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今年3月，南非开普敦的居民在严重缺水的情况下，为了在超市购买饮用水或从泉水中取水，排了几个小时的队。

开普敦并不是唯一一个这样做的城市:全球四分之一的大城市已经过度使用水资源，气候变化可能会增加某些地区长期干旱的可能性。

面对日益不稳定的降雨，耐水的未来各个城市都在寻找解决方案。一个诱人的可能性？雨水的捕获和重用。但大多数城市的水基础设施是在一个难题的单一问题建造的：防洪。例如，在洛杉矶，美国军队工程师队伍建立了一个大规模的混凝土渠道网络，以便在1938年造成大量洪水之后将雨水转移到海洋，造成100多人。

现在，城市的水管理员们正在改变他们对雨水的看法。有些人认为这是一种未开发的资源。随着干旱地区甚至一些湿润地区的地表和地下水供应的枯竭，研究人员正在研究用城市径流补充地下饮用水含水层的方法。

特别是在城市，利用地下作为一个巨大的雨桶是有意义的，因为它节省空间。对于地中海气候的城市来说，这可能是唯一的选择，因为那里一年只有几个月有降雨。

但有一个问题:从城市道路和屋顶流出的水很脏。城市雨水可能含有微量的有害污染物，这些污染物来自杀虫剂、沥青、汽车尾气、道路盐、油脂和机油、消费品以及人类和动物的排泄物。

斯坦福大学的环境工程师Richard Luthy说:“我们希望以一种不会导致饮用水污染的方式重新利用雨水。”

新罕布什尔大学暴雨中心(University of New Hampshire Stormwater Center)主任汤姆·巴莱斯特罗(Tom Ballestero)对此表示赞同。“我们必须睁大眼睛，”他说。“预防比治疗便宜得多。”

卢西、巴莱斯特罗和其他一些人现在正在研究如何在将城市雨水注入地下水库之前清除城市雨水中的污染物。

如何补充含水层

那些地下水库称为含水层。它们自然地填充雨或雪熔体，渗透到多孔地面 - 一种称为含水层充值的过程。当人们比大自然更快地排出含水层可以补充它，它就喝了。

水公用事业实践了管理的含水层充值 - 故意送水以补充运行低的含水层 - 数十年。管理含水层充电可以用注射孔或渗透池，帮助直接水地下。

例如，在加利福尼亚州，洛杉矶的大盆地直接山坡径流进入含水层。

但山坡径流与城市径流不同。对于初学者来说，Hillside径流是一个很多清洁剂，并且较少的污染物较少，城市雨水可以接收。小型绿色基础设施布置，如雨凉花园，渗透性路面和植被的撒播物，现在很常见。仍然说，“我们没有大量的经验捕捉和渗透到地面的大量城市径流。”

三种有前景的新技术可以帮助它成为现实。

“矿物”沙子

渗透率是渗透含水层的关键。例如，与粘土相比，水在多孔的沙土中流动更为自由。但是，虽然沙子可能会从物理上捕获或过滤掉可能堵塞饮用水含水层或水井的较大颗粒，但它不会从化学上净化或处理水。

加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究人员现在正在试验一种可以分解某些化学物质的矿物涂层砂。他们在沙子上涂上一层薄薄的锰，这是地壳中最常见的元素之一。

加州大学伯克利分校的环境工程师David Sedlak说，这个想法是为了让沙粒更有活性。一层锰涂层改变了这些微粒的表面，这样它们就能与除草剂和消费品中的有机化学物质结合并分解。

Sedlak和研究生Joseph Charbonnet最近在一项使用模拟雨水的实验中表明，矿砂可以从雨水中去除低浓度的干扰内分泌的化学物质双酚A (BPA)。这项研究是美国国家科学基金会(National Science foundation)资助的美国城市水基础设施改造工程研究中心(ReNUWIt)项目的一部分。

随着时间的推移，沙子失去了能量，变得不那么有效了。Sedlak和Charbonnet知道，必须挖掘和频繁更换用过的沙子，这将限制这种新技术在现实世界的应用。Sedlak说:“我们需要一种方法来再生当地的沙子。”他们发现，他们可以通过添加少量的氯——百万分之25，这个浓度与处理大多数饮用水的浓度相似，来让沙子重新充电。

下一步是在洛杉矶使用实际的雨水进行一个小规模的实地项目。Sedlak说:“我们想看看它在几种不同的暴雨条件下的表现如何。”

生物炭

生物炭是植物或木材材料，在高温下烘烤，直到变成木炭。露西和其他人正在用这种材料进行实验，以清除某些类型的雨水污染物。他与Sedlak合作，创建了一个结合生物炭和锰涂层沙子的系统，看看这种组合是否能进一步去除与汽车使用有关的有机污染物，以及城市雨水中的杀虫剂和除草剂。

近几十年来，近几十年来有很多嗡嗡声有关碳富含生物炭的潜在用途，同时促进土壤肥力，在地面上储存行星升温二氧化碳。但事实证明，生物炭也可能擅长吸收来自城市径流的重金属和其他痕量有机污染物。

“把它想象成一个用于雨水的大型碳饮用水过滤器，”科罗拉多州戈尔登市科罗拉多矿业学院的环境化学家克里斯托弗·希金斯(Christopher Higgins)说。

HIGGINS现在正在尝试生物炭，以除去一个特别棘手的饮用水污染物，称为全氟烷基物质（PFASS）从城市径流中脱颖而出。这些人制造的化学品被发现，在其他方面，防污剂，纸涂料和消防泡沫。

植物生物过滤器

在一些缺水地区，科学家和工程师们正在努力优化植物的利用，以去除诸如氮和雨水中的磷。地下水和地表水中这些营养物质含量过高会导致藻类大量繁殖，危害饮用水来源。

安娜·德利克特(Ana Deletic)是澳大利亚新南威尔士大学的水工程专家。她在澳大利亚、以色列和中国帮助建造了大规模的雨水花园——有的面积达一英亩——以帮助从城市废水中过滤这些常见污染物。

“这些是简单的系统，但它们不是[简单]。他们是必须针对当地条件量身定制的活的机器，“彻底度说。

许多城市环境都有被有毒金属污染的历史，包括铅和镉。Deletic表示，生锈金属屋顶上的锌已经成为澳大利亚和新西兰一些城市的公共健康问题。植物也可以帮助去除重金属。Deletic说:“植物生长需要少量的金属，所以随着时间的推移，它们会吸收一些污染物。”

寻找合适的植物和右土以去除污染可能是具有挑战性的。“一般来说，我们发现的是，具有长，细根系统的植物倾向于最适合氮和磷去除，”她说。

没有放之四海而皆准的

没有一种类型的城市雨水，所以有什么作用可能与城市到市甚至在同一个城市的地方之间。“你会在雨水径流中找到不同的化学品，具体取决于土地使用的类型，”希金斯说。

例如，一条主要高速公路附近的径流可能含有更多的石油相关污染物和金属，而城市公园附近的雨水可能含有更多的杀虫剂和化肥。

巴莱斯特罗说，目标是创建一个“技术菜单”，这些技术可以在不同的场景下一起实施，也可以单独实施，以满足特定环境的需求。

这些解决方案是在城市环境中管理水的更全面方法的一部分。“雨水只是其中的一部分，”他说。

Lindsey Konkel是一位科学记者。这篇文章最初出现在环境健康新闻。