改良型透水鋪裝對弱透水土質地區的水質控制試驗

王俊嶺，張智賢，秦全城，馮萃敏，孫麗華，李俊奇

(1.北京建筑大學城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室，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，有助于緩解城市內澇問題，同時還能實現水體凈化，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]對雨水徑流中的污染物進行了分類，并以此評估得到透水鋪裝對徑流污染物(以SS為主要表現形式)的去除率在40%～90%間；Wilson等[12-13]通過試驗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；趙現勇等[14]也通過試驗得出透水磚、透水草皮磚和透水混凝土3種透水鋪裝形式對TP、COD、TN等污染物的削減作用各有所長。然而，常規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其效果并不好[15-17]。本文通過增加滲透導管的方式改良了常規透水鋪裝的弱透水土基層，并通過試驗深入研究改良型透水鋪裝在不同降雨重現期條件下對弱透水土質地區的截污與凈化能力，可為城市雨水水質控制提供更多的可能方案。

1 試驗裝置與試驗方案

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

1.1 人工模擬降雨設備

試驗采用人工降雨模擬的方法，通過疊加噴灑式降雨設備，可在設備覆蓋范圍內模擬一定強度的降雨，通過中央控制系統可以控制降雨歷時和不同降雨強度。

1.2 透水鋪裝試驗裝置

試驗共設3種路面形式，其組成見表1。制作路面試驗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是根據對沉積物樣品的粒徑分析結果得到的。

表1 試驗裝置的組成

a. 普通路面試驗裝置。鑒于普通路面的不透水特性，故只設置面層部分，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 普通路面試驗裝置(單位：mm)

b. 常規透水鋪裝試驗裝置。如圖2所示，常規透水鋪裝試驗裝置由面層、基層、墊層和土基層組成，各結構層厚度分別為200 mm、250 mm、2 mm和300 mm。各結構層底和裝置路面之上分別設置直徑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 常規透水鋪裝試驗裝置(單位：mm)

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

圖3 改良型透水鋪裝試驗裝置(單位：mm)

1.3 試驗方案

透水鋪裝能夠去除的粒徑范圍大致在(0.01～1) × 10-2cm，為了使試驗裝置路面徑流各污染物濃度接近于嘉興實際路面，專門收集嘉興雨水管道沉積物作為布撒土樣，同時對布撒土樣進行粒度測定。將采集自嘉興市區雨水系統的沉積物樣品經過風干、篩分等預處理后，采用馬爾文激光粒度儀(Malvern-MS2000)進行粒度分析，結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試驗步驟

模擬重現期為2 a、降雨強度為1.028 mm/min、降雨歷時為60 min條件下，含滲透導管的改良型透水鋪裝對弱透水土質雨水徑流中以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律和效果。試驗步驟如下：

a. 在試驗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、常規透水鋪裝、改良型透水鋪裝試驗裝置的所有取樣口和溢流口分別連接到100 mL取樣瓶中，并對取樣瓶進行分類標記。

c. 人工降雨系統開始降雨，當路面產生徑流時開始計時，分別在0 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min時刻取樣。

d. 對所取樣品進行污染物指標檢測，并分析檢測數據。

1.3.2污染物分析方法

為保障試驗數據的可靠性，將獲取的水樣交由北京市環境保護檢測中心測定。基于降雨速率的模糊性，且無法準確回收裝置內去除的懸浮物，在分析處理COD、TP、TN和Cu2+等污染物指標的監測成果時，以進水、出水的污染物質量濃度ρ進水、ρ出水來計算試驗裝置對各污染物指標的去除率η，計算公式為

(1)

2 試驗結果與分析

2.1 徑流污染物質量濃度變化

COD、TN、TP和Cu2+等徑流污染物的質量濃度變化如圖4所示。觀察試驗現象發現，普通路面試驗裝置內產生“內澇”現象，雨水很快布滿整個裝置上層并溢出，而常規透水鋪裝和改良型透水鋪裝并沒有出現溢流現象。數據顯示，3種試驗裝置路面徑流污染物指標均有一定程度的下降。普通路面因其不滲透，本身對雨水徑流并無除污效果，分析污染物質量濃度下降的原因，一是隨著降雨量增大，雨水的沖刷效應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；二是雨水不會下滲，裝置內雨水排泄不及時產生“內澇”現象，流態紊亂，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 不同試驗裝置徑流污染物質量濃度變化

弱透水土質條件下3種試驗裝置路面徑流中COD、TN、TP和Cu2+的質量濃度變化趨勢大致相同，均隨降雨歷時的增加而減小。其中改良型透水鋪裝路面徑流污染物質量濃度下降最快，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%。可見改良型透水鋪裝能夠有效削減雨水徑流中的污染物。相比常規透水鋪裝路面，在弱透水土質條件下，改良型透水鋪裝路面對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Cu2+的去除效果提升幅度最大。

2.2 不同結構層對徑流污染物的去除效果

2.2.1對COD的去除效果

從圖5可以看出，不同鋪裝的結構層對徑流中COD均有去除效果，其中常規透水鋪裝和改良型透水鋪裝的面層對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%。相比常規透水鋪裝，改良型透水鋪裝的面層和基層對COD的去除能力增幅約2%～4%。由圖5(c)可見，弱透水土質條件下，促滲層對透水鋪裝面層和基層的COD去除效果也有所促進，其原因可能是含滲透導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COD的整體去除能力也得到了加強。可以看到雨水下滲經過改良型透水鋪裝的促滲層后，雨水中的COD質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TN和TP的去除效果

弱透水土質條件下各裝置結構層對TN和TP的去除規律如圖6、圖7所示。常規透水鋪裝面層和基層對TN的去除率分別為34.28%和28.96%，明顯弱于對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，常規透水鋪裝的面層和基層分別采用透水混凝土和級配碎石材料，對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，因此在降雨階段對于TN的截留作用將先于基層達到飽和。當兩種結構層截留能力均接近飽和后，TN的去除率就會顯著降低，由圖6也不難看出TN質量濃度曲線在整個降雨過程中波動明顯。改良型透水鋪裝促滲層成為去除TN的主要結構層，對TN的去除率約為46.67%。可能是因為滲透導管在改善弱透水土壤滲透和吸附能力的同時也為TN在以沙和土壤為滲濾介質的透水鋪裝中進行的反硝化反應提供了缺氧條件。反硝化細菌以有機碳源為電子供體將更多的NO3-N還原為氮氣，從而使得TN總量大幅減少。

兩種透水鋪裝各結構層對TP的去除率均在40%～60%之間，其中常規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的主要結構層。同TN的去除規律相似，常規透水鋪裝面層和基層對于以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。當截留能力接近飽和后，對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TP的去除率達到了59%，其原因可能是滲透導管改善了土壤滲透能力的同時，也為促滲層中的聚磷菌等去除TP的細菌提供了合適的反應條件，使得TP質量濃度大幅降低。

2.2.3對重金屬離子的去除效果

通過試驗數據分析發現，弱透水土質條件下，常規透水鋪裝及改良型透水鋪裝各結構層對Cu2+、Zn2+、Pb2+等重金屬離子的去除規律基本一致。以不同結構層對Cu2+的去除效果為例，去除規律曲線如圖8所示。

常規透水鋪裝面層和基層對Cu2+的去除率分別為55.91%和70.15%；而改良型透水鋪裝面層、基層和含滲透導管的促滲層對Cu2+的去除率分別達到了59.26%、73.58%和71.19%。可見基層是兩種透水鋪裝去除Cu2+能力最強的結構層。

圖5 不同結構層COD質量濃度變化

圖6 不同結構層TN質量濃度變化

圖7 不同結構層TP質量濃度變化

圖8 不同結構層Cu2+質量濃度變化

改良型透水鋪裝中的促滲層增強了面層和基層兩大結構層對Cu2+去除效果。相比常規透水鋪裝的面層和基層，其對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的滯蓄能力，同時使得透水鋪裝對徑流污染物的去除作用增強，更多的重金屬離子在下滲中得以去除。

2.3 不同降雨重現期條件下的污染物去除規律

為使監測結果更具代表性，基于嘉興市暴雨強度公式并借助人工模擬降雨設備分別補充重現期為1 a和5 a、降雨強度為0.94 mm/min和1.338 mm/min、降雨歷時為60 min的降雨試驗，監測并記錄不同降雨重現期條件下改良型透水鋪裝試驗裝置對COD、TN、TP和Cu2+的去除情況，結果見圖9。

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

3 結 論

a. 面層和基層是去除污染物的主要結構層，其中常規透水鋪裝的面層和基層對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4種污染物的去除效果更穩定。降雨末期對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。總的來說，弱透水土質條件下，相比常規透水鋪裝，改良型透水鋪裝在降雨末期對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. 受降雨強度的影響，雨水沖刷紊亂影響了透水鋪裝對小粒徑SS的截留，透水鋪裝對COD、TN、TP和Cu2+的去除效果也隨著降雨重現期的增大而減弱。以1a重現期條件下改良型透水鋪裝的水質控制效果為最優，降雨末期COD、TN、TP和Cu2+的質量濃度分別下降了88.87%、76.25%、70.88%和82.57%。較小的降雨強度有利于透水鋪裝對COD、TN、TP和Cu2+的去除。