初期雨水径流污染路面拦截装置

吴荣芳， 董进波

（1.江苏大学 基建处，江苏 镇江 212013；2.镇江市水业总公司，江苏 镇江 212010）

随着城市水环境治理进程的加快，城市污水收集效率大幅提升，影响城市水体水质的因素主要为城市面源污染、大气沉降等，其中初期雨水造成的城市面源污染日益凸显。国内外学者研究表明[1～2]，初期雨水径流的水质较差，在一场降雨过程中，占总径流量20%或25%的初期径流，冲刷排放的污染物量占径流排污量的50%以上[3]；可见，对初期雨水径流的处理与处置是雨水径流污染控制的关键[4～5]，是有效控制城市面源污染的核心，是海绵城市建设的重要措施，对城市水环境质量的持续提升具有突出作用[6]。

目前国内外初期雨水截流装置主要有两种类型：一是简易的旋流沉砂装置，利用旋流产生的离心力实现雨水中水砂的分离，净化效率较低；二是相对复杂的人工湿地、磁絮凝、混凝沉淀等雨水净化装置，投资大、运行成本较高、维护管理复杂、占地面积大，对建设选址有较高的要求，经常是“建得起、管不起”状态。

本文介绍了一种新型雨水拦截净化装置：一方面通过截水栏的设置提高初期雨水的收集率；另一方面通过过滤吸附材料的设置提高初期雨水中污染物的去除效率，进而通过下渗系统的设置实现雨水减量和消峰，最终有效降低初期雨水污染，同时实现雨水的减量和污染物减排。

1 径流拦截装置

1.1 装置的开发

径流污染路面拦截装置通常由顶盖、截水栏、拦截装置和下渗层4部分组成。见图1。

图1 径流污染路面拦截装置的一般构造

顶盖为铸铁或钢筋混凝土材料，安装位置与路面齐平。截水栏为径流流动方向上高起的长条带，可以用常规减速带代替。拦截装置为矩形，底部镂空，内部填充吸附填料。下渗层位于整个装置底部，用于承托拦截装置的同时起到均匀下渗作用。

1.1.1 截水栏

常用截水栏的截面形状有两种：形状1为圆拱形，形状2 为棱台形。两种截水栏都具有较好的截水效果。见图2。

图2 两种常用截水栏截面形状

截水栏为径流流动方向上横跨道路的高起长条带，过低达不到截水效果，过高又会影响交通；因此，应在保证不阻碍交通的前提下，适当加大高度。通常，截水栏的高度为5～6 cm。

1.1.2 填料

吸附填料是决定整个装置净化效果的关键，选择时应注意以下几点：

1）应具有较大的比表面积，吸附量大且吸附力强；

2）应具备较高的机械强度和较好的化学稳定性；

3）应具有较好的形状系数，过滤速度快、水头损失小。

填料可以是单一的，也可以是多种按比例混合或分层填充的。填充高度应不大于拦截装置总高度的2/3。为便于吸附填料的更换，应设置填料箱或填料篮，直接放置于拦截装置内。填料箱或填料篮为不锈钢材质。

1.1.3 拦截装置

径流雨水经过吸附填料净化并由下渗层流入土壤得以净。如果径流雨水未被净化而直接通过拦截装置边壁渗漏进入土壤，不但没有达到净化目的，反而对土壤造成污染；长时间渗漏也将影响道路的结构性能。因此，对措施拦截装置采取防渗措施至关重要。拦截装置的防渗措施主要是在内壁四周铺设防渗层。

1.2 装置的设置

通常情况下，道路路面并不是齐平的，而是中间高，两侧略低，为的是将雨水引流到道路两侧，不造成道路中央积水；因此，几乎所有的雨水口都位于道路两侧。同样，径流污染路面拦截装置也设置于路边，靠近路沿的位置；有减速带时，将装置设置于减速带前，利用减速带截水。见图3。

图3 径流污染路面拦截装置位置

1.3 工作原理

径流污染路面拦截装置在改变传统雨水口结构与位置的基础上，达到收集、净化、排放的目的。降雨初期，径流沿路面流动，冲刷路面污染物，水质极差；流经路面拦截装置时，被装置截水栏阻挡去路，径流水体由装置顶盖下流，进入拦截装置；拦截装置内填充一定量多孔吸附材料，径流穿过多孔吸附材料时，绝大多数污染物被吸附截留；被净化的雨水径流继续向下流动进入下渗层并沿各向渗入土壤中。

随着降雨历时的推进，径流量不断增大，当产流速度大于装置净化下渗速度时，径流水体在截水栏前不断累积，累积高度大于截水栏最高点时便越过截水栏继续沿路面流动，污染物会被下一个拦截装置拦截。

2 截流净化效率

2.1 截流效率

径流污染路面拦截装置的泄水能力直接影响径流污染的净化效果，也间接影响道路交通安全，若过多的雨水流入路面，还会影响路面的结构性能。

径流污染路面拦截装置是通过径流的下渗达到泄水的目的，Horton 模型是水文中最著名的下渗模型，经验公式为

式中：ft——t时刻的下渗速率，mm/h；

fc——最终（稳定状态）下渗速率，mm/h；

f0——初始速率，mm/h；

k2——衰减常数，h-1。

式（1）中的参数取决于介质类型和初始含湿量。由式（1）可知，填料中雨水的下渗能力随时间的推移逐渐减小并趋于稳定。

径流污染路面拦截装置的泄水能力是指经过装置吸附净化而下渗进入土壤的径流流量，其关系可表示为

式中：Qi——装置泄水能力，m3/h；

S——装置横截面积，m2；

f——径流下渗速率，m/h；

a,b——装置横截面的长、宽，m。

径流污染路面拦截装置的截流效率是指下渗径流量与总径流量的比，表示为

式中：E——径流污染路面拦截装置截流效率；

Qi——下渗径流量，m3；

Q——总径流量，m3。

径流污染路面拦截装置的泄水能力与装置几何尺寸、填料类型、径流流量有关，通常随总径流流量的增大而增大；而截流效率随总径流流量的增大而减小。

2.2 净化效率

实测了2次降雨时拦截装置的净化效率，对CODCr、SS、NH3-N、TP 均有一定的吸附净化效果，其中降雨初期对CODCr、SS的去除效果十分明显，去除率可以达到50%以上，后期的去除效率也在20%以上。见图4。

图4 两次降雨时拦截装置净化效率

3 结论

1）开发了一种集拦截、净化、下渗于一体的雨水径流拦截装置，可以实现污染雨水的有效拦截、快速净化和下渗减量，对城市洪涝控制和污染减排有较大作用。

2）分析建立了拦截装置的截流效率计算模型；实测了该装置的净化效率，证实该装置对污染物具有较强地净化能力。