滲濾作用在雨水資源化中的應(yīng)用研究進展

李 晨，徐云蘭，鐘登杰，蘇定江

(1.重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054； 2.重慶市海綿城市建設(shè)工程技術(shù)研究中心， 重慶 400020)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，水資源緊張的問題日益明顯。隨著城市化進程的加快，不透水路面的增加，使得雨水徑流量大大增加[1]，而城市徑流雨水是非點源污染的主要來源，具有空間分布的隨機性、污染物來源廣、成分復(fù)雜等特征[2-3]。在水資源日益緊張的今天，雨水作為豐富的水資源儲備，經(jīng)過簡單的處理后即可直接利用，因此，雨水的資源化利用已成為各國的研究熱點。

在國外，雨水資源化技術(shù)已經(jīng)研究得很成熟，如英國提出了可持續(xù)排水系統(tǒng)(sustainable urban drainage systems，簡稱SUDS)[4]，包括滲濾式沉淀槽和洼溝、滲濾式排水溝和滲透性路面、滲入裝置和水洼與池塘4種徑流雨水處理措施；德國通過建造大量雨水滲濾設(shè)施，并通過截污掛籃、滲濾、滲透設(shè)施處理徑流雨水[5]；澳大利亞提出了水敏感性城市設(shè)計(water sensitive urban design,WSUD)，雨水資源化的主要方法有雨水收集器、垃圾滲濾器、滲濾系統(tǒng)、生物滯留系統(tǒng)[6]；美國研究出最佳管理措施(best management practices,BMP)和低影響開發(fā)技術(shù)(low impact development，LID)等[7]徑流雨水處理系統(tǒng)，其中LID技術(shù)最為典型，它強調(diào)從源頭控制徑流雨水中的顆粒污染物，主要包括滲透作用、徑流滲濾作用、滲濾作用、低影響景觀等[8]。該技術(shù)在西方國家得到了普遍的認可，如在澳大利亞、德國、歐洲等一些發(fā)達國家相繼得到應(yīng)用和發(fā)展[9-10]。在國內(nèi)，雨水徑流處理技術(shù)尚處于研究初期，LID處于起步探索階段，尚未形成完善的理論和技術(shù)體系[11]。綜合以上發(fā)達國家的雨水處理技術(shù)，發(fā)現(xiàn)其無一例外地用到滲濾作用，通過滲濾可以有效地攔截徑流雨水中的顆粒物，從而達到雨水資源化的目的。

滲濾作用作為一種傳統(tǒng)的水處理方式，主要與混凝、沉淀等聯(lián)合使用，應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水的處理，處理的廢水污染程度高、色度深、濁度大。雖然雨水徑流水質(zhì)的污染程度低、色度淺、濁度小，但由于滲濾占地空間小，操作簡單高效，運營維護成本相對較低，可以根據(jù)雨水徑流的水質(zhì)和流量特征等對濾料相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，并可與生態(tài)環(huán)境巧妙結(jié)合，特別適用于廣大城市區(qū)域尤其是建成區(qū)域、建筑物密度較大區(qū)域的雨水徑流污染控制[1,12]。因此，滲濾作用在該領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，遺憾的是，關(guān)于滲濾作用在雨水資源化利用方面的歸納總結(jié)尚未見報道[13]。

鑒于此，筆者對國內(nèi)外雨水徑流處理技術(shù)開展了廣泛的調(diào)研，分析了雨水徑流中污染物的種類和來源；總結(jié)了雨水資源化研究現(xiàn)狀，分析了綠色屋頂、滲透性路面、生物滯留池這3種工程措施的影響因素，探尋了這3種工程措施對雨水徑流污染物的消減變化規(guī)律；最后展望了雨水徑流滲濾作用在未來城市發(fā)展中的應(yīng)用前景。

1 雨水污染物來源與水質(zhì)特性分析

雨水徑流的主要污染物有懸浮固體(SS)、氮(N)、磷(P)、有機物(COD)、重金屬(Cu、Fe)和多環(huán)芳烴(PAHs)[14]。雨水徑流中的顆粒物是各類污染物的主要載體，在徑流雨水中起著前期吸附污染物、中期輸送污染物和后期沉降釋放污染物的作用。同時，顆粒物自身又是影響水體透明度、濁度的重要水質(zhì)指標，其主要來源于建筑物屋面、路面、大氣中的細小塵埃和污染物在雨水淋洗和自然降落作用下的遷移[15]。因此，對徑流雨水中的顆粒物和雨水水質(zhì)展開詳細的研究，對雨水資源化利用至關(guān)重要。

國外許多研究者對雨水水質(zhì)進行了研究，Sansalone等[16]的研究表明，初期雨水徑流中的污染物占雨水徑流污染物總量的80%。有研究表明，雨污合流排水系統(tǒng)的徑流污染也是雨水污染的一個重要來源。Opher等[17]通過對美國城市水體的研究發(fā)現(xiàn)，城市水體污染中有30%來自路面雨水徑流。Gromaire-Mertz等[18]對巴黎市中心4個屋面(2瓦、1石板和1鋅板)、3個庭院和6個街道取樣點的16場降雨數(shù)據(jù)進行分析，庭院和道路徑流中SS的值大大超出了歐共體水處理廠的排放標準,特別是初期雨水,污染濃度更是遠遠超標。Beasley等[19]總結(jié)了來自城市不同區(qū)域的地表徑流中幾種主要重金屬污染物的濃度(見表1)，發(fā)現(xiàn)污染特征與區(qū)域(雨水流過不同建筑物材料)緊密相關(guān)。Gromaire等[20]分別對法國巴黎市不同地表(屋面、庭院和街道)徑流、生活污水以及排水系統(tǒng)出水口進行水量、水質(zhì)測定,測定的31場雨沉積物對污染的貢獻平均值對SS、VSS、COD和BOD分別為64%、63%、51%和54%。測定結(jié)果表明,在雨水徑流輸送過程中，排水系統(tǒng)沉積物是徑流中懸浮顆粒物(SS)、揮發(fā)性固體(VSS)和顆粒態(tài)COD和BOD的主要來源,可生物降解。Brodie等[21]監(jiān)測了澳大利亞Toowoomba市的35場雨水不同地表(屋面、停車場、不透水路面)徑流中粒徑小于500 μm的顆粒物，發(fā)現(xiàn)其平均濃度和平均負荷按遞增順序排列為屋面(8.5 mg/L,115 mg/m2)<停車場(39 mg/L,450 mg/m2)<道路(190 mg/L,2 070 mg/m2)。Li Yingxia等[22]對美國西部洛杉磯道路徑流水質(zhì)進行了監(jiān)測，7場道路雨水徑流數(shù)據(jù)顯示顆粒粒徑分布在2～1 000 μm，其中90%的顆粒粒徑小于10 μm，大部分的顆粒粒徑小于30 μm。

表1 城市各個區(qū)域地表徑流中主要污染物的濃度(μg·L-1)

綜合以上雨水污染來源和雨水水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，雨水徑流在污染物積聚、沖刷、輸送過程中都存在不同程度的污染，雨水徑流污染已經(jīng)成為亟待解決的問題。不同國家、不同地區(qū)的雨水徑流水質(zhì)污染程度不同，污染物種類和濃度也不相同，而且隨著季節(jié)的變換和降雨量不同，污染也不同，但主要污染物是COD、BOD、TN、TP、SS和一些重金屬(Cu、Pb、Zn)。對于這些污染物，采用滲濾作用，通過截留去除顆粒污染物，通過吸附作用去除溶解性的污染物，從而達到雨水徑流資源化的目的。

2 滲濾作用在綠色屋頂工程中的應(yīng)用

綠色屋頂徑流處理措施是指在各種建筑物屋頂、天臺、樓頂?shù)嚷短炱矫嫔箱佈b綠色植物。一般分為兩種：密集型(以供人欣賞和使用為目的，不是低影響開發(fā)的一種措施)和粗放型(以生態(tài)環(huán)境功能為主，目的是對雨洪徑流進行控制、截留和凈化)，后者是西方國家廣泛運用的一種低影響開發(fā)工程措施，也是本文主要的討論對象。綠色屋頂工程措施的標準結(jié)構(gòu)大致相同，一般由綠色植物層、土壤層(培養(yǎng)綠色植物基質(zhì)層)、滲濾層和排水層構(gòu)成[25]，必要時增加防水層和防護層。影響綠色屋頂徑流峰流量消減率和污染物去除率的因素很多，除了天氣和氣候條件等客觀因素外，其本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)與設(shè)計也是非常重要的因素。Bengtsson等[26]的研究表明，綠色屋頂雨水蓄存效果受基質(zhì)層厚度、雨前干燥天數(shù)、降雨強度以及坡度等因素的影響。其中植物的選擇和滲濾層的構(gòu)造是關(guān)鍵,而起主要滲濾作用的是基質(zhì)層和滲濾層，因此對綠色植物的選擇和對基質(zhì)層、滲濾層的優(yōu)化研究是決定綠色屋頂工程措施效果的關(guān)鍵[27]。

2.1 植物的選擇

綠色植物是綠色屋頂最上面的一層，與雨水直接接觸，在滯留雨水的同時又能吸收雨水中的營養(yǎng)物質(zhì)，因此國外很多學(xué)者對綠色植物進行了大量的研究。Clark[28]通過研究發(fā)現(xiàn)，高大植物攔截降雨的能力比低矮的植物或者草坪強。此外，植物的根系結(jié)構(gòu)也會影響基質(zhì)的持水能力。Berndtsson等[29]研究發(fā)現(xiàn)，屋頂徑流雨水中的硝酸鹽氮主要被苔蘚植物吸收和土壤滲濾保留，因此，維護和保養(yǎng)好綠色植物可以保持綠色屋面的凈化效果，并發(fā)現(xiàn)綠色屋頂為污染物質(zhì)尤其是溶解性營養(yǎng)鹽的釋放源。Vanuytrecht等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，草本植物比景天科植物的截留能力更強。Nagase等[31]的研究也顯示景天科植物的截留能力最差。

綜合以上文獻可知，綠色植物一般選擇耐陽、耐旱、易于生長、具有良好適應(yīng)性、根系不發(fā)達并具有一定觀賞價值的植物種類，如八寶景天、垂盆草、佛甲草、紫花地丁等。

2.2 植物基質(zhì)層

Abad等[32]發(fā)現(xiàn)，棕土基質(zhì)的物理性質(zhì)主要取決于粒徑<1 mm的顆粒物，尤其是0.125～1 mm范圍的顆粒物。Beck等[33]對植物基質(zhì)層加入7%的生物炭，發(fā)現(xiàn)其截流能力增加，雨洪峰流量延緩。Graceson等[34]發(fā)現(xiàn)在植物基質(zhì)層中加入粗和細顆粒狀的碎磚屑后，其截留能力和蓄水能力都增強。另有諸多研究發(fā)現(xiàn)，在基質(zhì)層土壤中摻加細小顆粒物的蓄水和凈水能力要強于粗顆粒物，且無論是無機材料還是有機材料的顆粒物對綠色屋頂?shù)慕亓裟芰Χ加杏绊慬27,34-36]。Vijayaraghavan[37]搭建了不同基質(zhì)和排水層的綠色屋頂，發(fā)現(xiàn)徑流中的污染物濃度隨降雨時間的延長而降低，且主要取決于基質(zhì)的性質(zhì)和降雨量。Mentens等[38]的研究證實綠色屋頂基質(zhì)層能有效地減少徑流量,如果一個城市50%的屋頂?shù)玫骄G化，基質(zhì)層厚5 cm，吸水率為50%，那么徑流量將減少12.5%。

綜上所述，基質(zhì)層可以認為是滲濾中的填料層，但又不同于傳統(tǒng)的滲濾填料，它既可以為植物的生長提供養(yǎng)料，又可以去除徑流中的污染物。在基質(zhì)層中摻雜沙子、沸石、碎屑等填料可以增加其滲濾性能。基質(zhì)層的厚度越厚，吸附容量越大，對洪峰的滯留能力越強，在一定的厚度范圍內(nèi)適當調(diào)整基質(zhì)層填料的配比可以大大提高綠色屋頂?shù)臐B濾性能。

2.3 滲濾層

綠色屋頂滲濾層可滲濾掉雨水中的小顆粒物，防止基質(zhì)層泥沙等被雨水沖走堵塞排水管和排水系統(tǒng)。其種類可根據(jù)具體施工環(huán)境而定，一般采用屋頂綠化專用的滲濾土工織布，既透水又能起到滲濾作用，且非常耐用。

滲濾層材料的選擇是綠色屋頂滲濾排水的關(guān)鍵，常用的有砂礫、礫石、陶粒、熔巖、浮石等天然材料。此外，研究者還研究了材料的改性，如嚴飛[39]使用土工合成材料作滲濾層，發(fā)現(xiàn)可保證改良土中細微顆粒在雨水下滲過程中不流失。采用排水板可以將下滲的雨水快速地以平面排水方式排除，保證雨水轉(zhuǎn)輸?shù)男Ч?。防水層保證過量雨水不對結(jié)構(gòu)層造成侵害，保證綠色屋頂?shù)陌踩Ｒ虼?，土工合成材料通過濾、滲、防等措施，保證雨水徑流總量的控制效果。Pérez等[40]使用橡膠屑代替商業(yè)用的多空石材作為排水層材料，降低了能耗。

在綠色屋頂?shù)脑O(shè)計中，滲濾層和植物基質(zhì)層密不可分，是一個有機整體，有報道把這2層直接歸為1個結(jié)構(gòu)，滲濾層的滲透性直接影響種植層排泄雨洪的時間。有研究認為滲濾層也可包括蓄排水層，蓄排系統(tǒng)的正常構(gòu)造、綠化設(shè)計與施工建設(shè)非常重要。因此，綠色屋頂?shù)臐B濾作用在每一個結(jié)構(gòu)中都有體現(xiàn)，只有把握整體才能充分發(fā)揮它的作用。

2.4 其他影響因素

綠色屋頂?shù)钠露取⒓竟?jié)(降水量)以及降水強度都會直接或間接影響滲濾的效果。目前，坡度對滲濾效果的影響尚未見定論。Getter等[35]研究發(fā)現(xiàn)坡度對截留能力影響很大，坡度越小，截留能力越強。Vanwoert等[41]研究了坡度和培養(yǎng)基質(zhì)厚度對綠色屋頂滯留效果的影響，發(fā)現(xiàn)較緩的坡度和較厚的基質(zhì)更有利于雨水的蓄存。綜上所述，綠色屋頂坡度可直接影響滲濾作用的效果，坡度較小時調(diào)蓄效果較好，較大時排水效果較好。在工程應(yīng)用中，設(shè)計坡度一般小于15 °。周賽軍等[42]研究發(fā)現(xiàn)，季節(jié)的變化可以影響綠色屋頂?shù)臏艉蜐B濾效果，相同的植物和基質(zhì)層，夏天可滯留70%～90%的徑流，冬季則只可滯留25%～40%的徑流。Dunnett等[43]通過對比試驗發(fā)現(xiàn)多植物組合種植、增加綠色植物的覆蓋率都會影響綠色屋頂?shù)恼w滲濾效果。綠色屋頂完成安裝之后，適當?shù)木S護措施不僅可以延長其壽命，而且可使其滲濾效果處于最佳狀態(tài)。Harper等[44]研究發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)的類型和綠色屋頂?shù)倪\行時間是影響水質(zhì)的重要因素，運行9個月后，TN和TP從60、30 mg/L下降到10、5 mg/L。

綜合發(fā)現(xiàn)，坡度是影響滲濾效果的一個重要因素，但對坡度的研究尚待深入。筆者認為可以綜合考慮坡度和基質(zhì)層的厚度對滲濾效果的影響，通過不同的厚度和適當?shù)膬A斜坡度結(jié)合達到最優(yōu)滯留和滲濾效果。坡度的設(shè)計可以根據(jù)各地區(qū)年降雨量的強弱而定，年降雨量較大的地區(qū)坡度可較小，年降雨量較小的地區(qū)坡度可較大，以此達到較好的滯留效果。

2.5 污染物的去除

綠色植被在吸收降雨的同時，還可以通過植物吸收、轉(zhuǎn)化和滲濾等作用降低徑流中的污染物濃度，其中去除效果最好的污染物是N，對其他污染物去除的研究尚少。雨水徑流中的污染物大多以顆粒物的形態(tài)存在，因此去除顆粒態(tài)污染物有重要意義[63]。

Carpenter等[45]研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂可以攔截顆粒物，當降雨強度減小時，懸浮顆粒濃度(TSS)會降低。Gnecco等[46]監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂可以去除雨水徑流中的顆粒污染物，金屬離子濃度低于普通屋頂。Berndtsson等[47]研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂可以降低雨水中的TN濃度，但是對TP不但不能使其降低，反而有所增大。Moran等[48]研究發(fā)現(xiàn)，綠色屋頂貢獻了高濃度的TP，這是給綠色植物施加的磷肥所致。Dietz等[49]調(diào)查研究了2種綠色屋頂設(shè)施，發(fā)現(xiàn)TP在降雨初期增加的濃度遠遠大于后期。有研究表明，綠色屋頂在運行一段時間之后，雨水徑流中N、P的濃度會迅速降低。綜合上述研究，可以得出TP增大是磷肥和介質(zhì)中磷的釋放(尤其是溶解性鹽的釋放)導(dǎo)致的。污染物的滯留和釋放很大程度上取決于介質(zhì)的性質(zhì)以及降雨量，因此，要仔細考慮介質(zhì)的選擇[50]。

國內(nèi)這方面的研究不多，王彪等[51]研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物的分布與流量密切相關(guān)，小的顆粒物隨著降雨時間的延長逐步增多至穩(wěn)定，且徑流初期的TP和TN濃度與TSS密切相關(guān)。周賽軍等[42]設(shè)計的蓄水綠色屋頂結(jié)構(gòu)對雨水徑流中的TSS、COD和TN具有明顯的去除效果，去除率分別為(80%～90%)、(50%～70%)和(50%～70%)，只有當進水TP大于0.1 mg/L時，對TP才有去除效果，去除率在40%～70%。

綜上所述，綠色屋頂可以減少徑流量，延長洪峰時間，在一定程度上對雨洪資源進行調(diào)控，主要以攔截顆粒物的物理作用和植物的吸收作用去除污染物。但是植物的吸收作用具有不穩(wěn)定性，有時還可能由于施肥對徑流雨水貢獻部分N、P等污染物。

3 滲濾作用在滲透性路面工程中的應(yīng)用

滲透性路面結(jié)構(gòu)一般分為3層：面層、基層和墊層。每層均具有較大的孔隙率，雨水徑流可以通過面層下滲。目前國內(nèi)外對滲透性路面的設(shè)計方法、峰流量消減、涵養(yǎng)地下水等性能方面的研究已經(jīng)比較深入，但關(guān)于其對顆粒污染物的去除方面的研究較少[52-53]。根據(jù)雨水的滲透形式可以將其分為縫隙滲透和自透水滲透。目前，滲透性路面鋪設(shè)材料有水泥孔磚、塑料網(wǎng)格磚、透水混凝土和透水瀝青，其中為了增強水泥孔磚和塑料網(wǎng)格磚的滲透能力、減緩徑流流速和美化環(huán)境等，一般在空格空隙處填裝砂石或種植綠色植物。為了使孔磚能更好地發(fā)揮凈化雨水的功能，植物需要承受周期性的雨澇及長時間的干旱，像結(jié)縷草、野牛才等比較適合。透水性路面的滲透性能與鋪面材料密切相關(guān)，但其對地表徑流的凈化作用還與地基有關(guān)。

3.1 鋪面材料

面層鋪裝一般分為透水性混凝土路面和透水磚路面。鋪面材料可以根據(jù)不同的需要來選擇，許多研究者通過材料改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高滲透性路面的性能。

Asaeda 等[54]通過大量研究得出透水性路面的填料適宜采用石灰?guī)r破碎的石粉、石灰和粉煤灰。日本一般使用粒徑為13或20 mm的石灰?guī)r礦粉，也可以用水泥代替。粉煤灰在我國產(chǎn)量很大，是適合我國透水性路面的一種添加劑。其內(nèi)部存在大量的Al、Si等活性點，具有多孔結(jié)構(gòu)和比表面積大的特點，可以通過靜電吸附和離子結(jié)合的方式除去雨水地表徑流中的重金屬污染。Berlineanu等[55]研究出新型生態(tài)環(huán)保透水砂漿，可以作為多種透水性路面材料的輔助和補充，其以干燥的石英砂為骨料和德國Degussa公司的Polyoil10為粘合劑制成，以及透水性路面的機械性能和滲透性能，增強了透水性路面的滲濾作用。水泥漿、石英砂及組成材料的性質(zhì)是影響透水混凝土工作性能的主要因素，加入石英砂可以有效地提高其機械強度和地表徑流的流動性。Flyhammar等[56]研究設(shè)計了改性瀝青透水性路面，大大提高了透水性路面的強度和滲濾作用。鋪面材料的配比和優(yōu)化可以去除不同目的污染物，礫石、石英砂、沸石和卵石都是滲透性路面常用的材料。Park等[57]在碎石中摻雜粒徑為5 mm的沸石顆粒，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)對TN、TP的去除率可提高23.5%，沸石和礫石不同配比的透水性路面可以去除徑流中的氨氮。因此，沸石可作為透水性路面的優(yōu)選材料。Suman等[58]發(fā)現(xiàn)將納米材料應(yīng)用到透水性路面可有效地去除地表徑流中的重金屬和多環(huán)芳烴等，并研究了改性納米卵石材料，其對25 mg/L的Pb、Cr溶液的去除率分別為99.48%和98.30%。但是納米卵石作為透水性路面的基層材料的實際應(yīng)用尚少，是今后研究發(fā)展的一個方向。

因此，鋪面材料的選擇不僅是滲濾材料簡單的配比和摻雜，還需要摻雜粘合劑，有時根據(jù)環(huán)境要求需要提高機械強度，此時可以摻雜機械強度較好的礦粉、粉煤灰等。

3.2 污染物的去除

滲透性路面的面層和基層都有去除污染物的功能，目前，這方面的研究主要是針對TSS、TN、TP以及重金屬Cu、Pb、Zn等污染物。

Derek等[59]對4個不同滲透性的停車場進行了研究。研究結(jié)果表明，對于懸浮物的移除，多孔性混凝土路面的效能高于水泥瀝青路面。Rushton[60]通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，滲透性路面可以削減50%的徑流，同時對TSS、TN、TP以及重金屬Cu、Pb、Zn的消減率均高于75%。Dreelin等[61]研究發(fā)現(xiàn)，滲透性路面可大大提高初期雨水徑流的滯留率(為93%)，大大降低雨洪峰流量，同時還可滲濾掉地表徑流中的TSS，大大提高TP的去除率，但對TN的去除率下降。Beecham等[62]研究發(fā)現(xiàn)，滲透性路面可以滲濾掉94%的TSS。Drake等[63]研究發(fā)現(xiàn)，滲透性路面可以攔截至少80%的TSS，對TP和TN的去除率分別為9%～82%和81%～87%，對Cu和Zn的攔截率分別為50%～62%和62%～82%。Kellems等[64]研究發(fā)現(xiàn)，可以利用有機介質(zhì)來加強對地表雨水徑流的凈化作用，對Cu和Zn的去除率達到95%，TSS從310 mg/L下降到62 mg/L，攔截了80%的顆粒污染物。Niu等[65]研究發(fā)現(xiàn)透水性路面對SS的去除率為79.8%～98.6%，對TP和COD的去除率分別為71.2%和24.1%，并發(fā)現(xiàn)基層厚度可以影響滲濾滲透性能。Ahiablame等[7]的研究表明，透水性路面對TSS、TN、TP的消減率分別為58%～94%、10%～78%、>75%。Cipolla等[66]研究了8個滲透性路面的透水速率，發(fā)現(xiàn)最大的滲透速率為137 mm/h，最小的滲透速率為123 mm/h。

綜上所述，透水性路面對污染物的去除主要分為3個方面：一是減輕地表徑流直接排入自然水體引起的有毒物質(zhì)累積；二是通過基層和土壤這2個滲濾結(jié)構(gòu)將顆粒污染物截留；三是透水性路面本身所具有的生態(tài)系統(tǒng)的吸收和凈化降低污染物的濃度。

3.3 阻塞及其恢復(fù)性能

滲透性路面目前存在的主要問題是運行一段時間后容易發(fā)生堵塞，根據(jù)堵塞的過程不同可以分為3種：一是路面沉積物緩慢堵塞；二是漸進堵塞；三是暴雨沖刷地面后大量地面沉積物快速堵塞。Yong等[67]的研究表明，滲透性路面設(shè)計的關(guān)鍵問題是如何保證透水磚在使用過程中不堵塞。滲透性路面堵塞問題需要相關(guān)的技術(shù)支持和鋪設(shè)方法設(shè)計，國內(nèi)外很多研究者做了大量實驗，以考察影響堵塞的因素。

Knowles等[68]的研究表明，透水磚的滲濾孔越小越容易堵塞，這與徑流中顆粒物粒度分布有關(guān)。Haselbach[69]提出在設(shè)計時采用一種滲透率隨著深度增加而增大的透水介質(zhì)來增強雨水滲透能力，以此來保持滲透性路面的滲透性能。Tan等[14]提出通過徑流中顆粒物的粒度分布來確定滲透性路面的堵塞情況，結(jié)合實驗室結(jié)果與實際構(gòu)建經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Wanielista等[70]的研究表明，如果滲透性路面的基層土壤設(shè)計恰當，滲透性材料的鋪設(shè)則可以適應(yīng)較高的徑流負荷。滲透性路面的透水性能與滲透系統(tǒng)和材料的孔隙率有關(guān)，Henderson等[71]研究了同一個透水性路面5個監(jiān)測點的透水系數(shù)，結(jié)果差異很大，說明堵塞具有區(qū)域分布不均勻性。Bean等[72]的研究表明，不論使用什么類型、材料的滲透性路面，都需要定期清掃和維護去除滲透性材料表面的顆粒污染物，否則會大大降低滲透性路面的滲透效果和對污染物的去除能力。Boving等[73]研究發(fā)現(xiàn)，透水性路面大部分污染物都截留在介質(zhì)表層幾厘米范圍內(nèi)，Su等[74]也得出相同的結(jié)論。季節(jié)的交替也會對滲透性路面的滲透性能產(chǎn)生影響，長期的干旱會在地面積累大量的顆粒物，容易堵塞空隙，旱澇交替又容易使地面的顆粒物板結(jié)、堆積，難以清除。因此，透水性路面滲濾效能的喪失主要是由于表層堵塞而不是整個透水路面結(jié)構(gòu)容量的飽和。由于顆粒物堵塞而導(dǎo)致的滲透性下降可以通過日常的維護和管理來解決，在滲透性路面使用過程中，定期清掃、真空抽吸、高壓水沖洗可以延長它的使用周期。

滲透性路面的阻塞問題仍然是影響其廣泛應(yīng)用的重要熱點問題，目前大部分研究還停留在實驗室研究，要應(yīng)用到工程措施中還有很多不確定因素，僅有少部分研究已建成的工程措施堵塞規(guī)律，但對堵塞的原因和恢復(fù)措施得出的結(jié)論尚不統(tǒng)一，缺乏深入的研究。

4 滲濾作用在生物滯留池工程中的應(yīng)用

生物滯留池包括雨水花園、下凹式綠地、雨水濕地和植被淺溝等，它可用于城市道路、停車場、庭院和各類建筑小區(qū)等諸多場所。它在滯留和凈化雨水的同時還能美化環(huán)境，是一項非常適用的分散式生態(tài)型雨水控制與利用技術(shù)。生物滯留池一般由含水層、種植植物層、土壤層、多孔介質(zhì)層(填料層)和底部礫石層(排水層)組成[75]，其中起到滲濾作用的主要是土壤層和填料層，植被層以及植物根系主要起到吸收、轉(zhuǎn)移和降解作用。

4.1 植被層

植被層主要是吸收徑流中N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，不同植物對污染物的吸收去除效果不同。研究發(fā)現(xiàn)，柏油樹、苔草對TN、TP的吸收率可以達90%以上，但是穩(wěn)定性較差，而草原禾木和三葉草對有機物具有良好的吸收效果[76-77]。Srivastava等[78]發(fā)現(xiàn)，狗牙草是脫氮效能較好的功能植物。Payne[79]發(fā)現(xiàn)，麥盧卡樹、苔草、水牛草和燈芯草等對TN的去除效果比較好; Zhang等[80]發(fā)現(xiàn)，薺菜型油菜對TN的吸收效果較好。Read等[81]發(fā)現(xiàn)，植物的種植有利于雨水中TN、TP的吸收，但其去除效果與植物種類和種植密度有關(guān)。Bratieres[77]研究發(fā)現(xiàn)，苔屬植物和白千層屬喬灌木對TP的吸收效果好，吸收率達85%。

綜上所述，選擇植物應(yīng)充分考慮耐水、耐旱特性、根系發(fā)達的本地植物，可以選擇多種植物混合種植，從而增加植被層的滲濾作用，減緩徑流，增加滲透性，維系生物量的穩(wěn)定，延長設(shè)施壽命，減少管理成本，最終提高生物滯留池的運行效果。

4.2 填料層

填料層可以通過吸收和攔截去除顆粒物和污染物，其性能直接影響生物滯留池的滲濾性能，從而影響它的整體運行效果，因此，填料層的設(shè)計至關(guān)重要。Sean等[82]用5%的混凝鋁污泥、3%的碎梗木樹皮、71%的砂土和22%的砂混合作為生物滯留池的填料層，結(jié)果表明，出水中TP濃度小于25 μg· L-1，最大質(zhì)量濃度為70 μg· L-1，去除率達81%。Debusk等[83]以88%的砂、8%的碎屑和4%的有機質(zhì)為填料，填料深度為180 cm，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)生物滯留池可以降低洪峰流量99%，減少徑流量97%。Carpenter[84]重點研究了填料的厚度對凈水效果的影響，發(fā)現(xiàn)填料厚度為1.2 m的出水達標率為80%，而厚度為0.4～0.5 m的出水達標率僅為40%。Hsieh等[85]設(shè)計的雙層填料生物滯留池在原來的低透水性填料層上覆蓋一層高透水性的填料，TP的去除率高達85%，原因是上層透水性高，降低了因截留顆粒污染物而堵塞的風險。王建軍等[86]通過對填料層的優(yōu)化，使用30%的土壤、65%的黃砂和5%的木屑作填料，運行7個月，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的生物滯留池吸附能力增大4倍。Erickson等[87]在填料中添加2%鋼絲，發(fā)現(xiàn)僅2.5 min TP的去除率達到81%，但是出水中Fe的含量增多。

綜上所述，填料對生物滯留池的凈化效果有重要影響，因此，其優(yōu)化組合如介質(zhì)類型、填裝方式、介質(zhì)中添加物的比例和粒徑級配等成為該領(lǐng)域的研究熱點。含砂介質(zhì)價廉又有良好的滲濾性能，具有很強的污染物去除能力，幾乎所有生物滯留池都離不開它，因此得到了廣泛的使用。針對雨水徑流的污染狀況，很多時候需要采用多種填料優(yōu)化組合，才能達到理想的凈化效果。

4.3 污染物的去除

諸多關(guān)于生物滯留池對徑流量的消減率和對污染物的去除率研究如表2所示。生物滯留池可以降低洪峰流量，對TSS、TN和TP等都有較強的去除率，但對TN、TP的去除具有不穩(wěn)定性，有時會出現(xiàn)負值，這主要是施肥和介質(zhì)的氮磷釋放所致。生物滯留池對重金屬的去除研究主要是Cu、Pb、Zn，不同的生物滯留池因為設(shè)計、構(gòu)造、植物和填料的不同，對重金屬的去除效果也不同。

生物滯留池主要通過植物的吸收、土壤的吸附、填料層的滲濾等作用去除溶解性污染物質(zhì)及固體顆粒，達到雨水凈化的效果。凈化后的雨水滲透補充地下水或通過在系統(tǒng)底部設(shè)置穿孔收集管輸送到市政系統(tǒng)或后續(xù)處理設(shè)施。

表2 生物滯留池的徑流消減率和污染物去除率 %

5 結(jié)束語

綠色屋頂、滲透性路面、生物滯留池是雨水徑流資源源頭調(diào)控的主要工程措施。而在這些工程措施中，滲濾作用始終貫穿其中，通過植物的吸收、截留和利用、填料的攔截和吸附作用達到對徑流流量的削減和對污染物的去除，因而被發(fā)達國家廣泛應(yīng)用，對我國已經(jīng)污染的生態(tài)環(huán)境的保護和修復(fù)、緩解我國水資源的供需矛盾和我國正在大規(guī)模實施的海綿城市建設(shè)具有非常實用的指導(dǎo)和借鑒意義。

針對雨水徑流水質(zhì)情況構(gòu)建合適的雨水資源化系統(tǒng)，目前在我國還處在研究起步階段，主要存在以下問題：① 徑流水質(zhì)的研究需要長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)及實地性能研究，耗時耗力；② 我國區(qū)域跨度大，自然條件差別大，不同地區(qū)污染物和污染程度均不同，需要對去除目的污染物的介質(zhì)層進行試驗研究，確定雨水資源化的最佳介質(zhì)；③ 源頭與末端處理有效結(jié)合，源頭處理后經(jīng)過傳送管道到達末端集中處理，整個短流程系統(tǒng)密不可分、相輔相成、互為一體；④ 要考慮城市的可持續(xù)發(fā)展和水資源的可持續(xù)利用。

隨著我國對雨水徑流資源化研究的不斷深入，未來將因地制宜引進新材料、新方法、新工藝，積極引進國外先進技術(shù)。雨水徑流資源化技術(shù)對解決水資源緊張問題具有重要意義。

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