渗井雨水入渗对地下水水质的影响研究

王宗海

(喀左县水利局， 辽宁 朝阳 122300)

随着城市化的迅速发展，我国城市的城区面积迅速扩张，城市的排水管道难以应对极端降雨天气的问题日渐突出[1]。针对这一问题，雨水的资源化利用是最为有效的途径，不仅可以实现极端降雨背景下的城市内涝，还可以促进地表水和地下水之间的转换[2]。在利用雨水补充地下水方面，渗井可以实现地表雨水的直接入渗，具有快速、大量的特点，十分适合城市和农村地区的雨水资源化利用，对预防城市内涝，提高地下水位具有十分显著的作用[3]。但是，在雨水入渗过程中，其中的污染物也会经过土壤累积进地下水，并对地下水的水质产生潜在的影响[4]。因此，展开渗水井雨水入渗对地下水水质的影响研究具有重要的意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

朝阳市位于我国辽宁省西部，东临锦州市，南接葫芦岛市，西南临河北承德市，东北与内蒙古自治区的赤峰市相邻，地理位置十分优越。朝阳市属于典型的温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同期，降水偏少，年降水量约为520mm。受气候条件的影响，朝阳市夏季多短时强降雨，容易诱发城市内涝，因此十分有利于使用渗井实现雨水的资源化利用。本次研究的渗井位于朝阳的尚志公园内。该公园位于中山大街与和平街之间，占地面积6300m2。底面标高在286.4～288.5m之间，其土层较好且复杂多样，具有良好的地下水赋存、运移条件。J4渗井位于公园标高最低的东南角，建成于2020年5月，由直径为3.0m的钢筋混凝土渗滤池和2根长6.0m的玻璃钢管渗井组成。在钢筋混凝土渗滤池中填充90%的粗砂、5%的沸石以及5%的海绵铁[5]。为了研究渗井的雨水入渗对地下水的影响，在渗井西边25和45m处设置2个观测井[6]。其基本布局如图1所示。

图1 渗井和观测井布置示意图

该渗井主要收集公园东南部区域内建筑的屋面、部分路面以及绿地和草坪产生的雨水径流[7]。其中，屋面面积约550m2，路面面积大约1050m2，绿地面积约2890m2。由于公园内的绿地有良好的蓄水作用，如果降雨量不大，一般不会产生雨水径流。因此，如果不考虑绿地因素，渗井的汇流水量中来自屋面和路面的水量分别占1/3和2/3。在降雨过程中，屋面降雨通过预先铺设的管道直接汇入渗井，路面降雨则通过地表汇流汇入渗井，经过渗井的填料之后下渗到地下水中。如遇较大降雨，绿地草坪产生的雨水径流则溢流到周边道路和路面雨水一起汇入渗井。

1.2 数据采集

2 试验结果与分析

2.1 入流水质试验数据与分析

对研究期内的13场次降雨的屋面和地面入流水质指标进行测定分析，结果见表1。

表1 入流水质测定结果 单位：mg/L

由表1可知，屋面进水中的COD、TN、NO3-N的浓度与路面进水相比偏高，NH3-N与TP的浓度则低于路面进水。但是总体而言，两者的污染物浓度相差不大。究其原因，主要是研究区位于公园内部，路面污染物较少受汽车尾气、融雪剂等一般道路污染因素的影响，因此污染物的组成和含量与屋面雨水比较接近。另一方面，路面污染物会受到行人走动和周边绿地的吸附和净化等因素的影响，而屋面的污染物沉积后较少受到扰动[12]。此外，按照公园的布局，渗井汇流区的房屋主要集中于靠近周边街道的外侧，因此受到道路扬尘等因素的影响相对较多。上述多种因素的综合，造成路面和屋面雨水的污染物含量存在一定的差异。

2.2 渗井对污染物的去除效果分析

在研究期内一共有13次比较明显的降雨，其中有4次降雨监测到渗井的出水，因此利用这4次降雨过程中渗井的进水和出水水质差异对渗井的污染物去除效果进行评价，结果见表2。

表2 渗井污染物去除效果计算结果 单位：mg/L

由于该渗井建成于2020年5月，雨水汇集管路和渗井填料中并没有明显的底泥沉积，因此底泥污染物对试验结果的影响可以忽略不计。通过出水和入水污染物含量的对比，即可获得渗井填料对污染物的去除效果。由计算结果可知，渗井对去除雨水中NO3-N的效果最好，去除COD的效果次之，对其他污染物的去除效果并不十分理想。究其原因，主要是渗井建成的时间较短，运行还存在不稳定性。此外，雨水入渗之后还会在渗井的内部发生淋溶现象。此外，从表中数据的时间序列对比来看，研究时段后期的污染物去除效果明显增强，这说明随着渗井的稳定运行，未来还可以取得更好的污染物去除效果。

2.3 地下水水质数据分析

在试验的2020年5—9月期间，每月的1、11、21日进行观测井的地下水水样采集，并对水样进行水质指标的分析。

2.3.1TP含量分析

对渗井和观测井地下水中的TP含量监测数据进行整理，获得的TP含量变化曲线，如图2所示。

图2 TP含量变化曲线

由图2可知，观测井地下水中TP含量在5、6月的变化幅度相对较小，而在后3个月的变化比较剧烈。究其原因，主要是当地的7、8月为主汛期，降雨比较频繁且雨量相对较大，雨水中携带的含磷污染物进入渗井后与海绵铁反应，达到去除部分磷污染物的作用，但是随着雨水携带磷污染物的不断增加，渗井填料的净化作用有所减弱。从2个观测井的对比来看，观测井J5的浓度变化幅度明显大于观测井J6，说明渗井出水的TP可以随地下径流向观测井J5迁移，造成该部位TP浓度的波动变化，而观测井J6距离较远，TP在扩散稀释后对观测井J6处的影响相对减小。

2.3.2COD含量分析

对渗井和观测井地下水中的COD含量监测数据进行整理，获得COD含量变化曲线，如图3所示。

图3 COD含量变化曲线

由图3可知，2个观测井中水样的COD含量和变化特征基本一致，在多雨的7、8月和相对少雨的5、6月其浓度分布上也不存在显著的差异性。这说明，渗井的雨水渗入不会对地下水中的COD含量产生显著的影响。究其原因，渗井填料中的活化沸石和海绵铁均具有较强的吸附性，因此能够很好地去除入渗雨水中的COD[8]。

2.3.3N含量的分析

对渗井和观测井地下水中的NH3-N、NO3-N以及TN的含量监测数据进行整理，分别获得NH3-N、NO3-N以及TN含量变化曲线，如图4—6所示。

图4 NH3-N含量变化曲线

图5 NO3-N含量变化曲线

由图4可知，NH3-N的含量在5、6月观测井J5监测值略低于观测井J6监测值，在后3个月基本相当。究其原因，主要是NH3-N一般带正电荷，而渗井中的填料大多为负电荷，因此可以产生较好的去除效果，因此雨水经渗井渗入对地下水的NH3-N含量的影响极为有限。由图5可知，NO3-N的含量在7、8月有较为明显的上升。究其原因，主要是NO3-N一般带负电荷，随雨水进入渗井之后不易被填料吸收。另一方面，雨水中的部分NH3-N在细菌的硝化作用下也会生成部分NO3-N，上述2个方面因素的综合作用，都会造成汛期NO3-N浓度的剧烈波动。总之，渗井的雨水渗入短期内会对地下水的NO3-N含量产生显著影响。由图6可知，观测井J5中TN的含量在汛期7月高于观测井J6中TN的含量，此后逐渐下降到低于观测井J6中TN的含量。究其原因，主要是研究区前期的降雨较少，TN污染物会在地面和屋面积累，在汛期到来之后会随着雨水大量进入渗井，造成观测井J5中TN的浓度偏高，之后随着雨水的减少，其浓度会逐步降低并低于观测井J6中TN的浓度。由此可见，雨水经渗井处理后会对地下水中的TN含量造成一定的影响，但是经过迁移扩散之后其影响较为有限。

3 结语

随着海绵城市建设的逐步推进，城市雨水资源的有效利用日益受到学界的关注。本次研究利用地下水监测数据，就渗井雨水集中入渗对地下水水质的影响展开研究，获得渗井雨水下渗过程中的污染物变化规律，对北方缺水城市的渗井技术推广、实现城市雨水资源化利用具有重要的支撑作用。当然，此次研究由于受到实际条件的限制，没有能对水质数据进行及时的跟踪和采集，可能会对研究结果造成一定的影响，今后应该应用自动技术进行监测，同时提高监测时间跨度，提高研究结果的科学性和准确性。