城市屋面雨水处理后回灌裂隙岩溶含水层试验研究

中国北方许多城市利用裂隙岩溶水作为供水水源。但是一方面水资源短缺，另一方面由于城市不透水面积的增大，为防洪不得不将雨水产生的径流通过排水系统尽快排出，造成了水资源的浪费。将微污染的屋面雨水径流经处理，回灌到裂隙岩溶含水层用于饮用水供水和保护地下水环境，是解决两方面问题的有效措施。本项目选择北方裂隙岩溶水典型区济南市济南大学西校区，针对屋面雨水水质由差变好的特点，用砂滤和活性碳结合进行水预处理试验。再新打一眼回灌井，利用研究区现有2眼及周围的深井作观测井，进行野外示踪试验。回灌来自不同水源的水，通过监测回灌井和观测井地下水水质，研究前期雨水弃流后经处理达到饮用水标准的城市屋面雨水，不同回灌量回灌裂隙岩溶含水层，对地下水水质与介质环境的影响。利用地球化学和地下水溶质运移模型，分析和预测水岩相互作用产生的水化学动态变化和回灌水含有的主要物质在裂隙岩溶含水层中的运移规律。

2010-2012年连续监测研究区屋面雨水的水量水质，掌握了径流水质随时间、降雨强度、累积降雨量、季节的变化规律；采用对数正态分布估算初期屋面雨水中主要污染物浓度的分布概率；利用浊度指标，建立了屋面雨水累积-冲刷模型，计算了不同累积降雨量情况下浊度去除率与初期弃流量的对应关系，为初期弃流量的确定提供了定量计算方法；以屋面雨水回灌裂隙岩溶含水层为目的，先后研制出大弃流量（初期弃流量6mm）的小型重力驱动分流式前期雨水弃流装置I、II型（均已获国家实用新型专利）；通过室内不同粒径石英砂、石英砂-活性炭和沸石三种滤料对污染物去除效果的物理模型试验结果表明，沸石对弃流6mm后的屋面雨水吸附半小时氨氮的去除率达95%，出水水质达地下水质量III类标准，而另两种滤料效果不及沸石，再结合技术、经济的要求，选定沸石为过滤池滤料；根据屋面集雨面积、室内实验、回灌场的实地条件以及示踪连通试验，确定了回灌工程各部分技术参数，设计、安装、建成了屋面雨水回灌裂隙岩溶含水层工程，该工程由屋面雨量计、雨水汇流场、前期雨水弃流装置、调节池、过滤池、回灌井、监测井组成；对2011年8月的2次降雨及2012年汛期8次降雨进行了回灌试验，总回灌量245m3；2010-2012年对回灌井和监测井的环境指标进行了连续45次监测，认为地下水化学动态变化主要受降雨稀释效应的影响；每次降雨之后测定回灌系统及含水层的水量、水质，结果显示：调节池去除氨氮达27.1%，过滤池去除率高达92.9%，对比生活饮用水标准和地下水质量III标准，可以看出工程对氨氮的去除效果较好，但仍存在浊度和亚硝酸盐超标；2011年实验模拟了环境地下水与屋面雨水不同混合比例（9:1、7:3、5:5、3:7和1:9）下回灌雨水与含水层的相互作用，并利用PHREEQC进行分析，结果表明：回灌雨水能加强含水层的矿物质溶解；应用澳大利亚含水层补给管理指南，对回灌系统在不同阶段进行了风险评价，提出了相应的风险管理计划；风险评价结果表明屋面雨水利用深井回灌岩溶水总体是可行的，但需改进屋面雨水预处理过滤材料，将亚硝酸盐和浊度控制在地下水质量III类标准；对回灌工程进行了工程经济效益评价（包括国民经济评价和财务评价）、生态和社会效益分析，认为此工程国民经济效益、生态和社会效益显著。