滲井雨水入滲對地下水水質的影響研究

王宗海

(喀左縣水利局， 遼寧 朝陽 122300)

隨著城市化的迅速發(fā)展，我國城市的城區(qū)面積迅速擴張，城市的排水管道難以應對極端降雨天氣的問題日漸突出[1]。針對這一問題，雨水的資源化利用是最為有效的途徑，不僅可以實現(xiàn)極端降雨背景下的城市內澇，還可以促進地表水和地下水之間的轉換[2]。在利用雨水補充地下水方面，滲井可以實現(xiàn)地表雨水的直接入滲，具有快速、大量的特點，十分適合城市和農(nóng)村地區(qū)的雨水資源化利用，對預防城市內澇，提高地下水位具有十分顯著的作用[3]。但是，在雨水入滲過程中，其中的污染物也會經(jīng)過土壤累積進地下水，并對地下水的水質產(chǎn)生潛在的影響[4]。因此，展開滲水井雨水入滲對地下水水質的影響研究具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

朝陽市位于我國遼寧省西部，東臨錦州市，南接葫蘆島市，西南臨河北承德市，東北與內蒙古自治區(qū)的赤峰市相鄰，地理位置十分優(yōu)越。朝陽市屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期，降水偏少，年降水量約為520mm。受氣候條件的影響，朝陽市夏季多短時強降雨，容易誘發(fā)城市內澇，因此十分有利于使用滲井實現(xiàn)雨水的資源化利用。本次研究的滲井位于朝陽的尚志公園內。該公園位于中山大街與和平街之間，占地面積6300m2。底面標高在286.4～288.5m之間，其土層較好且復雜多樣，具有良好的地下水賦存、運移條件。J4滲井位于公園標高最低的東南角，建成于2020年5月，由直徑為3.0m的鋼筋混凝土滲濾池和2根長6.0m的玻璃鋼管滲井組成。在鋼筋混凝土滲濾池中填充90%的粗砂、5%的沸石以及5%的海綿鐵[5]。為了研究滲井的雨水入滲對地下水的影響，在滲井西邊25和45m處設置2個觀測井[6]。其基本布局如圖1所示。

圖1 滲井和觀測井布置示意圖

該滲井主要收集公園東南部區(qū)域內建筑的屋面、部分路面以及綠地和草坪產(chǎn)生的雨水徑流[7]。其中，屋面面積約550m2，路面面積大約1050m2，綠地面積約2890m2。由于公園內的綠地有良好的蓄水作用，如果降雨量不大，一般不會產(chǎn)生雨水徑流。因此，如果不考慮綠地因素，滲井的匯流水量中來自屋面和路面的水量分別占1/3和2/3。在降雨過程中，屋面降雨通過預先鋪設的管道直接匯入滲井，路面降雨則通過地表匯流匯入滲井，經(jīng)過滲井的填料之后下滲到地下水中。如遇較大降雨，綠地草坪產(chǎn)生的雨水徑流則溢流到周邊道路和路面雨水一起匯入滲井。

1.2 數(shù)據(jù)采集

2 試驗結果與分析

2.1 入流水質試驗數(shù)據(jù)與分析

對研究期內的13場次降雨的屋面和地面入流水質指標進行測定分析，結果見表1。

表1 入流水質測定結果 單位：mg/L

由表1可知，屋面進水中的COD、TN、NO3-N的濃度與路面進水相比偏高，NH3-N與TP的濃度則低于路面進水。但是總體而言，兩者的污染物濃度相差不大。究其原因，主要是研究區(qū)位于公園內部，路面污染物較少受汽車尾氣、融雪劑等一般道路污染因素的影響，因此污染物的組成和含量與屋面雨水比較接近。另一方面，路面污染物會受到行人走動和周邊綠地的吸附和凈化等因素的影響，而屋面的污染物沉積后較少受到擾動[12]。此外，按照公園的布局，滲井匯流區(qū)的房屋主要集中于靠近周邊街道的外側，因此受到道路揚塵等因素的影響相對較多。上述多種因素的綜合，造成路面和屋面雨水的污染物含量存在一定的差異。

2.2 滲井對污染物的去除效果分析

在研究期內一共有13次比較明顯的降雨，其中有4次降雨監(jiān)測到滲井的出水，因此利用這4次降雨過程中滲井的進水和出水水質差異對滲井的污染物去除效果進行評價，結果見表2。

表2 滲井污染物去除效果計算結果 單位：mg/L

由于該滲井建成于2020年5月，雨水匯集管路和滲井填料中并沒有明顯的底泥沉積，因此底泥污染物對試驗結果的影響可以忽略不計。通過出水和入水污染物含量的對比，即可獲得滲井填料對污染物的去除效果。由計算結果可知，滲井對去除雨水中NO3-N的效果最好，去除COD的效果次之，對其他污染物的去除效果并不十分理想。究其原因，主要是滲井建成的時間較短，運行還存在不穩(wěn)定性。此外，雨水入滲之后還會在滲井的內部發(fā)生淋溶現(xiàn)象。此外，從表中數(shù)據(jù)的時間序列對比來看，研究時段后期的污染物去除效果明顯增強，這說明隨著滲井的穩(wěn)定運行，未來還可以取得更好的污染物去除效果。

2.3 地下水水質數(shù)據(jù)分析

在試驗的2020年5—9月期間，每月的1、11、21日進行觀測井的地下水水樣采集，并對水樣進行水質指標的分析。

2.3.1TP含量分析

對滲井和觀測井地下水中的TP含量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，獲得的TP含量變化曲線，如圖2所示。

圖2 TP含量變化曲線

由圖2可知，觀測井地下水中TP含量在5、6月的變化幅度相對較小，而在后3個月的變化比較劇烈。究其原因，主要是當?shù)氐?、8月為主汛期，降雨比較頻繁且雨量相對較大，雨水中攜帶的含磷污染物進入滲井后與海綿鐵反應，達到去除部分磷污染物的作用，但是隨著雨水攜帶磷污染物的不斷增加，滲井填料的凈化作用有所減弱。從2個觀測井的對比來看，觀測井J5的濃度變化幅度明顯大于觀測井J6，說明滲井出水的TP可以隨地下徑流向觀測井J5遷移，造成該部位TP濃度的波動變化，而觀測井J6距離較遠，TP在擴散稀釋后對觀測井J6處的影響相對減小。

2.3.2COD含量分析

對滲井和觀測井地下水中的COD含量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，獲得COD含量變化曲線，如圖3所示。

圖3 COD含量變化曲線

由圖3可知，2個觀測井中水樣的COD含量和變化特征基本一致，在多雨的7、8月和相對少雨的5、6月其濃度分布上也不存在顯著的差異性。這說明，滲井的雨水滲入不會對地下水中的COD含量產(chǎn)生顯著的影響。究其原因，滲井填料中的活化沸石和海綿鐵均具有較強的吸附性，因此能夠很好地去除入滲雨水中的COD[8]。

2.3.3N含量的分析

對滲井和觀測井地下水中的NH3-N、NO3-N以及TN的含量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，分別獲得NH3-N、NO3-N以及TN含量變化曲線，如圖4—6所示。

圖4 NH3-N含量變化曲線

圖5 NO3-N含量變化曲線

由圖4可知，NH3-N的含量在5、6月觀測井J5監(jiān)測值略低于觀測井J6監(jiān)測值，在后3個月基本相當。究其原因，主要是NH3-N一般帶正電荷，而滲井中的填料大多為負電荷，因此可以產(chǎn)生較好的去除效果，因此雨水經(jīng)滲井滲入對地下水的NH3-N含量的影響極為有限。由圖5可知，NO3-N的含量在7、8月有較為明顯的上升。究其原因，主要是NO3-N一般帶負電荷，隨雨水進入滲井之后不易被填料吸收。另一方面，雨水中的部分NH3-N在細菌的硝化作用下也會生成部分NO3-N，上述2個方面因素的綜合作用，都會造成汛期NO3-N濃度的劇烈波動。總之，滲井的雨水滲入短期內會對地下水的NO3-N含量產(chǎn)生顯著影響。由圖6可知，觀測井J5中TN的含量在汛期7月高于觀測井J6中TN的含量，此后逐漸下降到低于觀測井J6中TN的含量。究其原因，主要是研究區(qū)前期的降雨較少，TN污染物會在地面和屋面積累，在汛期到來之后會隨著雨水大量進入滲井，造成觀測井J5中TN的濃度偏高，之后隨著雨水的減少，其濃度會逐步降低并低于觀測井J6中TN的濃度。由此可見，雨水經(jīng)滲井處理后會對地下水中的TN含量造成一定的影響，但是經(jīng)過遷移擴散之后其影響較為有限。

3 結語

隨著海綿城市建設的逐步推進，城市雨水資源的有效利用日益受到學界的關注。本次研究利用地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，就滲井雨水集中入滲對地下水水質的影響展開研究，獲得滲井雨水下滲過程中的污染物變化規(guī)律，對北方缺水城市的滲井技術推廣、實現(xiàn)城市雨水資源化利用具有重要的支撐作用。當然，此次研究由于受到實際條件的限制，沒有能對水質數(shù)據(jù)進行及時的跟蹤和采集，可能會對研究結果造成一定的影響，今后應該應用自動技術進行監(jiān)測，同時提高監(jiān)測時間跨度，提高研究結果的科學性和準確性。