車武 歐嵐 　　　　　劉紅 孟光輝
（北京建筑工程學院） （北京市城市節水辦公室）

　　城市雨水是一種寶貴的資源，而屋面雨水因便于收集，水質相對較好，在我國廣大的缺水城市和地區具有很大的開發利用潛力。與集中收集、貯存和處理后利用的工藝相比，屋面雨水通過綠地或其它人工滲透裝置調貯、下滲、補充地下水源的技術方案，具有投資少、設備簡單、見效快、便于管理和較高的生態環境效益等突出優點[1][2]。
　　由于城市環境因素和屋面材料的影響，城區屋面雨水也受到相當程度的污染，尤其瀝青油氈屋面初期雨水徑流污染非常嚴重，主要污染指標COD可高達上千mg/l[3]。因此，研究屋面雨水在土壤中的凈化規律、確定需要采取的污染控制措施是采用滲透方案的前提條件和技術保障。

1　試驗裝置及材料

　　試驗裝置如圖1所示。選擇有一定代表性的表層（0.5～2m）天然沙性粘土和由沙性粘土加粒徑為2.5～5 mm的爐渣拌和而成的人工土,比較它們對屋面雨水的凈化規律和效果。兩種滲透試驗土質的性能匯于表1,可見人工土的滲透性能明顯優于天然土。表中滲透系數是用室內定水頭測定法測定計算[1]，因改變了土壤原有狀態，一般比現場測定值偏小。

表1 土壤滲透試驗材料 土樣 組成 滲透性能 滲透系數K(m/s) 人工土 50%的天然沙性粘土加50%的爐渣 好 2.22×10^-4 天然土 100%的天然沙性粘土 差 1.14×10^-6

　　將兩種土壤分別填入滲透裝置（厚度依次為天然土2、1、0.5m和人工土1、 0.5m）后再在表層覆蓋少量雨落管下的泥土，因為這些泥土常期與屋面雨水接觸，土中的細菌適應屋面雨水中的有機物，有一定接種作用。最后在表層移植一些植被以改善表層土壤性能，增強滲透裝置凈化雨水的能力，模擬自然綠地條件下雨水在土壤中的下滲凈化過程，為雨水滲透工程應用及污染控制技術措施提供依據。
　　因目前城區油氈屋面的比例很大、污染較重，屬于不利條件。測定結果表明，它主要為有機污染，色度大，并含有一定量的SS，其它一些污染指標濃度很低。研究結果還表明[1]，污染物主要集中在初期徑流中，雨水的利用宜舍棄這部分雨水，經初期棄流后的屋面雨水水質較穩定，SS濃度很小，COD濃度一般可維持在100mg/l左右。因此，用這種屋面雨水做試驗用水，測定指標主要為COD。

2　試驗結果分析

2.1兩種土壤凈化作用及比較
　　2000年雨季屋面雨水滲透凈化試驗結果表明，兩種土壤對屋面雨水中的污染物均有明顯的凈化作用。經過一段土壤層滲透后，主要污染物COD有不同幅度的下降，下降幅度與運行條件有關。
　　油氈屋面雨水的BOD5/COD比值很小（0.1～0.2左右），且以溶解性有機物為主[3]。土壤層能較大幅度地去除COD，除了土壤中的微生物作用外，還有植物、土壤對污染物的吸收、過濾、吸附、分解等物理、化學和生物的綜合作用，是一個很復雜的過程。
人工土的滲透性能好，能獲得較大的滲透量。由于爐渣粒徑較大，還帶有較多的空隙，為土壤層構成很好的通透性，且增加吸附表面積，為土壤微生物群提供良好的棲息環境。因此，試驗結果顯示，它比天然土還具有更強的凈化作用。
　　以10月20日試驗結果為例（圖2），當進水COD濃度保持在初期棄流后的濃度范圍時，0.5m厚的兩種土層COD去除率在30～40%左右，而1m土層的去除率提高到50～70%左右，凈化作用明顯。

　　對屋面雨水的色度也有很顯著的去除效果，如11月2日的試驗結果（圖3），經過1m厚的土層，油氈屋面雨水的色度可從140度降低到40度左右。對其它幾種污染成分的去除作用見表2。從這幾種指標看，0.5m深人工土的凈化作用與1m天然土的相當。圖3 滲透裝置對色度的去除效果

表2 幾種污染成分的凈化作用（mg/l） 成份 進水 出水 天然土0.5m 天然土1m 人工土0.5m 酚 0.013 0.007

0.002

石油類 2.8 1.4 <0.4 <0.4 陰離子合成洗滌劑 1.6 1.55 1.44 1.48

2.2負荷對滲透凈化作用的影響
　　在5月至11月的試驗期間，對兩種土壤滲透裝置進行不同負荷下的對比試驗。結果匯總于圖4。

　　由圖可見，當負荷增加，0.5m滲透裝置的去除率有下降趨勢，人工土的下降趨勢比天然土明顯。因為人工土的滲透速率明顯大于天然土，在0.5m較短距離上，雨水與土壤的接觸時間也較短，當負荷增加，污染物比較容易穿透滲濾層。而負荷對1m 滲透裝置的去除率沒有明顯影響，說明在試驗的負荷范圍，下部的0.5m厚土層有足夠的保護作用。總的看，人工土滲透裝置對COD的去除率高于天然土滲透裝置。
2.3滲透深度與COD去除率的關系
　　垂直滲透試驗清楚地表明COD去除率隨滲透深度的增加而明顯提高，如圖5-1所示。8月5日的試驗結果是一個典型的例子，一般在相同深度上，人工土的去除率在較大滲透容量的前提下仍大于天然土，有明顯的優越性。

　　以每一滲透柱所有試驗的COD平均去除率分析，可以得到同樣的結論（圖中1、2曲線），出水COD去除率與深度密切相關。清楚地表明污染物在1.5m左右的土壤層中已得到很大部分的去除。說明實際工程中深度至1.5m左右的表層土對污染物凈化起重要作用。另一組水平滲透槽試驗研究還表明，隨著雨水與土壤接觸長（深）度的增加，COD去除率可進一步提高，達到90%以上[1]。
2.4滲透裝置中污染物的積累及土壤再生能力的分析
　　土壤中污染物的積累及土壤凈化能力的恢復是關系到滲透設施發揮可持續功能的一個重要的安全和工程性問題。
　　由于降雨的隨機性、非連續性及水質水量的波動很大，屋面雨水的滲透過程屬非穩態，每一次試驗條件或實際運行條件的不同，滲透裝置的性能會有不同的表現。但總的看，從5月至11月，各滲透裝置沒有明顯表現因污染物的累積而導致滲透凈化能力的下降。如天然土0.5m的COD去除率在30～40%左右；到11月2日的去除率仍維持在32%的正常水平；人工土0.5m的去除率在40～50%左右；11月2日試驗前50分鐘內出水COD去除率保持在40～50%的正常水平，兩個小時后維持到35%；人工土1m的去除率在60～80%左右，10月20日最后一次試驗，前50分鐘出水的去除率也保持70～80%正常水平，約3小時后維持在60%；同樣，天然土1m裝置到11月2日的去除率也能維持在63%的正常水平。
　　但就每一次試驗而言，各裝置也多表現出隨運行時間的延長，去除率有下降趨勢，如圖5-2所示（以上一些曲線也可看出），但后續試驗時，仍能恢復到正常水平。說明在連續運行過程中，土壤的凈化容量在減小，而在降雨間歇期，土壤中繼續存在降解作用，使其凈化能力逐步恢復。

　　圖5-2還清楚地表明，1m的天然土滲透裝置具有最強的凈化能力和最穩定的凈化效果。因此，在工程應用時，可根據實際條件考慮在地表采用0.5～1m厚的人工土層，以獲得較大的滲透能力和凈化效果。
　　也考察了較高濃度的影響，當進水COD濃度為1135mg/l，人工土滲透裝置試驗結果見圖6所示，因0.5m裝置的負荷是1m裝置的兩倍，因此，其出水水質較差, 并逐漸接近進水濃度。但1m裝置仍保持較高、較穩定的去除率。

　　10天后的下一場降雨滲透試驗結果顯示，人工土滲透裝置包括上述接近穿透的0.5m裝置仍然比天然土的效果好，沒有表現受高濃度沖擊后積累影響的跡象。
　　因此，土壤中尤其人工土壤中對油氈屋面難降解有機物有較強的生物凈化和再生能力。

3　結論與討論

　　（1）天然土和人工配制土對屋面雨水主要污染物有明顯的去除凈化作用。
　　（2）人工土的滲透系數為10-4m/s數量級，試驗用的天然土滲透系數為10-6m/s數量級，因此人工土滲透裝置比天然土滲透裝置具有顯著大的滲透通量。它還具有良好的通透性，改善了土壤的物化條件和微生物棲息條件，有更強的凈化能力。
　　（3）土壤滲透對油氈屋面雨水中的難降解COD有較強的去除能力，并表現出具有耐沖擊負荷能力和良好的再生功能。說明土壤中微生物群通過適應與馴化，對油氈屋面難降解COD有分解能力。
　　（4）滲透凈化效果與滲透深度密切相關，人工土1m深COD去除率可達70～80%，天然土1 m深可達60%左右。即地表1～1.5m厚土壤層可去除大部分有機污染物，隨深度的增加，凈化作用可望進一步提高。
　　（5）由于土壤較強的凈化與再生能力，經合理設計與控制，屋面雨水通過天然綠地或人工滲透裝置的滲透，可達到較好的水質。改造污染嚴重的屋面材料，采用初期棄流裝置和保證至地下水位有足夠的土層，是控制地下水免受污染的有效措施。
　　（6）滲透試驗結果對雨水滲透工程實施有重要意義，提供了必要的技術依據。可以根據具體條件，采用不同的滲透方式，利用天然綠地或設計人工滲透設施來安全有效地利用城區的屋面雨水。
　　（7）雨水滲透屬非穩態過程，其水力特性、土壤的凈化與再生機理有待更深入的研究。試驗過程中發現各裝置出水水質下降后逐漸穩定甚至好轉的現象，分析原因，可能由于存在一定的壁效應，滲透開始后，一部分雨水較快地沿壁下滲，出水水質下降，這部分滲流達到一定程度保持穩定，此時，土壤層內的滲流因速率較慢尚未到達出口。當土壤層內的滲流到達出水口時水質即可穩定甚至好轉。因此，如果排除壁效應，滲透凈化效果還可能提高。
　　（8）因運行周期較短，其它微量污染物在土壤中的存在方式或遷移規律也有待進一步分析研究。

參考文獻

　　1 車武，劉紅, 汪慧貞等. 北京市城區雨水利用技術研究及雨水滲透擴大試驗研究報告. 北京，2001，3
　　2 車武，劉紅，李俊奇等. 城市雨水地下回灌可行性分析. 城市污水資源化暨地下回灌技術國際研討會文集. 北京清華大學， 2000, 8: 13～17
　　3 車武，汪慧貞，劉紅等. 北京市屋面雨水污染及利用研究. 2000中國水處理技術國際研討會文集. 北京中國國際科學中心， 2000年9月, 59～64