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随着城市化进程的加快，城市内涝、水资源短缺和径流污染加重等问题凸显。据美国国家环保署信息，雨水径流已被列为导致水体污染的第3大污染源。自2014年10月发布《海绵城市建设技术指南》以来，城市径流削减与收集、雨水净化与合理利用，成为我国新时期城市建设的重点，也是水环境研究的焦点之一。
海绵城市建设的要义是通过人工设施和自然途径的结合，实现雨水自然积存、自然渗透和自然净化，并能够在缺水时“释放”雨水，形成良好的自然循环，促进雨水资源的利用和生态环境保护。城市雨水径流的发生具有随机性和间歇性，污染源具有分布广泛、不集中且污染物浓度变化大等特点。如何有效收集、净化、储存城市径流雨水是解决问题的关键之一。充分利用城市非硬化下垫面，在保持其原有生活和生态功能基础上，通过土壤-植物-微生物系统联合作用促进雨水就地渗透、净化、储存是解决问题的有效途径。近年来，利用土壤渗滤原理削减地表水污染及城市降雨径流污染的研究受到广泛关注，20世纪70年代，国外已开始利用各种类型绿地储蓄地表径流和削减径流污染，其中，优化非硬化区下垫面填充基质是提高系统雨水处理性能的有效途径，目前关于城市下垫面研究仅停留在传统的沙土基质配比优化和分层填装方面，雨水渗透速度提升空间有限且污染物削减量难以满足回用标准。
为此，针对城市雨水径流中的氮、磷和有机污染物，构建4套平行装置，模拟城市径流雨水渗滤过程，评估雨水在装置内的渗透速度、持水量和去污性能，并确定装置的最佳出水高度，从而优化不同基质填充模式对雨水的作用效果，寻求渗透速度快、持水量高和污染物去除效果好的城市下垫面填充方式，为海绵城市建设提供技术支撑。
1 材料和方法
1.1 模拟装置构建
构建4套模拟装置，包括蠕动泵、进水桶、渗滤柱等，其中渗滤柱是主体。渗滤柱尺寸：内径Ф10 cm，高h135 cm;材质为有机玻璃，由上、下两部分组成，中间以法兰连接，上部是渗滤柱主体，包括基质层(高125 cm)和溢流段(高5 cm)，柱体顶部设溢水口，溢水口下5 cm处设进水口，从进水口开始每隔30 cm设1个出水口，共计4个;下部为蓄水层，高5 cm，连接出水管，与上部之间用布满0.5 cm小孔的有机玻璃隔开。由于磷在渗滤过程中易被介质的物理化学吸附截留，可以认为磷在土壤中是几乎不移动的，渗滤过程中部分氮可被介质吸附，其余的可以通过硝化、反硝化作用去除。基于上述理论，基质层从上往下依次分为吸附层、渗滤层和集水层，具体填充方式如表1所示，其中吸附层填充基质在课题组前期研究的基础上进行配比，装置如图1所示。
表1 渗滤柱基质层填充方式
图1 渗滤柱示意图
1.2 供试雨水
氮、磷和有机污染物是城市雨水径流中的主要污染指标，其中氮、磷是造成水体富营养化的主要物质。采用人工配制径流雨水，模拟自然径流雨水中的铵态氮(NH4+-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)。
人工径流雨水不仅易得、无时间和天气限制，还可以掌控进水浓度，具体成分和配比如下： NH4Cl为(10±2)mg˙L−1，KH2PO4为(3.5±0.5)mg˙L−1，C6H12O6为(270±10)mg˙L−1，用自来水溶解并混合均匀，使用当天配置。
1.3 装置运行
装置运行分为3个阶段。
1)测量渗滤柱的持水量。模拟自然环境，忽略地表蒸发前提下测定装置内基质持水量。装置开始运行后，根据进水实际下渗状况逐渐调节蠕动泵进水流量，保证渗滤柱表层不干涸且溢水口无水溢出。当蠕动泵进水流量为11.2 mL˙min−1左右时，装置达到稳定状态，记录自进水到第1次出水渗滤柱所容纳的水量。
2)测量渗滤柱的渗透速度。采用定水头法测定渗滤柱基质渗透速度。实验自08:00开始布水，持续运行12 h，保持蠕动泵以14 mL˙min−1的速度进水，使超出水头的水量从溢水口流出，在渗滤柱末端出水口安装玻璃转子流量计测定出水速度，每隔0.5 h读数。经实验测得各渗滤柱出水速度在90 min以后逐渐稳定，对90 min以后的读数取平均值，即为渗滤柱渗透速度。
3)测定渗滤柱对污染物的削减能力。待进出水稳定、出水口出水无泥沙流出后进行第3阶段取样，每隔2 h用聚乙烯瓶采集各出水口出水，并放入4 ℃下保存，聚乙烯瓶需用蒸馏水冲洗干净。每天08:00开始布水，16:00停止进水，连续共取3 d。
1.4 水质分析方法
根据海绵城市对城市径流雨水的排放要求和城市径流雨水主要污染特征，进出水水质指标选取及分析方法如下：NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法;TP采用钼酸铵分光光度法;COD采用微回流比色法(美国哈希DR890水质分析仪)。
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