改良型透水铺装对弱透水土质地区的水质控制试验

王俊岭，张智贤，秦全城，冯萃敏，孙丽华，李俊奇

(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044；2.天津碧桂园凤凰酒店有限公司，天津 300357)

透水铺装具有促渗、净化、滞留雨水的作用，有助于缓解城市内涝问题，同时还能实现水体净化，降低雨水的径流污染[1-6]。透水铺装能够有效去除雨水径流中的污染物,是海绵城市的重要组成部分[7-10]。Fletcher等[11]对雨水径流中的污染物进行了分类，并以此评估得到透水铺装对径流污染物(以SS为主要表现形式)的去除率在40%～90%间；Wilson等[12-13]通过试验证明透水铺装可以很好地截留雨水径流中的烃类污染物和溶解性重金属；赵现勇等[14]也通过试验得出透水砖、透水草皮砖和透水混凝土3种透水铺装形式对TP、COD、TN等污染物的削减作用各有所长。然而，常规透水铺装仅适用于渗透能力为(0.01～1)×10-2cm/s的土壤，在土壤渗透能力较弱时其效果并不好[15-17]。本文通过增加渗透导管的方式改良了常规透水铺装的弱透水土基层，并通过试验深入研究改良型透水铺装在不同降雨重现期条件下对弱透水土质地区的截污与净化能力，可为城市雨水水质控制提供更多的可能方案。

1 试验装置与试验方案

试验装置由人工模拟降雨设备、透水铺装试验装置和监测装置等组成。土基土样取自浙江嘉兴，嘉兴地区正常水位以上的土层大多属于淤泥质黏土，其显著特点是土壤渗透能力差，降雨容易形成地面径流。嘉兴是我国典型的弱透水土质地区，其土壤渗透系数仅为1×10-5cm/s左右，同时又是我国第一批试点建设的“海绵城市”之一，因此以采自嘉兴的土样作为试验装置的土基部分，研究改良型透水铺装在弱透水土质地区对雨水径流污染的水质控制效果，具有很好的代表性。

1.1 人工模拟降雨设备

试验采用人工降雨模拟的方法，通过叠加喷洒式降雨设备，可在设备覆盖范围内模拟一定强度的降雨，通过中央控制系统可以控制降雨历时和不同降雨强度。

1.2 透水铺装试验装置

试验共设3种路面形式，其组成见表1。制作路面试验装置所需材料主要有水泥、骨料、减水剂、孔径为0.15～0.2 mm土工透水织布、黏土土样、渗透导管(PVC聚氯乙烯管)等。土工透水织布的孔径选用0.15～0.2 mm是根据对沉积物样品的粒径分析结果得到的。

表1 试验装置的组成

a. 普通路面试验装置。鉴于普通路面的不透水特性，故只设置面层部分，装置尺寸为500 mm×500 mm×350 mm，外壳采用钢板制作，在装置顶部设置20 mm的溢流口并安装直径20 mm的阀门，如图1所示。

图1 普通路面试验装置(单位：mm)

b. 常规透水铺装试验装置。如图2所示，常规透水铺装试验装置由面层、基层、垫层和土基层组成，各结构层厚度分别为200 mm、250 mm、2 mm和300 mm。各结构层底和装置路面之上分别设置直径20 mm的取样口(溢流口)和阀门，与取样口相连的为直径20 mm的穿孔钢管。

图2 常规透水铺装试验装置(单位：mm)

c. 改良型透水铺装试验装置。 改良型透水铺装(图3)通过增加渗透导管的方式改良了常规透水铺装的土基层，其中设置4根渗透导管，用土工透水织布包裹，渗透导管间相距150 mm，导管外围为原土基土壤。渗透导管为PVC聚氯乙烯管，管径100 mm，管壁上每隔25 cm开孔一圈(8个)，开孔直径6 mm，开孔率为31.68%。该试验装置由面层、基层、垫层、含渗透导管的促渗层和土基层组成，各结构层厚度分别为200 mm、250 mm、2 mm、300 mm和100 mm。各结构层底和路面之上设置直径20 mm的取样口(溢流口)，为方便取样，每个取样口分别设置阀门。改良型透水铺装与常规透水铺装不同之处在于促渗层中安装了4根渗透导管。促渗层是改良型透水铺装适应弱透水土质地区的关键部分，也可看作是改良后的土基层。

图3 改良型透水铺装试验装置(单位：mm)

1.3 试验方案

透水铺装能够去除的粒径范围大致在(0.01～1) × 10-2cm，为了使试验装置路面径流各污染物浓度接近于嘉兴实际路面，专门收集嘉兴雨水管道沉积物作为布撒土样，同时对布撒土样进行粒度测定。将采集自嘉兴市区雨水系统的沉积物样品经过风干、筛分等预处理后，采用马尔文激光粒度仪(Malvern-MS2000)进行粒度分析，结果表明沉积物样本的粒径主要分布在150～400 μm之间，中值粒径为275 μm，基本符合SS的粒径范围。

1.3.1试验步骤

模拟重现期为2 a、降雨强度为1.028 mm/min、降雨历时为60 min条件下，含渗透导管的改良型透水铺装对弱透水土质雨水径流中以SS为主要载体的COD、TP、TN和以Cu2+为代表的重金属离子等典型污染物的去除规律和效果。试验步骤如下：

a. 在试验装置路面上均匀布撒100 g采自嘉兴雨水管道的沉积物样品，用来模拟路面初期雨水径流中的污染物。

b. 将普通路面、常规透水铺装、改良型透水铺装试验装置的所有取样口和溢流口分别连接到100 mL取样瓶中，并对取样瓶进行分类标记。

c. 人工降雨系统开始降雨，当路面产生径流时开始计时，分别在0 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min时刻取样。

d. 对所取样品进行污染物指标检测，并分析检测数据。

1.3.2污染物分析方法

为保障试验数据的可靠性，将获取的水样交由北京市环境保护检测中心测定。基于降雨速率的模糊性，且无法准确回收装置内去除的悬浮物，在分析处理COD、TP、TN和Cu2+等污染物指标的监测成果时，以进水、出水的污染物质量浓度ρ进水、ρ出水来计算试验装置对各污染物指标的去除率η，计算公式为

(1)

2 试验结果与分析

2.1 径流污染物质量浓度变化

COD、TN、TP和Cu2+等径流污染物的质量浓度变化如图4所示。观察试验现象发现，普通路面试验装置内产生“内涝”现象，雨水很快布满整个装置上层并溢出，而常规透水铺装和改良型透水铺装并没有出现溢流现象。数据显示，3种试验装置路面径流污染物指标均有一定程度的下降。普通路面因其不渗透，本身对雨水径流并无除污效果，分析污染物质量浓度下降的原因，一是随着降雨量增大，雨水的冲刷效应带走部分粒径较大的污染物颗粒并直接溢出，稀释了路面的污染物；二是雨水不会下渗，装置内雨水排泄不及时产生“内涝”现象，流态紊乱，部分较大颗粒沉淀后又被再度冲起，最终被冲出装置表面。

图4 不同试验装置径流污染物质量浓度变化

弱透水土质条件下3种试验装置路面径流中COD、TN、TP和Cu2+的质量浓度变化趋势大致相同，均随降雨历时的增加而减小。其中改良型透水铺装路面径流污染物质量浓度下降最快，COD、TN、TP和Cu2+分别由降雨初期的266.52 mg/L、12.18 mg/L、0.84 mg/L和1.15 mg/L下降到降雨末期的33.91 mg/L、2.48 mg/L、0.27 mg/L和0.17 mg/L，去除率分别为87.28%、71.43%、67.86%和79.13%。可见改良型透水铺装能够有效削减雨水径流中的污染物。相比常规透水铺装路面，在弱透水土质条件下，改良型透水铺装路面对4种污染物的去除能力分别提升了11.87%、27.61%、9.17%和29.02%，对Cu2+的去除效果提升幅度最大。

2.2 不同结构层对径流污染物的去除效果

2.2.1对COD的去除效果

从图5可以看出，不同铺装的结构层对径流中COD均有去除效果，其中常规透水铺装和改良型透水铺装的面层对COD的去除率分别从径流初期的8.72%和11.96%增大到径流末期的69.86%和71.81%，基层对COD的去除率分别从径流初期的11.00%和16.13%增大到径流末期的67.45%和71.86%。相比常规透水铺装，改良型透水铺装的面层和基层对COD的去除能力增幅约2%～4%。由图5(c)可见，弱透水土质条件下，促渗层对透水铺装面层和基层的COD去除效果也有所促进，其原因可能是含渗透导管的促渗层改善了土壤的渗透能力，使得改良型透水铺装对COD的整体去除能力也得到了加强。可以看到雨水下渗经过改良型透水铺装的促渗层后，雨水中的COD质量浓度由降雨初期的121.18 mg/L下降到降雨末期的33.91 mg/L，去除率在72%左右。

2.2.2对TN和TP的去除效果

弱透水土质条件下各装置结构层对TN和TP的去除规律如图6、图7所示。常规透水铺装面层和基层对TN的去除率分别为34.28%和28.96%，明显弱于对TP的去除率(42.67%和46.67%)。分析原因，TN在雨水径流中主要以硝酸盐的形式存在，常规透水铺装的面层和基层分别采用透水混凝土和级配碎石材料，对硝酸盐具有一定的截留作用。由于透水混凝土面层孔隙率较小，因此在降雨阶段对于TN的截留作用将先于基层达到饱和。当两种结构层截留能力均接近饱和后，TN的去除率就会显著降低，由图6也不难看出TN质量浓度曲线在整个降雨过程中波动明显。改良型透水铺装促渗层成为去除TN的主要结构层，对TN的去除率约为46.67%。可能是因为渗透导管在改善弱透水土壤渗透和吸附能力的同时也为TN在以沙和土壤为渗滤介质的透水铺装中进行的反硝化反应提供了缺氧条件。反硝化细菌以有机碳源为电子供体将更多的NO3-N还原为氮气，从而使得TN总量大幅减少。

两种透水铺装各结构层对TP的去除率均在40%～60%之间，其中常规透水铺装中的基层和改良型透水铺装中的促渗层分别为两种装置去除TP的主要结构层。同TN的去除规律相似，常规透水铺装面层和基层对于以SS为载体的TP，多通过截留吸附作用在雨水径流下渗的过程中去除。当截留能力接近饱和后，对TP的去除也受到影响，因此去除率一直徘徊在50%左右。改良型透水铺装促渗层对TP的去除率达到了59%，其原因可能是渗透导管改善了土壤渗透能力的同时，也为促渗层中的聚磷菌等去除TP的细菌提供了合适的反应条件，使得TP质量浓度大幅降低。

2.2.3对重金属离子的去除效果

通过试验数据分析发现，弱透水土质条件下，常规透水铺装及改良型透水铺装各结构层对Cu2+、Zn2+、Pb2+等重金属离子的去除规律基本一致。以不同结构层对Cu2+的去除效果为例，去除规律曲线如图8所示。

常规透水铺装面层和基层对Cu2+的去除率分别为55.91%和70.15%；而改良型透水铺装面层、基层和含渗透导管的促渗层对Cu2+的去除率分别达到了59.26%、73.58%和71.19%。可见基层是两种透水铺装去除Cu2+能力最强的结构层。

图5 不同结构层COD质量浓度变化

图6 不同结构层TN质量浓度变化

图7 不同结构层TP质量浓度变化

图8 不同结构层Cu2+质量浓度变化

改良型透水铺装中的促渗层增强了面层和基层两大结构层对Cu2+去除效果。相比常规透水铺装的面层和基层，其对Cu2+的去除率分别提高了3.35%和3.43%。分析原因，改良型透水铺装中的促渗层改良了弱透水土质的滞蓄能力，同时使得透水铺装对径流污染物的去除作用增强，更多的重金属离子在下渗中得以去除。

2.3 不同降雨重现期条件下的污染物去除规律

为使监测结果更具代表性，基于嘉兴市暴雨强度公式并借助人工模拟降雨设备分别补充重现期为1 a和5 a、降雨强度为0.94 mm/min和1.338 mm/min、降雨历时为60 min的降雨试验，监测并记录不同降雨重现期条件下改良型透水铺装试验装置对COD、TN、TP和Cu2+的去除情况，结果见图9。

降雨重现期分别为1 a、2 a和5 a条件下，改良型透水铺装在相同降雨历时(60 min)内对COD、TN、TP和Cu2的去除效果随着降雨重现期的增大而减弱，其中以5 a重现期降雨强度对径流水质控制的干扰最大。分析其原因，主要是雨水径流系数随着降雨强度的增大而增大，雨水冲刷紊乱影响了透水铺装对小粒径SS的截留效果，进而影响到了透水铺装整体对各污染物的截留和吸附。以1a重现期条件下的水质控制效果为最优，降雨末期COD、TN、TP和Cu2+的质量浓度分别下降了88.87%、76.25%、70.88%和82.57%。可见较小的降雨强度有利于改良型透水铺装的水质控制效果。

3 结 论

a. 面层和基层是去除污染物的主要结构层，其中常规透水铺装的面层和基层对COD、TN、TP和Cu2+总的去除率在28.96%～71.81%之间，改良型透水铺装的面层和基层对4种污染物的去除效果更稳定。降雨末期对4种典型污染物的去除率在42.67%～72%之间，改良型透水铺装中的促渗层(改良后的土基层)还能够额外吸收一部分污染物。总的来说，弱透水土质条件下，相比常规透水铺装，改良型透水铺装在降雨末期对COD、TN、TP和Cu2+的去除效果分别提升了11.87%、27.61%、9.17%和29.02%。

b. 受降雨强度的影响，雨水冲刷紊乱影响了透水铺装对小粒径SS的截留，透水铺装对COD、TN、TP和Cu2+的去除效果也随着降雨重现期的增大而减弱。以1a重现期条件下改良型透水铺装的水质控制效果为最优，降雨末期COD、TN、TP和Cu2+的质量浓度分别下降了88.87%、76.25%、70.88%和82.57%。较小的降雨强度有利于透水铺装对COD、TN、TP和Cu2+的去除。