以生態景觀基材構成的石籠對雨水滯留與凈化效果研究

□文 /紀慧宇

石籠原本指的是為防止河岸或構造物受水流沖刷而設置的裝填石塊的籠子，已經成功地應用在了水利、公路、鐵路、堤防的保護工程中。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，適應市場需求發展起來。新型的石籠結構除了代替傳統卵石，應用于水利、公路、鐵路等工程外，還應用于景觀工程、水生態治理等方面，填充物也由原來自重大、性能單一的卵石轉變為質量可調節、功能多樣化的新型材料。本文以生態景觀基材為石籠填充基質，研究以此構成的大體積石籠在雨水生態方面對雨水滯留和凈化效果的研究。

1 試驗材料

生態景觀基材是一種以水泥為膠凝材料，以活性炭、固體廢棄物、多孔介質等為摻入物，通過特殊的發泡工藝，經降堿處理制成的產品。基材表面仿火山巖肌理，多孔質輕，吸水保水，可綠植，見圖1。

圖1 生態景觀基材

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

生態景觀基材技術指標參數見表1。

表1 生態景觀基材技術指標

2 試驗方法

2.1 地點

試驗地點位于天津市武清區某基地，屬溫帶季風氣候，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 石籠試驗系統設計

為保證石籠構造的立體高度和穩定性，內部設計了承重構造柱，石籠結構厚600 mm、高2 400 mm，寬2 400 mm，網格尺寸60 mm×80 mm。見圖2。

圖2 石籠設計

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設計一個雨水收集裝置。模擬 5、10、15、20、25 mm/h 五組不同強度的降雨條件下，石籠不同高度的出水量及出水總用時，用以分析石籠結構對雨水滯留時間的影響。同時，根據當地實際降雨情況，在2016年5—10月期間選擇五次不同強度降雨，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]。

水樣數據監測分析方法見表2。

表2 雨水監測指標及分析方法

3 結果與分析

3.1 石籠對雨水滯留時間的影響

不同模擬降雨強度條件下，降雨10 h，石籠結構對雨水滯留時間的影響見表3。

表3 不同降雨強度下不同厚度石籠出水時間與出水穩定時間

從表3可以看出：隨著降雨強度的提高，石籠同一厚度對雨水的滯留時間逐漸縮短。主要由于降雨強度越大，基材吸水飽和時間越短，滯留時間相應縮短；隨著降雨強度的增加，初始出水時間與穩定出水時間間隔逐漸增大，但是隨著石籠厚度的增加，初始出水時間和穩定出水時間間隔逐漸趨于穩定。這說明當降雨強度增大時，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，流入監測區域和石籠下部。但是石籠結構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

監測五次不同自然降雨條件下，雨水經過石籠后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。這說明該區域內雨水多為弱酸雨。

但是經過石籠過濾后，pH值逐漸提高并最終穩定在7～7.2，這說明石籠能夠有效改善弱酸雨情況。當降雨強度較小（23、42 mm/h）時，雨水經過石籠20 cm的過濾能夠使得pH值迅速上升至7～7.2；當降雨強度較大（120、187 mm/h）時，pH 值增速開始較緩，隨著滲透深度的增加，pH值增速加快并穩定在7～7.2之間。這說明當降雨強度較小時，基材能夠快速吸納雨水進行過濾，使得pH值迅速提升；當降雨強度較大時，受限于基材吸水速率的影響，使得部分雨水未進行充分過濾，沿著基材結構間的空隙滲流下去，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值最終穩定在7～7.2。雨水經過石籠pH值有所升高，主要是因為基材以水泥為膠凝材料，遇到弱酸性雨水，能夠發生中和反應，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，石籠結構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到109 mg/L，最低為 37 mg/L，多數時期處于 35～65 mg/L；雨水經石籠過濾后，懸浮物濃度迅速降低至10 mg/L以下。這說明基材構成的石籠結構能夠有效實現雨水懸浮物的過濾和凈化，滿足地表水和生活雜用水質標準。當降雨強度增大時，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，這主要是因為基材本身內部存在大量的連通、半連通孔隙，孔徑通道彎曲反復，有效地減緩了雨水下滲時間，提高了雨水在基材內的滯留時間，促使懸浮物沉淀、吸附在基材孔內，實現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

當自然降雨條件下雨水中懸浮物較多時，石籠能夠快速的降低水中懸浮物含量，但是當雨水中懸浮物含量逐漸降低時，石籠對雨水中懸浮物的過濾有限。這主要是因為基材內含有的大孔徑結構無法對雨水中懸浮物實現完全的過濾。

3.4 石籠對雨水中氨氮的去除效果

監測五次不同自然降雨條件下，雨水經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，主要是因為基材內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

監測五次不同自然降雨條件下，雨水經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；濃度隨降雨強度的變化也沒有明顯的遞減規律，其中87 mm降雨時伴有頻繁雷電現象，總氮含量相對其他四次降雨急劇增加，42 mm降雨也伴有強雷電天氣，總氮含量也相對較高；雨水經過石籠結構，隨著向下滲透深度的增加，雨水中的總氮含量逐漸降低，最低可達到0.4 mg/L。這是因為石籠基材內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 結論

1）石籠能夠有效地起到滯留雨水的效果。當降雨強度增大時，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向下形成徑流，但是隨著石籠厚度的增加，雨水會逐漸被下層基材吸收，起到對雨水的滯留效果。試驗條件下模擬了最高10 h、250 mm的降雨能夠被高度為1.2 m的石籠完全吸納。

2）石籠能夠對試驗地區弱酸雨環境起到明顯的改善作用，提高雨水pH值至7～7.2。這主要因為基材以水泥為膠凝材料，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。雨水經過石籠后，懸浮物能夠被基材過濾，凈化效率最高達到96.3%。這主要是基于基材本身的多孔結構，能夠對雨水中的懸浮物起到有效地吸收和攔截，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間的增加，濃度呈現降低的趨勢。雨水經過石籠后，基材內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間的增加，呈現不規律變化。這主要是雷電天氣影響了雨水中氨氮的濃度。但雨水經過石籠后，基材內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。