以生态景观基材构成的石笼对雨水滞留与净化效果研究

□文 /纪慧宇

石笼原本指的是为防止河岸或构造物受水流冲刷而设置的装填石块的笼子，已经成功地应用在了水利、公路、铁路、堤防的保护工程中。随着卵石日益减少，替代卵石的人工材料作为一种新型的功能材料，适应市场需求发展起来。新型的石笼结构除了代替传统卵石，应用于水利、公路、铁路等工程外，还应用于景观工程、水生态治理等方面，填充物也由原来自重大、性能单一的卵石转变为质量可调节、功能多样化的新型材料。本文以生态景观基材为石笼填充基质，研究以此构成的大体积石笼在雨水生态方面对雨水滞留和净化效果的研究。

1 试验材料

生态景观基材是一种以水泥为胶凝材料，以活性炭、固体废弃物、多孔介质等为掺入物，通过特殊的发泡工艺，经降碱处理制成的产品。基材表面仿火山岩肌理，多孔质轻，吸水保水，可绿植，见图1。

图1 生态景观基材

基材具有火山岩所具有的美观、吸音降噪、吸水阻热、吸附杂质等功能，有益于改善微环境，尤其其独特的呼吸功能能够调节空气湿度，改善生态环境。因基材本身特殊的孔隙结构，使得其渗水快，可使雨水快速渗入内部；内部水流通道弯曲反复，可有效的滞留雨水；滞留的雨水可被基材的多孔有效吸储；通过特殊的孔隙结构、添加的活性炭等成分有效的吸储净化雨水；通过植物的种植，充分利用吸储的水分，吸水饱和后，排出多余水分。

生态景观基材技术指标参数见表1。

表1 生态景观基材技术指标

2 试验方法

2.1 地点

试验地点位于天津市武清区某基地，属温带季风气候，平均气温12℃/a，平均降雨量606 mm/a，近年来雨水偏多，降雨集中在7—9月。

2.2 石笼试验系统设计

为保证石笼构造的立体高度和稳定性，内部设计了承重构造柱，石笼结构厚600 mm、高2 400 mm，宽2 400 mm，网格尺寸60 mm×80 mm。见图2。

图2 石笼设计

选择直径为40～100 mm的填充基材，填充体积为39%。石笼填充基材后，自上而下每隔200 mm设计一个雨水收集装置。模拟 5、10、15、20、25 mm/h 五组不同强度的降雨条件下，石笼不同高度的出水量及出水总用时，用以分析石笼结构对雨水滞留时间的影响。同时，根据当地实际降雨情况，在2016年5—10月期间选择五次不同强度降雨，检测降雨前后，不同厚度石笼对雨水 pH、COD、BOD5、总氮、总磷、氨氮等的影响[1]。

水样数据监测分析方法见表2。

表2 雨水监测指标及分析方法

3 结果与分析

3.1 石笼对雨水滞留时间的影响

不同模拟降雨强度条件下，降雨10 h，石笼结构对雨水滞留时间的影响见表3。

表3 不同降雨强度下不同厚度石笼出水时间与出水稳定时间

从表3可以看出：随着降雨强度的提高，石笼同一厚度对雨水的滞留时间逐渐缩短。主要由于降雨强度越大，基材吸水饱和时间越短，滞留时间相应缩短；随着降雨强度的增加，初始出水时间与稳定出水时间间隔逐渐增大，但是随着石笼厚度的增加，初始出水时间和稳定出水时间间隔逐渐趋于稳定。这说明当降雨强度增大时，受限于基材吸水速率的影响，部分雨水未来得及完全吸收，形成径流，流入监测区域和石笼下部。但是石笼结构起到了很好的延缓和吸收雨水的作用，随着石笼厚度的增加，雨水逐渐完全被基材吸收，起到了滞留雨水的作用[2]。

3.2 对雨水pH值的影响

监测五次不同自然降雨条件下，雨水经过石笼后pH值变化情况见图3。

图3 不同降雨条件下pH随渗透深度变化

从图3可以看出，观测区pH值在5.4～6.8之间且随着降雨量的增加，雨水pH值变化并不明显。这说明该区域内雨水多为弱酸雨。

但是经过石笼过滤后，pH值逐渐提高并最终稳定在7～7.2，这说明石笼能够有效改善弱酸雨情况。当降雨强度较小（23、42 mm/h）时，雨水经过石笼20 cm的过滤能够使得pH值迅速上升至7～7.2；当降雨强度较大（120、187 mm/h）时，pH 值增速开始较缓，随着渗透深度的增加，pH值增速加快并稳定在7～7.2之间。这说明当降雨强度较小时，基材能够快速吸纳雨水进行过滤，使得pH值迅速提升；当降雨强度较大时，受限于基材吸水速率的影响，使得部分雨水未进行充分过滤，沿着基材结构间的空隙渗流下去，流入雨水收集装置，致使测试pH值偏低；但是随着渗滤深度的增加，雨水得到充分过滤，pH值最终稳定在7～7.2。雨水经过石笼pH值有所升高，主要是因为基材以水泥为胶凝材料，遇到弱酸性雨水，能够发生中和反应，使得雨水pH值有所升高。

3.3 石笼对雨水中SS的去除效果

不同降雨条件下，石笼结构对雨水悬浮物去除效率的影响见图4。

从图4可以看出：雨水悬浮物浓度最高达到109 mg/L，最低为 37 mg/L，多数时期处于 35～65 mg/L；雨水经石笼过滤后，悬浮物浓度迅速降低至10 mg/L以下。这说明基材构成的石笼结构能够有效实现雨水悬浮物的过滤和净化，满足地表水和生活杂用水质标准。当降雨强度增大时，石笼过滤能力有限，使得石笼过滤悬浮物的速率有所降低；随着过滤深度的增加，净化效率逐渐提高，最终使得浓度降低到3～5 mg/L，这主要是因为基材本身内部存在大量的连通、半连通孔隙，孔径通道弯曲反复，有效地减缓了雨水下渗时间，提高了雨水在基材内的滞留时间，促使悬浮物沉淀、吸附在基材孔内，实现了雨水悬浮物的净化。

图4 不同降雨条件下雨水SS含量随渗透深度变化

当自然降雨条件下雨水中悬浮物较多时，石笼能够快速的降低水中悬浮物含量，但是当雨水中悬浮物含量逐渐降低时，石笼对雨水中悬浮物的过滤有限。这主要是因为基材内含有的大孔径结构无法对雨水中悬浮物实现完全的过滤。

3.4 石笼对雨水中氨氮的去除效果

监测五次不同自然降雨条件下，雨水经过石笼后氨氮含量变化情况见图5。

图5 不同降雨条件下雨水氨氮含量随渗透深度变化

从图5可以看出，雨水经石笼过滤后，氨氮含量逐渐降低且随着雨水向下渗透深度的增加，氨氮含量逐渐降低，最低可达到1.1 mg/L。这说明基材能够有效吸附雨水中氨氮成分，主要是因为基材内含有的沸石颗粒和活性炭成分能对氨氮起到很好的吸附作用[3]。

3.5 石笼对雨水中总氮的去除效果

监测五次不同自然降雨条件下，雨水经过石笼后总氮含量变化情况，见图6。

图6 不同降雨条件下雨水总氮含量随渗透深度变化

从图6可以看出，雨水总氮浓度分布范围在4.09～17.76 mg/L，离散性比较大；浓度随降雨强度的变化也没有明显的递减规律，其中87 mm降雨时伴有频繁雷电现象，总氮含量相对其他四次降雨急剧增加，42 mm降雨也伴有强雷电天气，总氮含量也相对较高；雨水经过石笼结构，随着向下渗透深度的增加，雨水中的总氮含量逐渐降低，最低可达到0.4 mg/L。这是因为石笼基材内含有的沸石和活性炭成分，对渗入基材的雨水中的总氮起到了很好的吸附作用。

4 结论

1）石笼能够有效地起到滞留雨水的效果。当降雨强度增大时，受限于基材本身吸水速率的影响，基材表面未吸收的雨水会向下形成径流，但是随着石笼厚度的增加，雨水会逐渐被下层基材吸收，起到对雨水的滞留效果。试验条件下模拟了最高10 h、250 mm的降雨能够被高度为1.2 m的石笼完全吸纳。

2）石笼能够对试验地区弱酸雨环境起到明显的改善作用，提高雨水pH值至7～7.2。这主要因为基材以水泥为胶凝材料，能够有效提高雨水pH值。

3）石笼对雨水中的悬浮物具有明显的去除效果。自然降雨条件下，雨水中的悬浮物含量呈逐渐降低的趋势。雨水经过石笼后，悬浮物能够被基材过滤，净化效率最高达到96.3%。这主要是基于基材本身的多孔结构，能够对雨水中的悬浮物起到有效地吸收和拦截，降低雨水中的悬浮物含量。

4）石笼对雨水中的氨氮具有明显的去除效果。自然降雨条件下，雨水中氨氮浓度随着降雨时间的增加，浓度呈现降低的趋势。雨水经过石笼后，基材内掺入的沸石和生物炭对氨氮起到了吸纳作用，降低了雨水中的氨氮含量。

5）石笼对雨水中的总氮具有明显的去除效果。自然降雨条件下，雨水中总氮浓度随着降雨时间的增加，呈现不规律变化。这主要是雷电天气影响了雨水中氨氮的浓度。但雨水经过石笼后，基材内掺入的沸石和生物炭对总氮起到了吸纳作用，降低了雨水中的总氮含量。