不同結構透水路面對雨水徑流污染物的削減作用

趙現(xiàn)勇，程方，張杏娟，王秀朵，趙樂軍

(1. 天津城市建設學院，天津 300384；2. 天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

道路作為城市雨水的一種主要匯水面，受大氣沉降、垃圾累積、車輛排放及其輪胎磨損及路面的沖刷腐蝕等因素的影響，初期雨水徑流中COD、SS、TN、TP、重金屬含量以及多環(huán)芳烴(PAHs)等污染物濃度較高[1].由于目前我國城市道路大多為不透水路面，雨水中的污染物一部分匯入城市污水管網(wǎng)，而大部分通過雨水管網(wǎng)進入受納水體，造成水質劣化.城市雨水徑流成為僅次于農業(yè)污染的第二大面源污染源，其中道路雨水占河流總面源污染負荷的15%以上[2].

透水路面是一種新型的道路系統(tǒng).雨水由透水路面滲入地下，可補充地下水資源，降低道路徑流系數(shù)，削減城市洪峰流量，減輕城市雨水排瀝系統(tǒng)的負擔.透水路面的透氣性也對調節(jié)城市地表環(huán)境的溫、濕度，改善城市生態(tài)環(huán)境具有積極意義[3-4].城市道路透水性路面根據(jù)面層、墊層及基層選用材料的不同分為全透水路面和半透水路面(排水型).半透水路面主要用于避免路面積水，雨水經(jīng)過面層或墊層后，可收集利用或排放；全透水型的雨水沿面層、墊層、基層一路下滲，可直接補充地下水.目前，國內學者在透水性鋪裝的材料、結構、強度及透水性能等方面進行了大量的研究工作，但缺乏透水性路面在雨水下滲過程中對污染物的阻滯削減作用方面的研究.

本研究以全透水路面為對象，選用三種不同面層材料——透水混凝土、透水磚和透水草皮磚，以CODCr、TN、TP為污染物評價指標，比較三種不同透水路面對雨水徑流污染物的削減效果，旨在為透水路面的推廣應用提供技術依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置由滲透柱、雨水模擬噴頭、提升水泵、雨水水箱、塑料軟管以及轉子流量計和調節(jié)閥組成.滲透柱材料為有機玻璃，總高度為 180 cm，截面為 61 cm×61 cm，柱內依不同高度設 4根滲透收水管，與相應 4個取樣口相連，另設上下 2個排水口.每根滲透收水管內徑為10 mm，管長為600 mm，管壁上開兩排孔，互成90°，每排39個孔，孔徑為2 mm，為防止泥土堵塞，管外包覆透水土工布.上排水口用于收集透水面層雨水徑流，溢流槽排水口，坡度為3‰；下排水口收集滲透柱積水；取樣口1及其他取樣口出水分別代表滲透路面結構層出水和不同厚度土壤層出水，如圖1所示.

圖1 實驗裝置示意

1.2 實驗材料

1.2.1 路面材料

(1)基層.基層選用天津典型土壤粉質黏土，基本參數(shù)見表 1.按照基層土壤最優(yōu)體積含水率 0.236 cm3/cm3、壓實度0.9，分層裝入實驗裝置中，利用自制夯實設備夯實壓平，使其符合設計要求.在每個柱的底部裝5 cm厚的礫石層，以便于排水.

(2)墊層.墊層選用粒徑為5～10 mm的單級配碎石.透水混凝土路面滲透柱墊層厚度為30 cm，透水磚和透水草皮磚滲透柱的墊層厚度為15 cm.

(3)面層.試驗選取了三種不同透水面層，分別為透水混凝土、透水磚和透水草皮磚.參考《透水混凝土路面技術規(guī)程》(CJJ/T135—2009)及草皮磚相關施工方法，確定三種不同透水路面的結構組成，如圖 2所示.

表1 土工試驗結果

圖2 不同透水路面結構示意

1.2.2 實驗用水

本實驗用水為道路徑流雨水.取樣時間為 2011年5月至9月，共采集徑流水樣5次，地點為天津市西青區(qū)某住宅區(qū)道路雨水口，取樣地點匯水面積為340 m2.徑流水質為地表水劣五類(GB3838—2002)，見表2.

表2 道路徑流雨水主要水質參數(shù)

1.3 試驗與分析

1.3.1 試驗方法

道路徑流雨水經(jīng)提升泵增壓，由閥門及轉子流量計控制流量，通過噴頭均勻噴灑在透水路面上，噴灑流量為：15.6 L/h(降雨強度為 0.70 mm/min)和38.2 L/h(降雨強度為1.71 mm/min).試驗選取降雨歷時分別為 20 min 和 60 min.雨水滲入至透水路面結構層，當降雨強度超過透水路面及土壤層的滲透速率，則在路面產(chǎn)生積水，當積水超出溢流堰(溢流堰高出路面 3 mm)高度后，積水從上排水口排出.從模擬降雨開始時計時，按一定時間間隔取樣.

1.3.2 分析方法

雨水水樣的檢測方法為：CODCr采用重鉻酸鉀法(GB/T11914—1989)；TP采用鉬銻抗分光光度法(GB/T11893—1989)；TN 采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法(GB/T11894—1989).

2 結果與討論

2.1 降雨強度對不同透水路面削減徑流污染物的影響

按降雨時間的先后順序，分別以5次采集的降雨徑流為試驗序號，模擬降雨強度為 1.71 mm/min和0.70 mm/min，降雨歷時為60 min時，對三種不同透水路面進行人工模擬降雨實驗，當試驗進行了60 min時，分析經(jīng)不同透水路面滲透(取樣口 1)出水中CODCr、TP和TN濃度，確定三種不同透水路面對雨水徑流污染物的削減效果.

圖 3為不同降雨強度下三種透水路面對雨水徑流CODCr的削減效果.

從圖 3可以看出，透水草皮磚對 CODCr的削減效果最好，且當降雨強度變?yōu)?.7 mm/min時，其削減效果有所增強.這是由于透水草皮磚中植物根系對有機物的吸收作用，除此之外，透水草皮磚具有良好的透氣性，有利于土壤中微生物的生長繁殖，微生物在進行反硝化作用時需要電子供體和碳源，因此，在植物和微生物的共同作用下 CODCr有明顯的削減效果[5-6].另外，隨著降雨強度的降低，其對CODCr的削減效果增強，這是因為降雨強度降低時，雨水徑流的滲濾速度減慢，有利于草皮磚中土壤吸附有機污染物.

圖4為不同降雨強度下三種透水路面對TP的削減效果.

圖3 不同降雨強度下三種透水路面對CODCr的削減效果

圖4 不同降雨強度下三種透水路面對TP的削減效果

由圖4可知，透水磚對雨水徑流TP的削減效果較好，且隨著降雨強度的變化，其削減效果穩(wěn)定，削減率最高可達96%.這是由于雨水徑流中的磷通常以聚磷酸鹽、正磷酸鹽等無機磷和有機磷的形式存在，在經(jīng)過透水磚及墊層孔隙時，形成不溶性的鈣、鐵等化合物沉淀[6]，同時孔隙中附著的微生物對磷有一定的吸收作用.

圖 5為不同降雨強度下三種透水路面對雨水徑流TN的削減效果.

圖5 不同降雨強度下三種透水路面對TN的削減效果

從圖5可以看出，透水草皮磚對TN的削減效果最好，且隨著降雨強度的減小，削減效果增強.這是因為雨水徑流中的氮通常是以有機氮和氨氮(— N )的形式存在，有機氮在土壤微生物的作用下轉化成氨氮，土壤中的微生物通過硝化和反硝化作用將氨氮轉化為 N2或 N2O 而揮發(fā)掉[7-8]，同時，植物根系對雨水徑流中的氮有一定的吸收作用.

2.2 降雨歷時對不同透水路面削減徑流污染物的影響

采用實驗序號 2的徑流雨水，降雨強度為1.71 mm/min時，不同透水路面對徑流雨水CODCr、TP和TN隨時間變化的削減效果如圖6-8所示.

圖6 三種透水路面對CODCr削減的歷時變化

圖7 三種透水路面對TP削減的歷時變化

圖8 三種透水路面對TN削減的歷時變化

由圖6-8可知，透水路面對徑流雨水 CODCr有一定的削減效果，且隨降雨歷時的延長而有所增加.其中透水草皮磚對 CODCr的削減效果最好，這是因為透水草皮磚中的植物根系對有機物的吸收作用，除此之外，其墊層對徑流雨水有一定的過濾作用.透水磚對TP的削減效果最好，削減率在90%左右，且隨著降雨歷時的延長較為恒定.透水草皮磚對徑流雨水TN的削減效果最好，且隨降雨歷時的延長削減效果增強，這是由于在透水草皮磚鋪裝上層的植物作用，且鋪裝結構層種植土和空隙中微生物種類較多，有利于TN的削減作用，隨著降雨歷時的不斷延長，TN的削減作用也不斷加強.

2.3 雨水水質對不同透水路面削減徑流污染物的影響

雨水水質對不同透水路面削減雨水徑流污染物的影響如表3所示，其中試驗2的進水條件為CODCr為574.2 mg/L，TP為6.37 mg/L，TN為8.34 mg/L；試驗 3的進水條件為 CODCr為 280.5 mg/L，TP為2.98 mg/L，TN為4.23 mg/L.

由表3可知，雨水徑流中污染物濃度對不同透水路面的削減效果有一定的影響.當雨水徑流污染物濃度減小時，不同透水路面對雨水徑流污染物的削減效果也隨之減弱.其中，透水混凝土和透水磚路面對雨水徑流 CODCr、TP和 TN的削減效果變化最為明顯.這是因為雨水徑流污染物中很多是以懸浮固體或顆粒的形式存在的，當污染物濃度降低時，雨水徑流中的懸浮固體和顆粒物質也隨之降低，透水路面的物理截留作用減弱，其對雨水徑流污染物的削減效果降低.

表3 水質不同時各透水路面對雨水徑流污染物的削減情況 %

3 結 論

(1)透水路面的結構對雨水中不同種類徑流污染物的消減效果差異明顯.透水草皮磚對雨水徑流中CODCr和 TN消減效果較好，其最佳削減率分別為57.1%和28.5%；而透水磚路面對雨水徑流中TP削減效果較好，其最佳削減效果為94.6%.雨水徑流中的磷在透水路面的面層及墊層空隙中易形成不溶性的鈣、鐵等化合物沉淀；含氮化合物以土壤微生物的硝化與反硝化作用、植物吸收作用為主；有機污染物以路面結構層的截留吸附和植物根系吸收為主.綜合考慮雨水中污染物的消減效果，在進行城市慢行道路設計時，建議選用透水磚或透水草皮磚作為透水面層.

(2)降雨強度較小時，三種透水路面對雨水徑流污染物的削減效果較好.這是因為當降雨強度較小時，透水路面結構中的滲透速度較小，透水路面對污染物進行截留、吸收、硝化與反硝化作用增強.

(3)在降雨初期，三種透水路面對雨水徑流污染物的削減效果欠佳；隨著降雨歷時的延長，透水路面的生物作用逐漸加強，對雨水徑流污染物的削減效果增強；但到降雨后期，透水路面對雨水徑流污染物的物理和生物作用達到飽和，其對污染物削減效果趨于恒定，甚至有減弱的趨勢.

(4)雨水徑流污染物濃度低時，透水路面對其削減效果較差.這是因為雨水徑流中的污染物很多以懸浮顆粒的形式存在，當污染物濃度降低時，其中的懸浮顆粒物質也隨之降低，透水路面的物理截留效果減弱，對污染物的削減效果減弱.

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