雨水花园集中入渗对土壤和地下水影响的试验研究

发布时间：2020-11-01 10:53

　　 雨水花园(渗井)作为海绵城市建设过程中重要的低影响(LID)开发措施,对调节径流水量和削减径流污染物起着关键作用。为了探索雨水花园在长期运行条件下对径流水量和污染物的削减效果;研究雨水径流集中入渗对土壤和地下水的影响过程与规律。以西安理工大学校园内运行7～9年的3个雨水花园(RD1:汇流比为6:1;RD2:汇流比为20:1;RD3:汇流比为15:1)和咸阳职业技术学院1处渗井工程为研究对象,通过设施集中入渗路面和屋面雨水径流。从2011年3月～2018年8月,每次降雨现场监测雨水花园进、出(溢)水水量并采集进、出水样,测定其水质浓度,评价设施的运行效果。从2017年4月～2019年2月,共采集7次花园内不同土层深度处的土样,测定土壤中NH3-N、NO3-N、NO2-N、TN、TP,重金属Cu、Zn、Cd、Pb、Cr以及土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和酸性磷酸酶活性,研究雨水花园集中入渗对土壤的影响,明确设施土壤中M、P、TOC和重金属含量随监测时间的变化过程以及在土壤垂向上的分布规律,分析土壤污染物与酶活性的相互关系。从2016年5月～10月(渗井为2017年10月～2019年2月),每次降雨前后,测定雨水花园和渗井地下水观测井的水位埋深并采集地下水水样,测定地下水中COD、NH3-N、NO3-N、TN、TP,分析雨水径流集中入渗对地下水水位、水质的影响大小。通过以上试验取得的主要研究结果如下:(1)从201 1年3月～2017年10月,根据现场监测的16～36场降雨事件,对于汇流比为6:1～15:1的防渗型雨水花园,其径流水量削减率保持在9.8%～100.0%,洪峰削减率保持在38.3%～100.0%之间,并随着监测时间呈先增大后减小的趋势。雨水花园对NH3-N的浓度去除效果较好,多年平均去除率为54.45%,但随着运行时间的推移,对NH3-N浓度去除率逐年降低,其均值由201 1年的79.81%降低至2018年的36.50%;雨水花园对NO3-N和TP的浓度去除率很不稳定,且大多为负值,多年平均去除率分别为-56.35%和-21.48%,TSS和TN的多年平均浓度去除率分别为38.77%和31.58%,对TSS的去除效果较TN好。根据雨水花园污染负荷削减率随监测时间的变化过程,提出了雨水花园运行周期的“三阶段净化能力”概念(Three-stage purification Theory),即净化增长期、净化稳定期和净化衰弱期,简称TSP概念,并绘制了P-F概念图(Pollutant load reduction—Fate曲线)。(2)对于汇流比为20:1、蓄水层深度为20cm的入渗型雨水花园,花园填料为西安市本地黄土,从2011年5月～2018年9月监测的47场降雨事件,仅有8场出现短暂溢流,其径流水量削减率大于75.4%,洪峰削减率大于35.1%,其余降雨事件的水量削减率和洪峰削减率均为1 00%。通过分析发现对于上述入渗型雨水花园,当60min最大雨强≥11mm时,才有可能发生溢流。入渗型雨水花园在黄土地区具有较好的适用性,对于调节降雨径流、削减径流水量和洪峰流量起着关键作用。(3)雨水花园土壤中N、P和TOC含量随季节变化较大,其中土壤NH3-N和TP含量随季节呈增加趋势,NO2-N+TON和TN含量随着季节变化有减小的趋势,而NO3-N含量随季节呈先增大后减小的趋势。雨水花园土壤0～50cm范围是NH3-N、NO--N+TON和TN含量较高的区域,也是受降雨径流集中入渗污染影响较为敏感的区域;由于土壤中可溶性硝酸盐和磷酸盐随水分入渗易发生淋溶,使得土壤中NO3-N和TP含量随土层深度增加呈逐渐增加趋势,下层土壤(50cm以下)不同深度NO3-N和TP含量均大多大于上层(0～50cm)。雨水花园土壤中TOC含量随土层深度呈逐渐减小的趋势。土壤中脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶和蛋白酶与土壤N、P和TOC含量具有较好的线性关系,R2均大于0.5。(4)土壤重金属含量随季节变化较明显,冬季土壤中Cu含量较高。雨水花园土壤中重金属含量大多集中在表层下30cm范围内,并且土壤重金属Cu、Zn、Pb基本以残渣态、有机结合态、铁-锰氧化物结合态为主要赋存形态,Cd主要以可交换态和碳酸盐结合态形式存在,而Cr以碳酸盐结合态、可交换态和铁-锰氧化物结合态形式存在。雨水花园土壤中Zn主要来自路面径流,在集中入渗条件下,两个雨水花园土壤中可交换态Cd和Zn含量均大于对照(CK),重金属Cd和Zn随水分入渗有向下迁移的风险。对于运行时间达8～9年的入渗型雨水花园,以《中国土壤环境质量指标》二级为评价标准,土壤仍未受到重金属Cu、Zn、Cd的污染;以陕西省和世界土壤元素背景值和为评价标准,土壤受Cd和Zn污染达到中度甚至重度水平,而受Cu的污染为轻度水平。(5)通过人工滤柱模拟放水试验发现,在粗砂或中砂中添加一定比例的改良剂(海绵铁、沸石、高炉渣)提高了污染物的去除效果,但并没有降低水分渗透速率,渗透速率保持在2.60×10-4～3.58× 10-3m/s之间,并且添加不同改良剂对污染物的去除效果不同。以快速渗率为主要功能的渗井,基本填料宜以粗砂为主,同时选择粒径大的改良剂,如高炉渣。以污染物净化为主要功能的渗井,基本填料宜以中砂为主,同时选择粒径小,污染物净化能力强的改良剂,如海绵铁、活化沸石等。(6)雨水花园集中入渗可补给地下水,抬高地下水位,涵养地下水资源,但雨水花园对地下水的补给作用具有滞后性,总体滞后3～5d。雨水花园集中入渗对地下水中COD和N、P含量有一定影响,但影响作用不大,表现为每次降雨后地下水中COD、NH3-N、NO3-N、TN和TP含量有所升高,随后逐渐降低。汛期(7、8月份)地下水中NH3-N、NO3-N、TN和TP含量略有上升,但汛期末其含量逐渐下降并趋于稳定。通过模型模拟发现雨水径流集中入渗对地下水具有较好的补给作用。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU985.12;TU992
【部分图文】：

（1）LID设施介绍LID 设施是一种与自然景观建设相结合、从源头进行暴雨径流削减与污染控制的雨水自然净化与生态处置技术。其对于削减洪峰、补充地下水、缓解城市内涝等方面具有重要作用，被广泛应用于城市公共建筑、商业区、住宅区以及道路两侧进行雨水处理。LID 设施主要包括人工湿地、生物滞留设施（雨水花园、生态滞留带等）、绿色屋顶、透水铺装、雨水渗井等，见图 1-1。

俗称八水绕长安。其中，渭河、泾河及石川河系过境河流骊山东南丘陵，绝大多数河流由南向北流经渭河平原汇入渭湿润气候区，冬季湿冷，夏季炎热，属于典型的温带大陆性 13.3℃，平均降雨量为 580.2mm，降水年内分配不均，5-10量年际变化相差很大，丰、枯相差 3 倍；降水年内分配不均如下图 2-1。

图 2-2 2000-2010 年西安市耕地面积变化情况Fig.2-2 Change of cultivated land area in Xi’an from 2000 to 2010土高原南部，具有典型的黄土土质性能，黄土入渗性能非常厚，为入渗、滞留自然降雨径流提供了天然的屏障。所以，排除和蓄存雨水径流无疑是海绵城市建设过程中重要的措施

本文编号：2865435