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，去除率有下降趨勢(shì)，如圖5-2所示（以上一些曲線也可看出），但后續(xù)試驗(yàn)時(shí)，仍能恢復(fù)到正常水平。說(shuō)明在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，土壤的凈化容量在減小，而在降雨間歇期，土壤中繼續(xù)存在降解作用，使其凈化能力逐步恢復(fù)。

　　圖5-2還清楚地表明，1m的天然土滲透裝置具有最強(qiáng)的凈化能力和最穩(wěn)定的凈化效果。因此，在工程應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際條件考慮在地表采用0.5～1m厚的人工土層，以獲得較大的滲透能力和凈化效果。
　　也考察了較高濃度的影響，當(dāng)進(jìn)水COD濃度為1135mg/l，人工土滲透裝置試驗(yàn)結(jié)果見圖6所示，因0.5m裝置的負(fù)荷是1m裝置的兩倍，因此，其出水水質(zhì)較差, 并逐漸接近進(jìn)水濃度。但1m裝置仍保持較高、較穩(wěn)定的去除率。

　　10天后的下一場(chǎng)降雨滲透試驗(yàn)結(jié)果顯示，人工土滲透裝置包括上述接近穿透的0.5m裝置仍然比天然土的效果好，沒(méi)有表現(xiàn)受高濃度沖擊后積累影響的跡象。
　　因此，土壤中尤其人工土壤中對(duì)油氈屋面難降解有機(jī)物有較強(qiáng)的生物凈化和再生能力。

3　結(jié)論與討論

　?。?）天然土和人工配制土對(duì)屋面雨水主要污染物有明顯的去除凈化作用。
　?。?）人工土的滲透系數(shù)為10-4m/s數(shù)量級(jí)，試驗(yàn)用的天然土滲透系數(shù)為10-6m/s數(shù)量級(jí)，因此人工土滲透裝置比天然土滲透裝置具有顯著大的滲透通量。它還具有良好的通透性，改善了土壤的物化條件和微生物棲息條件，有更強(qiáng)的凈化能力。
　?。?）土壤滲透對(duì)油氈屋面雨水中的難降解COD有較強(qiáng)的去除能力，并表現(xiàn)出具有耐沖擊負(fù)荷能力和良好的再生功能。說(shuō)明土壤中微生物群通過(guò)適應(yīng)與馴化，對(duì)油氈屋面難降解COD有分解能力。
　?。?）滲透凈化效果與滲透深度密切相關(guān)，人工土1m深COD去除率可達(dá)70～80%，天然土1 m深可達(dá)60%左右。即地表1～1.5m厚土壤層可去除大部分有機(jī)污染物，隨深度的增加，凈化作用可望進(jìn)一步提高。
　?。?）由于土壤較強(qiáng)的凈化與再生能力，經(jīng)合理設(shè)計(jì)與控制，屋面雨水通過(guò)天然綠地或人工滲透裝置的滲透，可達(dá)到較好的水質(zhì)。改造污染嚴(yán)重的屋面材料，采用初期棄流裝置和保證至地下水位有足夠的土層，是控制地下水免受污染的有效措施。
　?。?）滲透試驗(yàn)結(jié)果對(duì)雨水滲透工程實(shí)施有重要意義，提供了必要的技術(shù)依據(jù)。可以根據(jù)具體條件，采用不同的滲透方式，利用天然綠地或設(shè)計(jì)人工滲透設(shè)施來(lái)安全有效地利用城區(qū)的屋面雨水。
　?。?）雨水滲透屬非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，其水力特性、土壤的凈化與再生機(jī)理有待更深入的研究。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各裝置出水水質(zhì)下降后逐漸穩(wěn)定甚至好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，分析原因，可能由于存在一定的壁效應(yīng)，滲透開始后，一部分雨水較快地沿壁下滲，出水水質(zhì)下降，這部分滲流達(dá)到一定程度保持穩(wěn)定，此時(shí)，土壤層內(nèi)的滲流因速率較慢尚未到達(dá)出口。當(dāng)土壤層內(nèi)的滲流到達(dá)出水口時(shí)水質(zhì)即可穩(wěn)定甚至好轉(zhuǎn)。因此，如果排除壁效應(yīng)，滲透凈化效果還可能提高。
　　（8）因運(yùn)行周期較短，其它微量污染物在土壤中的存在方式或遷移規(guī)律也有待進(jìn)一步分析研究。

參考文獻(xiàn)

　　1 車武，劉紅, 汪慧貞等. 北京市城區(qū)雨水利用技術(shù)研究及雨水滲透擴(kuò)大試驗(yàn)研究報(bào)告. 北京，2001，3
　　2 車武，劉紅，李俊奇等. 城市雨水地下回灌可行性分析. 城市污水資源化暨地下回灌技術(shù)國(guó)際研討會(huì)文集. 北京清華大學(xué)， 2000, 8: 13～17
　　3 車武，汪慧貞，劉紅等. 北京市屋面雨水污染及利用研究. 2000中國(guó)水處理技術(shù)國(guó)際研討會(huì)文集. 北京中國(guó)國(guó)際科學(xué)中心， 2000年9月, 59～64