生物陶粒濾料廠家基于“海綿城市”理念的透水鋪裝系統

　　生物陶粒濾料生產廠家基于“海綿城市”理念的透水鋪裝系統。近年來，城市內澇和非點源污染得到高度關注。透水鋪裝系統是基于“海綿城市”理念的一種重要的源控制技術，可以有效的減少洪峰流量、防治城市內澇現象、凈化雨水徑流污染。已被廣泛應用于公園、停車場、人行道、廣場、輕載道路等。通過總結國內外相關文獻資料，重點介紹透水鋪裝系統在雨水徑流水文特性和水質凈化方面的研究現狀和行業趨勢，并對日后研究方向和未來行業領域的發展提出建議，對透水鋪裝系統的進一步深入研究具有積極意義。

　　國家水體污染控制與治理科技重大專項(2011ZX07301-004-01)。

　　0　引　言

　　19世紀多數發達國家大力發展管網系統，收集雨水徑流，然后排入附近河道或污水管道系統[1-2]。但是隨著人口增長和城市化進程的加快，地表徑流大幅度增加，傳統的末端處理設施不僅增加管網和污水處理廠的負荷，而且由超負荷流量引發的城市內澇問題不容忽視。另外，過量的雨水徑流排入水體會引起水體危害[3]。過量的營養成分會使水體發生藻華[4]，金屬等污染物會危害水中生物[5]。城市內澇和非點源污染得到國內外高度關注。

　　尋找新型雨洪管理方法和理念是解決這些問題的根本途徑。“海綿城市”是通過各種生態排水設施，使城市開發建設后的水文特征盡量接近開發建設前，可以有效緩解城市內澇，削減城市徑流污染負荷[6]。透水鋪裝系統屬于“海綿城市”理念下的一種重要的源控制技術。目前，透水鋪裝系統已被廣泛應用于公園、停車場、人行道、廣場、輕載道路等領域。透水鋪裝系統的總體原則是收集、儲存、處理雨水徑流，進而通過滲透補充地下含水層，這對提升城市整體的水文調蓄功能具有重要意義。

　　1　國內外研究現狀

　　1.1　“海綿城市”的內涵

　　面對城市化進程中城市內澇和雨水非點源污染問題，國內外開始實踐新型雨洪管理方法。美國提出了低影響開發LID(low impact development)和最佳管理措施BMPs(best management practices)，澳大利亞發展水敏感性城市設計WSUD(water sensitive urban design)，新西蘭則采用低影響城市設計與開發LIUDD(low impact urban design and development)[7]，2014年10月我國頒布了《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》。

　　“海綿城市”理念遵循與自然和諧共處，順應自然，恢復自然水文特征的低影響建設模式，采用各種自然和人工的生態排水設施，充分發揮城市道路、綠地、水系等對雨水的吸收、儲蓄、滲透、凈化、緩釋和回用作用。“海綿城市”設計理念是將城市比作海綿，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水“釋放”并加以利用[6]，提高城市面對自然災害和環境變化時的適應力。透水鋪裝系統作為“海綿城市”理念下的具體措施之一，重新構建了被硬化地面所破壞的“降雨—徑流—下滲—回用/循環”的良性循環(如圖1所示)，對修復城市水環境、實現雨水資源化具有重要意義。

　　圖1　降雨—徑流—下滲—回用/循環

　　1.2　透水鋪裝系統的結構

　　一般認為，透水鋪裝系統的結構，從上到下依次為：面層、基層、底基層、墊層，如圖2所示。每層結構有不同的生態和結構功能，如表1所示。其中由于組成不同，常用面層材料分為：透水混凝土、透水瀝青、網格、透水磚等[8-10]。基層材料可使用砂、礫石、石灰巖、方解石等[11-12]。所以透水鋪裝系統的類型和結構多種多樣。

　　1.3　透水鋪裝系統對雨水徑流量的控制

　　研究表明[13]，開發前的自然生態系統可以截留、滲透、吸收80%的降雨;而城市化后，硬化地面大幅度增加，僅能截留20%的降雨，80%的雨水形成地表徑流。城市化使得徑流量增加，行洪歷時縮短、洪峰流量增加，造成嚴重的城市內澇問題。2012年北京“七二一”洪澇災害造成79人死亡，經濟損失高達116.4億元。2013年7月延安連續大暴雨引發的自然災害導致42人死亡[14]。

　　圖2　透水鋪裝系統結構

　　表1　透水鋪裝系統結構層功能

　　大量研究表明[15-16]，和傳統的瀝青硬化道路相比，透水鋪裝系統可以更有效地減少徑流峰值和延長徑流排放時間，并使蒸發和表面水濺顯著減少。Bean等[17]監測卡羅萊納州的東南部透水路面，當降雨事件達到80 mm時，透水鋪裝系統沒有產生表面徑流。Collins等[18]監測北卡羅萊納州東部透水聯鎖鋪裝和透水網格的地表徑流情況，發現2種透水鋪裝系統可以儲存6 mm的降雨而不產生徑流，即儲存體積約占到中等降雨量的30%。透水鋪裝系統作為生態排水設施，可將降雨滲透率由硬化路面的10%～15%增加到75%以上，大大降低地面徑流量，削減洪峰，避免大暴雨或連續降雨造成城市洪澇災害[19]。

　　1.4　透水鋪裝系統對雨水徑流污染的控制

　　1.4.1　非點源污染的內涵

　　城市非點源污染是指城市地表污染物在降雨和徑流沖刷、溶解的作用下，通過地表徑流的形式流入河流、湖泊、海灣、水庫等受納水體中，造成水體污染[20]。根據2000年美國環保署報告，美國河流和湖泊中2/3的污染負荷來自于非點源污染，并把地表徑流作為引發江河湖海水體污染的第三大污染源[21]。典型城市雨水徑流中污染物主要包括營養物質(氮和磷)、重金屬、懸浮固體(SS)、石油烴和病原體。不經過任何處理的雨水徑流匯入受納水體，會引發水體污染。

　　1.4.2　透水鋪裝凈化雨水徑流

　　大量研究表明，透水鋪裝系統可以吸收、儲存雨水徑流，并通過吸附等功能顯著地減少徑流中污染物的濃度后，進而下滲補充地下含水層。Flecher等[22]根據污染物類型的不同，評估透水鋪裝系統對徑流污染物的去除率為40%～90%。Wilson等[23]檢測多孔表面對油的攔截作用，把可能發生的最嚴重污染事件和降雨結合在一起，以這種最糟糕的狀況來評估透水鋪裝系統對烴類的去除能力。結果表明，透水鋪裝系統可以很好地截留烴類污染物，提高出水水質。Carsten Dierkes等[24]通過測試得出，透水鋪裝系統可以有效地截留徑流中溶解性重金屬，在土壤中未檢出重金屬。雖然在土壤中檢出了烴類，但濃度很低，未超過土壤中污染物的濃度范圍，說明經過透水鋪裝系統滲透的雨水可以用于回灌地下水。

　　不同地區雨水徑流水質也有顯著差別，研究不同類型透水鋪裝系統和逐層結構對徑流污染物的去除能力，可以優化選擇透水鋪裝系統類型來適應當地雨水徑流水質，以確保不污染地下水。目前不同類型和結構的透水鋪裝系統對徑流污染物的去除能力已有一些研究。趙現勇等[25]通過試驗比較了透水混凝土、透水磚和透水草皮磚對雨水徑流污染物的削減作用，得出透水草皮磚對COD、總氮(TN)去除效果最好，透水磚對總磷(TP)削減程度最高。研究顯示[26]，開口面積較小的透水聯鎖塊(PICP, permeable interlocking concrete pavement)對TN、硝酸氮和亞硝酸氮的去除率比開口面積大的PICP高。對TN、硝酸氮和亞硝酸氮的削減程度由高到低依次為透水網格>透水水泥混凝土>PICP。經過試驗[27]，透水磚對重金屬的去除比透水網格好，但給兩者處理后水中的重金屬濃度均達標。Myers B等[28]經過實驗發現，TN在基層材料方解石和石灰巖中分別減少了18%和67%，可知石灰巖做基層材料性質優于方解石，這與Myers[28]的研究結果一致。雨水徑流進入地下水之前要經過土壤的凈化處理。目前對黏土、紅壤土、亞砂土、人工土壤等不同種類土壤凈化雨水徑流污染物已有大量研究[29-31]。研究顯示[32]，土壤對徑流污染物凈化能力由強到弱依次為：重金屬>有機物>無機物。透水鋪裝系統每層獨立結構層對雨水徑流中不同目標污染物有不同的去除能力。

　　2　發展前景

　　綜上所述，透水鋪裝系統每層獨立結構層對雨水徑流污染物去除能力已有大量研究，但是缺乏系統研究和認識，即污染物的垂直遷移問題有待探索。Boving T B等[33]認為金屬污染物積累在多孔瀝青表面，在儲層結構中不發生遷移現象。而Carsten Dierkes等[24]在底基層中發現濃度較高的Zn、Cu、Pb等重金屬。這些矛盾的現象表明對徑流污染物在透水鋪裝系統下滲過程中遷移規律研究不足。將側重不同污染物去除的獨立層結構合理的結合起來達到對不同地區不同徑流水質最大的凈化作用是今后的研究方向之一。

　　另外，對透水鋪裝系統去除徑流污染物機理的研究有助于深入解析污染物的轉化分解過程，并指導透水鋪裝系統設計配比、不同類型層組合方式等工程實踐。在這方面已有初步的探索，Dierkes C[34]建議基層材料中含有高濃度CaCO3和有機成分可以更好的截留去除徑流污染物。Scholz[19]認為透水鋪裝系統對徑流污染物的去除主要是由于媒介吸附和細菌分解的雙重作用。Al-Degs Y S[35]認為Zn、Cu、Pb等重金屬的吸附重要是通過金屬碳酸鹽沉淀復合物去除。但Myers B[28]認為重金屬陽離子與基層表面負電荷靜電引力是金屬濃度降低的原因。可以看出，關于透水鋪裝系統對徑流污染物去除機理的研究存在很多爭議，并且不具備系統性。未來的研究應重點分析徑流污染物逐層經過透水鋪裝系統的濃度變化，確定物質形態和轉化過程。同時應結合物理化學表征手段，進行系統性的機理分析，闡明徑流污染物經過透水鋪裝系統過程中的具體轉化過程。進而對不同地區、土壤土質、徑流水質針對性配比，組合設計出相應的透水鋪裝系統結構，從而保障地下水的安全性。

　　最后，透水鋪裝系統作為建設海綿城市的具體措施，可以與建設智慧城市的實踐相融合。通過在線實時監測預警暴雨和透水鋪裝系統積水情況，快速做出反應，控制地表徑流量。將透水鋪裝系統基礎設施與大數據、云計算等信息技術手段相結合，實現對雨洪的智慧調控及城市雨水的循環利用，從而達到智慧海綿城市的功能。

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