（水文学及水资源专业论文）屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究.pdf

b y z h a n g p e i p e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n g w e i p i n g a n d k a r s t at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：差醛盥违日期：五址篁丛 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 7 口公开口保密( _ 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：瑟违瘴导师签名：皇隼聋日期：垒址翻 1 1 课题的背景及来源l 1 1 1 课题背景1 1 1 2 课题的来源4 1 2 研究目的与意义4 1 3 城市屋面径流水质特点及回灌可行性5 1 3 1 城市屋面径流水质特点5 1 3 2 雨水回灌的可行性6 1 4 国内外研究现状及存在的问题8 1 4 1 城市屋面雨水处理方法研究现状8 1 4 2 初期雨水弃流控制的研究现状9 1 4 3 岩溶地下水化学动态变化研究现状1 0 1 4 4 存在的问题1 1 1 5 研究目标及内容1 l 1 5 1 研究目标1 l 1 5 2 研究内容1 2 第二章济南市天然雨水和屋面雨水径流特征及初期雨水弃流量的确定1 3 2 1 济南市天然雨水和屋面雨水径流特征1 3 2 1 1 采样地点和降雨量的监测1 3 2 1 2 济南市天然雨水的量与质1 3 2 1 3 济南市屋面雨水水质及污染物来源1 4 2 1 4 济南市屋面雨水径流水质的影响因素1 6 2 2 初期雨水弃流量的确定2 1 2 2 1 降雨径流初始冲刷效应2 1 2 2 2 初期雨水弃流量的确定2 3 3 2 5 试验结果与分析3 6 3 4 本章小结3 8 第四章回灌区地下水化学动态变化研究4 0 4 1 回灌区概况4 0 4 1 1 气候条件4 0 4 1 2 济南大学水文地质环境4 0 4 1 3 回灌区地理位置及水文地质条件4 0 4 2 研究方法4 l 4 3 不同回灌井地下水化学动态对降雨的响应4 1 4 3 1 信息楼井地下水化学动态对降雨的响应4 2 4 3 2 新西门井地下水化学动态对降雨的响应4 4 4 3 3 西院井地下水化学动态对降雨的响应4 6 4 4 北方与南方岩溶地下水化学动态对降雨的响应比较4 8 4 4 1 与南方表层岩溶泉的水化学动态变化的比较4 8 4 4 2 与南方地下河的水化学动态变化的比较5 0 h i i i 济南大学硕士学位论文 皇鼍曼舅舅皇曼曼鼍il h i m 皇曼曼曼蔓蔓曼苎曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼鼍鼍曼曼鼍曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼蔓 摘要 随着经济的快速发展和人口的增长，水资源短缺和水环境恶化日益成为人类 面临的两大问题。中国北方许多城市利用裂隙岩溶水作为供水水源，为了满足人 类日益增长的供水需求，一些城市过度开采地下水，导致地下水位下降、形成区 域降落漏斗、引发地面下沉、地面井泉枯竭、海水倒灌和地下水水质恶化等一系 列环境地质问题；而另一方面，经济的快速发展带来城市化进程的不断加快，城 市外扩，大兴土木建设，不透水面积逐年增加，很多面临水资源严重短缺的城市， 雨水径流却白自流失而造成水资源浪费，同时，由于地面硬化雨水无法自然下渗 而形成的大量径流，不能通过排水系统尽快排出，引发道路积水问题，甚至会造 成洪涝灾害，给社会、城市环境以及人们的生活和生命带来危害。 因此，利用城市雨水补给地下水不仅能够补充日益匾乏的地下水资源、提高 地下水水位、阻止或减缓地面沉降、保持饮用水供水和保泉，同时还能通过分流 部分雨水来减少城市排水管网压力以及投资和运行费用，降低暴雨时发生洪涝灾 害的几率。但由于城市环境污染和汇水面材料等因素的综合影响，城区雨水受到 很大程度的污染，若将这些雨水径流直接回灌地下必然会污染地下水源。因此， 如何控制雨水径流污染物是利用雨水人工回灌地下水技术中最关键的问题。相较 于路面径流来说，屋顶为雨水的收集提供了天然集流场且屋面径流水质较好，利 用价值大；此外，济南裂隙岩溶含水层渗透系数大的特点为汛期雨水快速下渗提 供了条件，有利于雨水人工补给地下水。针对上述问题与优势，本文研究了济南 市屋面径流水质特征和影响因素，提出了初期雨水径流的污染问题、初期雨水的 弃流以及弃流量值的确定，探索经济技术可行的屋面雨水径流处理方法，对汛期 回灌区地下水化学动态变化进行研究，为下一阶段地下水回灌工程的实施及回灌 水对裂隙岩溶含水层的水质影响和风险控制提供了重要的基础数据和科学依据。 研究结果表明： l 、汛期屋面雨水径流主要污染物有色度、浊度、n h 3 - n 、n 0 2 - n 、挥发酚 和s s ，主要来源于屋顶降尘、化石燃料燃烧和汽车尾气；屋面雨水径流水质受 到降雨历时、降雨强度和降雨量、季节等因素的影响。 2 、通过对污染物的累积污染负荷与累积径流量的相关性进行研究，发现降 v 屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究 雨对屋面存在初始冲刷效应，初期雨水径流污染严重；根据屋面雨水水质变化规 律，考虑到污染物控制目的和后续处理工艺的经济性和安全性，确定将前6 m m 初期雨水弃流。 3 、通过砂滤系统和砂滤- 活性炭系统过滤试验，研究了两种过滤系统对屋面 径流污染物的净化作用，并与地下水环境质量i i i 类标准相比较，结果显示：砂滤 系统对径流污染物中浊度、色度、悬浮物和金属离子等有较好的去除效果，但对 氨氮和亚硝酸盐氮去除效果较差；砂滤活性炭过滤系统对氨氮的去除效果较好， 但仍不能达到地下水环境质量类标准规定的氨氮值，对亚硝酸盐氮去除效果较 差。 4 、2 0 1 0 年汛期对回灌场地的降水量、水位、水温、p h 值、电导率、t d s 、 浊度和盐度进行了监测，研究了降雨条件下地下水化学动态对降雨的响应特征， 进一步了解了裂隙岩溶含水层水化学动态变化规律和水岩相互作用机理。 关键词：屋面雨水径流；初期雨水弃流；砂滤系统；砂滤活性炭过滤系统； 地下水化学动态； v i i n c r e a s i n gy e a ra f t e ry e a r ，w h i c hm a k e sm a n ys e r i o u s l ys h o r to fw a t e re i t yw a s t i n g w a t e rr e s o u r c eb yl o s i n gr a i n w a t e rr u n o f f a tt h es a m et i m e ，b e c a u s eo f r a i n w a t e ro i l t h eh a r d e n e d 罂。o u i l dc a l ln o ti n f i l t r a t en a t u r a l l y , l a r g ea m o u n to fr a i n w a t e rr u n o f fc a n n o td i s c h a r g e dr a p i d l yb yd r a i n a g es y s t e m ，s ow h i c hl e a dt om a dw a t e rl o g g i n ga n d e 、，e nf l o o d ，t h e r eb r i n gh a r mt os o c i e t y , c i t ye n v i r o n m e n ta n dp e o p l e sl i f e t h e r e f o r e , i fu r b a nr a i n w a t e ri su t i l i z e dt or e c h a r g eg r o u n d w a t e r , i tn o to n l yc a n s u p p l yd e c r e a s i n gg r o u n d w a t e rr e s o u r c ea n de l e v a t eg r o u n d w a t e rl e v e la n dp r e v e n t g r o u n ds e d i m e n t a t i o na n dk e e pd r i n k i n gw a t e rs u p p l ya n dp r o t e c ts p r i n g , b u ta l s oc a n r e d u c ed r a i n a g en e t w o r kp r e s s u r ea n de x p e n s eo ff u n c t i o na n di n v e s t m e n tt o d r a i n p i p ei nc i t yb yd i s t r i b u t i n gs o m er a i n w a t e ra n dl e s s e nf l o o da n dw a t e rl o g g i n g d i s a s t e ra tr a i n s t o r m w h e r e a sb e i n gi n f l u e n c e db ye n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n di n f l u x m a t e r i a lc h a r a c t e r s ，u r b a nr a i n w a t e ri s p o l l u t e di ns o m ed e g r e e i ft h i sp o l l u t e d r a i n w m e ri sf i l l e dt og r o u n d ，i tm u s tp o l l u t eg r o u i l d w a t e r t h e r e f o r e ，h o wt oc o n t r o l c o n t a m i n a t i o ni nr a i n w a t e ri sak n o t t yp r o b l e mi nt e c h n o l o g yo fm a n u a lr e c h a r g e g r o u n d w a t e r r o o fp r o v i d e san a t u r a lp l a c et oc o l l e c tr a i n w a t e ra n dt h er o o fr a i n w a t e r q u a l i t yi sr e l a t i v e l yg o o dc o m p a r e dw i t hr o a dr u n o f f , s ot h e r eh a sah i 曲v a l u eo f u t i l i z a t i o n ；i na d d i t i o n ，w i t hl a r g ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to ff r a c t u r ek a r s ta q u i f e r , t h e a q u i f e rw i l lp r o v i d eag o o dc o n d i t i o nf o ri n f i l t r a t i o n , w h i c hi sc o n d u c i v et ot h e v l i 屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究 i m p l e m e n t a t i o no fg r o u n d w a t e rr e c h a r g e a i m i n ga tt h eq u e s t i o n sa n da d v a n t a g e s a b o v e , t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ew a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so f r o o fr u n o f fi nj i n a nc i t y , p u t sf o r w a r dt h ep o l l u t i o np r o b l e mh a p p e n e di nt h ei n i t i a l s t a g eo fp r e c i p i t a t i o na n dt h ei n i t i a ls t o r mw a t e rd i s c a r da n dh o wm u c ht od i s c a r d , e x p l o r e s as i m p l ea n df e a s i b l em e a s u r et od e a lw i t hr o o fr u n o f f , s t u d i e sg r o u n d h y d r o c h e m i c a lv a r i a t i o na tr e c h a r g ea r e a , w h i c ha l lw i l lp r o v i d ei m p o r t a n tb a s i cd a t a a n ds c i e n t i f i cb a s i sf o rt h en e x ts t e po fi m p l e m e n t a t i o no fg r o u n d w a t e rr e c h a r g ea n d t h es t u d yo ft h ei n f l u e n c eo nw a t e rq u a l i t yo ff r a c t u r ek a r s ta q u i f e rb yr e c h a r g ew a t e r a n dr i s kc o n t r 0 1 s p e c i f i cs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h em a j o rp o l l u t a n t si nr o o fr a i n w a t e rr u n o f fi nf l o o ds 俄啪c o n c l u d ec o l o r , t u r b i d i t y , n h 3 - n ，n 0 2 - n ，v o l a t i l ep h e n o l ，s sa n do r i g i n a t ef r o mc u m u l a t i v ed u s t , f o s s i lf u e lc o m b u s t i o na n dv e h i c l ee x h a u s t r o o fr a i n w a t e rr u n o f fq u a l i t yi s i n f l u e n c e db yr a i n f a l ld u r a t i o n , r a i n f a l ld e n s i t ya n ds e a s o na n ds oo n 2 b yt h es t u d yo f c o r r e l a t i o no fc u m u l a t i v ep o l l u t a n tl o a d sa n dc u m u l a t i v e d i s c h a r g e ，t h ef i r s tf l u s hp h e n o m e n o n i nr a i n f a l lp r o c e s sh a v eb e e nf o u n da n dt h ef i r s t f l u s ho fs t o r mr u n o f fi su s u a l l yt h em o s tp o l l u t e d ；a c c o r d i n gt ov a r i a t i o no f r o o f r a i n w a t e rq u a l i t ya n dc o n s i d e r i n gp o l l u t a n tc o n t r o lp u r p o s ea n de c o n o m y a n ds 嘶o f s u b s e q u e n tt r e a t m e n tp r o c e s s ，6 m mo f i n i t i a lr a i n w a t e rd i s c a r dv o l u m eh a v e b e e n d e t e r m i n e d 3 i nt h ef i l t r a t i o nt e s tb ys a n dc o l u m ns y s t e ma n ds a n df i l t r a t i o n - a c t i v a t e d c a r b o ns y s t e m ，p u r i f i c a t i o ne f f e c to fr o o fr a i n w a t e rb yt h e s et w of i l t r a t i o ns y s t e m sa r e s t u d i e da n dc o m p a r e d 丽mc l a s sr io fg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，s a n df i l t r a t i o ns y s t e mw a se f f e c t i v et or e m o v et u r b i d i t y , c o l o r , v o l a t i l ep h e n o l ，a n dm e t a li o n sa n d s oo n h o w e v e r , i th a dab a de f f e c to n r e m o v i n ga m m o n i an i t r o g e n ，n i t r i t en i t r o g e n s a n d a c t i v a t e dc a r b o nf i l t r a t i o ns y s t e m w a se f f e c t i v et or e m o v ea m m o n i an i t r o g e n ，b u ti tc a nn o tr e a c hc l a s si i io f g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d ，a n da l s oi th a d ab a de f f e c to nr e m o v i n g n i t r i t en i t r o g e n 4 i nf l o o ds e a s o ni n2 0 1 0 ，p r e c i p i t a t i o n ，w a t e rl e v e l ，t e m p e r a t u r e ，p hv a l u e ， c o n d u c t i v i t y , t o t a ld i s s o l v e ds o l i d ，t u r b i d i t ya n ds a l i n i t yw e r em o n i t o r e d ，a n du n d e r v i i i i x 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 暴雨洪涝灾害 随着经济的快速发展、城市化进程的加快，洪涝灾害给城市带来的压力日益 严峻。尽管城市排水系统在不断完善，但由于许多因素的影响，以及大部分地区 的雨水排放设施不够完全，当大暴雨来临时，就会发生道路严重积水问题，甚至 会造成较大的洪涝灾害，给社会、城市环境以及人们的生活和生命带来危害。 早在公元6 8 0 年，就有记载济南市发生暴雨洪涝灾害，之后元、明、清近六 百年内也有相关记载【l 】。从1 9 4 9 年到2 0 0 7 年这5 8 年间，济南市共发生了2 8 次 洪涝灾害，平均每2 年就会发生一次洪灾，其中以1 9 6 2 年7 月1 3 日、1 9 8 7 年8 月2 6 日和2 0 0 7 年7 月1 8 日的三场大暴雨所造成的损失最严重【2 1 。2 0 0 7 年7 月 1 8 日下午，济南市受北方冷空气和强盛的西南暖湿气流共同影响，出现强降雨 过程，济南市区平均降雨量达1 4 2 2 m m 。由于雨急量大，南部山区暴雨形成洪水， 迅速向市区各排洪河道和街巷汇集，导致多处街道严重积水，其中5 1 处路段积 水深度超过l m ，一些低洼路段最大积水深度达4 m ，由于当时正值下班高峰期， 行人多且车流量大，导致车辆熄火、停运、交通严重堵塞，此次暴雨洪灾造成 3 7 人死亡，直接经济损失达1 2 亿元。 根据统计资料显示，济南市城区面积已由解放初的2 6 k m 2 增加到2 0 0 6 年的 2 7 8 k m 2 。济南市多年平均降雨量是6 4 3 m m ，自然条件下径流系数0 1 2 ，如果按 不透水面积占新城区面积的7 0 计算，新增l k m 2 城区面积，将比自然条件下年 新增地表径流量4 l 万m 3 ，市区新增1 1 亿m 3 【3 1 。济南市区目前的排水系统主要 利用天然的河道和冲沟，城区河道防洪标准不足5 0 年一遇，加上许多排水排洪 河道被建筑物占用和垃圾堵塞，一般暴雨就会出现马路行洪，严重影响交通安全， 大暴雨则会带来更大的洪灾。其次，济南市污水处理系统是合流制，雨污排水系 统不分，汛期雨洪不仅增加了城市排水和处理费用，而且部分污水无法处理直接 排放，加重了小清河的污染。 洪水既是灾害，也是人类可以利用的资源。城市雨水利用正日趋成为我国城 市化发展进程中缓解水危机和改善水环境的重要措施 4 1 。在德国、日本、丹麦和 澳大利亚等国家在每间房屋上都设立了屋面雨水收集系统，采用沉淀和过滤的方 法处理雨水，并用于消防、洗车、植树、冲厕或回灌到地下水中阿，这样既减少 了暴雨时直接排放的雨水量，又减小了产生洪水的可能性，节约了雨水资源并增 加了雨水回到地下的机会。 1 1 1 2 地下水过度开采 北方城市主要以地下水作为供水水源，其中在华北和西北地区，开采地下水 比例分别高达7 0 和6 6 ；在山东省，地下水资源开发利用量约占当地水资源 供水量的6 5 【6 】。目前，北方平原有不少地区地下水超采，如河北整体超采，北 京、天津、哈尔滨、沈阳、济南等许多大中型城市都已出现地下水超采或严重超 采问题川，已形成不同程度的区域降落漏斗、地下水水质恶化和地面下沉等环境 地质问题。 目前华北平原深层地下水已形成了跨河北、北京、天津和山东地区的地下水 降落漏斗，约有7 0 0 0 0 k i n 2 的地下水水位低于海平面，河北省已有2 0 多个地下水 降落漏斗区，总面积为4 0 0 0 0 k i n 2 ，地下水水位的下降造成了平原或盆地湿地逐 渐消失，破坏了地表植被，导致生态环境不断退化。由于地下水的过量开采，河 北省平原区的含水层被疏干而发生地面下沉和地面裂缝等地质灾害，现已发现 4 8 2 条地面裂缝，影响到7 个省的大约7 0 个县( 市) 。在中国沿海地区如秦皇岛、 大连、沧州、青岛等城市，地下水水位的下降引起海水入侵，从而造成地下水水 质的恶化。济南以泉水而闻名，由于在泉域范围内的东郊和城区超采地下水，自 1 9 7 1 年以来济南著名的趵突泉等四大泉群出现连续3 2 年断流干涸，山东省其他 知名泉水如莱芜郭娘泉群和博山神头泉群等也因超采地下水而消失。 地下水人工补给能迅速提升地下水位，在短期内控制地面沉降效果显著。上 海市地下水人工补给始于1 9 6 6 年，主要回灌第二、第三承压含水层。1 9 6 6 年上 海市区人工回灌量达3 3 7 5 万m 3 ，同时压缩地下水开采量，使得地下水人i , f 给 期间上海市区的地下水位大幅度回升，地面沉降也明显回弹，年回弹量约6 3 r a m 。 1 9 6 7 年后，随着地下水人工补给量的不断增加，市区地下水位从1 9 6 6 年的1 0 m 上升到1 9 7 0 年的1 5 m 左右，形成了以上海市区为中心的回灌地下水位“反漏斗”， 2 济南大学硕士学位论文 p 曼m mn i 曼曼皇曼曼皇曼量曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼皇量皇曼璺曼量曼! 皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼皇 市区地面下沉的平均速率稳定在o 5 m m a 【8 】。 地下水的过度开采导致了许多环境地质问题，给经济、人类和社会带来了极 大的危害。因此，为阻止地面沉降和区域性降落漏斗等问题，山东省除了合理的 控制地下水开采和压缩地下水开采量，还利用地表水补源和地下水库调蓄，将地 表水的蓄积存储与地下水补给相结合，使地下水得到最大限度的补给，最终控制 地下水位的下降。 1 1 1 3 雨水径流污染 雨水径流量的增长，带来了一个更严峻的问题一雨水径流污染。在发达国 家，点源污染已经基本得到控制，雨水径流带来的面源污染成为水环境污染的主 要部分。雨水径流污染物主要来自于降水、汇水面和排水系统。随着城市化进程 的不断加快，城市中的道路、桥梁和建筑物等不透水表面也快速增长，导致原来 能够渗透到土壤中的雨水现在只能在不透水表面进行冲刷形成径流。尽管天然雨 水水质较好，但在降雨期间，雨水通过淋洗大气以及冲刷地面构筑物和地表，携 带了大量污染物进入地表水和地下水，造成了水体污染。 1 9 9 0 年美国对水体污染进行调查，结果表明面源污染导致了约3 0 的地表 水体中污染物超标；在对污水能够进行二级处理的城市，一年内水体中4 0 8 0 的b o d 5 负荷量来自于雨水径流。美国环保局( e p a ) 最新调查研究还表明：在许 多州约2 2 万个被污染的水体中，1 8 以上的污染源来自于城市径流污染和其它 非农业面源污染。 我国雨水径流引起的非点源污染问题也很严重，如太湖、滇池，非点源污染 已经成为水质恶化的主要原因之一。在暴雨期，我国滇池流域的大青河悬浮物浓 度比平常均值高2 2 倍，宝象河的最大悬浮物浓度是平时的1 0 6 倍9 1 。雨水径流 携带的大量污染物进入城市水环境也带来了严重的污染。据保守估计，目前在北 京和上海，城市雨水径流污染占水体污染总负荷的比例约为1 0 ，到2 0 1 0 年后， 其比例将分别上升到1 2 以和2 0 左右；在南水北调东线工程南四湖流域，由 面源污染造成的c o d 和b o d 5 占水体污染总负荷的1 5 ，氮、磷负荷占污染总 负荷的4 9 嘣1 0 1 。 e l l i s 通过研究发现，水体中金属含量的3 5 7 5 来自于路面径流，其中来 源于路面径流的c u 、p b 、c d 、z n 分别占水体金属总含量的7 8 、4 7 、4 6 、 屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究 1 3 【1 1 】；香港环保部门已确定维多利亚港的潜在污染源是路面径流，在b o d d c n 河中检测到的c h 4 和n 2 0 来源于p e e n e 地区的路面径流。 因此，随着城市的快速发展，如何控制非点源污染显得越来越重要。德国通 常将城市绿化草地和花池边坎稍微提高，在雨季一些雨水就能够被蓄存起来，蓄 存的雨水随时间推移而自动下渗，既能起到灌溉作用，减少灌溉草地和花池的所 需水量，节约自来水，又能减少雨水径流污染，起到补充地下水的作用。 1 1 2 课题的来源 本课题以国家自然科学基金项目“城市屋面雨水处理后回灌裂隙岩溶含水 层实验研究”( 项目编号：4 0 9 7 2 1 6 9 ) 和山东省自然科学基金项目“城市屋顶雨水 渗井回灌岩溶水试验研究”( 项目编号：y 2 0 0 8 e 1 8 ) 为依托。本文研究天然雨水 和屋面雨水径流特征、初期雨水弃流和回灌前雨水的处理，以及回灌区地下水化 学的动态变化。 1 2 研究目的与意义 随着我国经济的发展和城市化进程的加快，水资源短缺和水环境恶化日益严 重。目前在我国7 0 0 多个城市中，大约有4 0 0 个城市缺水或严重缺水，水资源紧缺 已经严重的阻碍了国民经济的发展；而另一方面，我国许多城市在水资源严重不 足的情况下，雨水资源却大量流失，利用率不到l o ，这是由于城市不透水面积 逐年增加，使得城市径流系数增大，降雨形成的径流量成倍增加，导致每年都有 大量的雨水资源从排水系统白自流走。而就水污染问题而言，城市地表径流是第 二大面源污染，仅次于农业面源污染，路面雨水径流污染非常严重，初期径流污 染时常超过城市污水带来的污染，这不仅给城市水环境和生态环境造成直接危 害，而且也增加了城市雨水处理和开发利用的难度和复杂性。同时，由于地面水 源遭到污染，以及过量开采利用地下水，导致地下水位逐年降低，形成地下水漏 斗、引发地面沉降，在沿海地区还引起了海水入侵、耕地盐碱化、植物干枯和土 地荒漠化，导致生态环境进一步恶化以及农业减产等一系列问题。 因此，如何合理高效地利用丰沛的雨水资源来满足日益扩大的用水需求尤其 是解决北方城市的“水荒”问题，如何将城市降雨、入渗和径流过程尽可能的修复 4 使其低于路面5 c m 1 0 0 m ，这样绿地就成为一个天然的雨洪滞蓄设施，蓄存的雨 水随着时间的推移自动下渗，增大雨水就地入渗率，既满足了绿地用水需求，减 少了对草地和花池灌溉的用水量，节约了自来水，又削减了洪峰流量，截留了雨 水中的污染物质，通过植物和土壤的各种作用减少了径流污染，还补充了地下水。 另外，在城市人行道上铺设透水方砖，砖下设置回填砂石、砾料的渗井和渗沟， 不仅能降低暴雨径流的流速，削减地表径流量，防止冲刷河堤，还能延长雨水下 渗时间，从而增加地下水补充量。 ( 2 ) 雨水中水利用 将收集的雨水作为中水系统的源水，处理后将达到特定水质的雨水径流用于 城市清洁、喷洒路面、灌溉草地、冲洗厕所、消防和用作城市景观水体等。 ( 3 ) 雨水回灌地下含水层，涵养地下水源 将汛期雨水进行深度处理达标后，通过地下水渗井直接补充地下水，是一种 间接利用雨水的技术。雨水人工补给地下水，不仅能够节省大量自来水，减少雨 水回灌地下水的费用，还可以减小常用的合、分流制排水管网中管道的管径和雨 水泵站的设计流量，减少相应的市政工程建设投资和运行费用；此外，还可以疏 导城市暴雨高峰期雨水径流量，从而降低产生洪涝灾害的可能性。因此，利用汛 期雨水合理的回灌地下含水层，具有十分现实意义，这不仅补充了地下水，提升 或保持了地下水位，防止和减缓了地面沉降，防止沿海地区海水倒灌，还增加了 地下水可用水量，从而达到水资源的可持续利用，兼顾了经济、社会和生态环境 效益。 1 3 城市屋面径流水质特点及回灌可行性 1 3 1 城市屋面径流水质特点 一般来说城市雨水主要有屋面、路面和绿地3 种汇水介质。根据我国城市卫 生状况及对雨水水质的实测情况【1 2 】，在这3 种汇水介质中，地面径流水质较差， 屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究 城市路面初期雨水径流的c o d 通常高达3 0 0 0 - - 4 0 0 0 m g l ，而绿地雨水径流主要 渗入地下，可收集水量有限；因此，相对而言屋面径流水质较好、径流量大且方 便收集，利用价值高，是城市雨水利用的重点对象【1 3 1 。 屋面是城市不透水区域的主要组成部分，在非点源污染中有着重要作用，屋 面作为承接大气干湿沉降的主要载体，在城区占有较大的比例，相对于路面、绿 地2 种汇流介质，屋面径流具有独特的特点： 1 污染物成分复杂 雨水在降落过程中，淋洗冲刷大气中的气溶胶、溶解或悬浮状固体以及重金 属等物质而进入雨水中，主要污染物有悬浮物、硫酸根、硝酸根、氯、铵、镁和 钙等离子和一些有机物质( 主要是挥发性化合物，如挥发酚) ，同时还含有少量 的铅、铜、锌、铬、镍等重金属离子，天然雨水组分复杂，其浓度与降雨地区的 污染程度有密切的关系，冲刷屋面后也导致屋面径流中污染物组分复杂，径流中 各污染组分的浓度还受屋面材料的影响。 2 初期屋面雨水径流污染物含量较高，后期水质较好 屋面径流主要污染物为有机物、营养物和悬浮固体，大部分来自于下垫面的 污染物积累。初期屋面雨水径流污染最严重，随着降雨历时的延长，屋面径流污 染物浓度逐渐降低，初期雨水弃流后的水质较好。 3 影响因素多 屋面雨水水质主要受大气污染状况、屋面材料、干期时间和屋面大气沉降物 积累程度、季节、气温、降雨强度与雨量及降雨历时等多种因素的影响。 1 3 2 雨水回灌的可行性 雨水回灌补充地下水有其实施的可行性和必要性。利用城市雨水补给地下水 不仅能够补充日益缩减的地下水资源、提高地下水水位、阻止或减缓地面沉降， 还能通过分流一部分雨水来减少城市雨水管网和泵站的建设投资和运行费用，并 可以降低暴雨发生洪涝灾害的几率。 根据回灌地下水对水质的要求，按雨水水质大体上可分为三类：无污染或轻 污染型、中度污染型和重度污染型。无污染或轻污染型的雨水可不经预处理直接 进行回灌，其杂质很少而无需考虑会污染地下水或使地下水性质发生有害变化的 6 济南大学硕士学位论文 问题；中度污染型雨水在回灌前需要进行适当的预处理或净化；重度污染型雨水 只有经过特定的预处理后才可回灌地下。城市屋面雨水属中度污染型雨水，通过 将污染最为严重的初期屋面雨水径流弃流后，后期的微污染雨水经过简单的预处 理后达到回灌标准，即可进行人工回灌地下含水层，补充地下水资源。 2 0 世纪6 0 、7 0 年代，我国很多地方都进行地下水人工回灌，主要是为了补 给地下水资源，缓解供水紧张状况，在东南沿海城市还是防止海水入侵和地面下 沉的主要措施。上海市近二三十年来一直通过压缩地下水开采量和增加回灌量来 控制地面沉降【1 4 1 。清华大学与北京、德国等单位在国内首次开展城市污水经深度 处理后回灌地下水的基本理论与工程研究，采用地表回灌渗滤池、快速渗滤和浅 层回灌井，对深度处理后的污水进行地下水回灌示范工程研究【1 5 】。中德科技合作 项目在北京开展了“城区水资源可持续利用雨洪控制和地下水回灌”示范工 程f 1 6 1 7 1 ，雨洪水利用要以将雨水留在地面和地下为目标，建立雨洪相关产业，充 分利用雨水并控制径流污染【l 引。地下水人工回灌的可行性、规模和方法受到补给 水源、地形地貌、气候植被、包气带和充水岩层这5 个因素的共同影响【1 9 】。 岩溶地下水在北方城市供水中占据重要的地位，在水量和水质方面都是城市 供水的优质水源【2 0 】。中国北方溶岩分布地区地下水大多是裂隙岩溶水，主要含水 层为奥陶系、寒武系灰岩、泥质及白云质灰岩等，济南岩溶地下水系统是中国北 方岩溶水的典型代表。济南市作为山东省的政治、经济和文化中心，南邻泰山、 北依黄河，地势南高北低，地质结构复杂，随着济南市经济的发展和人口总量的 增长，城市缺水问题越来越突出。近些年济南市城区面积不断扩大，汛期降雨形 成的径流量增长幅度很大，大量雨水径流白自流失。然而，济南市泉域具有得天 独厚的地下水补给、径流、排泄和赋存功能，为雨洪水补给岩溶含水层提供了有 利条件【2 1 1 。直接补给区位于南部丘陵区及山前地带，面积为5 3 0 k i n 2 ，岩性为寒 武系凤山组至奥陶系灰岩，岩层呈裸露、半裸露和覆盖状态。地表岩溶发育，有 利于大气降水补给入渗，该区大气降水入渗径流进入岩溶水的汇集区，是泉域岩 溶水系统接受大气降水补给的最直接入渗带。该区不仅是泉域岩溶水系统的主要 补给区，而且是连接间接补给区和汇集区之间的纽带【2 2 1 。近几年城区不断向南部 扩展，生态保护和开发建设的矛盾尖锐化，在建设区利用不透水下垫面上的雨水 径流回补岩溶水对济南泉水保护具有重要的作用。 7 屋面雨水水质处理与地下水化学动态变化研究 1 4 国内外研究现状及存在的问题 1 4 1 城市屋面雨水处理方法研究现状 一般来说，屋面雨水的处理方法可分为物化处理、生态处理、生化处理和膜 过滤法。由于屋面雨水径流可生化性差，因此屋面雨水径流不宜采用生化方法处 理，而采用物化法处理【2 3 1 。物理化学处理法是雨水处理的主要方法，即运用物理 和化学的综合作用使污水得到净化的方法，包括物理和化学过程的单项处理方 法，如过滤、浮选、结晶、吹脱、吸附、离子交换、电解、萃取、电渗析、反渗 透等【2 4 】。无论技术角度还是从经济角度来看，物化处理也是很好的屋面雨水处理 方法。 渗滤系统去除污染物主要也是通过物理化学过滤而实现的，而化学过程和生 物过程如吸附和生物摄取作用也会去除污染物，但不是主要因素。石英砂对悬浮 物、浊度、重金属离子等有较好的去除效果，对色度、锌等的去除甚至能达到生 活饮用水卫生标准【2 5 】；用活性炭作为有机微污染水深度处理后可作为饮用水，但 由于活性炭价格昂贵，所以屋面雨水的处理可采用滤料加活性炭处理方式。范平、 吴纯德等提出的g a c 。石英砂生物滤池，在处理微污染原水方面取得了不错的效 果，该法通过在原有砂滤池内的石英砂上添加活性炭滤料，同时利用了石英砂的 物理拦截作用和活性炭的吸附作用，去除雨水径流中的有机物和胶体颗粒物，大 大改善了水质，该工艺处理后的雨水水质中的c o d m n 、n h 3 - n 、浊度平均值能达 到0 1 m g l 、1 5 6 m g l 、0 2 3 n t u ，出水n 0 2 - n 几乎监测不出来【2 6 1 。杨开、周涛 等人也对利用生物活性炭砂滤系统处理微污染原水进行了研究，试验发现生物 生物活性炭砂滤系统对有机物和氨氮有显著的去除效果，当进水氨氮浓度在 2 m g l 以下时，出水浓度低于0 5 m g l ；若进水浊度较低时，出水浊度几乎不变， 其浊度值低于0 5 n t u ，处理效果稳定，而当进水浊度大于3 n t u 时，出水浊度 波动较大，有时甚至超过1 n t u 2 7 1 。张国臣、陈鸿汉等提出的人工快速渗滤系统 ( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o n ) ，是一种新型的污水土地处理技术，该系统的渗 滤池主要由直径小、比表面积大、孔隙度小的河流冲积砂颗粒组成，并在砂粒中 掺入一定的特殊填料，通过渗滤介质和微生物的化学、过滤、生物吸附和自我调 控功能，使污水得以净化，该系统在实验室和野外试验条件下，均达到了预期效 8 渗滤系统过滤后的微污染水可用来回用【3 0 】，t t a y l o re i g h m y 提出利用砂滤和活 性炭相结合的方法来处理雨水【3 l 】，l i o n e lh o 等人对生物砂滤池中的生物群落活 动做了一些研究【3 2 1 。屋面雨水径流中的硝酸盐氮和亚硝酸盐氮等污染物，仅利用 砂滤很难去除，j e n st r a n c k n e r 等人利用硝化细菌处理地表水，将处理后的水作 为饮用水【3 引。近年来国外a s r 、a s t r 和m a r 技术越来越成熟，在美国、印度、 日本、澳大利亚等国应用广泛，是利用含水层的自净能力，经含水层处理后的水 甚至可以达到饮用水标准，是一种值得推广的技术【蚓。 1 4 2 初期雨水弃流控制的研究现状 由于降雨径流存在初始冲刷效应，降雨对汇水面上积累的污染物淋洗、冲刷 和输送，使得初期雨水径流污染物含量高，随着降雨历时的延长，屋面不断被冲 洗，降雨后期污染物含量逐渐减小，最终达到相对稳定浓度。因此，直接弃除初 期雨水是减少雨水径流污染物的一个简单方法。初期雨水弃流量值的确定应该综 合考虑现场条件、汇水面特性、污染状况和控制目的( 雨水利用或污染控制) 等影 响因素而定。 在国内外初期雨水弃流