以生態(tài)景觀基材構(gòu)成的石籠對雨水滯留與凈化效果研究

□文 /紀(jì)慧宇

石籠原本指的是為防止河岸或構(gòu)造物受水流沖刷而設(shè)置的裝填石塊的籠子，已經(jīng)成功地應(yīng)用在了水利、公路、鐵路、堤防的保護(hù)工程中。隨著卵石日益減少，替代卵石的人工材料作為一種新型的功能材料，適應(yīng)市場需求發(fā)展起來。新型的石籠結(jié)構(gòu)除了代替?zhèn)鹘y(tǒng)卵石，應(yīng)用于水利、公路、鐵路等工程外，還應(yīng)用于景觀工程、水生態(tài)治理等方面，填充物也由原來自重大、性能單一的卵石轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量可調(diào)節(jié)、功能多樣化的新型材料。本文以生態(tài)景觀基材為石籠填充基質(zhì)，研究以此構(gòu)成的大體積石籠在雨水生態(tài)方面對雨水滯留和凈化效果的研究。

1 試驗(yàn)材料

生態(tài)景觀基材是一種以水泥為膠凝材料，以活性炭、固體廢棄物、多孔介質(zhì)等為摻入物，通過特殊的發(fā)泡工藝，經(jīng)降堿處理制成的產(chǎn)品?；谋砻娣禄鹕綆r肌理，多孔質(zhì)輕，吸水保水，可綠植，見圖1。

圖1 生態(tài)景觀基材

基材具有火山巖所具有的美觀、吸音降噪、吸水阻熱、吸附雜質(zhì)等功能，有益于改善微環(huán)境，尤其其獨(dú)特的呼吸功能能夠調(diào)節(jié)空氣濕度，改善生態(tài)環(huán)境。因基材本身特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，使得其滲水快，可使雨水快速滲入內(nèi)部；內(nèi)部水流通道彎曲反復(fù)，可有效的滯留雨水；滯留的雨水可被基材的多孔有效吸儲(chǔ)；通過特殊的孔隙結(jié)構(gòu)、添加的活性炭等成分有效的吸儲(chǔ)凈化雨水；通過植物的種植，充分利用吸儲(chǔ)的水分，吸水飽和后，排出多余水分。

生態(tài)景觀基材技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 生態(tài)景觀基材技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于天津市武清區(qū)某基地，屬溫帶季風(fēng)氣候，平均氣溫12℃/a，平均降雨量606 mm/a，近年來雨水偏多，降雨集中在7—9月。

2.2 石籠試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證石籠構(gòu)造的立體高度和穩(wěn)定性，內(nèi)部設(shè)計(jì)了承重構(gòu)造柱，石籠結(jié)構(gòu)厚600 mm、高2 400 mm，寬2 400 mm，網(wǎng)格尺寸60 mm×80 mm。見圖2。

圖2 石籠設(shè)計(jì)

選擇直徑為40～100 mm的填充基材，填充體積為39%。石籠填充基材后，自上而下每隔200 mm設(shè)計(jì)一個(gè)雨水收集裝置。模擬 5、10、15、20、25 mm/h 五組不同強(qiáng)度的降雨條件下，石籠不同高度的出水量及出水總用時(shí)，用以分析石籠結(jié)構(gòu)對雨水滯留時(shí)間的影響。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際降雨情況，在2016年5—10月期間選擇五次不同強(qiáng)度降雨，檢測降雨前后，不同厚度石籠對雨水 pH、COD、BOD5、總氮、總磷、氨氮等的影響[1]。

水樣數(shù)據(jù)監(jiān)測分析方法見表2。

表2 雨水監(jiān)測指標(biāo)及分析方法

3 結(jié)果與分析

3.1 石籠對雨水滯留時(shí)間的影響

不同模擬降雨強(qiáng)度條件下，降雨10 h，石籠結(jié)構(gòu)對雨水滯留時(shí)間的影響見表3。

表3 不同降雨強(qiáng)度下不同厚度石籠出水時(shí)間與出水穩(wěn)定時(shí)間

從表3可以看出：隨著降雨強(qiáng)度的提高，石籠同一厚度對雨水的滯留時(shí)間逐漸縮短。主要由于降雨強(qiáng)度越大，基材吸水飽和時(shí)間越短，滯留時(shí)間相應(yīng)縮短；隨著降雨強(qiáng)度的增加，初始出水時(shí)間與穩(wěn)定出水時(shí)間間隔逐漸增大，但是隨著石籠厚度的增加，初始出水時(shí)間和穩(wěn)定出水時(shí)間間隔逐漸趨于穩(wěn)定。這說明當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，受限于基材吸水速率的影響，部分雨水未來得及完全吸收，形成徑流，流入監(jiān)測區(qū)域和石籠下部。但是石籠結(jié)構(gòu)起到了很好的延緩和吸收雨水的作用，隨著石籠厚度的增加，雨水逐漸完全被基材吸收，起到了滯留雨水的作用[2]。

3.2 對雨水pH值的影響

監(jiān)測五次不同自然降雨條件下，雨水經(jīng)過石籠后pH值變化情況見圖3。

圖3 不同降雨條件下pH隨滲透深度變化

從圖3可以看出，觀測區(qū)pH值在5.4～6.8之間且隨著降雨量的增加，雨水pH值變化并不明顯。這說明該區(qū)域內(nèi)雨水多為弱酸雨。

但是經(jīng)過石籠過濾后，pH值逐漸提高并最終穩(wěn)定在7～7.2，這說明石籠能夠有效改善弱酸雨情況。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小（23、42 mm/h）時(shí)，雨水經(jīng)過石籠20 cm的過濾能夠使得pH值迅速上升至7～7.2；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大（120、187 mm/h）時(shí)，pH 值增速開始較緩，隨著滲透深度的增加，pH值增速加快并穩(wěn)定在7～7.2之間。這說明當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，基材能夠快速吸納雨水進(jìn)行過濾，使得pH值迅速提升；當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，受限于基材吸水速率的影響，使得部分雨水未進(jìn)行充分過濾，沿著基材結(jié)構(gòu)間的空隙滲流下去，流入雨水收集裝置，致使測試pH值偏低；但是隨著滲濾深度的增加，雨水得到充分過濾，pH值最終穩(wěn)定在7～7.2。雨水經(jīng)過石籠pH值有所升高，主要是因?yàn)榛囊运酁槟z凝材料，遇到弱酸性雨水，能夠發(fā)生中和反應(yīng)，使得雨水pH值有所升高。

3.3 石籠對雨水中SS的去除效果

不同降雨條件下，石籠結(jié)構(gòu)對雨水懸浮物去除效率的影響見圖4。

從圖4可以看出：雨水懸浮物濃度最高達(dá)到109 mg/L，最低為 37 mg/L，多數(shù)時(shí)期處于 35～65 mg/L；雨水經(jīng)石籠過濾后，懸浮物濃度迅速降低至10 mg/L以下。這說明基材構(gòu)成的石籠結(jié)構(gòu)能夠有效實(shí)現(xiàn)雨水懸浮物的過濾和凈化，滿足地表水和生活雜用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，石籠過濾能力有限，使得石籠過濾懸浮物的速率有所降低；隨著過濾深度的增加，凈化效率逐漸提高，最終使得濃度降低到3～5 mg/L，這主要是因?yàn)榛谋旧韮?nèi)部存在大量的連通、半連通孔隙，孔徑通道彎曲反復(fù)，有效地減緩了雨水下滲時(shí)間，提高了雨水在基材內(nèi)的滯留時(shí)間，促使懸浮物沉淀、吸附在基材孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了雨水懸浮物的凈化。

圖4 不同降雨條件下雨水SS含量隨滲透深度變化

當(dāng)自然降雨條件下雨水中懸浮物較多時(shí)，石籠能夠快速的降低水中懸浮物含量，但是當(dāng)雨水中懸浮物含量逐漸降低時(shí)，石籠對雨水中懸浮物的過濾有限。這主要是因?yàn)榛膬?nèi)含有的大孔徑結(jié)構(gòu)無法對雨水中懸浮物實(shí)現(xiàn)完全的過濾。

3.4 石籠對雨水中氨氮的去除效果

監(jiān)測五次不同自然降雨條件下，雨水經(jīng)過石籠后氨氮含量變化情況見圖5。

圖5 不同降雨條件下雨水氨氮含量隨滲透深度變化

從圖5可以看出，雨水經(jīng)石籠過濾后，氨氮含量逐漸降低且隨著雨水向下滲透深度的增加，氨氮含量逐漸降低，最低可達(dá)到1.1 mg/L。這說明基材能夠有效吸附雨水中氨氮成分，主要是因?yàn)榛膬?nèi)含有的沸石顆粒和活性炭成分能對氨氮起到很好的吸附作用[3]。

3.5 石籠對雨水中總氮的去除效果

監(jiān)測五次不同自然降雨條件下，雨水經(jīng)過石籠后總氮含量變化情況，見圖6。

圖6 不同降雨條件下雨水總氮含量隨滲透深度變化

從圖6可以看出，雨水總氮濃度分布范圍在4.09～17.76 mg/L，離散性比較大；濃度隨降雨強(qiáng)度的變化也沒有明顯的遞減規(guī)律，其中87 mm降雨時(shí)伴有頻繁雷電現(xiàn)象，總氮含量相對其他四次降雨急劇增加，42 mm降雨也伴有強(qiáng)雷電天氣，總氮含量也相對較高；雨水經(jīng)過石籠結(jié)構(gòu)，隨著向下滲透深度的增加，雨水中的總氮含量逐漸降低，最低可達(dá)到0.4 mg/L。這是因?yàn)槭\基材內(nèi)含有的沸石和活性炭成分，對滲入基材的雨水中的總氮起到了很好的吸附作用。

4 結(jié)論

1）石籠能夠有效地起到滯留雨水的效果。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，受限于基材本身吸水速率的影響，基材表面未吸收的雨水會(huì)向下形成徑流，但是隨著石籠厚度的增加，雨水會(huì)逐漸被下層基材吸收，起到對雨水的滯留效果。試驗(yàn)條件下模擬了最高10 h、250 mm的降雨能夠被高度為1.2 m的石籠完全吸納。

2）石籠能夠?qū)υ囼?yàn)地區(qū)弱酸雨環(huán)境起到明顯的改善作用，提高雨水pH值至7～7.2。這主要因?yàn)榛囊运酁槟z凝材料，能夠有效提高雨水pH值。

3）石籠對雨水中的懸浮物具有明顯的去除效果。自然降雨條件下，雨水中的懸浮物含量呈逐漸降低的趨勢。雨水經(jīng)過石籠后，懸浮物能夠被基材過濾，凈化效率最高達(dá)到96.3%。這主要是基于基材本身的多孔結(jié)構(gòu)，能夠?qū)τ晁械膽腋∥锲鸬接行У匚蘸蛿r截，降低雨水中的懸浮物含量。

4）石籠對雨水中的氨氮具有明顯的去除效果。自然降雨條件下，雨水中氨氮濃度隨著降雨時(shí)間的增加，濃度呈現(xiàn)降低的趨勢。雨水經(jīng)過石籠后，基材內(nèi)摻入的沸石和生物炭對氨氮起到了吸納作用，降低了雨水中的氨氮含量。

5）石籠對雨水中的總氮具有明顯的去除效果。自然降雨條件下，雨水中總氮濃度隨著降雨時(shí)間的增加，呈現(xiàn)不規(guī)律變化。這主要是雷電天氣影響了雨水中氨氮的濃度。但雨水經(jīng)過石籠后，基材內(nèi)摻入的沸石和生物炭對總氮起到了吸納作用，降低了雨水中的總氮含量。