土壤对城市雨水径流中污染物的削减作用

袁宏林, 魏 颖,2, 谢纯德

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院, 陕西 西安 710056; 2.中国电建集团西北勘测

设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065; 3.西安市政设计研究院有限公司, 陕西 西安 710055)



土壤对城市雨水径流中污染物的削减作用

袁宏林1, 魏 颖1,2, 谢纯德3

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院, 陕西 西安 710056; 2.中国电建集团西北勘测

设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065; 3.西安市政设计研究院有限公司, 陕西 西安 710055)

摘要：[目的] 分析城市雨水径流在土壤中的净化情况及径流污染物对土壤环境造成的影响。 [方法] 在充分了解陕西省西安市某地土壤特性和当地雨水径流水质的基础上,模拟城市土壤表层系统和雨水径流装置,研究雨水径流中的污染物在下渗过程中土壤表层对它们的削减作用及土壤基本理化性质的变化。 [结果] 在土壤层厚度为20 cm,雨水渗透量为6 000 ml,径流时间3 h的条件下,裸土和绿地表层土壤对模拟雨水中各污染物的去除率均达到40%以上;土壤的密度及pH值基本未发生变化,氮的含量由原土的54.95 mg/kg分别增加到65.10(绿地)和68.60 mg/kg(裸土),有效磷的含量由原土的59.23 mg/kg变化到82.39 mg/kg(裸土)和39.93 mg/kg(绿地),有机质的含量由原土的18.32 mg/kg变化到19.28 mg/kg(裸土)和14.04 mg/kg(绿地)。 [结论] 绿地对雨水径流处理效果较好。在渗流过程中,土壤对氨氮的截留效果较为明显,短时间内土壤基本物理性质变化不大。

关键词：土壤表层; 雨水径流; 污染物; 土壤渗透; 削减率

随着经济发展和人口的增长，城市建设不断发展，不透水区域面积所占比例越来越大，使得城市水问题愈发严重[1-7]。一方面[2]，地下水严重超采，而雨水不能入渗地下补充地下水，使得城市周围的水环境和生态环境日渐恶化；另一方面，大雨时，径流迅速汇集造成地面积水和城市局部洪灾。这样就导致大部分径流雨水无法得到合理有效的利用，造成水资源的大量浪费，那么雨水资源如何合理利用就引起了世界各国很多专家的关注和重视[3]。根据现代资源观念，城市雨水是一种宝贵的、可利用的自然资源[4]。这部分径流雨水在中国广大的缺水城市和地区有很大的开发利用潜力和社会价值。

很多学者认为城市雨水资源利用可以分为直接利用和间接利用2种[2]：直接利用指的是屋顶集雨、道路集雨和绿地水景水域拦蓄；间接利用主要指渗透技术，与前者相比，此种方法的适用范围更加广泛，环境效益更加显著。由于目前监测手段的落后,加之降雨过程的随机性,使得观测自然降雨条件下污染物在土体中的垂向迁移过程和规律在很大程度上存在周期长，工作量大，数据不够准确等困难和缺憾[5]，而北方雨水降雨比较集中且短暂，不便直接研究，欲对降雨—径流—渗流过程中污染物迁移规律进行准确、快速、全面的了解，采用高压供水土柱渗漏的试验方法，进行室内土柱模拟试验是一种行之有效的方法[6]。故本文将针对此问题在实验室内通过模拟来研究土壤表层对雨水径流下渗过程中污染物削减效果及径流污染物对土壤的影响。

1试验装置及方法

1.1　试验装置

试验装置(如图1所示)由模拟土壤系统和模拟供水系统两部分组成。模拟土壤装置由圆柱体有机玻璃制成，直径D=30 cm，高度H=25 cm(超高5 cm)。其中一个装置采用裸土，另外一个装置中采用含有草皮的土壤(该装置中植株密度为2株/cm2)。

每种类型的渗流系统均另设一套平行装置。每个装置侧壁开有取水支管，并连有橡胶管。供水装置采用高位水箱，可实现定水头自动供水。

图1　雨水净化试验装置

1.2　供试土壤采集

土壤是微生物生存、繁殖的良好载体，为使土壤发挥自身的净化作用，必须使土壤具有一定的孔隙率及良好的渗透性能。如果土壤的孔隙率比较小，那么土壤的透气性就会很差，影响到微生物的增殖进而削弱土壤对污染物的降解作用。

供试土壤选用西安市东郊微生物种类较多、土壤结构疏松的表层土。试验过程中供试土柱的填充选用离地表20 cm以内的土壤。采用分层取土，按照容重进行填充的方法获得供试土柱[8]。为了探讨径流污染物进入土壤后对土壤造成的影响，需要对原始土壤基本物理性质(含水率、密度、容重、孔隙率、pH值、电导率)及初始营养盐含量进行分析。对该表层土壤样品测定3次取其平均值，得到试区土壤层的主要物理特性如表1所示。

表1　试区土壤主要物理特性

1.3　试验用水

表2　实际径流雨水水质

配水方案根据文献资料[10]和实测径流雨水水质设计，在自来水中加入葡萄糖、磷酸二氢钠、尿素和蛋白胨等，pH值为7.4左右。根据表2中指标，试验模拟雨水进水水质如表3所示。

表3　人工模拟雨水水质

1.4　分析方法

1.4.1土壤分析方法在取样地段上取样点的分布采用蛇形取样，取回土样后需要对土样进行预处理即：风干、研磨、过筛(10目)后混匀，并密封在自封袋中备用。土壤含水率用铝盒烘干法进行测定；土壤容重采用环刀法进行测定；土壤pH值用pH计测定；土壤有机质通过重铬酸钾氧化—外加热法测定；土壤总氮用半微量凯氏法；土壤总磷采用碳酸钠熔融—钼锑抗比色法，以上项目的测定均按照《土壤农业化学分析方法》进行[11]。试验前后对土壤样品的各个指标均测定3次取其平均值。

2结果与讨论

2.1　绿地、裸土对模拟雨水径流污染物的去除效果

土壤水分运动是引起土壤养分淋失迁移的动力条件[16]，土壤养分的化学形态和性质是决定其迁移特性的内因，土壤养分随径流的迁移有2层含义：一是指土壤内部的可溶性物质随入渗水分垂向迁移；另一方面指土壤入渗能力小于降雨强度时产生地表径流，可溶性物质随地表径流迁移。本试验主要以雨水中主要污染物垂向入渗迁移为主要研究对象，以下分别就裸土和绿地两种渗透类型对径流雨水中主要水质指标在土体中的垂向迁移过程及规律加以分析。

试验过程中渗漏量占入渗总量的30%~50%，裸土和绿地出现渗漏液的时间均为径流雨水进入土壤柱之后30 min，裸土的渗漏速度为17 ml/min，绿地的渗漏速度为15 ml/min。两种渗透系统对雨水径流的去除效果见表4。

表4　绿地系统及裸土系统对各污染物的去除率效果　%

随着时间的延长，土壤表层的吸附点位逐渐被占据，吸附能力大大降低，土壤对污染物的截留能力也达到一定饱和程度，所以去除率出现逐渐降低的趋势。最后阶段，土壤表层对污染物的去除率又略微升高并且达到平衡状态，此阶段主要是土壤对污染物截留过滤的作用，由于西北地区的黄土的大孔隙性，且粉质颗粒较多，在径流雨水的渗滤过程中，土壤密实度大大增加，同时也增强了土壤对污染物的过滤能力，所以最后阶段土壤对污染物的去除率又呈现略有升高的趋势。

2.2　雨水径流污染物对土壤性质的影响

为了研究土壤对径流污染物的截留情况，了解去除机制，测定了裸土和绿地的渗滤后的土壤特性，并与之前的原土土壤物理特性进行对比分析，掌握土壤在试验前后的物理性质的变化。表5为3种土壤层的主要物理性质参数。

表5　径流雨水渗滤后土壤主要物理特性

从表5得知试验前后土壤特性的变化如下：渗滤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，说明土壤颗粒在渗滤过程中变得更加紧实，这与西北地区的黄土结构的粉土颗粒含量多，孔隙大有关。试验前后土壤密度和pH值变化不大，说明短时间内径流雨水对土壤的基本环境未造成任何影响。试验之后水中氮的含量由原土的54.95 mg/kg分别增加到65.10 mg/kg(绿地)和68.60 mg/kg(裸土)，均有所增加，但增加量相差不大，说明雨水中的氨氮被土壤所截留，植物对氨氮的固定作用较小；有效磷的含量由原土的59.23 mg/kg变化到82.39 mg/kg(裸土)和39.93 mg/kg(绿地)，有机质的含量由原土的18.32 mg/kg变化到19.28 mg/kg(裸土)和14.04 mg/kg(绿地)，绿地的有效磷含量和有机质含量均比原土的低，而裸土中的有机磷和有机质含量却比原土的高，说明植物对磷和有机质的吸收固定作用比较大，从而导致土壤中的有机质和磷的检测量较低。整体来看，径流雨水在渗透过程中对土壤的物理性质会产生一定影响，其中含水率、氮、磷和有机质变化尤为明显。

3结 论

(1) 整体来看，裸土和绿地对污染物的去除趋势是相同的，去除效果主要是非生物作用的结果，绿地对雨水中污染物的去除效果除硝态氮以外其余4项指标均优于裸土。

(3) 出水水质除COD外，均能满足城市污水厂处理排放标准一级A标准。

(4) 雨水在渗透过程中对土壤的物理性质会产生一定影响。渗滤后的土壤含水率和孔隙率下降，容重升高，土壤变得更加密实。植物对磷和有机质固定作用比较明显，对氮的固定作用较小。

(5) 城市中建设低势绿地是一种经济而实用的方法，可以在以后的城市规划中推广使用。

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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

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0112-04

中图分类号：X523

通信作者：魏颖(1988—),女(汉族),山东省菏泽市人，硕士，主要从事雨水资源利用研究。E-mail:weiying517543860@126.com。

收稿日期：2014-04-27修回日期：2014-05-06

资助项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项子课题(2009ZX07318-008-004)

第一作者：袁宏林(1965—),男(汉族),陕西省宝鸡市人，博士,教授,主要从事水体污染控制技术与理论研究。E-mail:hlyuan@xauat.edu.cn。