级配砂对生物滞留池悬浮物去除率及持水性的影响

龚金龙，樊绿叶，阙振业，姚成雷

（昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215300）

0 引 言

在海绵城市建设中，雨水滞蓄利用是城市水资源综合利用的一种有效途径，既能节约水资源，又能使水循环向着有利于城市生活的方向发展，针对这一问题，低影响开发（LID）雨水系统应运而生。而在低影响开发雨水系统中径流污染是其重要控制指标之一，同时在城市径流污染物中，悬浮物往往与其他污染物具有一定相关性，因此在《海绵城市建设技术指南》中采用悬浮物作为径流污染物控制指标。生物滞留池是一种生态可持续的雨水控制利用设施，可以同时解决地表径流带来的水文、水质问题。然而其内部过滤层填料的性能制约着其在海绵城市中的应用。

级配砂是指将不同粒径的河砂按一定的配比组成混合，从而形成的具有稳定结构和渗透性能的混合材料，这使其在作为过滤层填料时具有较大潜力。

本文提出将级配砂作为生物滞留池过滤层填料，通过对其结构稳定性、悬浮物去除率以及持水性能的相关研究探索，分析将级配砂作为生物滞留池过滤层填料的可行性。

1 材料与试验

1.1 试验材料

生物滞留池填料级配砂的配制参考澳大利亚CRC 为水敏型城市所编写的技术指导手册中的配比（质量比粉质黏土 ＜3 %，特细砂 5 %～30 %，细砂 10 %～30 %，中粗砂 40 %～60 %，粗砂 ＜ 25 %，特粗砂 0～10 %，细砾石 ＜3 %）。改良级配砂在 CRC 配比的基础上结合本地条件进行了比例调整，最终填料配比按照质量比细砂 30 %、中砂 20 %、粗砂 50 %，外掺 2 % 粉质粘土均匀混合而成。

1.2 研究方法

1.2.1 渗透系数测定方法

试验方法依据 JTGE 40－2007《公路土工试验规程》［1］，采用 TST－70 型常水头渗透系数仪（见图1），渗透系数根据达西渗流定律通过测定流量和水力梯度然后反求渗透系数。试验时待供水和测压管读数稳定后，开始读取测压管读数和测量排水口出水量，两者同时进行。通过计算每两个测压管之间填料层的水力梯度和整个入渗系统的流量，利用达西渗透公式[见式（1）]，计算渗透系数，同时乘以粘滞系数比，将渗透系数校正为标准温度（20 ℃）时的渗透系数。

式中：k20为水温为 20 ℃ 时试样渗透系数，mm/h，计算至 3 位有效数字；Q为时间t内的渗透水量，cm3；L为两测压孔之间的试样高度（等于测压孔中心间距10 cm）；H为平均水位差，cm；t为时间，s；ηt/η20为粘滞系数比；A为常水头渗透仪截面积，cm2。

1.2.2 悬浮物测定方法

试验方法依据 GB 11901-89《水质 悬浮物的测定 重量法》［2］，采用全玻璃微孔滤膜过滤器（见图2），测定时量取充分混匀的试样 100 mL 抽吸过滤，使水分全部通过滤膜，再以每次 10 mL 蒸馏水连续洗涤 3 次，继续吸滤以除去痕量水分。停止吸滤后，仔细取出载有悬浮物的滤膜放在原恒重的称量瓶里，移入烘箱中于 103～105 ℃ 下烘干 1 h 后移入干燥器中，使冷却到室温，称其质量。反复烘干、冷却、称量，直至 2 次称量的质量差 ≤ 0.4 mg 为止。悬浮物含量C（mg/L）按式（2）计算。

图2 全玻璃微孔滤膜过滤器

式中：Cs为水中悬浮物浓度，mg/L；A为悬浮物＋滤膜＋称量瓶质量，g；B为滤膜＋称量瓶质量，g；V为试样体积，mL。

1.3 材料性能检测

1.3.1 连续饱和渗透系数试验

改良级配砂渗透系数的测定依据 1.2中对应方法进行，总计进行 5 组平行试验，试验采用连续加水饱和，测得其渗透系数随时间变化，具体试验数据如表1所示。

表1 连续加水饱和渗透系数变化值 mm/h

1.3.2 悬浮物去除率试验

进行去除率试验前，首先需配制对应浓度的悬浮物混合液，配水用悬浮物取常规粉质黏土（烘干后粉碎），配制混合液时依据所需浓度，分别称取对应质量粉质黏土及蒸馏水，之后充分搅拌均匀。进水方式采用人工注水的形式，一边搅拌一边缓缓向渗透系数桶中注入混合液，之后分别取 500 mL 进水溶液及渗透系数桶的出水溶液，参照 1.2.2 中悬浮物测定方法测定对应溶液悬浮物浓度。

1）不同填料厚度相同进水浓度。在渗透系数桶中对改良级配砂采用不同厚度填入，之后分别加入接近浓度的悬浮物溶液（采用昆山地区常规降雨地表径流悬浮物浓度 300 mg/L，由于配制方法原因，最终进水浓度只能控制在一定范围值 280～350 mg/L），测得其悬浮物去除率随填料厚度变化，具体试验数据如表2所示。

表2 不同填料厚度下悬浮物去除率数据

2）相同填料厚度不同进水浓度。在渗透系数桶中填入 30 cm 厚度改良级配砂，分别加入不同浓度的悬浮物溶液。测得其悬浮物去除率随进水悬浮物浓度的变化，具体试验数据如表3所示。

表3 不同进水浓度下悬浮物去除率数据

1.3.3 持水性能试验

由于级配砂主体为各种粒径的砂，在夏天高温情况下，水份极易快速丧失，为此进行对应改进，主要通过增加覆盖层或以在其中掺拌多孔吸水材料的方式提高其持水并减少蒸发量，为验证并比较改进后填料持水情况，设计持水性能试验。首先在小型容器中模拟生物滞留池结构依照一定比例分层填筑（见图3），之后在对应容器中注入蒸馏水，使水份恰好填满最底部碎石层并称量整体质量，将容器置于气候控制箱（见图4）中，并设定环境条件（温度 40 ℃，湿度 60 %，风速 3 m/s，此环境条件参考昆山市气象站相关数据，取较为极端条件），24 h 后取出对应容器称取质量并计算蒸发量，具体试验数据如表4所示（通过查阅昆山市气象站数据昆山 2017年日平均蒸发量 2.79 mm/d，在试验室采用与上述试验相同的方法，将装有昆山本地粉质黏土的容器置于气候控制箱，在同等温湿度及风速条件下测得土壤稳定蒸发量 1 mm/d）。

图3 小型容器样品填筑示例

图4 气候控制箱

2 结果与分析

2.1 级配砂渗透系数随时间变化曲线

从图5 中可以看出 5 组平行试验在连续饱和浸水后，前期渗透系数会有一个上升过程，这是由于试验初期随着水的流动，填料内部会有部分砂子随着水流发生迁移，而填料迁移的过程中原本密实的孔隙可能会出现暂时的毛管通道，导致了运行初期渗透系数的上升，之后填料渗透系数开始回落，这一过程使部分随水流发生迁移的填料再次密实稳定的过程，之后经历将近一个月的时间渗透系数逐渐趋于平稳，这说明级配砂在持续使用一段时间后可以形成稳定结构。

2.2 悬浮物去除率变化曲线

从图6 中可以看出在进水浓度相近的条件下，随厚度增加，悬浮物去除率也增加，最大去除率可达 95 % 以上。这是由于随着填料厚度的增加提高了水力停留时间，同时由于级配砂的结构特性，填料空隙小，故对水中的悬浮物具有较强的去除作用；当填料填筑厚度为 30 cm 时，悬浮物去除率达到 92 %，已经能够满足生物滞留池使用要求，同时在 30 cm 的填筑厚度下，随进水浓度增加，悬浮物最大去除率可达 97 % 以上（见图7）。这是由于随着悬浮物在级配砂填料内的沉积，级配砂填料空隙不断减小，比表面积增大，水力停留时间增加，故对悬浮物的去除率提高，由此可以看出，改良级配砂对悬浮物去除有着良好的效果。

表4 蒸发量数据统计

图5 渗透系数随时间变化趋势图

2.3 级配砂持水性能变化曲线

图6 悬浮物去除率随填料厚度变化趋势图

图7 悬浮物去除率随进水浓度变化趋势图

通过试验发现，在表面添加覆盖层，可以大大提高级配砂填料的持水性（见图8），这是由于覆盖层切断了毛管力的作用从而中断了水分的向上作用，同时也改变了地表温度特性避免填料在高温气候中随环境快速升温，进而减少蒸发，其中以覆盖树皮提高最大，但考虑到树皮密度较小，如滞留池表面存在长期径流并不宜铺设，因此也可选用在表面铺设 2 cm 卵石（粒径 5～10 mm）、火山岩（3～6 mm）或绿沸石（2～5 mm）（见表4 和图8）。

图8 不同填料蒸发量比较柱状图

3 结 语

使用级配砂作为生物滞留池的过滤层填料，可以有效去除地表径流中的悬浮物，同时通过在表面铺设覆盖层，其持水性能也大大提高，在模拟条件下（夏天高温高湿状态，温度 40 ℃，湿度 50 %）其与昆山年平均蒸发量（2.79 mm/d）相比，可控制在 2 倍以内，对植物的生长影响较小；同时由于其级配可调整，可配合不同地区环境的要求进行修改，制作符合需求的渗透系数的填料；最后其材料主要为河砂（海砂或其他类型的砂需深度水洗去除其中不利于植物生长的元素，如氯离子），获取难度低，便于推广使用。不同渗透系数下级配砂的级配变化应有规律，同时在级配砂中添加组合其他不同的材料（生物炭、各类多孔材料、各类有机质材料等）对其功能进行进一步优化调整，使其能够满足对水体净化、高效除磷、除氮、适应不同种类植物生长等各种细化要求，这些将在以后的试验中进一步研究。