透水磚堵塞程度對徑流顆粒物沖刷規(guī)律的影響

杜曉麗，鄭澤東，尹子杰，楊明哲

(1.北京建筑大學環(huán)境與能源工程學院城市雨水系統與水環(huán)境教育部重點實驗室，北京 100044；2.北京建筑大學未來城市設計高精尖創(chuàng)新中心，北京 100044)

透水鋪裝是一種常用的徑流原位入滲設施，其鋪設之初在雨水徑流體積削減、徑流污染控制等方面發(fā)揮顯著效能[1-3]。許多學者對此開展了研究，如趙遠玲等[4]以構造透水磚和普通透水磚為研究對象，在分別模擬不同重現期降雨時發(fā)現2種透水磚的場次降雨總量控制率均可達到95%以上；黃國如等[5]選取了20場實際降雨徑流分析透水鋪裝對徑流量的削減效果，發(fā)現透水鋪裝對徑流體積削減率最高可達86.5%；Zhang等[6]發(fā)現透水鋪裝對徑流COD、TN及NO3-N具有顯著凈化效果。但是，透水鋪裝系統在實際應用中面臨嚴重堵塞問題[7]。地表徑流攜帶的泥沙顆粒、有機物碎屑、油污等路面沉積物會進入透水鋪裝骨料孔隙，使其滲透性能降低、使用壽命縮短，最終演化成為不透水路面[8-9]。Al-Rubaei等[10]對瑞典北部兩種不同材質透水瀝青長期監(jiān)測發(fā)現，運行18年和24年后，透水瀝青滲透系數衰減率均達到90%以上；王興樺等[11]對西安市多條鋪設透水磚道路進行實地調研，發(fā)現使用2年后的透水磚滲透性能衰減率為20%～68%。可見，堵塞后的透水鋪裝系統滲透速率大大降低，對徑流體積的削減效果也大打折扣，這必然伴隨著對徑流污染控制效能降低，使徑流污染物輸出量增加。

目前，關于透水鋪裝系統對雨水徑流污染控制的研究多集中于其鋪設初期對徑流中各種污染物的控制效果[12-13]，卻鮮有關于其堵塞失效演變而導致徑流污染物輸出規(guī)律變化的相關報道。如Drake等[14]研究了加拿大安大略省某新建停車場內透水瀝青對徑流水質控制效果，發(fā)現其明顯削減了TSS、石油烴及顆粒態(tài)重金屬濃度；Niu等[15]通過搭建實驗室透水磚系統模擬裝置，發(fā)現其對徑流中SS去除率可達到79.8%以上。鑒于徑流中多種污染物均附著于顆粒物上同步輸出[16-17]，因此本文以典型透水鋪裝系統——透水磚系統為研究對象，開展透水磚堵塞失效全過程對徑流顆粒物沖刷規(guī)律影響的研究，并基于傳統指數沖刷模型建立與透水磚堵塞程度相適應的徑流顆粒物沖刷模型，描述透水磚堵塞動態(tài)變化過程對徑流顆粒物控制效能的變化趨勢，以期為研究透水磚堵塞全過程演化對徑流中其他污染物的控制衰減規(guī)律影響提供理論支撐，這對衡量評價透水磚在城市排水系統中的作用機制、合理判定其運行維護周期等均具有重要理論意義和實用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

1.1.1模擬人行道透水磚系統

模擬人行道透水磚系統為100 cm×50 cm×80 cm(長×寬×高)的無蓋箱體裝置，具體構造如圖1所示。裝置內部由下至上依次裝填土基層20 cm、礫石基層20 cm和找平層4 cm，其中土基層采用素土夯實(夯實度大于90%)、礫石基層采用級配礫石、找平層和填充磚縫采用級配砂，面層選用普通混凝土透水磚(購于北京愛道愛和科技有限公司)，尺寸為200 mm×100 mm×60 mm，此類型透水磚因其優(yōu)良滲透、抗壓性能在步行道、停車場、公園等廣泛應用[4]。鋪設所用素土、礫石與砂級配，以及各構造層壓實度等要求參照CJJ/T 188—2012《透水磚路面技術規(guī)程》。在裝置面層沿長邊設置寬2 cm、坡度1%的水泥抹面溝槽，溝槽底距透水磚表面5 cm，于溝槽最低處設置取樣口1用于采集透水磚表面徑流；土基層和礫石基層交界處設置取樣口2，用于采集透水磚系統下滲出流。

(a) 正視圖

(b) 俯視圖圖1 模擬人行道透水磚系統Fig.1 Simulated permeable brick system of sidewalk

1.1.2模擬降雨裝置

自制100 cm×100 cm管道噴淋裝置進行模擬降雨，具體構造如圖2所示。噴淋裝置采用44根DN15 PVC管以平行并排方式連接，單根管每隔2 cm

(a) 正視圖

打孔安裝針頭布水器；根據所需降雨重現期使用水泵出水管端流量計調整模擬降雨量。為確定降雨均勻程度以及實際降雨量和目標降雨量之間的相對誤差，在模擬降雨裝置下方均勻布置16個1 L量筒，利用調試好的模擬降雨裝置依次模擬北京市重現期為3年一遇和10年一遇均勻降雨25 min，隨后讀取16個量筒中體積并換算為降雨強度，采用Christiansen均勻系數法評價降雨均勻程度，計算方法見式(1)，根據式(2)計算實際降雨量和目標降雨量之間相對誤差[18]，結果顯示3年一遇、10年一遇情況下Christiansen均勻系數分別為89.61%、85.62%，相對誤差分別為1.25%、2.87%，符合均勻降雨及目標降雨重現期要求。

(1)

式中：CUC為Christiansen均勻系數，%；Di為i號量筒中的降水量，cm；Davg為量筒中的平均降水量，cm；n為量筒數量。

(2)

式中：I為降雨強度，mm/h；t為降雨持續(xù)時間，min。

1.2 試驗設計

根據北京市多年降雨數據確定雨季平均干期時長為72 h，采用人工清掃和吸塵器清掃(干式吸塵器)并用方式，對北京市大興區(qū)某人行道透水磚干期顆粒沉積物累積質量進行調研監(jiān)測，獲知0.5 m2透水磚表面72 h干期沉積物累積質量約為10 g。為保證還原透水磚表面顆粒物實際累積狀況，每次降雨前在透水磚裝置表面使用多孔篩均勻布撒10 g采集的透水磚路面顆粒沉積物。隨后，分別模擬北京市重現期為3年一遇(I=49.7 mm/h)和10年一遇(I=64.8 mm/h)均勻降雨，以透水磚表面產流時記為0時刻，使用HOBO RG3-M型翻斗式雨量計(Onset，美國)實時記錄取樣口1出流量，并使用棕色玻璃瓶收集第5、10、15、20、25 min徑流水樣。場次降雨結束后，讀取雨量計示數，得到徑流過程逐分鐘徑流量數據。測定采集徑流中的懸浮物(SS)質量濃度，并使用Mastersizer 3 000粒度分布儀(Malvern Panalytical，美國)測定其中的顆粒物粒徑分布。

1.3 透水磚堵塞程度判定

每次降雨結束后關閉取樣口1閥門，打開取樣口2閥門，保持透水磚上方2 cm恒水頭使用量筒采集取樣口2入滲出流量，直至取樣口2出水流量達到穩(wěn)定后，采用達西定律(式3)計算滲透系數[19]，并采用式(4)計算此時透水磚堵塞程度。待透水磚表面干燥、裝置內蓄滯雨水排空后，重復上述降雨過程直至透水磚完全堵塞(堵塞程度為90%時即認為透水磚系統完全堵塞)。

(3)

式中：Q為透水磚的穩(wěn)定出流量，m3/s；K為滲透系數，m/s；H為常水頭高度，m；L為水流的路徑，m；A為過水斷面面積，m2；J為水力坡度。

(4)

式中：r為透水磚堵塞程度，%；Kinitial為透水磚初始未堵塞時滲透系數，mm/min；Ki為每次降雨結束后透水磚滲透系數，mm/min。

1.4 指數沖刷模型

采用Sartor等[20]于1974年提出的指數沖刷模型定量分析透水磚在不同堵塞程度時的初期沖刷效應，計算公式為

W=M0(1-e-kt)

(5)

式中：W為t時刻被沖刷污染物累積質量，g；M0為降雨開始時顆粒物累積量，g；k為沖刷模型系數，與顆粒物粒徑、徑流量有關，min-1。

2 結果與分析

2.1 透水磚堵塞程度對徑流顆粒物沖刷影響

2.1.1不同堵塞程度透水磚徑流中顆粒物初期沖刷效應

當雨水徑流污染物初期累積排放速率大于徑流累積輸送速率時，即認為存在初期沖刷效應。采用無量綱M(V)曲線法(曲線全部位于45°度對角線以上認為存在初期沖刷現象)、F30參數法(F30是指場次降雨累積徑流比為30%時，對應的累積污染物負荷比與累積徑流比之比，F30值大于1.67時認為存在初期沖刷現象)分別對不同堵塞程度的透水磚徑流顆粒物初期沖刷效應進行定性、定量判定[21-22]。一般而言，M(V)曲線距對角線離散程度越大、F30值越大時，初期沖刷效應越強烈。

選取透水磚堵塞程度r為20%、50%、70%及90%，降雨重現期3年一遇和10年一遇時場次降雨徑流過程，繪制徑流沖刷顆粒物M(V)曲線，并計算F30值，結果分別如圖3和表1所示。由圖3可見，不同降雨重現期條件下，各堵塞程度透水磚的徑流顆粒物M(V)曲線均位于45°度對角線以上，且F30值均在1.67以上，說明無論透水磚堵塞與否，其表面徑流顆粒物均存在初期沖刷效應。但在相同堵塞程度下，10年一遇降雨條件下F30值均高于3年一遇降雨，說明降雨重現期越大其表面徑流顆粒物初期沖刷效應越明顯；這是由于降雨強度較大對地表顆粒物的沖擊力度較高，易打破干期累積時顆粒物與下墊面表層的平衡穩(wěn)定附著狀態(tài)，且徑流量增大為顆粒物沖刷提供了水動力條件，導致其遷移輸送率更高[22-25]。由表1可見，在同一降雨重現期下，透水磚堵塞進程后期徑流的F30值大于堵塞中期和前期，說明透水磚堵塞程度越高，初期沖刷效應越明顯；這是因為隨著堵塞進程發(fā)展，透水磚內部孔隙空間減小，表面顆粒物在透水磚內部向下遷移能力減弱，徑流沖刷攜帶的顆粒物量增加[26]，同時堵塞引起透水磚入滲量減小，間接引起徑流量增大對顆粒物沖刷作用加劇。

(a) 3年一遇

(b) 10年一遇圖3 不同降雨重現期時各堵塞程度透水磚徑流顆粒物M(V)曲線Fig.3 M(V) curves of runoff particles in permeable brickwith different blocking degrees under differentrainfall return periods

表1 不同降雨重現期時各堵塞程度透水磚徑流顆粒物F30值Table 1 F30 values of runoff particles in permeable brickwith different blocking degrees under differentrainfall return periods

2.1.2不同堵塞程度透水磚表面徑流顆粒物沖刷模型

應用指數沖刷模型對顆粒物累積沖刷質量隨徑流歷時變化進行模擬，結果如圖4所示。

(a) r=20%

(b) r=50%

(c) r=70%

(d) r=90%圖4 不同降雨重現期下各堵塞程度透水磚徑流顆粒物指數沖刷模型模擬結果Fig.4 Simulation results of exponential scouring model of runoff particles in permeable brick with different blockingdegrees under different rainfall return periods

由圖4可見，指數沖刷模型可較好地描述不同堵塞程度透水磚徑流顆粒物沖刷過程(R2均大于0.84)，堵塞程度和降雨重現期均未對擬合曲線趨勢產生太大影響。隨徑流歷時增加，雖然徑流中顆粒物累積沖刷質量不斷增加，但顆粒物沖刷速率不斷減小，說明沖刷強度逐漸減弱，20 min后顆粒物沖刷質量基本達到穩(wěn)定。此外，發(fā)現透水磚堵塞程度越高、降雨重現期越大，徑流初期(10 min以內)顆粒物沖刷速率越大，說明徑流初期顆粒物沖刷強度較大、初期沖刷效應更強烈，這與M(V)曲線法和F30參數法分析結果一致。

相同堵塞程度時，降雨重現期越大，透水磚表面徑流顆粒物沖刷質量越多，如堵塞程度為20%時，10年一遇降雨條件下徑流顆粒物沖刷質量為3年一遇的4倍以上。同一降雨重現期下，隨堵塞程度增加透水磚表面徑流顆粒物沖刷質量逐漸增加；如降雨重現期為10年一遇時，堵塞程度為90%的場次降雨徑流中顆粒物沖刷質量為堵塞程度為20%的10倍以上。可見，透水磚堵塞程度與降雨重現期不僅影響其表面徑流顆粒物初期沖刷效應，同時也會影響累積沖刷質量總體水平。

2.1.3基于透水磚堵塞程度的表面徑流顆粒物沖刷模型

將不同堵塞程度透水磚徑流顆粒物沖刷過程應用指數沖刷模型進行擬合，得到的擬合參數及相關系數見表2，其中3年一遇降雨強度較小，堵塞程度為0%、10%時未形成徑流，因此無擬合數據。由表2可見，相同堵塞程度下，降雨重現期越大，擬合得到的M0值越大；在同一降雨重現期時，透水磚堵塞程度越高，擬合得到的M0值越大。這是由于透水磚堵塞顆粒物主要滯留于面層[8]，堵塞程度越高，面層堵塞顆粒物滯留量越大，可供沖刷的顆粒物越多；且降雨強度越大，沖刷作用越明顯，致使可供沖刷的M0值越大。

研究表明，系數k可表征沖刷效應強弱，受沖刷顆粒物粒徑效應與徑流水動力條件共同影響，即受顆粒物自身遷移能力與徑流沖刷攜帶能力共同影響，表現為k隨沖刷顆粒物粒徑增大而減小、隨徑流量增加而增大。

由表2可見，相同堵塞程度下，降雨重現期增大引起徑流量增加，擬合得到的系數k值增大，表明透水磚表面顆粒物沖刷作用較明顯，這與2.1.1節(jié)的結論一致。而在同一降雨重現期時，系數k則隨透水磚堵塞程度增加呈先減后增趨勢；這是由于在堵塞初期透水磚孔隙較大，入滲性能較強導致徑流量較小，同時大粒徑顆粒物可進入透水磚內部，徑流沖刷攜帶的多為截留于面層的小粒徑顆粒物，使得粒徑效應占主導，所以系數k較大；堵塞中期透水磚孔隙逐漸減小，徑流量雖有所增加，但小粒徑顆粒物更易于進入透水磚內部、大粒徑顆粒難以進入而被沖刷，粒徑效應的影響大于水動力增強作用，所以系數k減小；透水磚堵塞末期，孔隙堵塞明顯引起表面徑流量大幅增加，同時大、小粒徑顆粒均難以進入透水磚內部而被沖刷，所以系數k較大。

表2 透水磚徑流顆粒物指數沖刷模型擬合參數Table 2 Fitting parameters of exponential scouring modelof runoff particles in permeable brick

由上可見，透水磚堵塞程度r與指數沖刷模型參數M0、k存在相關關系，因此將透水磚堵塞程度與模型參數進行擬合，分析指數沖刷模型參數與透水磚堵塞程度之間的定量關系，建立基于透水磚堵塞程度的表面徑流顆粒物沖刷模型。透水磚堵塞程度與模型參數擬合曲線、擬合公式分別如圖5和表3所示。

由圖5可見，徑流顆粒物指數沖刷模型參數M0和k與透水磚堵塞程度r具有顯著相關性，相關系數較高；其中M0與透水磚堵塞程度r符合指數相關，k與透水磚堵塞程度r呈先降低后增加趨勢。由表3可見，降雨重現期為3年一遇時，兩個參數與透水磚堵塞程度r的擬合效果均優(yōu)于降雨重現期為10年一遇；說明在降雨強度較小時以透水磚堵塞程度r為單一參數可以較好表達不同堵塞程度透水磚表面徑流顆粒物沖刷規(guī)律。由此，當獲知透水磚堵塞程度r時，便可快速預測不同堵塞程度透水磚徑流顆粒物輸出負荷。

(a) r與M0 (b) r與k圖5 透水磚堵塞程度與徑流顆粒物指數沖刷模型參數擬合關系Fig.5 Fitting relationship between blocking degree of permeable brick and parameters of exponential scouring model

表3 基于透水磚堵塞程度r的徑流顆粒物指數沖刷修正模型Table 3 Modified exponential scouring model of runoff particles based on blocking degree of permeable brick

2.2 透水磚堵塞程度對徑流輸出顆粒物粒徑分布的影響

2.2.1不同堵塞程度透水磚徑流中顆粒物粒徑分布

選取透水磚不同堵塞節(jié)點時所采集的各歷時徑流樣品進行粒度分析，結果如圖6所示。隨徑流歷時變化，不同降雨重現期時各堵塞程度透水磚表面徑流顆粒物粒徑分布變化趨勢一致：即粒徑大于500 μm顆粒物體積占比隨歷時增加逐漸增加，而粒徑小于150 μm顆粒物體積占比則隨歷時增加逐漸減少。這是由于透水磚表面初期徑流量較小，沖刷攜帶的主要為小粒徑顆粒物，而產流后期透水磚表面徑流量增加對大粒徑顆粒物沖刷攜帶能力增強所致。在堵塞中后期，降雨重現期為10年一遇時透水磚徑流中，粒徑大于500 μm顆粒物體積占比較3年一遇時有所增加，粒徑小于150 μm顆粒物體積占比有所減少，說明降雨強度增大對大顆粒物沖刷增強作用更明顯。在同一降雨重現期時，隨堵塞程度增加，徑流中粒徑小于150 μm顆粒物體積占比明顯提高。如3年一遇降雨條件時，堵塞程度由20%增加至90%，徑流中粒徑小于150 μm顆粒物在徑流 5 min時的體積占比由33%增長至81%，粒徑大于500 μm顆粒物體積占比由63%減少至16%，說明高堵塞程度下透水磚表面小粒徑顆粒物沖刷作用更強。綜上，堵塞程度、降雨重現期與徑流歷時均對透水磚徑流中顆粒物粒徑分布產生影響；堵塞程度增加導致透水磚徑流中粒徑小于150 μm顆粒物體積占比增加，而降雨重現期增大、徑流歷時增加均會引起粒徑大于500 μm顆粒物體積占比增加。

2.2.2透水磚堵塞程度與沖刷顆粒物粒徑分布相關性

為進一步識別透水磚堵塞程度與徑流顆粒物粒徑分布相關性，并明確降雨重現期、徑流歷時的作用，對透水磚堵塞程度與所采集不同歷時徑流中各粒徑顆粒物體積占比進行相關性分析，結果如表4所示。由表4可見，在不考慮其他因素影響時，透水磚堵塞程度與徑流中粒徑小于150 μm顆粒物體積占比呈正相關關系，與徑流中粒徑大于500 μm顆粒物體積占比呈負相關關系。進一步考慮降雨重現期、徑流歷時因素影響，并進行偏相關分析，發(fā)現上述正相關、負相關系數絕對值均增大，表明以上兩因素對透水磚堵塞程度與徑流中粒徑小于150 μm、大于500 μm顆粒物體積占比的相關性均具有增強作用，證明降雨重現期、徑流歷時確是影響徑流顆粒物粒徑分布的重要因素。結合2.2.1節(jié)來看，降雨重現期、徑流歷時因素的相關性增強作用效果與堵塞程度對粒徑分布的影響效果相反，即降雨重現期越大、徑流歷時越長，會削弱堵塞程度的影響，導致徑流中粒徑小于150 μm顆粒物體積占比減少趨勢更顯著，而粒徑大于500 μm顆粒物體積占比增加趨勢更顯著。由此得出，透水磚堵塞程度對徑流中顆粒物粒徑分布的影響受降雨重現期、徑流歷時因素牽制，存在交互作用，并非簡單的同向加和作用。

(a) r=20% (b) r=50%

(c) r=70% (d) r=90%圖6 不同降雨重現期時各堵塞程度透水磚徑流顆粒物粒徑變化Fig.6 Change of particle size in permeable brick runoff with different blocking degreesunder different rainfall return periods

表4 堵塞程度和不同粒徑顆粒物體積占比相關性分析Table 4 Correlation analysis between blocking degree and volume proportion of particles with different particle sizes

3 結 論

透水磚系統的“面層累積-垂直堵塞-徑流沖刷”顆粒物遷移模式與傳統不透水下墊面簡單的“表面累積-徑流沖刷”模式不同；透水磚堵塞全過程動態(tài)變化持續(xù)影響表面徑流中顆粒物沖刷質量、粒徑分布，使其沖刷規(guī)律較不透水下墊面存在較大差異。本文主要結論有：

a.堵塞程度、降雨重現期會影響透水磚表面徑流顆粒物初期沖刷效應，透水磚堵塞程度越高、降雨重現期越大，徑流顆粒物的初期沖刷效應越明顯。

b.指數沖刷模型可較好地描述各堵塞節(jié)點時透水磚徑流顆粒物沖刷過程，將堵塞程度這一動態(tài)變化量引入傳統指數沖刷模型，建立了基于透水磚堵塞程度的透水磚表面徑流顆粒物沖刷模型。

c.透水磚堵塞程度可顯著影響徑流中顆粒物粒徑分布，且與降雨重現期、徑流歷時存在交互影響作用；堵塞程度增加導致透水磚徑流中粒徑小于150 μm顆粒物體積占比增加，而降雨重現期增大、徑流歷時增加則會引起粒徑大于500 μm顆粒物體積占比增加。