龔金龍，樊綠葉，闕振業(yè)，姚成雷

（昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

在海綿城市建設(shè)中，雨水滯蓄利用是城市水資源綜合利用的一種有效途徑，既能節(jié)約水資源，又能使水循環(huán)向著有利于城市生活的方向發(fā)展，針對(duì)這一問(wèn)題，低影響開(kāi)發(fā)（LID）雨水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。而在低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)中徑流污染是其重要控制指標(biāo)之一，同時(shí)在城市徑流污染物中，懸浮物往往與其他污染物具有一定相關(guān)性，因此在《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》中采用懸浮物作為徑流污染物控制指標(biāo)。生物滯留池是一種生態(tài)可持續(xù)的雨水控制利用設(shè)施，可以同時(shí)解決地表徑流帶來(lái)的水文、水質(zhì)問(wèn)題。然而其內(nèi)部過(guò)濾層填料的性能制約著其在海綿城市中的應(yīng)用。

級(jí)配砂是指將不同粒徑的河砂按一定的配比組成混合，從而形成的具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和滲透性能的混合材料，這使其在作為過(guò)濾層填料時(shí)具有較大潛力。

本文提出將級(jí)配砂作為生物滯留池過(guò)濾層填料，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、懸浮物去除率以及持水性能的相關(guān)研究探索，分析將級(jí)配砂作為生物滯留池過(guò)濾層填料的可行性。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

生物滯留池填料級(jí)配砂的配制參考澳大利亞CRC 為水敏型城市所編寫(xiě)的技術(shù)指導(dǎo)手冊(cè)中的配比（質(zhì)量比粉質(zhì)黏土 ＜3 %，特細(xì)砂 5 %～30 %，細(xì)砂 10 %～30 %，中粗砂 40 %～60 %，粗砂 ＜ 25 %，特粗砂 0～10 %，細(xì)礫石 ＜3 %）。改良級(jí)配砂在 CRC 配比的基礎(chǔ)上結(jié)合本地條件進(jìn)行了比例調(diào)整，最終填料配比按照質(zhì)量比細(xì)砂 30 %、中砂 20 %、粗砂 50 %，外摻 2 % 粉質(zhì)粘土均勻混合而成。

1.2 研究方法

1.2.1 滲透系數(shù)測(cè)定方法

試驗(yàn)方法依據(jù) JTGE 40－2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［1］，采用 TST－70 型常水頭滲透系數(shù)儀（見(jiàn)圖1），滲透系數(shù)根據(jù)達(dá)西滲流定律通過(guò)測(cè)定流量和水力梯度然后反求滲透系數(shù)。試驗(yàn)時(shí)待供水和測(cè)壓管讀數(shù)穩(wěn)定后，開(kāi)始讀取測(cè)壓管讀數(shù)和測(cè)量排水口出水量，兩者同時(shí)進(jìn)行。通過(guò)計(jì)算每?jī)蓚€(gè)測(cè)壓管之間填料層的水力梯度和整個(gè)入滲系統(tǒng)的流量，利用達(dá)西滲透公式[見(jiàn)式（1）]，計(jì)算滲透系數(shù)，同時(shí)乘以粘滯系數(shù)比，將滲透系數(shù)校正為標(biāo)準(zhǔn)溫度（20 ℃）時(shí)的滲透系數(shù)。

式中：k20為水溫為 20 ℃ 時(shí)試樣滲透系數(shù)，mm/h，計(jì)算至 3 位有效數(shù)字；Q為時(shí)間t內(nèi)的滲透水量，cm3；L為兩測(cè)壓孔之間的試樣高度（等于測(cè)壓孔中心間距10 cm）；H為平均水位差，cm；t為時(shí)間，s；ηt/η20為粘滯系數(shù)比；A為常水頭滲透儀截面積，cm2。

1.2.2 懸浮物測(cè)定方法

試驗(yàn)方法依據(jù) GB 11901-89《水質(zhì) 懸浮物的測(cè)定 重量法》［2］，采用全玻璃微孔濾膜過(guò)濾器（見(jiàn)圖2），測(cè)定時(shí)量取充分混勻的試樣 100 mL 抽吸過(guò)濾，使水分全部通過(guò)濾膜，再以每次 10 mL 蒸餾水連續(xù)洗滌 3 次，繼續(xù)吸濾以除去痕量水分。停止吸濾后，仔細(xì)取出載有懸浮物的濾膜放在原恒重的稱量瓶里，移入烘箱中于 103～105 ℃ 下烘干 1 h 后移入干燥器中，使冷卻到室溫，稱其質(zhì)量。反復(fù)烘干、冷卻、稱量，直至 2 次稱量的質(zhì)量差 ≤ 0.4 mg 為止。懸浮物含量C（mg/L）按式（2）計(jì)算。

圖2 全玻璃微孔濾膜過(guò)濾器

式中：Cs為水中懸浮物濃度，mg/L；A為懸浮物＋濾膜＋稱量瓶質(zhì)量，g；B為濾膜＋稱量瓶質(zhì)量，g；V為試樣體積，mL。

1.3 材料性能檢測(cè)

1.3.1 連續(xù)飽和滲透系數(shù)試驗(yàn)

改良級(jí)配砂滲透系數(shù)的測(cè)定依據(jù) 1.2中對(duì)應(yīng)方法進(jìn)行，總計(jì)進(jìn)行 5 組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)采用連續(xù)加水飽和，測(cè)得其滲透系數(shù)隨時(shí)間變化，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 連續(xù)加水飽和滲透系數(shù)變化值 mm/h

1.3.2 懸浮物去除率試驗(yàn)

進(jìn)行去除率試驗(yàn)前，首先需配制對(duì)應(yīng)濃度的懸浮物混合液，配水用懸浮物取常規(guī)粉質(zhì)黏土（烘干后粉碎），配制混合液時(shí)依據(jù)所需濃度，分別稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量粉質(zhì)黏土及蒸餾水，之后充分?jǐn)嚢杈鶆?。進(jìn)水方式采用人工注水的形式，一邊攪拌一邊緩緩向滲透系數(shù)桶中注入混合液，之后分別取 500 mL 進(jìn)水溶液及滲透系數(shù)桶的出水溶液，參照 1.2.2 中懸浮物測(cè)定方法測(cè)定對(duì)應(yīng)溶液懸浮物濃度。

1）不同填料厚度相同進(jìn)水濃度。在滲透系數(shù)桶中對(duì)改良級(jí)配砂采用不同厚度填入，之后分別加入接近濃度的懸浮物溶液（采用昆山地區(qū)常規(guī)降雨地表徑流懸浮物濃度 300 mg/L，由于配制方法原因，最終進(jìn)水濃度只能控制在一定范圍值 280～350 mg/L），測(cè)得其懸浮物去除率隨填料厚度變化，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同填料厚度下懸浮物去除率數(shù)據(jù)

2）相同填料厚度不同進(jìn)水濃度。在滲透系數(shù)桶中填入 30 cm 厚度改良級(jí)配砂，分別加入不同濃度的懸浮物溶液。測(cè)得其懸浮物去除率隨進(jìn)水懸浮物濃度的變化，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同進(jìn)水濃度下懸浮物去除率數(shù)據(jù)

1.3.3 持水性能試驗(yàn)

由于級(jí)配砂主體為各種粒徑的砂，在夏天高溫情況下，水份極易快速喪失，為此進(jìn)行對(duì)應(yīng)改進(jìn)，主要通過(guò)增加覆蓋層或以在其中摻拌多孔吸水材料的方式提高其持水并減少蒸發(fā)量，為驗(yàn)證并比較改進(jìn)后填料持水情況，設(shè)計(jì)持水性能試驗(yàn)。首先在小型容器中模擬生物滯留池結(jié)構(gòu)依照一定比例分層填筑（見(jiàn)圖3），之后在對(duì)應(yīng)容器中注入蒸餾水，使水份恰好填滿最底部碎石層并稱量整體質(zhì)量，將容器置于氣候控制箱（見(jiàn)圖4）中，并設(shè)定環(huán)境條件（溫度 40 ℃，濕度 60 %，風(fēng)速 3 m/s，此環(huán)境條件參考昆山市氣象站相關(guān)數(shù)據(jù)，取較為極端條件），24 h 后取出對(duì)應(yīng)容器稱取質(zhì)量并計(jì)算蒸發(fā)量，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示（通過(guò)查閱昆山市氣象站數(shù)據(jù)昆山 2017年日平均蒸發(fā)量 2.79 mm/d，在試驗(yàn)室采用與上述試驗(yàn)相同的方法，將裝有昆山本地粉質(zhì)黏土的容器置于氣候控制箱，在同等溫濕度及風(fēng)速條件下測(cè)得土壤穩(wěn)定蒸發(fā)量 1 mm/d）。

圖3 小型容器樣品填筑示例

圖4 氣候控制箱

2 結(jié)果與分析

2.1 級(jí)配砂滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

從圖5 中可以看出 5 組平行試驗(yàn)在連續(xù)飽和浸水后，前期滲透系數(shù)會(huì)有一個(gè)上升過(guò)程，這是由于試驗(yàn)初期隨著水的流動(dòng)，填料內(nèi)部會(huì)有部分砂子隨著水流發(fā)生遷移，而填料遷移的過(guò)程中原本密實(shí)的孔隙可能會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的毛管通道，導(dǎo)致了運(yùn)行初期滲透系數(shù)的上升，之后填料滲透系數(shù)開(kāi)始回落，這一過(guò)程使部分隨水流發(fā)生遷移的填料再次密實(shí)穩(wěn)定的過(guò)程，之后經(jīng)歷將近一個(gè)月的時(shí)間滲透系數(shù)逐漸趨于平穩(wěn)，這說(shuō)明級(jí)配砂在持續(xù)使用一段時(shí)間后可以形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.2 懸浮物去除率變化曲線

從圖6 中可以看出在進(jìn)水濃度相近的條件下，隨厚度增加，懸浮物去除率也增加，最大去除率可達(dá) 95 % 以上。這是由于隨著填料厚度的增加提高了水力停留時(shí)間，同時(shí)由于級(jí)配砂的結(jié)構(gòu)特性，填料空隙小，故對(duì)水中的懸浮物具有較強(qiáng)的去除作用；當(dāng)填料填筑厚度為 30 cm 時(shí)，懸浮物去除率達(dá)到 92 %，已經(jīng)能夠滿足生物滯留池使用要求，同時(shí)在 30 cm 的填筑厚度下，隨進(jìn)水濃度增加，懸浮物最大去除率可達(dá) 97 % 以上（見(jiàn)圖7）。這是由于隨著懸浮物在級(jí)配砂填料內(nèi)的沉積，級(jí)配砂填料空隙不斷減小，比表面積增大，水力停留時(shí)間增加，故對(duì)懸浮物的去除率提高，由此可以看出，改良級(jí)配砂對(duì)懸浮物去除有著良好的效果。

表4 蒸發(fā)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖5 滲透系數(shù)隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖

2.3 級(jí)配砂持水性能變化曲線

圖6 懸浮物去除率隨填料厚度變化趨勢(shì)圖

圖7 懸浮物去除率隨進(jìn)水濃度變化趨勢(shì)圖

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在表面添加覆蓋層，可以大大提高級(jí)配砂填料的持水性（見(jiàn)圖8），這是由于覆蓋層切斷了毛管力的作用從而中斷了水分的向上作用，同時(shí)也改變了地表溫度特性避免填料在高溫氣候中隨環(huán)境快速升溫，進(jìn)而減少蒸發(fā)，其中以覆蓋樹(shù)皮提高最大，但考慮到樹(shù)皮密度較小，如滯留池表面存在長(zhǎng)期徑流并不宜鋪設(shè)，因此也可選用在表面鋪設(shè) 2 cm 卵石（粒徑 5～10 mm）、火山巖（3～6 mm）或綠沸石（2～5 mm）（見(jiàn)表4 和圖8）。

圖8 不同填料蒸發(fā)量比較柱狀圖

3 結(jié) 語(yǔ)

使用級(jí)配砂作為生物滯留池的過(guò)濾層填料，可以有效去除地表徑流中的懸浮物，同時(shí)通過(guò)在表面鋪設(shè)覆蓋層，其持水性能也大大提高，在模擬條件下（夏天高溫高濕狀態(tài)，溫度 40 ℃，濕度 50 %）其與昆山年平均蒸發(fā)量（2.79 mm/d）相比，可控制在 2 倍以內(nèi)，對(duì)植物的生長(zhǎng)影響較??；同時(shí)由于其級(jí)配可調(diào)整，可配合不同地區(qū)環(huán)境的要求進(jìn)行修改，制作符合需求的滲透系數(shù)的填料；最后其材料主要為河砂（海砂或其他類型的砂需深度水洗去除其中不利于植物生長(zhǎng)的元素，如氯離子），獲取難度低，便于推廣使用。不同滲透系數(shù)下級(jí)配砂的級(jí)配變化應(yīng)有規(guī)律，同時(shí)在級(jí)配砂中添加組合其他不同的材料（生物炭、各類多孔材料、各類有機(jī)質(zhì)材料等）對(duì)其功能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，使其能夠滿足對(duì)水體凈化、高效除磷、除氮、適應(yīng)不同種類植物生長(zhǎng)等各種細(xì)化要求，這些將在以后的試驗(yàn)中進(jìn)一步研究。