張智賢， 王俊嶺，秦全城，王 華，張鶴林

(1.北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.天津碧桂園鳳凰酒店有限公司,天津 300357； 3.中科院建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 00086)

降雨初期形成的路面徑流攜帶了大量的徑流污染物，其質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于后期雨水[1]。懸浮固體(suspended solid，SS)是導(dǎo)致雨水徑流污染的主要污染物之一，也是P、N、油脂類污染物和Cu等重金屬污染物的載體[2-3]。SS作為雨水徑流污染的主要污染物，在被去除的同時(shí)亦能夠有效地降低COD、TN等污染物的質(zhì)量濃度[4-5]。路面雨水徑流中的SS主要來源于輪胎磨損、防凍劑的使用、殺蟲劑和肥料的使用以及丟棄的廢物，污染成分主要包括有機(jī)或無機(jī)化合物、P、N、金屬、油類等[6-7]。王以堯等[8]通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，SS是降雨徑流污染物的重要來源；車伍等[9]通過實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)，北京市區(qū)道路和居民區(qū)道路上徑流SS污染負(fù)荷平均值分別達(dá)到7 000 mg/m2和1 700 mg/m2，為路面雨水徑流中各類污染物之最。

透水鋪裝能夠有效地改善路面雨水徑流的水質(zhì)狀況。李美玉等[10]從透水鋪裝結(jié)構(gòu)與分類、透水鋪裝徑流調(diào)控機(jī)理、透水鋪裝水量削減與水質(zhì)凈化效益等方面綜述了國內(nèi)外透水鋪裝徑流控制研究進(jìn)展，并詳細(xì)分析了透水鋪裝的徑流調(diào)控效益；張衛(wèi)[11]通過人工降雨試驗(yàn)測定了不同配比的結(jié)構(gòu)層對透水鋪裝滲透率的影響，結(jié)果表明透水基層和面層對透水鋪裝滲透率的影響極為顯著。Tota-Maharaj等[12]通過試驗(yàn)論證了透水鋪裝污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；Chandrappa等[13]綜述了透水鋪裝的修復(fù)技術(shù)和全生命周期成本，基于透水鋪裝在低碳環(huán)保方面的優(yōu)勢，得出了未來透水鋪裝將大量應(yīng)用于道路工程的結(jié)論。然而，目前針對弱透水土質(zhì)地區(qū)的透水鋪裝徑流控制效果研究不多，且都側(cè)重于水量控制研究：Drake等[14-15]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)寒冷氣候和弱透水條件下透水鋪裝的徑流下滲能力下降了43%；Collins等[16]研究了底土性質(zhì)對于透水鋪裝的徑流削減效益的影響，發(fā)現(xiàn)底土滲透性越好，雨水徑流的下滲速度越快，地表徑流量越少。

為深入研究應(yīng)用于弱透水土質(zhì)地區(qū)的透水鋪裝改善雨水徑流水質(zhì)的功能，王俊嶺等[17]對改良型透水鋪裝去除弱透水土質(zhì)地區(qū)雨水徑流中的COD、TN、TP和Cu2+等污染物的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文在該試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步試驗(yàn)研究改良型透水鋪裝對弱透水土質(zhì)地區(qū)典型徑流污染物SS的去除效果，以期為海綿城市的建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在北京建筑大學(xué)大興校區(qū)的城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用實(shí)驗(yàn)室中的人工降雨模擬裝置模擬各種降雨條件。試驗(yàn)用黏土土樣取自嘉興地區(qū)的淤泥質(zhì)黏土，屬典型的弱透水土質(zhì)。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)共設(shè)改良型透水鋪裝、常規(guī)透水鋪裝和普通路面3種路面試驗(yàn)裝置(圖1，從左到右依次為改良型透水鋪裝、常規(guī)透水鋪裝和普通路面)，設(shè)置常規(guī)透水鋪裝和普通路面的目的是用于對比改良型透水鋪裝對弱透水土質(zhì)地區(qū)雨水徑流中SS的去除效果。制作路面試驗(yàn)裝置所需試驗(yàn)材料主要有水泥、骨料、減水劑、土工布、滲透導(dǎo)管(PVC聚氯乙烯管)和黏土土樣等。普通路面試驗(yàn)裝置因其不透水性只設(shè)置面層部分，常規(guī)透水鋪裝試驗(yàn)裝置由面層、基層、墊層和土基層組成，改良型透水鋪裝試驗(yàn)裝置由面層、基層、墊層、促滲層和土基層組成。兩種透水鋪裝試驗(yàn)裝置的各結(jié)構(gòu)層底和裝置路面之上分別設(shè)置直徑20 mm的取樣口(溢流口)和閥門，并用直徑20 mm穿孔鋼管與取樣瓶相連。3種路面試驗(yàn)裝置外殼采用鋼板制作，其具體組成及詳細(xì)參數(shù)可參見文獻(xiàn)[17]。

圖1 3種路面試驗(yàn)裝置

1.2 試驗(yàn)方案

在3種路面試驗(yàn)裝置上均勻布撒100 g沉積物樣品(采自嘉興)，以此來模擬初期雨水徑流污染物質(zhì)量濃度(基于路面裝置面積布撒定量來源于實(shí)際道路上的塵土，可以接近真實(shí)道路雨水徑流水質(zhì)[18])。然后通過人工降雨裝置模擬重現(xiàn)期為2 a、時(shí)長為60 min的降雨。當(dāng)路面產(chǎn)生徑流開始計(jì)時(shí)，分別在0 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min對3種試驗(yàn)裝置路面溢流口進(jìn)行取樣并分析SS質(zhì)量濃度變化。

1.3 去除率計(jì)算方法

由于降雨速率不好控制且無法準(zhǔn)確回收裝置內(nèi)去除的懸浮物，故以進(jìn)出水的SS質(zhì)量濃度計(jì)算SS去除率η：

(1)

式中ρ進(jìn)水、ρ出水分別為進(jìn)水和出水的SS質(zhì)量濃度。水樣中SS質(zhì)量濃度測定方法如下：濾膜置于稱量盒內(nèi)，烘干至恒重；再取100 mL樣品于稱量盒內(nèi)，再次烘干至恒重；取兩次質(zhì)量之差再除以水的體積即為SS的質(zhì)量濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SS質(zhì)量濃度變化

圖2為不同試驗(yàn)裝置路面SS質(zhì)量濃度變化，可以看出，普通路面、常規(guī)透水鋪裝路面、改良型透水鋪裝路面上的徑流污染物SS質(zhì)量濃度值分別從降雨初期的235.17 mg/L、226.22 mg/L、233.45 mg/L降到降雨末期的97.62 mg/L、52.03 mg/L、41.22 mg/L。其中普通路面因其不透水性，對SS并無去除作用。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)普通路面徑流污染物SS質(zhì)量濃度之所以降低，是由于雨水徑流隨著降雨歷時(shí)的增長而產(chǎn)生內(nèi)澇，并很快溢出裝置上沿，部分SS也隨雨水徑流被沖出，使得普通路面雨水徑流中的SS得到稀釋。兩種透水鋪裝路面上并未出現(xiàn)雨水徑流溢流的現(xiàn)象，說明兩種透水鋪裝具有較好的下滲功能。分析發(fā)現(xiàn)常規(guī)透水鋪裝和改良型透水鋪裝路面雨水徑流SS質(zhì)量濃度顯著減小，去除率分別為77%和82.34%，可見改良型透水鋪裝的去除效果更好。

圖2 不同試驗(yàn)裝置路面SS質(zhì)量濃度變化

2.2 不同結(jié)構(gòu)層對SS的去除效果

對常規(guī)透水鋪裝和改良型透水鋪裝各結(jié)構(gòu)層對SS的去除效果進(jìn)行試驗(yàn)并取樣分析，各層出水SS質(zhì)量濃度及各層去除率如圖3所示。

由圖3可見，常規(guī)透水鋪裝面層和基層對SS的去除率分別為76.19%和69.96%；而改良型透水鋪裝面層、基層和含滲透管的促滲層對SS的去除率分別達(dá)到了78.37%、73.09%和70.21%，可見面層是兩種透水鋪裝裝置中去除SS能力最強(qiáng)的結(jié)構(gòu)層。相比常規(guī)透水鋪裝，改良型透水鋪裝的面層和基層對SS的去除率均有所提高，分析原因，可能是改良型透水鋪裝中的促滲層改良了土基層的滯蓄能力，使得徑流的下滲速度增大，更多的SS在下滲中得以去除。

由圖3(b)(c)可以看出，基層作為常規(guī)透水鋪裝中最后一個(gè)具有去除SS功能的結(jié)構(gòu)層，能夠去除大部分的SS，但仍有30.04%流經(jīng)基層的SS未被去除；而改良型透水鋪裝的面層和基層在去除能力強(qiáng)于常規(guī)透水鋪裝的面層與基層的前提下，促滲層還能多去除一部分SS，進(jìn)一步削減了下滲雨水對土壤和地下水的污染效應(yīng)。

2.3 不同降雨重現(xiàn)期對試驗(yàn)裝置去除SS效果的影響

為使監(jiān)測結(jié)果更具代表性，基于嘉興市暴雨強(qiáng)度公式并借助人工模擬降雨設(shè)備分別補(bǔ)充重現(xiàn)期為1 a和5 a、降雨歷時(shí)為60 min的降雨試驗(yàn)，監(jiān)測并記錄不同降雨重現(xiàn)期條件下各試驗(yàn)裝置對SS的去除率變化情況，結(jié)果如圖4所示。

總體來看，降雨重現(xiàn)期分別為1 a、2 a和5 a條件下，兩種透水鋪裝在60 min降雨歷時(shí)內(nèi)對SS的去除率曲線均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。結(jié)合對試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，發(fā)現(xiàn)0～20 min時(shí)間段內(nèi)SS去除率下降的主要原因有二：一是降雨強(qiáng)度超過了透水鋪裝的下滲強(qiáng)度，這一產(chǎn)流過程對SS的質(zhì)量濃度產(chǎn)生了稀釋的作用，使得入滲到裝置內(nèi)的SS總量相對減少，裝置對SS的去除量也隨之減少；二是能夠被去除的大粒徑懸浮固體先行被截留在上部，使得下部雨水徑流內(nèi)SS質(zhì)量濃度大幅度降低；而小粒徑污染物被攔截速度還受到了粒徑、雨水沖刷的協(xié)同影響，截留效果差，從而降低了透水鋪裝對小粒徑SS的去除率。20～50 min時(shí)間段內(nèi)，SS去除率開始上升，而此時(shí)兩種裝置內(nèi)出現(xiàn)了少許積水。積聚的雨水在下滲的過程中攜帶較小粒徑的SS顆粒分別被不同孔隙率的結(jié)構(gòu)層所截留吸附。

(a)面層

(b)基層

(c)促滲層

圖3 不同結(jié)構(gòu)層出水SS質(zhì)量濃度及去除率曲線

(a)重現(xiàn)期1a

(b)重現(xiàn)期2a

(c)重現(xiàn)期5a

圖4 不同降雨重現(xiàn)期條件下兩種透水鋪裝試驗(yàn)裝置對SS的去除率

改良型透水鋪裝在不同降雨重現(xiàn)期條件下對SS去除效果均優(yōu)于常規(guī)透水鋪裝。比較3種降雨重現(xiàn)期條件下SS去除率曲線可知，兩種透水鋪裝均以1 a降雨重現(xiàn)期條件下對SS的去除效果為最優(yōu)，常規(guī)透水鋪裝和改良型透水鋪裝對SS的平均去除速率分別為每分鐘37.26%和48.37%。可見改良型透水鋪裝在弱透水土質(zhì)下對SS的去除速率也要快于常規(guī)透水鋪裝，以1 a降雨重現(xiàn)期為例，改良型透水鋪裝平均每分鐘要比常規(guī)透水鋪裝多去除29.82%的SS。

綜上所述，SS去除效果主要受降雨過程產(chǎn)流量和降雨強(qiáng)度的影響。兩種透水鋪裝對SS去除效果隨降雨重現(xiàn)期的增大呈減小趨勢，且以1 a降雨重現(xiàn)期條件下改良型透水鋪裝對SS的去除效果為最優(yōu)。原因主要是雨水徑流系數(shù)隨著降雨強(qiáng)度增大而增大，雨水沖刷紊亂影響了透水鋪裝對小粒徑SS的截留，可見較小的降雨強(qiáng)度有利于透水鋪裝對SS的去除。

3 結(jié) 論

a. 面層和基層是去除SS的主要結(jié)構(gòu)層，其中常規(guī)透水鋪裝的面層和基層對SS的去除率分別為76.19%和69.96%；含滲透管的改良型透水鋪裝的面層和基層對SS的去除效果更好，在降雨末期對污染物SS去除率分別達(dá)到了78.37%和73.09%，此外促滲層還能再去除一部分SS，進(jìn)一步削減了下滲雨水對土壤和地下水的污染效應(yīng)。相比常規(guī)透水鋪裝，改良型透水鋪裝對弱透水土質(zhì)條件下的徑流污染物SS去除效果更優(yōu)且更穩(wěn)定。

b. 受降雨強(qiáng)度的影響，弱透水土質(zhì)條件下，兩種透水鋪裝對SS的去除效果隨著降雨重現(xiàn)期的增大而減弱，以重現(xiàn)期1 a降雨條件下的去除效果為最優(yōu)。在60 min降雨歷時(shí)條件下，兩種透水鋪裝對SS去除率呈先減小后增大的趨勢。

c. 改良型透水鋪裝在弱透水土質(zhì)條件下對SS的去除速率也要快于常規(guī)透水鋪裝，以1 a降雨重現(xiàn)期為例，改良型透水鋪裝平均每分鐘要比常規(guī)透水鋪裝多去除29.82%的SS。