初期雨水徑流污染路面攔截裝置

吳榮芳， 董進波

（1.江蘇大學 基建處，江蘇 鎮江 212013；2.鎮江市水業總公司，江蘇 鎮江 212010）

隨著城市水環境治理進程的加快，城市污水收集效率大幅提升，影響城市水體水質的因素主要為城市面源污染、大氣沉降等，其中初期雨水造成的城市面源污染日益凸顯。國內外學者研究表明[1～2]，初期雨水徑流的水質較差，在一場降雨過程中，占總徑流量20%或25%的初期徑流，沖刷排放的污染物量占徑流排污量的50%以上[3]；可見，對初期雨水徑流的處理與處置是雨水徑流污染控制的關鍵[4～5]，是有效控制城市面源污染的核心，是海綿城市建設的重要措施，對城市水環境質量的持續提升具有突出作用[6]。

目前國內外初期雨水截流裝置主要有兩種類型：一是簡易的旋流沉砂裝置，利用旋流產生的離心力實現雨水中水砂的分離，凈化效率較低；二是相對復雜的人工濕地、磁絮凝、混凝沉淀等雨水凈化裝置，投資大、運行成本較高、維護管理復雜、占地面積大，對建設選址有較高的要求，經常是“建得起、管不起”狀態。

本文介紹了一種新型雨水攔截凈化裝置：一方面通過截水欄的設置提高初期雨水的收集率；另一方面通過過濾吸附材料的設置提高初期雨水中污染物的去除效率，進而通過下滲系統的設置實現雨水減量和消峰，最終有效降低初期雨水污染，同時實現雨水的減量和污染物減排。

1 徑流攔截裝置

1.1 裝置的開發

徑流污染路面攔截裝置通常由頂蓋、截水欄、攔截裝置和下滲層4部分組成。見圖1。

圖1 徑流污染路面攔截裝置的一般構造

頂蓋為鑄鐵或鋼筋混凝土材料，安裝位置與路面齊平。截水欄為徑流流動方向上高起的長條帶，可以用常規減速帶代替。攔截裝置為矩形，底部鏤空，內部填充吸附填料。下滲層位于整個裝置底部，用于承托攔截裝置的同時起到均勻下滲作用。

1.1.1 截水欄

常用截水欄的截面形狀有兩種：形狀1為圓拱形，形狀2 為棱臺形。兩種截水欄都具有較好的截水效果。見圖2。

圖2 兩種常用截水欄截面形狀

截水欄為徑流流動方向上橫跨道路的高起長條帶，過低達不到截水效果，過高又會影響交通；因此，應在保證不阻礙交通的前提下，適當加大高度。通常，截水欄的高度為5～6 cm。

1.1.2 填料

吸附填料是決定整個裝置凈化效果的關鍵，選擇時應注意以下幾點：

1）應具有較大的比表面積，吸附量大且吸附力強；

2）應具備較高的機械強度和較好的化學穩定性；

3）應具有較好的形狀系數，過濾速度快、水頭損失小。

填料可以是單一的，也可以是多種按比例混合或分層填充的。填充高度應不大于攔截裝置總高度的2/3。為便于吸附填料的更換，應設置填料箱或填料籃，直接放置于攔截裝置內。填料箱或填料籃為不銹鋼材質。

1.1.3 攔截裝置

徑流雨水經過吸附填料凈化并由下滲層流入土壤得以凈。如果徑流雨水未被凈化而直接通過攔截裝置邊壁滲漏進入土壤，不但沒有達到凈化目的，反而對土壤造成污染；長時間滲漏也將影響道路的結構性能。因此，對措施攔截裝置采取防滲措施至關重要。攔截裝置的防滲措施主要是在內壁四周鋪設防滲層。

1.2 裝置的設置

通常情況下，道路路面并不是齊平的，而是中間高，兩側略低，為的是將雨水引流到道路兩側，不造成道路中央積水；因此，幾乎所有的雨水口都位于道路兩側。同樣，徑流污染路面攔截裝置也設置于路邊，靠近路沿的位置；有減速帶時，將裝置設置于減速帶前，利用減速帶截水。見圖3。

圖3 徑流污染路面攔截裝置位置

1.3 工作原理

徑流污染路面攔截裝置在改變傳統雨水口結構與位置的基礎上，達到收集、凈化、排放的目的。降雨初期，徑流沿路面流動，沖刷路面污染物，水質極差；流經路面攔截裝置時，被裝置截水欄阻擋去路，徑流水體由裝置頂蓋下流，進入攔截裝置；攔截裝置內填充一定量多孔吸附材料，徑流穿過多孔吸附材料時，絕大多數污染物被吸附截留；被凈化的雨水徑流繼續向下流動進入下滲層并沿各向滲入土壤中。

隨著降雨歷時的推進，徑流量不斷增大，當產流速度大于裝置凈化下滲速度時，徑流水體在截水欄前不斷累積，累積高度大于截水欄最高點時便越過截水欄繼續沿路面流動，污染物會被下一個攔截裝置攔截。

2 截流凈化效率

2.1 截流效率

徑流污染路面攔截裝置的泄水能力直接影響徑流污染的凈化效果，也間接影響道路交通安全，若過多的雨水流入路面，還會影響路面的結構性能。

徑流污染路面攔截裝置是通過徑流的下滲達到泄水的目的，Horton 模型是水文中最著名的下滲模型，經驗公式為

式中：ft——t時刻的下滲速率，mm/h；

fc——最終（穩定狀態）下滲速率，mm/h；

f0——初始速率，mm/h；

k2——衰減常數，h-1。

式（1）中的參數取決于介質類型和初始含濕量。由式（1）可知，填料中雨水的下滲能力隨時間的推移逐漸減小并趨于穩定。

徑流污染路面攔截裝置的泄水能力是指經過裝置吸附凈化而下滲進入土壤的徑流流量，其關系可表示為

式中：Qi——裝置泄水能力，m3/h；

S——裝置橫截面積，m2；

f——徑流下滲速率，m/h；

a,b——裝置橫截面的長、寬，m。

徑流污染路面攔截裝置的截流效率是指下滲徑流量與總徑流量的比，表示為

式中：E——徑流污染路面攔截裝置截流效率；

Qi——下滲徑流量，m3；

Q——總徑流量，m3。

徑流污染路面攔截裝置的泄水能力與裝置幾何尺寸、填料類型、徑流流量有關，通常隨總徑流流量的增大而增大；而截流效率隨總徑流流量的增大而減小。

2.2 凈化效率

實測了2次降雨時攔截裝置的凈化效率，對CODCr、SS、NH3-N、TP 均有一定的吸附凈化效果，其中降雨初期對CODCr、SS的去除效果十分明顯，去除率可以達到50%以上，后期的去除效率也在20%以上。見圖4。

圖4 兩次降雨時攔截裝置凈化效率

3 結論

1）開發了一種集攔截、凈化、下滲于一體的雨水徑流攔截裝置，可以實現污染雨水的有效攔截、快速凈化和下滲減量，對城市洪澇控制和污染減排有較大作用。

2）分析建立了攔截裝置的截流效率計算模型；實測了該裝置的凈化效率，證實該裝置對污染物具有較強地凈化能力。