改良型透水鋪裝對(duì)弱透水土質(zhì)地區(qū)的水質(zhì)控制試驗(yàn)

王俊嶺，張智賢，秦全城，馮萃敏，孫麗華，李俊奇

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.天津碧桂園鳳凰酒店有限公司，天津 300357)

透水鋪裝具有促滲、凈化、滯留雨水的作用，有助于緩解城市內(nèi)澇問題，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)水體凈化，降低雨水的徑流污染[1-6]。透水鋪裝能夠有效去除雨水徑流中的污染物,是海綿城市的重要組成部分[7-10]。Fletcher等[11]對(duì)雨水徑流中的污染物進(jìn)行了分類，并以此評(píng)估得到透水鋪裝對(duì)徑流污染物(以SS為主要表現(xiàn)形式)的去除率在40%～90%間；Wilson等[12-13]通過試驗(yàn)證明透水鋪裝可以很好地截留雨水徑流中的烴類污染物和溶解性重金屬；趙現(xiàn)勇等[14]也通過試驗(yàn)得出透水磚、透水草皮磚和透水混凝土3種透水鋪裝形式對(duì)TP、COD、TN等污染物的削減作用各有所長。然而，常規(guī)透水鋪裝僅適用于滲透能力為(0.01～1)×10-2cm/s的土壤，在土壤滲透能力較弱時(shí)其效果并不好[15-17]。本文通過增加滲透導(dǎo)管的方式改良了常規(guī)透水鋪裝的弱透水土基層，并通過試驗(yàn)深入研究改良型透水鋪裝在不同降雨重現(xiàn)期條件下對(duì)弱透水土質(zhì)地區(qū)的截污與凈化能力，可為城市雨水水質(zhì)控制提供更多的可能方案。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置由人工模擬降雨設(shè)備、透水鋪裝試驗(yàn)裝置和監(jiān)測(cè)裝置等組成。土基土樣取自浙江嘉興，嘉興地區(qū)正常水位以上的土層大多屬于淤泥質(zhì)黏土，其顯著特點(diǎn)是土壤滲透能力差，降雨容易形成地面徑流。嘉興是我國典型的弱透水土質(zhì)地區(qū)，其土壤滲透系數(shù)僅為1×10-5cm/s左右，同時(shí)又是我國第一批試點(diǎn)建設(shè)的“海綿城市”之一，因此以采自嘉興的土樣作為試驗(yàn)裝置的土基部分，研究改良型透水鋪裝在弱透水土質(zhì)地區(qū)對(duì)雨水徑流污染的水質(zhì)控制效果，具有很好的代表性。

1.1 人工模擬降雨設(shè)備

試驗(yàn)采用人工降雨模擬的方法，通過疊加噴灑式降雨設(shè)備，可在設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)模擬一定強(qiáng)度的降雨，通過中央控制系統(tǒng)可以控制降雨歷時(shí)和不同降雨強(qiáng)度。

1.2 透水鋪裝試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)共設(shè)3種路面形式，其組成見表1。制作路面試驗(yàn)裝置所需材料主要有水泥、骨料、減水劑、孔徑為0.15～0.2 mm土工透水織布、黏土土樣、滲透導(dǎo)管(PVC聚氯乙烯管)等。土工透水織布的孔徑選用0.15～0.2 mm是根據(jù)對(duì)沉積物樣品的粒徑分析結(jié)果得到的。

表1 試驗(yàn)裝置的組成

a. 普通路面試驗(yàn)裝置。鑒于普通路面的不透水特性，故只設(shè)置面層部分，裝置尺寸為500 mm×500 mm×350 mm，外殼采用鋼板制作，在裝置頂部設(shè)置20 mm的溢流口并安裝直徑20 mm的閥門，如圖1所示。

圖1 普通路面試驗(yàn)裝置(單位：mm)

b. 常規(guī)透水鋪裝試驗(yàn)裝置。如圖2所示，常規(guī)透水鋪裝試驗(yàn)裝置由面層、基層、墊層和土基層組成，各結(jié)構(gòu)層厚度分別為200 mm、250 mm、2 mm和300 mm。各結(jié)構(gòu)層底和裝置路面之上分別設(shè)置直徑20 mm的取樣口(溢流口)和閥門，與取樣口相連的為直徑20 mm的穿孔鋼管。

圖2 常規(guī)透水鋪裝試驗(yàn)裝置(單位：mm)

c. 改良型透水鋪裝試驗(yàn)裝置。 改良型透水鋪裝(圖3)通過增加滲透導(dǎo)管的方式改良了常規(guī)透水鋪裝的土基層，其中設(shè)置4根滲透導(dǎo)管，用土工透水織布包裹，滲透導(dǎo)管間相距150 mm，導(dǎo)管外圍為原土基土壤。滲透導(dǎo)管為PVC聚氯乙烯管，管徑100 mm，管壁上每隔25 cm開孔一圈(8個(gè))，開孔直徑6 mm，開孔率為31.68%。該試驗(yàn)裝置由面層、基層、墊層、含滲透導(dǎo)管的促滲層和土基層組成，各結(jié)構(gòu)層厚度分別為200 mm、250 mm、2 mm、300 mm和100 mm。各結(jié)構(gòu)層底和路面之上設(shè)置直徑20 mm的取樣口(溢流口)，為方便取樣，每個(gè)取樣口分別設(shè)置閥門。改良型透水鋪裝與常規(guī)透水鋪裝不同之處在于促滲層中安裝了4根滲透導(dǎo)管。促滲層是改良型透水鋪裝適應(yīng)弱透水土質(zhì)地區(qū)的關(guān)鍵部分，也可看作是改良后的土基層。

圖3 改良型透水鋪裝試驗(yàn)裝置(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)方案

透水鋪裝能夠去除的粒徑范圍大致在(0.01～1) × 10-2cm，為了使試驗(yàn)裝置路面徑流各污染物濃度接近于嘉興實(shí)際路面，專門收集嘉興雨水管道沉積物作為布撒土樣，同時(shí)對(duì)布撒土樣進(jìn)行粒度測(cè)定。將采集自嘉興市區(qū)雨水系統(tǒng)的沉積物樣品經(jīng)過風(fēng)干、篩分等預(yù)處理后，采用馬爾文激光粒度儀(Malvern-MS2000)進(jìn)行粒度分析，結(jié)果表明沉積物樣本的粒徑主要分布在150～400 μm之間，中值粒徑為275 μm，基本符合SS的粒徑范圍。

1.3.1試驗(yàn)步驟

模擬重現(xiàn)期為2 a、降雨強(qiáng)度為1.028 mm/min、降雨歷時(shí)為60 min條件下，含滲透導(dǎo)管的改良型透水鋪裝對(duì)弱透水土質(zhì)雨水徑流中以SS為主要載體的COD、TP、TN和以Cu2+為代表的重金屬離子等典型污染物的去除規(guī)律和效果。試驗(yàn)步驟如下：

a. 在試驗(yàn)裝置路面上均勻布撒100 g采自嘉興雨水管道的沉積物樣品，用來模擬路面初期雨水徑流中的污染物。

b. 將普通路面、常規(guī)透水鋪裝、改良型透水鋪裝試驗(yàn)裝置的所有取樣口和溢流口分別連接到100 mL取樣瓶中，并對(duì)取樣瓶進(jìn)行分類標(biāo)記。

c. 人工降雨系統(tǒng)開始降雨，當(dāng)路面產(chǎn)生徑流時(shí)開始計(jì)時(shí)，分別在0 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min時(shí)刻取樣。

d. 對(duì)所取樣品進(jìn)行污染物指標(biāo)檢測(cè)，并分析檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3.2污染物分析方法

為保障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，將獲取的水樣交由北京市環(huán)境保護(hù)檢測(cè)中心測(cè)定?；诮涤晁俾实哪：裕覠o法準(zhǔn)確回收裝置內(nèi)去除的懸浮物，在分析處理COD、TP、TN和Cu2+等污染物指標(biāo)的監(jiān)測(cè)成果時(shí)，以進(jìn)水、出水的污染物質(zhì)量濃度ρ進(jìn)水、ρ出水來計(jì)算試驗(yàn)裝置對(duì)各污染物指標(biāo)的去除率η，計(jì)算公式為

(1)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 徑流污染物質(zhì)量濃度變化

COD、TN、TP和Cu2+等徑流污染物的質(zhì)量濃度變化如圖4所示。觀察試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，普通路面試驗(yàn)裝置內(nèi)產(chǎn)生“內(nèi)澇”現(xiàn)象，雨水很快布滿整個(gè)裝置上層并溢出，而常規(guī)透水鋪裝和改良型透水鋪裝并沒有出現(xiàn)溢流現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示，3種試驗(yàn)裝置路面徑流污染物指標(biāo)均有一定程度的下降。普通路面因其不滲透，本身對(duì)雨水徑流并無除污效果，分析污染物質(zhì)量濃度下降的原因，一是隨著降雨量增大，雨水的沖刷效應(yīng)帶走部分粒徑較大的污染物顆粒并直接溢出，稀釋了路面的污染物；二是雨水不會(huì)下滲，裝置內(nèi)雨水排泄不及時(shí)產(chǎn)生“內(nèi)澇”現(xiàn)象，流態(tài)紊亂，部分較大顆粒沉淀后又被再度沖起，最終被沖出裝置表面。

圖4 不同試驗(yàn)裝置徑流污染物質(zhì)量濃度變化

弱透水土質(zhì)條件下3種試驗(yàn)裝置路面徑流中COD、TN、TP和Cu2+的質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)大致相同，均隨降雨歷時(shí)的增加而減小。其中改良型透水鋪裝路面徑流污染物質(zhì)量濃度下降最快，COD、TN、TP和Cu2+分別由降雨初期的266.52 mg/L、12.18 mg/L、0.84 mg/L和1.15 mg/L下降到降雨末期的33.91 mg/L、2.48 mg/L、0.27 mg/L和0.17 mg/L，去除率分別為87.28%、71.43%、67.86%和79.13%?？梢姼牧夹屯杆佈b能夠有效削減雨水徑流中的污染物。相比常規(guī)透水鋪裝路面，在弱透水土質(zhì)條件下，改良型透水鋪裝路面對(duì)4種污染物的去除能力分別提升了11.87%、27.61%、9.17%和29.02%，對(duì)Cu2+的去除效果提升幅度最大。

2.2 不同結(jié)構(gòu)層對(duì)徑流污染物的去除效果

2.2.1對(duì)COD的去除效果

從圖5可以看出，不同鋪裝的結(jié)構(gòu)層對(duì)徑流中COD均有去除效果，其中常規(guī)透水鋪裝和改良型透水鋪裝的面層對(duì)COD的去除率分別從徑流初期的8.72%和11.96%增大到徑流末期的69.86%和71.81%，基層對(duì)COD的去除率分別從徑流初期的11.00%和16.13%增大到徑流末期的67.45%和71.86%。相比常規(guī)透水鋪裝，改良型透水鋪裝的面層和基層對(duì)COD的去除能力增幅約2%～4%。由圖5(c)可見，弱透水土質(zhì)條件下，促滲層對(duì)透水鋪裝面層和基層的COD去除效果也有所促進(jìn)，其原因可能是含滲透導(dǎo)管的促滲層改善了土壤的滲透能力，使得改良型透水鋪裝對(duì)COD的整體去除能力也得到了加強(qiáng)?？梢钥吹接晁聺B經(jīng)過改良型透水鋪裝的促滲層后，雨水中的COD質(zhì)量濃度由降雨初期的121.18 mg/L下降到降雨末期的33.91 mg/L，去除率在72%左右。

2.2.2對(duì)TN和TP的去除效果

弱透水土質(zhì)條件下各裝置結(jié)構(gòu)層對(duì)TN和TP的去除規(guī)律如圖6、圖7所示。常規(guī)透水鋪裝面層和基層對(duì)TN的去除率分別為34.28%和28.96%，明顯弱于對(duì)TP的去除率(42.67%和46.67%)。分析原因，TN在雨水徑流中主要以硝酸鹽的形式存在，常規(guī)透水鋪裝的面層和基層分別采用透水混凝土和級(jí)配碎石材料，對(duì)硝酸鹽具有一定的截留作用。由于透水混凝土面層孔隙率較小，因此在降雨階段對(duì)于TN的截留作用將先于基層達(dá)到飽和。當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)層截留能力均接近飽和后，TN的去除率就會(huì)顯著降低，由圖6也不難看出TN質(zhì)量濃度曲線在整個(gè)降雨過程中波動(dòng)明顯。改良型透水鋪裝促滲層成為去除TN的主要結(jié)構(gòu)層，對(duì)TN的去除率約為46.67%。可能是因?yàn)闈B透導(dǎo)管在改善弱透水土壤滲透和吸附能力的同時(shí)也為TN在以沙和土壤為滲濾介質(zhì)的透水鋪裝中進(jìn)行的反硝化反應(yīng)提供了缺氧條件。反硝化細(xì)菌以有機(jī)碳源為電子供體將更多的NO3-N還原為氮?dú)猓瑥亩沟肨N總量大幅減少。

兩種透水鋪裝各結(jié)構(gòu)層對(duì)TP的去除率均在40%～60%之間，其中常規(guī)透水鋪裝中的基層和改良型透水鋪裝中的促滲層分別為兩種裝置去除TP的主要結(jié)構(gòu)層。同TN的去除規(guī)律相似，常規(guī)透水鋪裝面層和基層對(duì)于以SS為載體的TP，多通過截留吸附作用在雨水徑流下滲的過程中去除。當(dāng)截留能力接近飽和后，對(duì)TP的去除也受到影響，因此去除率一直徘徊在50%左右。改良型透水鋪裝促滲層對(duì)TP的去除率達(dá)到了59%，其原因可能是滲透導(dǎo)管改善了土壤滲透能力的同時(shí)，也為促滲層中的聚磷菌等去除TP的細(xì)菌提供了合適的反應(yīng)條件，使得TP質(zhì)量濃度大幅降低。

2.2.3對(duì)重金屬離子的去除效果

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，弱透水土質(zhì)條件下，常規(guī)透水鋪裝及改良型透水鋪裝各結(jié)構(gòu)層對(duì)Cu2+、Zn2+、Pb2+等重金屬離子的去除規(guī)律基本一致。以不同結(jié)構(gòu)層對(duì)Cu2+的去除效果為例，去除規(guī)律曲線如圖8所示。

常規(guī)透水鋪裝面層和基層對(duì)Cu2+的去除率分別為55.91%和70.15%；而改良型透水鋪裝面層、基層和含滲透導(dǎo)管的促滲層對(duì)Cu2+的去除率分別達(dá)到了59.26%、73.58%和71.19%?？梢娀鶎邮莾煞N透水鋪裝去除Cu2+能力最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)層。

圖5 不同結(jié)構(gòu)層COD質(zhì)量濃度變化

圖6 不同結(jié)構(gòu)層TN質(zhì)量濃度變化

圖7 不同結(jié)構(gòu)層TP質(zhì)量濃度變化

圖8 不同結(jié)構(gòu)層Cu2+質(zhì)量濃度變化

改良型透水鋪裝中的促滲層增強(qiáng)了面層和基層兩大結(jié)構(gòu)層對(duì)Cu2+去除效果。相比常規(guī)透水鋪裝的面層和基層，其對(duì)Cu2+的去除率分別提高了3.35%和3.43%。分析原因，改良型透水鋪裝中的促滲層改良了弱透水土質(zhì)的滯蓄能力，同時(shí)使得透水鋪裝對(duì)徑流污染物的去除作用增強(qiáng)，更多的重金屬離子在下滲中得以去除。

2.3 不同降雨重現(xiàn)期條件下的污染物去除規(guī)律

為使監(jiān)測(cè)結(jié)果更具代表性，基于嘉興市暴雨強(qiáng)度公式并借助人工模擬降雨設(shè)備分別補(bǔ)充重現(xiàn)期為1 a和5 a、降雨強(qiáng)度為0.94 mm/min和1.338 mm/min、降雨歷時(shí)為60 min的降雨試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)并記錄不同降雨重現(xiàn)期條件下改良型透水鋪裝試驗(yàn)裝置對(duì)COD、TN、TP和Cu2+的去除情況，結(jié)果見圖9。

降雨重現(xiàn)期分別為1 a、2 a和5 a條件下，改良型透水鋪裝在相同降雨歷時(shí)(60 min)內(nèi)對(duì)COD、TN、TP和Cu2的去除效果隨著降雨重現(xiàn)期的增大而減弱，其中以5 a重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度對(duì)徑流水質(zhì)控制的干擾最大。分析其原因，主要是雨水徑流系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，雨水沖刷紊亂影響了透水鋪裝對(duì)小粒徑SS的截留效果，進(jìn)而影響到了透水鋪裝整體對(duì)各污染物的截留和吸附。以1a重現(xiàn)期條件下的水質(zhì)控制效果為最優(yōu)，降雨末期COD、TN、TP和Cu2+的質(zhì)量濃度分別下降了88.87%、76.25%、70.88%和82.57%?？梢娸^小的降雨強(qiáng)度有利于改良型透水鋪裝的水質(zhì)控制效果。

3 結(jié) 論

a. 面層和基層是去除污染物的主要結(jié)構(gòu)層，其中常規(guī)透水鋪裝的面層和基層對(duì)COD、TN、TP和Cu2+總的去除率在28.96%～71.81%之間，改良型透水鋪裝的面層和基層對(duì)4種污染物的去除效果更穩(wěn)定。降雨末期對(duì)4種典型污染物的去除率在42.67%～72%之間，改良型透水鋪裝中的促滲層(改良后的土基層)還能夠額外吸收一部分污染物?？偟膩碚f，弱透水土質(zhì)條件下，相比常規(guī)透水鋪裝，改良型透水鋪裝在降雨末期對(duì)COD、TN、TP和Cu2+的去除效果分別提升了11.87%、27.61%、9.17%和29.02%。

b. 受降雨強(qiáng)度的影響，雨水沖刷紊亂影響了透水鋪裝對(duì)小粒徑SS的截留，透水鋪裝對(duì)COD、TN、TP和Cu2+的去除效果也隨著降雨重現(xiàn)期的增大而減弱。以1a重現(xiàn)期條件下改良型透水鋪裝的水質(zhì)控制效果為最優(yōu)，降雨末期COD、TN、TP和Cu2+的質(zhì)量濃度分別下降了88.87%、76.25%、70.88%和82.57%。較小的降雨強(qiáng)度有利于透水鋪裝對(duì)COD、TN、TP和Cu2+的去除。