水力負(fù)荷對(duì)生物滯留系統(tǒng)滲流性能及孔隙率的影響

王亞軍, 耿沖沖, 蔡文娟, 李金守

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

近年來，國內(nèi)洪澇災(zāi)害頻發(fā)，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和基礎(chǔ)設(shè)施的不完善、不合理是當(dāng)今城市建設(shè)中面臨的主要矛盾，已開發(fā)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改變對(duì)居民的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了不可忽視的影響. 2014年國家頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，旨在推進(jìn)“自然積存、自然滲透、自然凈化”的海綿城市建設(shè)，從而緩解當(dāng)下的雨洪災(zāi)害以及生態(tài)環(huán)境破壞的問題[1]. 海綿城市建設(shè)的重要一步是選擇適當(dāng)?shù)暮＞d體，生物滯留池是一種攔截徑流污染、儲(chǔ)蓄徑流雨水的結(jié)構(gòu)型雨水控制系統(tǒng)[2],在實(shí)際應(yīng)用中不僅能夠減少徑流、削減洪峰，同時(shí)還能凈化徑流雨水.設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池能兼具一定的脫氮除磷功能[3]. 由于良好的處理效果以及環(huán)境的可接受性高，其應(yīng)用范圍也正在不斷拓展.

水力負(fù)荷是所有水處理反應(yīng)器(構(gòu)筑物)的最基本參數(shù)之一，它既決定了反應(yīng)器的處理效率，也影響著反應(yīng)器的處理能力和水處理設(shè)施的運(yùn)營成本[4]. 生物滯留池的工作效率也與水力負(fù)荷有關(guān)，同時(shí)滲透系數(shù)與孔隙率也是限制生物滯留池使用壽命的關(guān)鍵因素.王榮等[5]研究了人工濕地的滲透性能，周期為45 d的運(yùn)行過程中，滲透系數(shù)表現(xiàn)為先上升后下降，而有效孔隙率平均下降了9%；對(duì)于填料粒徑大于5 mm的人工濕地系統(tǒng)，其滲透系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間有急劇減小的趨勢，小于5 mm的填料系統(tǒng)滲透系數(shù)則是緩慢減小[6].利用NaCl作為示蹤劑對(duì)雨水花園的滲流性能的研究表明，若清水連續(xù)滲流，系統(tǒng)變化大致有4個(gè)階段：第1階段中滲透系數(shù)逐漸下降；第2階段中滲透系數(shù)急劇上升；第3階段中滲透系數(shù)稍微下降；第4階段中滲透系數(shù)較平穩(wěn)，不再發(fā)生大的波動(dòng)變化[7].生物滯留系統(tǒng)的滲透性還與系統(tǒng)中的生物類型有關(guān)，為了防止反應(yīng)器堵塞，有學(xué)者[8]提出在濕地系統(tǒng)中加入一些原生動(dòng)物利用其生命活動(dòng)來緩解堵塞;也有研究指出，不同植物種類以及植物自身木質(zhì)素含量的不同也會(huì)通過分解作用的速率變化來影響滲透系數(shù)的變化，以美人蕉、蘆葦和菖蒲的對(duì)比實(shí)驗(yàn)為例，美人蕉對(duì)系統(tǒng)的滲透系數(shù)影響最小，蘆葦與菖蒲對(duì)滲透系數(shù)影響相對(duì)較大，因此設(shè)計(jì)生物滯留系統(tǒng)時(shí)也應(yīng)選取適宜的植物[9]. 在水處理過程中，使用單一的填料時(shí)污染物的降解主要發(fā)生在系統(tǒng)的表層，而使用復(fù)合填料時(shí)系統(tǒng)降解氮磷的區(qū)域也會(huì)有所擴(kuò)大[10]. 對(duì)于底部自然滲流的生物滯留系統(tǒng)來說，滲透系數(shù)與孔隙率也決定著系統(tǒng)對(duì)地下水的自然補(bǔ)給量[11].因此,無論是從水質(zhì)或水文領(lǐng)域來看，研究生物滯留系統(tǒng)對(duì)水力負(fù)荷的適應(yīng)性都是必要且有意義的.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)采用JTGE 40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[12]中規(guī)定的滲透系數(shù)測定方法,按如下公式計(jì)算：

1.2 平均孔隙率

孔隙率可采用飽和含水量來代替計(jì)算[13]，飽和含水量使用容重法進(jìn)行測定.計(jì)算公式如下：

式中：ρd為干密度(容重)，g/cm3；ρs為顆粒密度(比重)，g/cm3.

2 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)裝置采用PVC管熱熔粘接制成，設(shè)有上中下3個(gè)測壓管接入口.測壓管為有機(jī)玻璃材質(zhì)，孔徑為8 mm，通過橡膠軟管與反應(yīng)柱接口相連. 實(shí)驗(yàn)采用常水頭法測定，使用蠕動(dòng)泵配水. 具體裝置圖見圖1，反應(yīng)器填料配比見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器各層的填料配比

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1反應(yīng)器裝填

將表1所列的砂子分別洗凈晾干，過篩之后按照粒徑范圍進(jìn)行混合，由下到上依次進(jìn)行裝填.這種裝填順序可有效提高系統(tǒng)的水力效率，避免短流以及死區(qū)[14];且按照滲透系數(shù)分布裝填反應(yīng)柱，得到的裝置流場分布更加均勻[15].每裝填完一層進(jìn)行夯實(shí)操作，可有效降低反應(yīng)器初始滲透系數(shù)，提高裝置的穩(wěn)定性[16].

2.2.2進(jìn)水過程

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)由進(jìn)水口開始進(jìn)水，此時(shí)關(guān)閉出水口處的止水開關(guān)，水流自上而下緩慢流入裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵流速保持反應(yīng)器處于滿水狀態(tài). 測定前裝置內(nèi)可能含有殘余空氣，故應(yīng)該先進(jìn)行排氣操作(即一直放水待測壓管內(nèi)無氣泡).排氣完之后再進(jìn)行讀數(shù)，待各測壓管讀數(shù)穩(wěn)定且無氣泡時(shí)，視為排氣結(jié)束. 打開出水口處的止水開關(guān)，待水流穩(wěn)定后調(diào)節(jié)流速大小至恒定.讀取測壓管水位，打開秒表計(jì)時(shí)，一定時(shí)間后停止讀數(shù)，記錄測壓管水位與量筒內(nèi)滲透水量.

2.2.3參數(shù)測定

每次實(shí)驗(yàn)測定結(jié)束之后應(yīng)將水排凈，容器處于濕潤時(shí)稱量相對(duì)質(zhì)量，測定比重，此時(shí)得到的飽和含水率小于實(shí)際值.通過誤差實(shí)驗(yàn)(利用浸濕的砂子與烘干的砂子進(jìn)行容重測試對(duì)比)得到誤差率約為20%.由于本實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重于組間實(shí)驗(yàn)對(duì)比，探究滲透系數(shù)與平均孔隙率隨時(shí)間的沿程變化，因此誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大.

實(shí)驗(yàn)裝置每天運(yùn)行2 h，每運(yùn)行3 d測定1次滲透系數(shù)與平均孔隙率，運(yùn)行時(shí)長為2017-07-10～2017-08-10，共1個(gè)月.實(shí)際測得9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

3 結(jié)果分析與討論

3.1 滲透系數(shù)與孔隙率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，相同水力條件下隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，裝置的滲透系數(shù)整體趨勢為緩慢降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，但在1.0 m3/(m2·d)的工況下實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生了滲透系數(shù)變大的現(xiàn)象，而整體趨勢仍為趨于穩(wěn)定，分析因?yàn)檠b填時(shí)夯實(shí)不均勻?qū)е?；在滿流測定滲透系數(shù)時(shí)，有填料從測壓管處流出，由于測壓管處有少量的填料損失，因此導(dǎo)致了整體的滲透系數(shù)變大. 其中0.5、1.0、2.0 m3/(m2·d)條件下，滲透系數(shù)變化較為穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定在870 mm/h左右；4.0 m3/(m2·d)運(yùn)行條件下，滲透系數(shù)波動(dòng)較為頻繁.4.0 m3/(m2·d)條件下水流的沖刷效應(yīng)對(duì)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響.從4組實(shí)驗(yàn)裝置整體來看，各組滲透系數(shù)變化的速率都是越來越緩慢.李曼[17]對(duì)人工濕地的滲透系數(shù)研究表明，水流狀態(tài)的擾動(dòng)是影響滲透系數(shù)變化速率的原因.最終反映組滲透系數(shù)都趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定期發(fā)生在實(shí)驗(yàn)的第8次測定即反應(yīng)器運(yùn)行25 d左右時(shí).滲透系數(shù)的穩(wěn)定范圍在810～880 mm/h之間.

圖3為孔隙率的變化情況，在水力負(fù)荷為0.5、2.0 m3/(m2·d)條件下孔隙率變化最為規(guī)律，1.0 m3/(m2·d)條件下的實(shí)驗(yàn)組在實(shí)驗(yàn)的第18～21天時(shí)發(fā)生了波動(dòng).因?yàn)閷?shí)驗(yàn)組的過濾層發(fā)生了砂子流失的情況，導(dǎo)致了這一情況的發(fā)生，同時(shí)滲透系數(shù)也有所上升，但系統(tǒng)在運(yùn)行3 d之后又趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定期也發(fā)生在25 d左右；4.0 m3/(m2·d)條件下孔隙率波動(dòng)較大，這與滲透系數(shù)的變化情況是一致的. 孔隙率在下降到一定區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)的持水性也發(fā)生變化，理論的水力停留時(shí)間也降低[18].水力負(fù)荷為4.0 m3/(m2·d)時(shí)平均孔隙率變化幾乎無規(guī)律，其原因在于水力負(fù)荷較大時(shí)，每一次運(yùn)行都對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了改變;沖刷效應(yīng)對(duì)填料的沖擊較大，改變了內(nèi)部的混合填料結(jié)構(gòu)而不能趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致填料部分流失而部分淤滯，造成孔隙率變化也較大.

3.2 滲透系數(shù)與平均孔隙率的變化關(guān)系

由圖4知，水力負(fù)荷在0.5～2.0 m3/(m2·d)時(shí)，滲透系數(shù)與平均孔隙率均呈現(xiàn)出小范圍的波動(dòng)，滲透系數(shù)剛開始降低，接下來有些許升高，接著降低并且趨于穩(wěn)定；2.0 m3/(m2·d)條件下,由滲透系數(shù)的變化可知有大概率其表層(0～30 cm)發(fā)生了輕微的堵塞，導(dǎo)致了滲透系數(shù)的升高[19].因無機(jī)物的大量積累，基質(zhì)堵塞效應(yīng)多發(fā)生在表層，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)顆粒物以及氨氮的去除[20].孔隙率隨著運(yùn)行時(shí)間的增加也減小，在到達(dá)34%以后時(shí)就開始發(fā)生小范圍的波動(dòng)并且趨于穩(wěn)定.滲透系數(shù)與平均孔隙率整體變化呈正相關(guān)，這與砂土及砂石礫石的研究結(jié)果是一致的[21]；水力負(fù)荷在4.0 m3/(m2·d)時(shí)，滲透系數(shù)與平均孔隙率波動(dòng)較大，互相之間變化規(guī)律也不明顯.

用IBM SPSS軟件分析得知水力負(fù)荷為0.5 m3/(m2·d)和2.0 m3/(m2·d)條件下，滲透系數(shù)與平均孔隙率有顯著相關(guān)性(P<0.01)；水力負(fù)荷為1.0 m3/(m2·d)和4.0 m3/(m2·d)條件下滲透系數(shù)與平均孔隙率無顯著相關(guān)性(P>0.05);即隨著水力負(fù)荷的增加，滲透系數(shù)與平均孔隙率的相關(guān)性愈不明顯.

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)主要研究不同水力負(fù)荷條件下滲透系數(shù)與平均孔隙率的變化情況，并且分析平均孔隙率與滲透系數(shù)變化之間的相關(guān)性.由實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論.

1) 生物滯留池在緩慢進(jìn)水時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨運(yùn)行時(shí)間增長逐漸趨于穩(wěn)定，運(yùn)行25 d左右即能達(dá)到穩(wěn)定.

2) 實(shí)驗(yàn)固定填料級(jí)配下的反應(yīng)裝置穩(wěn)定時(shí)滲透系數(shù)約為870 mm/h，平均孔隙率約為33.7%.

3) 生物滯留池的滲透系數(shù)與平均孔隙率在進(jìn)水負(fù)荷較小,即0.5～2.0 m3/(m2·d)時(shí)，有極顯著的相關(guān)性;在進(jìn)水負(fù)荷大于等于4.0 m3/(m2·d)時(shí)，滲透系數(shù)與平均孔隙率相關(guān)性不顯著.

4) 設(shè)計(jì)生物滯留池用于水處理時(shí)，水力負(fù)荷小于4.0 m3/(m2·d)，系統(tǒng)受水力條件影響較低.

實(shí)驗(yàn)也存在一些缺點(diǎn)和不足，如測定的滲透系數(shù)并非整體的實(shí)驗(yàn)裝置，而是測壓管1至測壓管3之間的滲透系數(shù)；裝填實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)手動(dòng)壓實(shí)的緊密度難以控制；平均孔隙率最終反映不了實(shí)驗(yàn)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)層的具體變化.這些問題尚需研究者進(jìn)一步改進(jìn)解決.