雨水径流颗粒物对陶瓷透水砖堵塞的影响

成智文，耿 康，陈晓薇，孙 昕，刘 婷

(1.咸阳陶瓷研究设计院有限公司，陕西 咸阳 712000； 2.西安建筑科技大学陕西省环境工程重点实验室，陕西 西安 710055； 3.西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西 西安 710055)

随着我国城市化进程的不断推进，城市道路的硬化面积比重不断加大，导致城市内涝问题频发[1]。使用透水铺装代替传统的硬化路面，可以有效降低城市的雨洪风险，提高雨水资源利用效率[2-3]。龚应安等[4]研究表明透水铺装可有效增加下渗雨水量，降低下渗雨水中NH3-N、BOD等水质指标的质量浓度；但透水铺装在应用一段时间后会发生不同程度的堵塞问题。Borgwardt等[5]发现透水混凝土路面砖在使用10 a之后，其透水率降为初始的10%～25%，更有甚者1 a后即失效。Kia等[6]的研究表明，雨水径流中携带的颗粒物在透水铺装材料孔隙中的沉积是造成堵塞的主要原因。宋亚霖等[7]发现清除透水砖表面沉积物可从一定程度上恢复其透水性能，但效果有限。

为了研究透水砖被雨水径流中颗粒物堵塞的机理及控制方法，需要了解不同降雨条件下雨水径流中颗粒物的粒径和浓度的变化特性,但目前多数雨水径流的研究还是围绕其污染特征展开。城市雨水径流污染是仅次于农业污染的第二大面源污染，雨水径流会携带大量污染物，尤其是降雨初期1 h内[8-9]；雨水径流中污染物以悬浮物(SS)为主，SS与COD、TP、NH3-N的相关性较强，控制雨水径流污染的关键是去除其中的SS[10]。雨水径流中颗粒物一般比表面积较大，是污染物的输送载体，而颗粒物粒径直接影响雨水径流中污染物的物理和化学转化过程[11]。总体而言，雨水径流中颗粒物粒径介于1～100 μm的颗粒所占比例相对较大，但不同地区的差异性极大[12-16]。

针对陶瓷透水砖表面沉积物清理后透水系数恢复效率过低的问题，本文基于2018年西安建筑科技大学校园内4场雨水径流的样品，分析雨水中颗粒物粒径分布特征及SS质量浓度,以此作为模拟陶瓷透水砖堵塞试验的雨水径流配制的依据，并通过室内试验模拟陶瓷透水砖的堵塞过程，分析堵塞颗粒物与陶瓷透水砖孔径大小的关系，以期为陶瓷透水砖在海绵城市建设中的应用提供参考。

1 雨水径流颗粒分析

1.1 水样采集点布设

对2018年5月10日到10月19日发生的4场降雨进行了采样分析。天然雨水和地面雨水径流采样地点分别设在西安建筑科技大学科技楼旁路面和路边雨水井中，路面汇水面积约为30 m2、坡度5°。据现场调查统计，车流量为50～100辆/h，路面清扫时间约在早晨6点，以人工清扫为主。

1.2 采样方法

采用分时采样方法，在地面降雨径流形成后每隔10 min收集1次雨水径流。天然雨水利用自制的雨水采样装置采集，雨水采样面积约12 m2，在取样前充分清洗收集雨水的塑料布，保证收集的天然雨水水质不受其他因素干扰。

1.3 雨水水质污染水平

4场雨水径流水质检测结果见表1，其中地面雨水径流的SS质量浓度为10～232 mg/L，故陶瓷透水砖堵塞试验中雨水径流的SS质量浓度取200 mg/L。

表1 样品水质检测结果及与水质标准的对比Table 1 Analysis results of sampled water quality and comparisons with water quality standard

1.4 雨水径流中颗粒粒径随时间的变化规律

2018年5月21日和10月19日两场降雨雨水径流中颗粒物粒径的测定结果如表2所示。由表2可知，2018年5月21日雨水径流产生后的前10 min内，颗粒物平均粒径为13.94 μm，到 20 min、30 min、40 min时平均粒径分别增大为 17.14 μm、22.14 μm和26.32 μm，然后逐渐减小。究其原因，起初降水量较小，径流量较小，随着降雨历时的增加，累积的径流量增大，对地面颗粒物的冲刷能力增强，大颗粒物开始迁移，40 min时达到峰值，而后累积的径流量变小，降雨径流携带大颗粒物的能力减弱。

表2 雨水径流中颗粒物粒径随时间的变化Table 2 Variations of particle size in rainwater during surface runoff

2018年10月19日雨水径流产生后10～20 min内，颗粒物平均粒径由25.22 μm降为20.52 μm，30 min 时平均粒径变为33.90 μm，之后随着时间的增长略有起伏，60 min时增加到42.61 μm。由此可见，在降雨初期，雨水径流量较小，较小的颗粒物随雨水径流迁移，颗粒物的平均粒径20～30 μm；随着降雨历时的延长，雨水径流量逐渐增大，较大的颗粒物开始随雨水径流迁移，30 min时d50和d75分别增加到34.50 μm和147.60 μm。在50 min左右，降雨强度突然增大，雨水径流量增大，对大颗粒物的冲刷加剧，导致60 min时颗粒物的粒径突增。上述结果说明暴雨强度的大小对于雨水径流中颗粒物的迁移有重要影响。

我国还没有雨水径流中颗粒物粒径的划分标准，而国外普遍采用美国水环境研究基金会制定的标准，分为大颗粒(>5 000 μm)、粗颗粒(75～5 000 μm)、细粉颗粒(2～75 μm)、溶解固体(<2 μm)4种[17]。由表2可知，两场雨水径流中颗粒物属于细粉颗粒，其平均粒径绝大部分小于 50 μm。因此，在应用陶瓷透水砖的区域，粒径小于 50 μm 的细粉颗粒物将对陶瓷透水砖的堵塞有重要影响，应该重视路面日常清洁工作，尽量去除路面积存的细小颗粒物以延缓陶瓷透水砖堵塞。

2 陶瓷透水砖堵塞特性

2.1 试验装置与材料

采用自行研发的室内陶瓷透水砖堵塞过程模拟试验装置(图1)，实时模拟真实地面雨水径流引起的陶瓷透水砖堵塞过程。采用1台超声波流速剖面仪精准测量陶瓷透水砖表面水流速度。

图1 室内陶瓷透水砖堵塞过程模拟试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of indoor permeable brick blocking process simulation device

试验用陶瓷透水砖长20 cm、宽10 cm、高 5.5 cm，有明显的结构分层：上层厚度约1.1 cm，孔隙较小而紧凑；下层厚度约4.4 cm，孔隙较大且不规则。

2.2 试验方法

根据前期雨水径流颗粒物粒径分布的试验结果，采用粒径较小的细沙和自来水配制模拟的雨水径流，其中SS质量浓度为200 mg/L，粒径10～<20 μm、20～<50 μm、50～150 μm的细颗粒物质量占比分别为50%、45%和5%，采用3块同批次陶瓷透水砖进行对比试验。

试验时先在陶瓷透水砖的4个侧面涂抹中性胶，完全变干称重后放入装置支架部位，并在四周涂抹玻璃胶以保证不漏水。依次打开进水槽内的搅拌器和水泵，缓慢调节进水阀门，使水流均匀喷洒在陶瓷透水砖表面，待水深达到要求后，采用多普勒流速仪测量陶瓷透水砖表面的水流速度，调节进水阀门直至进水速度达到要求后每间隔3 min测量透过陶瓷透水砖的水样体积，计算该陶瓷透水砖的透水系数，当透水系数低于0.01 cm/s时试验结束。取下陶瓷透水砖，测定表面及内部颗粒物质量和粒径分布。

采用高性能全自动压汞仪(AutoPore IV 9500 V1.09型)测定陶瓷透水砖总孔体积、孔径分布等微观参数。

2.3 陶瓷透水砖堵塞试验结果与分析

2.3.1陶瓷透水砖堵塞过程

图2为陶瓷透水砖透水系数变化，可见尽管陶瓷透水砖透水性能存在一定的个体差异性，但3块陶瓷透水砖的透水系数变化趋势相近，即先快速下降，后略有回升，再平稳下降，由此可将陶瓷透水砖堵塞过程分为快速堵塞、堵塞缓解和平稳堵塞3个阶段。在试验开始阶段，粒径较小的颗粒物容易通过陶瓷透水砖的内部孔隙通道而进入砖内部；而粒径较大的颗粒物则容易堵塞在陶瓷透水砖表面的孔隙开口处，并开始在砖表面积累，透水系数快速下降。在约100 min时，水流会对堆积在陶瓷透水砖表面的颗粒物进行一定的冲刷，使得陶瓷透水砖透水系数略有回升，但仍会有部分细颗粒物随水流而继续通过大颗粒物之间的空隙进入陶瓷透水砖内部，导致陶瓷透水砖透水系数产生一定的波动。180 min之后，陶瓷透水砖透水系数缓慢下降，最终趋稳于0.01 cm/s，此时透水砖已经堵塞失效。

图2 陶瓷透水砖透水系数变化Fig.2 Change of permeability coefficient of ceramic permeable brick

2.3.2陶瓷透水砖孔径分布规律

将陶瓷透水砖孔径分为小于50 μm、50～<150 μm、150～<250 μm和250～450 μm 4个范围，陶瓷透水砖内部和表面不同孔径的体积占比如表3所示。

表3 陶瓷透水砖内部和表面的孔径分布Table 3 Size distributions of pores in ceramic permeable bricks %

由表3可见，陶瓷透水砖表面孔隙和内部孔隙分布中，孔径150～<250 μm和250～450 μm的差别不大，而孔径小于50 μm和50～<150 μm的存在一定的差异，孔径小于50 μm的孔隙表面比内部多，孔径50～<150 μm的孔隙内部比表面多。这是造成陶瓷透水砖孔隙上小下大分布结构的主要原因。

2.3.3堵塞颗粒物粒径与陶瓷透水砖孔径的关系

由表4可知，被堵塞的陶瓷透水砖内部和表面截留最多的颗粒物粒径范围是20～<50 μm，其次是50～100 μm，说明粒径20～<50 μm的颗粒物是引起陶瓷透水砖堵塞的主要原因。而陶瓷透水砖表面小于50 μm、50～<150 μm孔径的孔隙分别占23.46%、44.01%(表3)，说明陶瓷透水砖表面截留颗粒物的粒径范围与陶瓷透水砖表面孔径范围并不一致。一方面，模拟的雨水径流中50～100 μm粒径颗粒物的质量占比较小(仅为5%)，远低于20～<50 μm粒径颗粒物的质量占比(45%)。另一方面，随着雨水径流不断流经陶瓷透水砖，50～100 μm粒径的大颗粒物先被截留在砖表面，20～<50 μm粒径的小颗粒物开始可以透过大颗粒物之间的缝隙进入砖内部；但后期大、小颗粒物逐渐堆积成一层“类滤膜”，“类滤膜”将截留雨水径流中的大部分颗粒物。

表4 陶瓷透水砖内部和表面截留颗粒物的粒径分布Table 4 Size distributions of sand in blocked ceramic permeable bricks %

2.3.4陶瓷透水砖堵塞颗粒物的质量分布

为进一步分析雨水径流中颗粒物在陶瓷透水砖内的截留特性，对一个过水周期内陶瓷透水砖内外的颗粒物进行了质量守恒分析。在陶瓷透水砖堵塞试验的各阶段，分别测定透过陶瓷透水砖的清水的SS质量浓度和水量，得到透过陶瓷透水砖的颗粒物质量；同时测定出水槽中水的SS质量浓度和水量，得到其他颗粒物质量。陶瓷透水砖堵塞试验结束后，用毛刷清扫透水砖表面的颗粒物，将扫除的颗粒物进行收集、烘干、称重，得到陶瓷透水砖表面颗粒物截留量。进入陶瓷透水砖系统的总颗粒物质量为进水SS质量浓度与进水总量的乘积。根据质量守恒定律，计算陶瓷透水砖内颗粒物截留量。3块被堵塞的陶瓷透水砖内颗粒物质量分布的计算结果如表5所示。

表5 陶瓷透水砖内外颗粒物质量分布Table 5 Mass distributions of sand nside and outside the ceramic permeable bricks g

根据陶瓷透水砖堵塞试验中颗粒物分布位置的不同，陶瓷透水砖堵塞可以分为表面堵塞和内部堵塞两种类型。结合表3，砖表面截留颗粒物质量超过砖内部截留颗粒物质量的2倍，说明引起表面堵塞的颗粒物明显多于引起内部堵塞的颗粒物。究其原因，粒径较大的颗粒物无法进入砖内部而被截留在表面，其截留量随着过水试验的进行而不断增加。粒径较小的颗粒物部分会被截留在砖表面，部分则会随水流进入砖内部；进入砖内的颗粒物一部分会被截留在砖内的死端孔隙，另一部分则流出陶瓷透水砖。

综合表4和表5，陶瓷透水砖表面截留的颗粒物以粒径20～<50 μm和50～100 μm的为主，占比接近70%，因此粒径20～100 μm的颗粒物是影响表面清扫恢复陶瓷透水砖透水性能的主要因素，其中粒径20～<50 μm范围的颗粒物最多。虽然陶瓷透水砖孔隙小于50 μm的孔径占比不高(23.46%)，但是它极大地影响着陶瓷透水砖透水性能的恢复。在设计陶瓷透水砖的孔隙结构时，建议合理减小孔径小于 50 μm的占比，这对于通过人工清扫来恢复陶瓷透水砖的透水性能具有重要的实际意义。

3 结 论

a. 4次降雨的地表径流中颗粒物以细粉颗粒为主，粒径小于50 μm的细粉颗粒物对陶瓷透水砖的堵塞有重要影响，应重视路面日常清洁工作，以有效去除粒径小于50 μm的细粉颗粒物，延缓陶瓷透水砖堵塞。

b. 陶瓷透水砖堵塞可分为内部堵塞和表面堵塞，其中以细粉颗粒物引起的表面堵塞为主。

c. 表面清扫对陶瓷透水砖截留的细粉颗粒物的去除效果有限，在控制地表径流污染物的过程中，应重点关注粒径20～50 μm的污染物颗粒。