透水鋪裝系統(tǒng)在低影響開(kāi)發(fā)海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用

張子一

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

人類(lèi)活動(dòng)加劇，不斷開(kāi)發(fā)和利用水資源的同時(shí)向水體排放污染物，給水環(huán)境施加了源源不斷的壓力，導(dǎo)致水資源生態(tài)問(wèn)題日益突出，在當(dāng)前緊張的水資源條件下，“海綿城市”概念的提出，為緩解城市水資源短缺，強(qiáng)化雨水的回收利用提供了新思路。用透水材料替代傳統(tǒng)硬質(zhì)路面不僅可以緩解強(qiáng)降雨引發(fā)的城市內(nèi)澇問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)對(duì)雨水的調(diào)控和利用，可以改善城市的水文循環(huán)現(xiàn)狀[1]，契合“滲、滯、蓄、凈、用、排”的海綿城市建設(shè)理念，因此是低影響開(kāi)發(fā)海綿城市的重要措施[2-3]。

1 透水鋪裝系統(tǒng)的生態(tài)功能與內(nèi)涵

1.1 提高城市蓄水能力，降低城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)城市道路多采用硬質(zhì)材料進(jìn)行敷設(shè)以加快城市化建設(shè)，因此當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，地表徑流的驟增致使城市排水管網(wǎng)無(wú)法及時(shí)疏導(dǎo)雨水，從而導(dǎo)致城市內(nèi)澇的困局。通過(guò)敷設(shè)透水材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬質(zhì)路面使雨水由經(jīng)透水材料內(nèi)部孔隙滲入地下，一方面補(bǔ)充了地下水，提高了城市的蓄水能力和雨水疏導(dǎo)能力，減小了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面打破了傳統(tǒng)城市建設(shè)中“以排為主”的雨水管網(wǎng)建設(shè)理念[4]。同時(shí)，這種對(duì)雨水的天然處理方式使城市水文循環(huán)系統(tǒng)得到了完善。研究表明，透水材料的鋪設(shè)使城市地表徑流量和洪峰分別降低30%～80%和7%～70%，有效地緩解了城市管網(wǎng)的泄洪壓力[5]。

1.2 低影響開(kāi)發(fā)海綿城市雨水系統(tǒng)

低影響開(kāi)發(fā)指通過(guò)分散的，小規(guī)模的源頭控制機(jī)制和設(shè)計(jì)技術(shù)，控制暴雨徑流和污染，使該區(qū)域的水文循環(huán)盡可能的接近未開(kāi)發(fā)狀態(tài)[6]。透水鋪裝系統(tǒng)正是利用材料內(nèi)部孔隙將雨水滲透至地下，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的天然式處理。不僅契合低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)海綿城市的要求，而且這種從源頭上控制、收集、儲(chǔ)存雨水的方式規(guī)避了硬質(zhì)路面對(duì)城市水文循環(huán)不完善的缺陷，從建設(shè)海綿城市的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，透水材料的鋪設(shè)也是很多發(fā)達(dá)國(guó)家建設(shè)低影響開(kāi)發(fā)海綿城市首要選擇。日本東京地區(qū)在敷設(shè)透水材料后，使城市雨水的出流率從51.8%降低到5.4%[7]。

1.3 補(bǔ)充地下水資源，緩解地下水污染

下滲到土壤層結(jié)構(gòu)的雨水經(jīng)透水鋪裝材料的層層過(guò)濾，將跟雨水混合的路面油污，清潔型溶劑，車(chē)輛廢氣廢渣有效的截留在面層內(nèi)部，防止對(duì)地下水造成污染[8]。

Meysam等[9]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝系統(tǒng)可去除地表徑流中79%的氨氮和12%硝態(tài)氮，對(duì)地表徑流中懸浮顆粒物SS的去除率近100%，基本實(shí)現(xiàn)完全去除。Zhang等[10]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)瀝青混凝土路面相比，透水混凝土路面對(duì)氨氮、亞硝態(tài)氮及有機(jī)氮的去除效果更好，并推測(cè)在透水材料內(nèi)部可能發(fā)生的硝化反應(yīng)，使出水氮含量降低。Jennifer 等[11]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，透水瀝青路面內(nèi)更容易吸附截留地表徑流中的懸浮顆粒物，在截留SS的過(guò)程中，對(duì)有機(jī)氮的去除率增加了35%～45%，并且透水混凝土路面可以去除地表徑流中90%的SS[12]。秦余朝[13]研究發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝對(duì)SS的去除效果主要發(fā)生在材料面磚層，對(duì)氨氮等污染物的去除主要發(fā)生在面層以下的結(jié)構(gòu)，當(dāng)降雨量增大時(shí)，氨氮的去除率也逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；且透水材料對(duì)污染物的去除率隨進(jìn)水污染負(fù)荷的提高而增加。

透水鋪裝系統(tǒng)在去除地表徑流中的部分N、P與SS的同時(shí)，還可降低一定程度的重金屬污染。Laurent等[14]研究發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝系統(tǒng)可去除20%～99%的Cu2+、74%～99%的Pb2+以及的Zn2+。劉月琴等[15]研究發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝材料對(duì)金屬離子、有機(jī)物、SS、COD 、氮磷等污染物的去除率約為 40 %～90 %，其中對(duì)Cu、Pb、Zn 和 Ca 等金屬離子的去除效果尤其顯著，平均可達(dá) 90 %左右，且重金屬離子去除率與降雨強(qiáng)度之間沒(méi)有明確的線性關(guān)系。

Jiang 等[16]研究表明，透水鋪裝系統(tǒng)可去除地表徑流中95%石油和65%動(dòng)植物油。周利睿等[17]研究發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)路面油污的去除率可達(dá) 98% ，同時(shí)推測(cè)，有機(jī)污染物經(jīng)過(guò)透水材料各個(gè)面層，在面層內(nèi)部可能發(fā)生過(guò)濾，物質(zhì)交換，物理化學(xué)吸附和微生物作用，從而降低了出水的有機(jī)污染物含量。Wei等[18]推測(cè)，由于相比于動(dòng)植物油，石油具有更大的相對(duì)分子質(zhì)量，分子間范德華力更大，物理吸附效果更強(qiáng)，更容易被截留在面層內(nèi)部，因此透水鋪裝材料對(duì)石油的去除效果更好。

王俊嶺等[19]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量增加時(shí)，透水混凝土系統(tǒng)對(duì) COD 的去除率也隨之提高；且面層與基層是透水鋪裝系統(tǒng)去除污染物的主要層結(jié)構(gòu)，透水鋪裝系統(tǒng)面層和基層對(duì)COD、氮磷和Cu2+總的去除率大約在 28.96%～71.81%之間，且降雨重現(xiàn)期越大，污染物的總?cè)コ试叫?，因此總結(jié)出，當(dāng)降雨強(qiáng)度較小時(shí)，更利于污染物的去除。宋秋霞等[20]研究發(fā)現(xiàn)，透水瀝青系統(tǒng)內(nèi)部孔隙率與大小影響系統(tǒng)對(duì) COD 的去除效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)COD去除率與透水瀝青孔隙率存在線性關(guān)系，并且孔隙率在 12.1% ～ 23.0% 之間時(shí)， COD 去除率最高。李志輝等[21]以硅砂混凝土作為透水材料的面層，測(cè)得透水系統(tǒng)對(duì) SS、TP 、Zn2+的去除率分別穩(wěn)定在 98.15%、97.33% 和97.58%，同時(shí)可降低20.87%的NH3-N，且當(dāng)NH3-N濃度較低時(shí)去除率越高，但是透水系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果并不顯著，最高可達(dá)3.52%。

綜上研究結(jié)果均表明，透水鋪裝系統(tǒng)可以去除地表徑流中的污染物雜質(zhì)，可有效降低地下水受污染的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 營(yíng)造良好的城市生態(tài)環(huán)境

由于透水材料存在的孔隙，可利于土壤層內(nèi)微生物與外界實(shí)現(xiàn)物質(zhì)交換，為其生長(zhǎng)發(fā)育營(yíng)造良好的環(huán)境條件。透水材料的敷設(shè)可快速疏導(dǎo)路面積水，尤其是在北方冬季，降低路面結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，提高了行車(chē)安全性[2]。透水材料內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)，增加了聲音的反射頻率，因此減小了城市的噪聲污染[22]，可起到吸聲降噪的效果。李滿良等[23]研究發(fā)現(xiàn)，透水材料孔隙率與吸聲系數(shù)成正比，當(dāng)材料孔隙率越大時(shí)，可更快使聲能衰減；當(dāng)材料的孔隙率相同時(shí)，骨料粒徑越小吸聲效果越好，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)材料的孔隙率與骨料粒徑大小以達(dá)到目標(biāo)吸聲效果。儲(chǔ)存在不同透水層面的雨水經(jīng)過(guò)蒸發(fā)作用，增加城市的濕度，降低溫度，促進(jìn)地表與空氣之間的熱量交換，緩解城市的“熱島效應(yīng)”，有試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，透水系統(tǒng)的敷設(shè)可降低城市溫度3～5℃[5]。楊文娟等[24]通過(guò)對(duì)比透水混凝土路面與傳統(tǒng)水泥混凝土路面的溫濕度變化，研究透水混凝土的保水降溫能力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自然條件相同時(shí)，80%以上的透水混凝土路面濕度高于水泥混凝土路面，但是溫度更低。

2 透水鋪裝材料

透水鋪裝系統(tǒng)是指能使雨水通過(guò)材料內(nèi)部孔隙或表面鏈接縫隙，滲入道路基層，從而顯著降低地表徑流量的鋪裝材料[25]。目前廣泛應(yīng)用于市政道路建設(shè)的透水鋪裝材料主要有透水水泥混凝土，透水瀝青混凝土，陶瓷透水磚，砂基透水磚和植草磚等。

2.1 透水水泥混凝土

透水水泥混凝土以水泥為膠凝材料，由單一或幾個(gè)不同級(jí)配粒徑的粗骨料、摻合料和外加劑按比例配制而成的內(nèi)部具有孔隙貫穿的多孔混凝土材料[26]。通常，透水混凝土依靠粗骨料表面包裹的薄層水泥漿相互黏結(jié)，形成的具有均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)[27]，因此一般不添加細(xì)骨料。透水水泥混凝土的孔隙率滿足15%～25%，透水系數(shù)1～15mm/s[28]。因孔隙率較大，需要定期進(jìn)行清理和維護(hù)，防止孔隙堵塞，同時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗凍性要求較高。實(shí)際工程中經(jīng)常加入粉煤灰，聚丙烯酰胺等添加劑來(lái)提高顆粒骨料之間的粘結(jié)性。透水水泥混凝土制作簡(jiǎn)單且成本低廉，自重較小，施工簡(jiǎn)單，透水透氣性好，可制成磚體，批量生產(chǎn)，在制作過(guò)程中加入顏料，以滿足對(duì)設(shè)計(jì)工程的景觀需求。

2.2 透水瀝青混凝土

透水瀝青混凝土以瀝青為主要膠凝材料，同時(shí)以大孔隙率的瀝青作為道路的輔助面層，是高分子透水混凝土的種類(lèi)之一，其強(qiáng)度高于透水水泥混凝土，孔隙率通常達(dá)到20%以上[29]，以保證材料的滲水效果，當(dāng)敷設(shè)于非機(jī)動(dòng)車(chē)道時(shí)，可適當(dāng)降低孔隙率[29]。瀝青的性能受溫度影響較大，因此在制作過(guò)程中不僅要防止瀝青高溫老化，還要防止低溫開(kāi)裂，應(yīng)選用高粘度瀝青以保證材料的穩(wěn)定性。透水瀝青平整度高，抗壓強(qiáng)度高，適用于市政道路及公路建設(shè)。

2.3 陶瓷透水磚

陶瓷透水磚是指將工業(yè)廢棄物、建筑垃圾、廢玻璃等材料破碎成顆粒后，篩分并組織合理顆粒級(jí)配，加入一定量的結(jié)合劑粘結(jié)后，壓制成型，經(jīng)1200℃以的高溫?zé)Y(jié)而形成的優(yōu)質(zhì)透水建材。加熱時(shí)，顆粒表面熔融后相互粘結(jié)成陶瓷透水磚的主體，加入一定量的粘接劑可提高透水磚強(qiáng)度。陶瓷透水磚的生產(chǎn)降低了建筑垃圾對(duì)城市環(huán)境的污染，符合綠色生態(tài)的要求。陶瓷透水磚強(qiáng)度較高、孔隙率高，經(jīng)常被應(yīng)用于非機(jī)動(dòng)車(chē)道，公園人行道等場(chǎng)地建設(shè)，Takebayashi等[30]對(duì)比陶瓷透水磚、透水瀝青路面、透水混凝土路面三者的熱通量發(fā)現(xiàn)，透水磚降低熱通量的效果更加顯著。因此敷設(shè)陶瓷透水磚利于緩解城市的熱島效應(yīng)。近年來(lái)，陶瓷透水磚正越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于我國(guó)景觀道路的敷設(shè)，未來(lái)的研究將著力于簡(jiǎn)化透水磚的制作工藝和成本，提升透水磚的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，最大限度發(fā)揮其環(huán)境友好的生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

2.4 砂基透水磚

砂基透水磚是以砂為骨料，加入膠凝劑和功能性外加劑制備成的具有一定穩(wěn)定性和強(qiáng)度，滿足實(shí)際工程需求的多孔隙復(fù)合材料[31]。目前制作砂基透水磚的原材料以石英砂為主，王萍萍等[32]認(rèn)為，如果能采用沙漠中的砂作為砂基透水磚的原材料，不僅可以緩解沙漠化的難題，且原料成本低廉，綠色環(huán)保。砂基透水磚的研究熱點(diǎn)集中于提高膠黏劑的穩(wěn)定性上，常見(jiàn)的膠凝劑環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格較高，且在雨水，光照等自然條件下，樹(shù)脂老化速度加快，因此砂基透水磚壽命較短，同時(shí)制作砂基透水磚的工藝較為復(fù)雜，成本較大，目前尚未普遍使用，但是其生態(tài)環(huán)保的特點(diǎn)十分顯著，用于敷設(shè)市政道路時(shí)，孔隙不易堵塞，因此砂基透水磚依然具有潛在的研究推廣價(jià)值。

2.5 植草磚

植草磚在預(yù)先留有空間的塊料內(nèi)部種草，使雨水直接滲透到土壤中。植草板是串聯(lián)由高密度聚乙烯或 PP塑料制成的塑料板，組成連鎖結(jié)構(gòu)敷設(shè)在草地上。但是植草磚和植草板的平整性差，且承重能力有限，大多敷設(shè)在公園人行道、景觀設(shè)施周?chē)?、?shù)池等交通與承載量不大的環(huán)境中。

3 透水路面的養(yǎng)護(hù)

透水鋪裝系統(tǒng)后期的維護(hù)是確保其滲透效果的關(guān)鍵。針對(duì)材料表面易于去除的落葉碎石等體積較大的雜質(zhì)，可以通過(guò)人工清掃的方法去除，針對(duì)被截留在孔隙中不易去除的雜質(zhì)，目前主要使用真空清掃法和壓力清掃法。李俊奇等[33]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，使用單一的機(jī)械清掃方法對(duì)孔隙恢復(fù)率均小于10%，但是二者聯(lián)合使用時(shí)，恢復(fù)率可達(dá)20%[34]。日常情況下應(yīng)加強(qiáng)對(duì)材料本身的檢查和管理，防止在降雨時(shí)因材料堵塞致使雨水無(wú)法得到及時(shí)疏導(dǎo)。雨水中夾雜的油污或具有腐蝕性污染物存在著降低材料使用壽命的風(fēng)險(xiǎn)，北方冬季應(yīng)防止孔隙存水導(dǎo)致材料凍脹。應(yīng)定期檢查測(cè)試透水材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)的透水材料應(yīng)做到及時(shí)更換。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)硬質(zhì)路面對(duì)雨水的收集與排放方式上存在不足，致使雨水資源沒(méi)有得到有效利用且存在污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。在我國(guó)海綿城市建設(shè)的背景下，推廣使用透水鋪裝不僅契合海綿城市建設(shè)理念，且對(duì)改善城市水文循環(huán)，緩解熱島效應(yīng)，減少建筑垃圾污染，營(yíng)造良好的生態(tài)居住環(huán)境具有現(xiàn)實(shí)意義。未來(lái)的研究應(yīng)致力于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)材料的使用壽命，原料選材環(huán)?？煽?，加強(qiáng)對(duì)固體廢棄物的利用，降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化制作工藝等方面，協(xié)同其他部門(mén)，完善透水鋪裝系統(tǒng)的管理機(jī)制，以最大限度地發(fā)揮透水鋪裝系統(tǒng)在建設(shè)海綿城市上的生態(tài)價(jià)值。