2017, Vol. 38
2. 上海市水务规划设计研究院, 上海 200232
2. Shanghai Water Resources Planning and Design Research Institute, Shanghai 200232, China
城市化进程的深入使得城区不透水铺面的比例持续提高, 加剧了城市内涝与面源污染[1, 2].我国大城市的人口密度高, 土地紧缺, 实施低影响开发受到可利用土地资源的限制.透水铺装不额外占用土地, 能有效滞蓄消纳部分径流, 具有良好的源头控制作用, 在发达国家已被广泛应用于广场、停车场以及轻载路面[3~5].透水铺装对改善开发场地的水文及水质状况有显著的作用[6~8], 是我国大中城市海绵城市建设的重要措施之一.
在高地下水位地区, 透水铺装可能造成地下水污染[9].国内相关技术规程指出, 在土基与地下水最高动水位距离小于1.0 m的场合必须使用防渗层以阻止径流下渗, 并在铺装结构中安置排水管[10].这样, 透水铺装的水文控制效果显著降低, 实用性受到影响.地下水交替程度较弱, 自净能力低, 抵御污染的能力脆弱[11].我国东南沿海地区, 已有的渗透铺装底部距离地下水的间距大多不足1 m, 且大多数场合没有设置隔水层.尽管据现有的研究报道, 透水铺装能有效去除大部分常规污染物, 对某些重金属也有良好的去除效果[12~14], 高地下水位地区透水铺装的下渗水很可能造成了地下水污染.
为考察不同面层及结构层组成的透水铺装设施下渗水水质及其对地下水可能的影响, 本文建造了3种不同构造的应用规模透水铺装, 在实际降雨条件下现场考察透水铺装下渗水水质, 并与现场地下水水质进行对比, 以期为海绵城市建设规划与工程设计提供支撑.
1 材料与方法 1.1 实验设施在同济大学校园内一处停车场建造了3个实验性透水铺装单元和1个不透水铺面对照(称设施0), 其中透水混凝土面层铺装由上海格林路得公司建造, 4个单元的面积均为6 m×6 m且无额外汇水面积.在距离设施约10 m处设1处地下水观测井, 用于地下水位的观测以及现场地下水样本的采集.设施表面标高3.28 m, 现场实测地下水高程变化范围2.23~2.84 m. 4个单元的具体结构组成与编号如表 1, 其中混凝土缝隙透水砖的缝隙宽度为3~4 mm, 设施Ⅰ与设施Ⅱ在找平层下垫有无纺土工布, 3个透水铺装设施底部均设有HDPE防渗膜, 并于底部设置穿孔排水管.
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表 1 实验设施结构组成 Table 1 Structure of facilities for the experiment |
各设施面层均做出1%~2%的坡度, 并于低端设置排水沟以收集表面产流, 通过排水管接入临近的观测井, 观测井面积为2.5 m×1.2 m.各设施底部出流与表面径流分别连接到置于观测井中的60°三角堰, 各三角堰配置超声波液位计与数据记录仪, 可以连续准确检测流量过程.在距离实验地点约100 m处屋顶安装SL3-A翻斗式雨量计监测场地的降雨情况.
1.2 样品采集与检测4个停车单元相邻并列, 设施0的干、湿沉降负荷与其他3个相同, 其径流水质与流量过程可以作为其他设施进水的代表.分别采集其他3个设施的底部出流代表无防渗膜设施的下渗水.径流发生初期间隔5~10 min采集一次样品, 后期间隔30~60 min采集一次样品, 具体根据降雨强度与历时情况确定.观测井内地下水样品使用蠕动泵抽取.样品使用1 L聚乙烯采样瓶收集, 采集后24 h内检测, 未能及时检测的置于4℃冰箱内贮存不超过48 h.本文中除重金属、高锰酸盐指数及电导率以外的所有的指标均检测过程样, 结合流量监测结果计算单次降雨的事件平均浓度(EMC), 混合样则由过程样按过程流量配置而成.
水质检测指标包括TSS、COD、TP、TN、NH4+-N、NO3--N、重金属离子、高锰酸盐指数、石油类、pH、电导率.主要水质指标采用国家标准检测方法：TSS为重量法, COD比色法(HACHDRP2010), TP为过硫酸钾消解-钼锑钪分光光度法, TN为过硫酸钾氧化-紫外分光光度法, NH4+-N为纳氏试剂光度法, NO3--N为酚二磺酸分光光度法, 石油类使用红外分光光度法(MAI-50G).重金属采用电感耦合等离子质谱法(Agilent 7700), 测定元素包括Cr、Mn、Cu、Zn、Pb. pH使用METTLER TOLEDO FE20 pH计测量, 电导率使用METTLER TOLEDO FE30电导率计测量.
1.3 数据分析方法本文采用IBM SPSS 20进行正态性分析, 结果显示所有数据均符合正态分布规律.由于多数指标测定值的方差不齐, 故用Games-Howell法进行单因素方差分析, 主要对3种透水铺装设施相互之间下渗水水质差异的显著性进行分析, 并分析了3种透水铺装设施下渗水与设施0径流的主要监测指标差异的显著性.
2 结果与讨论 2.1 监测降雨事件在2016年3月至2016年8月期间对16场设施产生出流的降雨事件进行了水质监测, 其中降雨量小于10 mm的降雨事件2场, 10~24.9 mm的9场, 25~49.9 mm的1场, 大于50 mm的4场, 监测降雨事件的特征见表 2.相关降雨事件包括了不同类型的降雨, 水质监测结果具有代表性.设施实验初期表面渗透性能较好, 基本无表面径流产生; 后期渗透速率有所下降, 在暴雨期间部分产流, 径流系数达到0.1~0.2.
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表 2 监测降雨事件的降雨特征 Table 2 Characteristics of monitored rainfall events |
2.2 水质净化效果 2.2.1 N、P去除情况
监测降雨事件各透水铺装设施下渗液与设施0径流的TN、NH4+-N、NO3--N、TP的质量浓度分布情况见图 1.其中, 3种设施出水的TN和设施Ⅰ的NH4+-N与设施0径流无显著差异(P＞0.05), 这与Brown等[8]报道的结果相似, 而TP呈现显著差异(P＜0.05).此外, 仅设施Ⅰ与另2种设施出水相互之间NH4+-N存在显著差异, 3种设施出水P及其他形态的N相互之间均无显著差异.表明3种不同构造设施对N、P的去除效果相近.
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图 1 各设施进出水TN、NH4+-N、NO3--N、TP的质量浓度情况 Fig. 1 Concentrations of TN, NH4+-N, NO3--N, TP in influent and effluent of each facility |
设施Ⅱ与设施Ⅲ的NH4+-N去除效果明显优于设施Ⅰ, 这主要由于粗砂找平层的生物转化作用[15], 而设施Ⅰ中并不存在这样的结构. 3种设施均发生了明显的NO3--N释放现象, 这是由于被设施截留的TN或NH4+-N在好氧环境中产生了硝化作用, 产生的NO3--N被出水带出[16].
2.2.2 COD与TSS监测降雨事件各透水铺装设施下渗液与设施0径流TSS、COD的质量浓度分布情况见图 2. 3种设施对COD与TSS均有良好的去除效果, 且设施相互之间TSS和COD去除效果没有显著差异, 无论地面径流水质如何波动, 降雨出流过程中出水TSS含量稳定地保持在30~50mg·L-1之间.表明不同构造的透水铺装均可对径流中TSS起到很好的截留、过滤作用[17]. COD的去除主要由于设施结构层的截留作用, 被拦截的COD逐渐在结构层填料表面被降解[15].
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图 2 各设施进出水TSS及COD质量浓度情况 Fig. 2 Concentrations of TSS and COD in influent and effluent of each facility |
各透水铺装设施下渗液与设施0径流中Cr、Mn、Cu、Zn、Pb和石油类的质量浓度分布情况见图 3. 3种设施对Mn、Cu、Zn及石油类去除效果良好, 平均去除率分别达到84%、62%、59%、65%;而对Cr与Pb的去除效果较差, 平均去除率仅为43%、42%.设施表面径流中重金属含量偏高, 可能与停车场用地原为金工实习工厂有关.设施Ⅱ与设施Ⅲ的重金属去除能力可能主要归结于找平层中粗砂的过滤作用[18], 而设施Ⅰ更多是由于其对径流较强的碱化作用使得pH升高从而导致重金属元素析出[6, 12, 19]. 3种设施出水pH均值分别为11.15、9.43、8.91(表 3).设施Ⅱ与设施Ⅲ对出水的碱化作用较弱, 然而, 其找平层粗砂的过滤作用较设施Ⅰ强, 结果表现为3种设施的重金属去除效果之间不存在显著差异.设施Ⅱ与设施Ⅲ对石油类的去除主要由于找平层粗砂与土工布的过滤作用, 以及后续的生物降解作用[20~22], 设施Ⅰ不具备这样的结构, 其下渗水的石油类含量波动范围大, 但是, 平均值与另外两个设施相近, 结果为3个设施去除效果之间不存在显著差异.
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图 3 各设施中主要重金属及石油类质量浓度情况 Fig. 3 Concentrations of main heavy metals and O & G in influent and effluent of each facility |
共从地下水观测井内采集6次地下水样本, 现场地下水与3种设施出流的高锰酸盐指数(OC)、pH、电导率(Cond.)及其它水质指标检测结果见表 3.从中可知, 设施出水pH、TN、NO3--N质量浓度均远大于现场地下水; NH4+-N、TP、COD、SS及OC与现场地下水相近; 仅电导率小于地下水.根据上海浅层地下水背景值的研究结果, 3种设施下渗水OC、pH与检测重金属的含量明显高于背景值[23].其中, 3种设施均增大了出水pH, 这与文献报道结果相近[24, 25], 且设施Ⅰ出水的pH明显大于另两个设施, 这是因为设施Ⅰ由水泥现浇, 水泥中CaCO3及MgCO3提高了出水的pH[16].设施0径流电导率小于3种透水铺装, 因此由电导率测定结果可以得出, 设施下渗水中常规离子含量高于径流中含量, 但低于现场地下水实测值, 径流经透水铺装下渗不会增加浅层地下水的总含盐量.
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表 3 3种设施与现场地下水污染物平均质量浓度情况1) Table 3 Concentrations of pollutants from three facilities and groundwater |
参照《地下水质量标准》(GB-T 14848-1993), 表 3设施出水中除OC、NO3--N以外, 其余指标次降雨出水质量浓度多次达到地下水V类标准, 特别是Cr和Pb[26].监测结果表明高地下水位地区透水铺装设施下渗水存在污染浅层地下水的风险.
3 结论(1) 本文使用的3种透水铺装设施均能有效去除径流中TP、COD和TSS等污染物, 而对TN的去除效果较差.混凝土缝隙透水砖铺面对NH4+-N去除效果明显优于透水混凝土. NO3--N出现了明显的释放现象, 出水含量普遍高于对照设施.
(2) 3种透水铺装设施对Mn、Cu、Zn具有良好的去除效果, 不同设施之间的去除率无显著差异, 上述重金属平均去除率分别为84%、62%、59%.对石油类的平均去除率为65%, 不同设施的去除率无显著差异.
(3) 众多降雨事件设施出水OC、pH、TN及本研究检测的重金属含量均大于现场地下水实测值或当地背景值.且设施出水多项指标均属于地下水V类标准.因此, 透水铺装设施下渗水在高地下水位地区存在污染地下水的风险.
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