雨水徑流顆粒物對陶瓷透水磚堵塞的影響

成智文，耿 康，陳曉薇，孫 昕，劉 婷

(1.咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712000； 2.西安建筑科技大學(xué)陜西省環(huán)境工程重點實驗室，陜西 西安 710055； 3.西安建筑科技大學(xué)西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，陜西 西安 710055)

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市道路的硬化面積比重不斷加大，導(dǎo)致城市內(nèi)澇問題頻發(fā)[1]。使用透水鋪裝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬化路面，可以有效降低城市的雨洪風(fēng)險，提高雨水資源利用效率[2-3]。龔應(yīng)安等[4]研究表明透水鋪裝可有效增加下滲雨水量，降低下滲雨水中NH3-N、BOD等水質(zhì)指標(biāo)的質(zhì)量濃度；但透水鋪裝在應(yīng)用一段時間后會發(fā)生不同程度的堵塞問題。Borgwardt等[5]發(fā)現(xiàn)透水混凝土路面磚在使用10 a之后，其透水率降為初始的10%～25%，更有甚者1 a后即失效。Kia等[6]的研究表明，雨水徑流中攜帶的顆粒物在透水鋪裝材料孔隙中的沉積是造成堵塞的主要原因。宋亞霖等[7]發(fā)現(xiàn)清除透水磚表面沉積物可從一定程度上恢復(fù)其透水性能，但效果有限。

為了研究透水磚被雨水徑流中顆粒物堵塞的機理及控制方法，需要了解不同降雨條件下雨水徑流中顆粒物的粒徑和濃度的變化特性,但目前多數(shù)雨水徑流的研究還是圍繞其污染特征展開。城市雨水徑流污染是僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大面源污染，雨水徑流會攜帶大量污染物，尤其是降雨初期1 h內(nèi)[8-9]；雨水徑流中污染物以懸浮物(SS)為主，SS與COD、TP、NH3-N的相關(guān)性較強，控制雨水徑流污染的關(guān)鍵是去除其中的SS[10]。雨水徑流中顆粒物一般比表面積較大，是污染物的輸送載體，而顆粒物粒徑直接影響雨水徑流中污染物的物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程[11]?？傮w而言，雨水徑流中顆粒物粒徑介于1～100 μm的顆粒所占比例相對較大，但不同地區(qū)的差異性極大[12-16]。

針對陶瓷透水磚表面沉積物清理后透水系數(shù)恢復(fù)效率過低的問題，本文基于2018年西安建筑科技大學(xué)校園內(nèi)4場雨水徑流的樣品，分析雨水中顆粒物粒徑分布特征及SS質(zhì)量濃度,以此作為模擬陶瓷透水磚堵塞試驗的雨水徑流配制的依據(jù)，并通過室內(nèi)試驗?zāi)M陶瓷透水磚的堵塞過程，分析堵塞顆粒物與陶瓷透水磚孔徑大小的關(guān)系，以期為陶瓷透水磚在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用提供參考。

1 雨水徑流顆粒分析

1.1 水樣采集點布設(shè)

對2018年5月10日到10月19日發(fā)生的4場降雨進行了采樣分析。天然雨水和地面雨水徑流采樣地點分別設(shè)在西安建筑科技大學(xué)科技樓旁路面和路邊雨水井中，路面匯水面積約為30 m2、坡度5°。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，車流量為50～100輛/h，路面清掃時間約在早晨6點，以人工清掃為主。

1.2 采樣方法

采用分時采樣方法，在地面降雨徑流形成后每隔10 min收集1次雨水徑流。天然雨水利用自制的雨水采樣裝置采集，雨水采樣面積約12 m2，在取樣前充分清洗收集雨水的塑料布，保證收集的天然雨水水質(zhì)不受其他因素干擾。

1.3 雨水水質(zhì)污染水平

4場雨水徑流水質(zhì)檢測結(jié)果見表1，其中地面雨水徑流的SS質(zhì)量濃度為10～232 mg/L，故陶瓷透水磚堵塞試驗中雨水徑流的SS質(zhì)量濃度取200 mg/L。

表1 樣品水質(zhì)檢測結(jié)果及與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的對比Table 1 Analysis results of sampled water quality and comparisons with water quality standard

1.4 雨水徑流中顆粒粒徑隨時間的變化規(guī)律

2018年5月21日和10月19日兩場降雨雨水徑流中顆粒物粒徑的測定結(jié)果如表2所示。由表2可知，2018年5月21日雨水徑流產(chǎn)生后的前10 min內(nèi)，顆粒物平均粒徑為13.94 μm，到 20 min、30 min、40 min時平均粒徑分別增大為 17.14 μm、22.14 μm和26.32 μm，然后逐漸減小。究其原因，起初降水量較小，徑流量較小，隨著降雨歷時的增加，累積的徑流量增大，對地面顆粒物的沖刷能力增強，大顆粒物開始遷移，40 min時達到峰值，而后累積的徑流量變小，降雨徑流攜帶大顆粒物的能力減弱。

表2 雨水徑流中顆粒物粒徑隨時間的變化Table 2 Variations of particle size in rainwater during surface runoff

2018年10月19日雨水徑流產(chǎn)生后10～20 min內(nèi)，顆粒物平均粒徑由25.22 μm降為20.52 μm，30 min 時平均粒徑變?yōu)?3.90 μm，之后隨著時間的增長略有起伏，60 min時增加到42.61 μm。由此可見，在降雨初期，雨水徑流量較小，較小的顆粒物隨雨水徑流遷移，顆粒物的平均粒徑20～30 μm；隨著降雨歷時的延長，雨水徑流量逐漸增大，較大的顆粒物開始隨雨水徑流遷移，30 min時d50和d75分別增加到34.50 μm和147.60 μm。在50 min左右，降雨強度突然增大，雨水徑流量增大，對大顆粒物的沖刷加劇，導(dǎo)致60 min時顆粒物的粒徑突增。上述結(jié)果說明暴雨強度的大小對于雨水徑流中顆粒物的遷移有重要影響。

我國還沒有雨水徑流中顆粒物粒徑的劃分標(biāo)準(zhǔn)，而國外普遍采用美國水環(huán)境研究基金會制定的標(biāo)準(zhǔn)，分為大顆粒(>5 000 μm)、粗顆粒(75～5 000 μm)、細粉顆粒(2～75 μm)、溶解固體(<2 μm)4種[17]。由表2可知，兩場雨水徑流中顆粒物屬于細粉顆粒，其平均粒徑絕大部分小于 50 μm。因此，在應(yīng)用陶瓷透水磚的區(qū)域，粒徑小于 50 μm 的細粉顆粒物將對陶瓷透水磚的堵塞有重要影響，應(yīng)該重視路面日常清潔工作，盡量去除路面積存的細小顆粒物以延緩陶瓷透水磚堵塞。

2 陶瓷透水磚堵塞特性

2.1 試驗裝置與材料

采用自行研發(fā)的室內(nèi)陶瓷透水磚堵塞過程模擬試驗裝置(圖1)，實時模擬真實地面雨水徑流引起的陶瓷透水磚堵塞過程。采用1臺超聲波流速剖面儀精準(zhǔn)測量陶瓷透水磚表面水流速度。

圖1 室內(nèi)陶瓷透水磚堵塞過程模擬試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of indoor permeable brick blocking process simulation device

試驗用陶瓷透水磚長20 cm、寬10 cm、高 5.5 cm，有明顯的結(jié)構(gòu)分層：上層厚度約1.1 cm，孔隙較小而緊湊；下層厚度約4.4 cm，孔隙較大且不規(guī)則。

2.2 試驗方法

根據(jù)前期雨水徑流顆粒物粒徑分布的試驗結(jié)果，采用粒徑較小的細沙和自來水配制模擬的雨水徑流，其中SS質(zhì)量濃度為200 mg/L，粒徑10～<20 μm、20～<50 μm、50～150 μm的細顆粒物質(zhì)量占比分別為50%、45%和5%，采用3塊同批次陶瓷透水磚進行對比試驗。

試驗時先在陶瓷透水磚的4個側(cè)面涂抹中性膠，完全變干稱重后放入裝置支架部位，并在四周涂抹玻璃膠以保證不漏水。依次打開進水槽內(nèi)的攪拌器和水泵，緩慢調(diào)節(jié)進水閥門，使水流均勻噴灑在陶瓷透水磚表面，待水深達到要求后，采用多普勒流速儀測量陶瓷透水磚表面的水流速度，調(diào)節(jié)進水閥門直至進水速度達到要求后每間隔3 min測量透過陶瓷透水磚的水樣體積，計算該陶瓷透水磚的透水系數(shù)，當(dāng)透水系數(shù)低于0.01 cm/s時試驗結(jié)束。取下陶瓷透水磚，測定表面及內(nèi)部顆粒物質(zhì)量和粒徑分布。

采用高性能全自動壓汞儀(AutoPore IV 9500 V1.09型)測定陶瓷透水磚總孔體積、孔徑分布等微觀參數(shù)。

2.3 陶瓷透水磚堵塞試驗結(jié)果與分析

2.3.1陶瓷透水磚堵塞過程

圖2為陶瓷透水磚透水系數(shù)變化，可見盡管陶瓷透水磚透水性能存在一定的個體差異性，但3塊陶瓷透水磚的透水系數(shù)變化趨勢相近，即先快速下降，后略有回升，再平穩(wěn)下降，由此可將陶瓷透水磚堵塞過程分為快速堵塞、堵塞緩解和平穩(wěn)堵塞3個階段。在試驗開始階段，粒徑較小的顆粒物容易通過陶瓷透水磚的內(nèi)部孔隙通道而進入磚內(nèi)部；而粒徑較大的顆粒物則容易堵塞在陶瓷透水磚表面的孔隙開口處，并開始在磚表面積累，透水系數(shù)快速下降。在約100 min時，水流會對堆積在陶瓷透水磚表面的顆粒物進行一定的沖刷，使得陶瓷透水磚透水系數(shù)略有回升，但仍會有部分細顆粒物隨水流而繼續(xù)通過大顆粒物之間的空隙進入陶瓷透水磚內(nèi)部，導(dǎo)致陶瓷透水磚透水系數(shù)產(chǎn)生一定的波動。180 min之后，陶瓷透水磚透水系數(shù)緩慢下降，最終趨穩(wěn)于0.01 cm/s，此時透水磚已經(jīng)堵塞失效。

圖2 陶瓷透水磚透水系數(shù)變化Fig.2 Change of permeability coefficient of ceramic permeable brick

2.3.2陶瓷透水磚孔徑分布規(guī)律

將陶瓷透水磚孔徑分為小于50 μm、50～<150 μm、150～<250 μm和250～450 μm 4個范圍，陶瓷透水磚內(nèi)部和表面不同孔徑的體積占比如表3所示。

表3 陶瓷透水磚內(nèi)部和表面的孔徑分布Table 3 Size distributions of pores in ceramic permeable bricks %

由表3可見，陶瓷透水磚表面孔隙和內(nèi)部孔隙分布中，孔徑150～<250 μm和250～450 μm的差別不大，而孔徑小于50 μm和50～<150 μm的存在一定的差異，孔徑小于50 μm的孔隙表面比內(nèi)部多，孔徑50～<150 μm的孔隙內(nèi)部比表面多。這是造成陶瓷透水磚孔隙上小下大分布結(jié)構(gòu)的主要原因。

2.3.3堵塞顆粒物粒徑與陶瓷透水磚孔徑的關(guān)系

由表4可知，被堵塞的陶瓷透水磚內(nèi)部和表面截留最多的顆粒物粒徑范圍是20～<50 μm，其次是50～100 μm，說明粒徑20～<50 μm的顆粒物是引起陶瓷透水磚堵塞的主要原因。而陶瓷透水磚表面小于50 μm、50～<150 μm孔徑的孔隙分別占23.46%、44.01%(表3)，說明陶瓷透水磚表面截留顆粒物的粒徑范圍與陶瓷透水磚表面孔徑范圍并不一致。一方面，模擬的雨水徑流中50～100 μm粒徑顆粒物的質(zhì)量占比較小(僅為5%)，遠低于20～<50 μm粒徑顆粒物的質(zhì)量占比(45%)。另一方面，隨著雨水徑流不斷流經(jīng)陶瓷透水磚，50～100 μm粒徑的大顆粒物先被截留在磚表面，20～<50 μm粒徑的小顆粒物開始可以透過大顆粒物之間的縫隙進入磚內(nèi)部；但后期大、小顆粒物逐漸堆積成一層“類濾膜”，“類濾膜”將截留雨水徑流中的大部分顆粒物。

表4 陶瓷透水磚內(nèi)部和表面截留顆粒物的粒徑分布Table 4 Size distributions of sand in blocked ceramic permeable bricks %

2.3.4陶瓷透水磚堵塞顆粒物的質(zhì)量分布

為進一步分析雨水徑流中顆粒物在陶瓷透水磚內(nèi)的截留特性，對一個過水周期內(nèi)陶瓷透水磚內(nèi)外的顆粒物進行了質(zhì)量守恒分析。在陶瓷透水磚堵塞試驗的各階段，分別測定透過陶瓷透水磚的清水的SS質(zhì)量濃度和水量，得到透過陶瓷透水磚的顆粒物質(zhì)量；同時測定出水槽中水的SS質(zhì)量濃度和水量，得到其他顆粒物質(zhì)量。陶瓷透水磚堵塞試驗結(jié)束后，用毛刷清掃透水磚表面的顆粒物，將掃除的顆粒物進行收集、烘干、稱重，得到陶瓷透水磚表面顆粒物截留量。進入陶瓷透水磚系統(tǒng)的總顆粒物質(zhì)量為進水SS質(zhì)量濃度與進水總量的乘積。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，計算陶瓷透水磚內(nèi)顆粒物截留量。3塊被堵塞的陶瓷透水磚內(nèi)顆粒物質(zhì)量分布的計算結(jié)果如表5所示。

表5 陶瓷透水磚內(nèi)外顆粒物質(zhì)量分布Table 5 Mass distributions of sand nside and outside the ceramic permeable bricks g

根據(jù)陶瓷透水磚堵塞試驗中顆粒物分布位置的不同，陶瓷透水磚堵塞可以分為表面堵塞和內(nèi)部堵塞兩種類型。結(jié)合表3，磚表面截留顆粒物質(zhì)量超過磚內(nèi)部截留顆粒物質(zhì)量的2倍，說明引起表面堵塞的顆粒物明顯多于引起內(nèi)部堵塞的顆粒物。究其原因，粒徑較大的顆粒物無法進入磚內(nèi)部而被截留在表面，其截留量隨著過水試驗的進行而不斷增加。粒徑較小的顆粒物部分會被截留在磚表面，部分則會隨水流進入磚內(nèi)部；進入磚內(nèi)的顆粒物一部分會被截留在磚內(nèi)的死端孔隙，另一部分則流出陶瓷透水磚。

綜合表4和表5，陶瓷透水磚表面截留的顆粒物以粒徑20～<50 μm和50～100 μm的為主，占比接近70%，因此粒徑20～100 μm的顆粒物是影響表面清掃恢復(fù)陶瓷透水磚透水性能的主要因素，其中粒徑20～<50 μm范圍的顆粒物最多。雖然陶瓷透水磚孔隙小于50 μm的孔徑占比不高(23.46%)，但是它極大地影響著陶瓷透水磚透水性能的恢復(fù)。在設(shè)計陶瓷透水磚的孔隙結(jié)構(gòu)時，建議合理減小孔徑小于 50 μm的占比，這對于通過人工清掃來恢復(fù)陶瓷透水磚的透水性能具有重要的實際意義。

3 結(jié) 論

a. 4次降雨的地表徑流中顆粒物以細粉顆粒為主，粒徑小于50 μm的細粉顆粒物對陶瓷透水磚的堵塞有重要影響，應(yīng)重視路面日常清潔工作，以有效去除粒徑小于50 μm的細粉顆粒物，延緩陶瓷透水磚堵塞。

b. 陶瓷透水磚堵塞可分為內(nèi)部堵塞和表面堵塞，其中以細粉顆粒物引起的表面堵塞為主。

c. 表面清掃對陶瓷透水磚截留的細粉顆粒物的去除效果有限，在控制地表徑流污染物的過程中，應(yīng)重點關(guān)注粒徑20～50 μm的污染物顆粒。