土壤對城市雨水徑流中污染物的削減作用

袁宏林, 魏 穎,2, 謝純德

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 陜西 西安 710056; 2.中國電建集團西北勘測

設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065; 3.西安市政設計研究院有限公司, 陜西 西安 710055)

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土壤對城市雨水徑流中污染物的削減作用

袁宏林1, 魏 穎1,2, 謝純德3

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院, 陜西 西安 710056; 2.中國電建集團西北勘測

設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065; 3.西安市政設計研究院有限公司, 陜西 西安 710055)

摘要：[目的] 分析城市雨水徑流在土壤中的凈化情況及徑流污染物對土壤環境造成的影響。 [方法] 在充分了解陜西省西安市某地土壤特性和當地雨水徑流水質的基礎上,模擬城市土壤表層系統和雨水徑流裝置,研究雨水徑流中的污染物在下滲過程中土壤表層對它們的削減作用及土壤基本理化性質的變化。 [結果] 在土壤層厚度為20 cm,雨水滲透量為6 000 ml,徑流時間3 h的條件下,裸土和綠地表層土壤對模擬雨水中各污染物的去除率均達到40%以上;土壤的密度及pH值基本未發生變化,氮的含量由原土的54.95 mg/kg分別增加到65.10(綠地)和68.60 mg/kg(裸土),有效磷的含量由原土的59.23 mg/kg變化到82.39 mg/kg(裸土)和39.93 mg/kg(綠地),有機質的含量由原土的18.32 mg/kg變化到19.28 mg/kg(裸土)和14.04 mg/kg(綠地)。 [結論] 綠地對雨水徑流處理效果較好。在滲流過程中,土壤對氨氮的截留效果較為明顯,短時間內土壤基本物理性質變化不大。

關鍵詞：土壤表層; 雨水徑流; 污染物; 土壤滲透; 削減率

隨著經濟發展和人口的增長，城市建設不斷發展，不透水區域面積所占比例越來越大，使得城市水問題愈發嚴重[1-7]。一方面[2]，地下水嚴重超采，而雨水不能入滲地下補充地下水，使得城市周圍的水環境和生態環境日漸惡化；另一方面，大雨時，徑流迅速匯集造成地面積水和城市局部洪災。這樣就導致大部分徑流雨水無法得到合理有效的利用，造成水資源的大量浪費，那么雨水資源如何合理利用就引起了世界各國很多專家的關注和重視[3]。根據現代資源觀念，城市雨水是一種寶貴的、可利用的自然資源[4]。這部分徑流雨水在中國廣大的缺水城市和地區有很大的開發利用潛力和社會價值。

很多學者認為城市雨水資源利用可以分為直接利用和間接利用2種[2]：直接利用指的是屋頂集雨、道路集雨和綠地水景水域攔蓄；間接利用主要指滲透技術，與前者相比，此種方法的適用范圍更加廣泛，環境效益更加顯著。由于目前監測手段的落后,加之降雨過程的隨機性,使得觀測自然降雨條件下污染物在土體中的垂向遷移過程和規律在很大程度上存在周期長，工作量大，數據不夠準確等困難和缺憾[5]，而北方雨水降雨比較集中且短暫，不便直接研究，欲對降雨—徑流—滲流過程中污染物遷移規律進行準確、快速、全面的了解，采用高壓供水土柱滲漏的試驗方法，進行室內土柱模擬試驗是一種行之有效的方法[6]。故本文將針對此問題在實驗室內通過模擬來研究土壤表層對雨水徑流下滲過程中污染物削減效果及徑流污染物對土壤的影響。

1試驗裝置及方法

1.1　試驗裝置

試驗裝置(如圖1所示)由模擬土壤系統和模擬供水系統兩部分組成。模擬土壤裝置由圓柱體有機玻璃制成，直徑D=30 cm，高度H=25 cm(超高5 cm)。其中一個裝置采用裸土，另外一個裝置中采用含有草皮的土壤(該裝置中植株密度為2株/cm2)。

每種類型的滲流系統均另設一套平行裝置。每個裝置側壁開有取水支管，并連有橡膠管。供水裝置采用高位水箱，可實現定水頭自動供水。

圖1　雨水凈化試驗裝置

1.2　供試土壤采集

土壤是微生物生存、繁殖的良好載體，為使土壤發揮自身的凈化作用，必須使土壤具有一定的孔隙率及良好的滲透性能。如果土壤的孔隙率比較小，那么土壤的透氣性就會很差，影響到微生物的增殖進而削弱土壤對污染物的降解作用。

供試土壤選用西安市東郊微生物種類較多、土壤結構疏松的表層土。試驗過程中供試土柱的填充選用離地表20 cm以內的土壤。采用分層取土，按照容重進行填充的方法獲得供試土柱[8]。為了探討徑流污染物進入土壤后對土壤造成的影響，需要對原始土壤基本物理性質(含水率、密度、容重、孔隙率、pH值、電導率)及初始營養鹽含量進行分析。對該表層土壤樣品測定3次取其平均值，得到試區土壤層的主要物理特性如表1所示。

表1　試區土壤主要物理特性

1.3　試驗用水

表2　實際徑流雨水水質

配水方案根據文獻資料[10]和實測徑流雨水水質設計，在自來水中加入葡萄糖、磷酸二氫鈉、尿素和蛋白胨等，pH值為7.4左右。根據表2中指標，試驗模擬雨水進水水質如表3所示。

表3　人工模擬雨水水質

1.4　分析方法

1.4.1土壤分析方法在取樣地段上取樣點的分布采用蛇形取樣，取回土樣后需要對土樣進行預處理即：風干、研磨、過篩(10目)后混勻，并密封在自封袋中備用。土壤含水率用鋁盒烘干法進行測定；土壤容重采用環刀法進行測定；土壤pH值用pH計測定；土壤有機質通過重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；土壤總氮用半微量凱氏法；土壤總磷采用碳酸鈉熔融—鉬銻抗比色法，以上項目的測定均按照《土壤農業化學分析方法》進行[11]。試驗前后對土壤樣品的各個指標均測定3次取其平均值。

2結果與討論

2.1　綠地、裸土對模擬雨水徑流污染物的去除效果

土壤水分運動是引起土壤養分淋失遷移的動力條件[16]，土壤養分的化學形態和性質是決定其遷移特性的內因，土壤養分隨徑流的遷移有2層含義：一是指土壤內部的可溶性物質隨入滲水分垂向遷移；另一方面指土壤入滲能力小于降雨強度時產生地表徑流，可溶性物質隨地表徑流遷移。本試驗主要以雨水中主要污染物垂向入滲遷移為主要研究對象，以下分別就裸土和綠地兩種滲透類型對徑流雨水中主要水質指標在土體中的垂向遷移過程及規律加以分析。

試驗過程中滲漏量占入滲總量的30%~50%，裸土和綠地出現滲漏液的時間均為徑流雨水進入土壤柱之后30 min，裸土的滲漏速度為17 ml/min，綠地的滲漏速度為15 ml/min。兩種滲透系統對雨水徑流的去除效果見表4。

表4　綠地系統及裸土系統對各污染物的去除率效果　%

隨著時間的延長，土壤表層的吸附點位逐漸被占據，吸附能力大大降低，土壤對污染物的截留能力也達到一定飽和程度，所以去除率出現逐漸降低的趨勢。最后階段，土壤表層對污染物的去除率又略微升高并且達到平衡狀態，此階段主要是土壤對污染物截留過濾的作用，由于西北地區的黃土的大孔隙性，且粉質顆粒較多，在徑流雨水的滲濾過程中，土壤密實度大大增加，同時也增強了土壤對污染物的過濾能力，所以最后階段土壤對污染物的去除率又呈現略有升高的趨勢。

2.2　雨水徑流污染物對土壤性質的影響

為了研究土壤對徑流污染物的截留情況，了解去除機制，測定了裸土和綠地的滲濾后的土壤特性，并與之前的原土土壤物理特性進行對比分析，掌握土壤在試驗前后的物理性質的變化。表5為3種土壤層的主要物理性質參數。

表5　徑流雨水滲濾后土壤主要物理特性

從表5得知試驗前后土壤特性的變化如下：滲濾之后土壤的含水率和孔隙率均有所下降，容重反而有所升高，說明土壤顆粒在滲濾過程中變得更加緊實，這與西北地區的黃土結構的粉土顆粒含量多，孔隙大有關。試驗前后土壤密度和pH值變化不大，說明短時間內徑流雨水對土壤的基本環境未造成任何影響。試驗之后水中氮的含量由原土的54.95 mg/kg分別增加到65.10 mg/kg(綠地)和68.60 mg/kg(裸土)，均有所增加，但增加量相差不大，說明雨水中的氨氮被土壤所截留，植物對氨氮的固定作用較??；有效磷的含量由原土的59.23 mg/kg變化到82.39 mg/kg(裸土)和39.93 mg/kg(綠地)，有機質的含量由原土的18.32 mg/kg變化到19.28 mg/kg(裸土)和14.04 mg/kg(綠地)，綠地的有效磷含量和有機質含量均比原土的低，而裸土中的有機磷和有機質含量卻比原土的高，說明植物對磷和有機質的吸收固定作用比較大，從而導致土壤中的有機質和磷的檢測量較低。整體來看，徑流雨水在滲透過程中對土壤的物理性質會產生一定影響，其中含水率、氮、磷和有機質變化尤為明顯。

3結 論

(1) 整體來看，裸土和綠地對污染物的去除趨勢是相同的，去除效果主要是非生物作用的結果，綠地對雨水中污染物的去除效果除硝態氮以外其余4項指標均優于裸土。

(3) 出水水質除COD外，均能滿足城市污水廠處理排放標準一級A標準。

(4) 雨水在滲透過程中對土壤的物理性質會產生一定影響。滲濾后的土壤含水率和孔隙率下降，容重升高，土壤變得更加密實。植物對磷和有機質固定作用比較明顯，對氮的固定作用較小。

(5) 城市中建設低勢綠地是一種經濟而實用的方法，可以在以后的城市規劃中推廣使用。

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Soil Reduction Foundtion of Pollutants in Urban Rainwater Runoff

YUAN Honglin1, WEI Ying1,2, XIE Chunde3

(1.CollegeofEnvironmentalandMunicipalEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an,Shaanxi710056,China; 2.PowerChinaXibeiEngineeringCo.Ltd,Xi’an,Shaanxi710065,China; 3.Xi’anMunicipalAdministrationDesignandResearchInstituteCo.Ltd,Xi’an,Shaanxi710055,China)

Abstract：[Objective] To analyze the decontamination condition of urban rainwater in soil and the effect of rainwater runoff pollutants on soil environmental. [Methods] Based on full understand of soil properties and the quality of runoff in Xi’an City of Shaanxi Province, the urban soil system and rainwater runoff device were simulated to analyze the reducting functions of topsoil on rainwater runoff pollutants in the process of infiltration, and the change of the basic physical and chemical properties of soil. [Results] As the soil layer thickness was 20 cm, total rainwater penetration was 6 000 ml, and the runoff time was 3 h, the removal rate achieved above 40% both in bare soil and green fields systems on simulated rainwater pollutants. The soil density and pH value did not changed. But for the content of nitrogen, effective phosphorus, and soil organic matter, from in the original soil to green fields and bare soil, they changed from 54.95 mg/kg to 65.10 mg/kg and 68.60 mg/kg, 59.23 mg/kg to 82.39 mg/kg and 39.93 mg/kg, 18.32 mg/kg to 19.28 mg/kg and 14.04 mg/kg, respectively. [Conclusion] The effect of green fields on runoff water treatment is significant. In the process of infiltration, soil present significant effect on removal of ammonia nitrogen, and soil basic physical properties show little change within a short time.

Keywords:topsoil; rainwater runoff; pollutant; soil infiltration; reduction rate

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0112-04

中圖分類號：X523

通信作者：魏穎(1988—),女(漢族),山東省菏澤市人，碩士，主要從事雨水資源利用研究。E-mail:weiying517543860@126.com。

收稿日期：2014-04-27修回日期：2014-05-06

資助項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項子課題(2009ZX07318-008-004)

第一作者：袁宏林(1965—),男(漢族),陜西省寶雞市人，博士,教授,主要從事水體污染控制技術與理論研究。E-mail:hlyuan@xauat.edu.cn。