改良型透水铺装对弱透水土质地区SS的去除效果试验

张智贤， 王俊岭，秦全城，王 华，张鹤林

(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； 3.中科院建筑设计研究院有限公司，北京 00086)

降雨初期形成的路面径流携带了大量的径流污染物，其质量浓度远高于后期雨水[1]。悬浮固体(suspended solid，SS)是导致雨水径流污染的主要污染物之一，也是P、N、油脂类污染物和Cu等重金属污染物的载体[2-3]。SS作为雨水径流污染的主要污染物，在被去除的同时亦能够有效地降低COD、TN等污染物的质量浓度[4-5]。路面雨水径流中的SS主要来源于轮胎磨损、防冻剂的使用、杀虫剂和肥料的使用以及丢弃的废物，污染成分主要包括有机或无机化合物、P、N、金属、油类等[6-7]。王以尧等[8]通过相关性分析发现，SS是降雨径流污染物的重要来源；车伍等[9]通过实际检测发现，北京市区道路和居民区道路上径流SS污染负荷平均值分别达到7 000 mg/m2和1 700 mg/m2，为路面雨水径流中各类污染物之最。

透水铺装能够有效地改善路面雨水径流的水质状况。李美玉等[10]从透水铺装结构与分类、透水铺装径流调控机理、透水铺装水量削减与水质净化效益等方面综述了国内外透水铺装径流控制研究进展，并详细分析了透水铺装的径流调控效益；张卫[11]通过人工降雨试验测定了不同配比的结构层对透水铺装渗透率的影响，结果表明透水基层和面层对透水铺装渗透率的影响极为显著。Tota-Maharaj等[12]通过试验论证了透水铺装污染物迁移转化规律；Chandrappa等[13]综述了透水铺装的修复技术和全生命周期成本，基于透水铺装在低碳环保方面的优势，得出了未来透水铺装将大量应用于道路工程的结论。然而，目前针对弱透水土质地区的透水铺装径流控制效果研究不多，且都侧重于水量控制研究：Drake等[14-15]通过试验发现寒冷气候和弱透水条件下透水铺装的径流下渗能力下降了43%；Collins等[16]研究了底土性质对于透水铺装的径流削减效益的影响，发现底土渗透性越好，雨水径流的下渗速度越快，地表径流量越少。

为深入研究应用于弱透水土质地区的透水铺装改善雨水径流水质的功能，王俊岭等[17]对改良型透水铺装去除弱透水土质地区雨水径流中的COD、TN、TP和Cu2+等污染物的效果进行了试验研究。本文在该试验研究的基础上，进一步试验研究改良型透水铺装对弱透水土质地区典型径流污染物SS的去除效果，以期为海绵城市的建设提供参考。

1 试验方法

试验在北京建筑大学大兴校区的城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室进行，采用实验室中的人工降雨模拟装置模拟各种降雨条件。试验用黏土土样取自嘉兴地区的淤泥质黏土，属典型的弱透水土质。

1.1 试验装置

试验共设改良型透水铺装、常规透水铺装和普通路面3种路面试验装置(图1，从左到右依次为改良型透水铺装、常规透水铺装和普通路面)，设置常规透水铺装和普通路面的目的是用于对比改良型透水铺装对弱透水土质地区雨水径流中SS的去除效果。制作路面试验装置所需试验材料主要有水泥、骨料、减水剂、土工布、渗透导管(PVC聚氯乙烯管)和黏土土样等。普通路面试验装置因其不透水性只设置面层部分，常规透水铺装试验装置由面层、基层、垫层和土基层组成，改良型透水铺装试验装置由面层、基层、垫层、促渗层和土基层组成。两种透水铺装试验装置的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，并用直径20 mm穿孔钢管与取样瓶相连。3种路面试验装置外壳采用钢板制作，其具体组成及详细参数可参见文献[17]。

图1 3种路面试验装置

1.2 试验方案

在3种路面试验装置上均匀布撒100 g沉积物样品(采自嘉兴)，以此来模拟初期雨水径流污染物质量浓度(基于路面装置面积布撒定量来源于实际道路上的尘土，可以接近真实道路雨水径流水质[18])。然后通过人工降雨装置模拟重现期为2 a、时长为60 min的降雨。当路面产生径流开始计时，分别在0 min、10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min对3种试验装置路面溢流口进行取样并分析SS质量浓度变化。

1.3 去除率计算方法

由于降雨速率不好控制且无法准确回收装置内去除的悬浮物，故以进出水的SS质量浓度计算SS去除率η：

(1)

式中ρ进水、ρ出水分别为进水和出水的SS质量浓度。水样中SS质量浓度测定方法如下：滤膜置于称量盒内，烘干至恒重；再取100 mL样品于称量盒内，再次烘干至恒重；取两次质量之差再除以水的体积即为SS的质量浓度。

2 试验结果与分析

2.1 SS质量浓度变化

图2为不同试验装置路面SS质量浓度变化，可以看出，普通路面、常规透水铺装路面、改良型透水铺装路面上的径流污染物SS质量浓度值分别从降雨初期的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，对SS并无去除作用。结合试验现象发现普通路面径流污染物SS质量浓度之所以降低，是由于雨水径流随着降雨历时的增长而产生内涝，并很快溢出装置上沿，部分SS也随雨水径流被冲出，使得普通路面雨水径流中的SS得到稀释。两种透水铺装路面上并未出现雨水径流溢流的现象，说明两种透水铺装具有较好的下渗功能。分析发现常规透水铺装和改良型透水铺装路面雨水径流SS质量浓度显著减小，去除率分别为77%和82.34%，可见改良型透水铺装的去除效果更好。

图2 不同试验装置路面SS质量浓度变化

2.2 不同结构层对SS的去除效果

对常规透水铺装和改良型透水铺装各结构层对SS的去除效果进行试验并取样分析，各层出水SS质量浓度及各层去除率如图3所示。

由图3可见，常规透水铺装面层和基层对SS的去除率分别为76.19%和69.96%；而改良型透水铺装面层、基层和含渗透管的促渗层对SS的去除率分别达到了78.37%、73.09%和70.21%，可见面层是两种透水铺装装置中去除SS能力最强的结构层。相比常规透水铺装，改良型透水铺装的面层和基层对SS的去除率均有所提高，分析原因，可能是改良型透水铺装中的促渗层改良了土基层的滞蓄能力，使得径流的下渗速度增大，更多的SS在下渗中得以去除。

由图3(b)(c)可以看出，基层作为常规透水铺装中最后一个具有去除SS功能的结构层，能够去除大部分的SS，但仍有30.04%流经基层的SS未被去除；而改良型透水铺装的面层和基层在去除能力强于常规透水铺装的面层与基层的前提下，促渗层还能多去除一部分SS，进一步削减了下渗雨水对土壤和地下水的污染效应。

2.3 不同降雨重现期对试验装置去除SS效果的影响

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各试验装置对SS的去除率变化情况，结果如图4所示。

总体来看，降雨重现期分别为1 a、2 a和5 a条件下，两种透水铺装在60 min降雨历时内对SS的去除率曲线均呈现先减小后增大的趋势。结合对试验现象的观察，发现0～20 min时间段内SS去除率下降的主要原因有二：一是降雨强度超过了透水铺装的下渗强度，这一产流过程对SS的质量浓度产生了稀释的作用，使得入渗到装置内的SS总量相对减少，装置对SS的去除量也随之减少；二是能够被去除的大粒径悬浮固体先行被截留在上部，使得下部雨水径流内SS质量浓度大幅度降低；而小粒径污染物被拦截速度还受到了粒径、雨水冲刷的协同影响，截留效果差，从而降低了透水铺装对小粒径SS的去除率。20～50 min时间段内，SS去除率开始上升，而此时两种装置内出现了少许积水。积聚的雨水在下渗的过程中携带较小粒径的SS颗粒分别被不同孔隙率的结构层所截留吸附。

(a)面层

(b)基层

(c)促渗层

图3 不同结构层出水SS质量浓度及去除率曲线

(a)重现期1a

(b)重现期2a

(c)重现期5a

图4 不同降雨重现期条件下两种透水铺装试验装置对SS的去除率

改良型透水铺装在不同降雨重现期条件下对SS去除效果均优于常规透水铺装。比较3种降雨重现期条件下SS去除率曲线可知，两种透水铺装均以1 a降雨重现期条件下对SS的去除效果为最优，常规透水铺装和改良型透水铺装对SS的平均去除速率分别为每分钟37.26%和48.37%。可见改良型透水铺装在弱透水土质下对SS的去除速率也要快于常规透水铺装，以1 a降雨重现期为例，改良型透水铺装平均每分钟要比常规透水铺装多去除29.82%的SS。

综上所述，SS去除效果主要受降雨过程产流量和降雨强度的影响。两种透水铺装对SS去除效果随降雨重现期的增大呈减小趋势，且以1 a降雨重现期条件下改良型透水铺装对SS的去除效果为最优。原因主要是雨水径流系数随着降雨强度增大而增大，雨水冲刷紊乱影响了透水铺装对小粒径SS的截留，可见较小的降雨强度有利于透水铺装对SS的去除。

3 结 论

a. 面层和基层是去除SS的主要结构层，其中常规透水铺装的面层和基层对SS的去除率分别为76.19%和69.96%；含渗透管的改良型透水铺装的面层和基层对SS的去除效果更好，在降雨末期对污染物SS去除率分别达到了78.37%和73.09%，此外促渗层还能再去除一部分SS，进一步削减了下渗雨水对土壤和地下水的污染效应。相比常规透水铺装，改良型透水铺装对弱透水土质条件下的径流污染物SS去除效果更优且更稳定。

b. 受降雨强度的影响，弱透水土质条件下，两种透水铺装对SS的去除效果随着降雨重现期的增大而减弱，以重现期1 a降雨条件下的去除效果为最优。在60 min降雨历时条件下，两种透水铺装对SS去除率呈先减小后增大的趋势。

c. 改良型透水铺装在弱透水土质条件下对SS的去除速率也要快于常规透水铺装，以1 a降雨重现期为例，改良型透水铺装平均每分钟要比常规透水铺装多去除29.82%的SS。