环境科学  2020, Vol. 41 Issue (2): 750-755   PDF    
引用本文
张佳炜, 刘勇, 金建荣, 李田. 透水砖铺装的设施构造对运行效果的影响[J]. 环境科学, 2020, 41(2): 750-755.
ZHANG Jia-wei, LIU Yong, JIN Jian-rong, LI Tian. Performance Assessment of Permeable Interlocking Concrete Pavement Facility Structure[J]. Environmental Science, 2020, 41(2): 750-755.
透水砖铺装的设施构造对运行效果的影响
张佳炜, 刘勇, 金建荣, 李田     
同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
收稿日期: 2019-08-10; 修订日期: 2019-09-17
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07207001）
作者简介: 张佳炜(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为城市面源污染控制, E-mail:jiaweizhang0322@163.com
通信作者: 李田, E-mail:tianli@tongji.edu.cn
摘要: 为考察缝隙透水砖铺装的基层构造与材料对设施运行效果的影响，在上海市区建造了2个缝隙透水砖铺装（permeable interlocking concrete pavement，PICP）与1个不透水混凝土铺装（concrete pavement，CP）停车场，其中2个缝隙透水砖铺装分别采用水泥稳定碎石（PICP1）和普通碎石（PICP2）作为基层结构.在2018年实际降雨条件下对2个设施的水文效果及底部出流水质进行了长期监测.结果表明PICP1与PICP2的年径流总量控制率相近，分别为37.0%和38.7%，PICP1的峰值削减率及峰现延迟时间略优于PICP2.水质控制效果方面，PICP1比PICP2有更好地NH4+-N转化效果，两种设施底部出流均存在NO3--N淋出的现象；PICP1底部出流的TSS、TP、颗粒态磷和溶解态磷浓度均低于PICP2.采用水泥稳定碎石作为基层有助于提高设施的水质净化效果，并改善设施的水文控制效果.
关键词: 透水铺装(PICP)      设施构造      水泥稳定碎石      水文效应      水质效果     
Performance Assessment of Permeable Interlocking Concrete Pavement Facility Structure
ZHANG Jia-wei , LIU Yong , JIN Jian-rong , LI Tian     
College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: Two permeable parking lots and one impervious concrete pavement were constructed in Shanghai to study the hydrological and water quality performance of permeable interlocking concrete pavements (PICP) with different base course materials. The hydrological performance and water quality of the influent and effluent under actual precipitation conditions in 2018 were monitored, and the two PICPs used cement-stabilized crushed stones (PICP1) and crushed stones (PICP2) as the base course, respectively. Results show that the annual total volume reduction rates of PICP1 and PICP2 are 37.0% and 38.7%, respectively. The peak flow reduction rate and the time to the peak flow of PICP1 are slightly better than PICP2. PICP1 has better transformation efficiency on NH4+-N in comparison to PICP2, and the release of NO3--N occurs in both PICPs. Moreover, PICP1 has lower effluent concentrations than PICP2 on pollutants like TSS, TP, PP, and DP. The PICP with cement-stabilized crushed stones as base course is helpful to improve the hydrological performance and water quality of the effluent.
Key words: permeable pavement      facility structure      cement stabilized crushed stones      hydrological effect      water quality improvement     

城市化进程的推进改变了城市原有土地利用形式, 导致道路径流在水质和水量上发生了巨大变化[1, 2].透水铺装作为一种源头分散应用的低影响开发技术, 在不额外占用城市土地的条件下可以削减径流水量、减少洪峰流量[3], 并削减面源污染, 已在国外受到广泛认可[4, 5].

级配碎石是透水铺装基本的基层材料.通过在碎石中掺加少量水泥可弥补碎石基层强度低和稳定性差的弊端.文献[6]指出, 选用水泥稳定碎石作为透水铺装基层材料不会影响设施的透水性能, 且有利于提高设施的承压能力.根据发达国家相关技术规程规定[7, 8], 简单型透水铺装仅可应用于设施底部距地下水位高于1 m的地区, 国内文献[9]也提出了透水铺装的土基距离地下水位宜大于1 m的要求.因此在透水铺装建造过程中, 选用水泥稳定碎石作为基层材料, 不仅有利于提高设施的荷载能力, 在结构方面还能够适当减少设施厚度, 适合上海等高地下水位地区城市的应用.

本课题组前期的研究结果表明[10], 缝隙透水砖铺装对下渗雨水的水质具有明显改善作用.然而迄今为止, 国内对不同基层构造的透水砖铺装在长期运行中的效果评价鲜有报道.为比较以水泥稳定碎石和普通级配碎石为基层结构的透水砖铺装对底部出流的水质控制效果及水文效果, 本文建造了两个基层构造不同的透水砖铺装停车场, 通过现场实验确定两种基层结构的透水砖铺装在实际降雨条件下的长期运行效果, 以期为透水砖铺装在上海及其周边地区的工程应用提供技术支撑.

1 材料与方法 1.1 实验设施

在同济大学校内某停车场搭建2个实验性缝隙透水砖铺装设施(PICP)与1个不透水混凝土铺面对照(CP). 3个设施规格均为6 m×6 m, 均无额外汇水面积, 并设置混凝土镶边以消除大雨条件下相邻地块径流的影响.其中2个透水铺装设施面层材料均为混凝土缝隙透水砖, 基层分别为水泥稳定碎石基层(PICP1)和普通碎石基层(PICP2), 底部均铺有HDPE防渗膜, 相关设施的构造与材料如表 1所示.其中各设施面层均做出1% ~2%的坡度, 并于低端设宽约10 cm的排水边沟以收集表面径流, 设施PICP1和PICP2找平层下均垫有透水土工布, 于底部设穿孔排水管.各设施的表面径流与底部出流通过监测井连接至30°三角堰, 结合超声波液位计和数据记录仪对降雨径流过程进行监测, 参照规程[11]计算设施底部出流及表面径流的产流情况.在距实验现场约100 m处屋顶安装SL3-A翻斗式雨量计, 对同期场地降雨情况进行实时监测.

表 1 实验设施结构 Table 1 Facility structures used in experiment

本实验以前期无雨期大于6 h, 降雨量大于2.0 mm的降雨视为一场有效降雨事件.参照文献[9]中相关定义, 通过公式(1)对监测期内所有降雨事件计算各设施的年径流总量控制率；针对监测期间所有产生出流的降雨事件, 以设施出流过程中第一个出峰值为对象, 计算每场降雨透水铺装设施相对于对照设施的峰值削减率及峰现延迟时间.

(1)
1.2 样品采集与数据分析

3个单元设施相邻并列, CP设施的表面径流水质与产流过程可作为设施PICP1和PICP2的空白对照.在CP产生表面径流以及PICP设施底部发生出流的初期, 在监测井三角堰出口每隔5~10 min人工采集一次表面径流与底部出流样品, 后期视具体降雨强度每隔30~60 min采集一次样品.所采集水样存放在1 L聚乙烯采样瓶中并于4℃冰箱贮存, 于采样后24 h内尽快检测.本实验所考察的水质指标均采集过程样品, 结合三角堰系统提供的瞬时流量, 计算单场降雨的事件平均浓度(EMC).具体水质指标均采用国家标准检测方法测定, 其中溶解态磷(DP)浓度由总磷(TP)浓度减去颗粒态磷(PP)浓度所得, 检测指标包括TSS、COD、TP、DP、PP、TN、NH4+-N和NO3--N.本实验采用SPSS 22软件对实验数据进行统计, 由于相关数据呈现正态分布但方差不齐, 故采用Games-Howell法对设施表面径流和底部出流的EMC均值进行单因素方差分析, 并利用Pearson相关系数法进行相关性分析.

2 结果与讨论 2.1 降雨事件监测

2018年1~12月监测期间的累积降雨量为1 051.3 mm, PICP1和PICP2发生底部出流的场次分别为32场和30场, 其相关降雨特征如表 2所示.

表 2 2018年设施发生出流降雨事件特征统计 Table 2 Characteristics of monitored rainfall events with outflow in 2018

对2018年4~9月所发生降雨事件中的8场降雨进行水质监测, 其中降雨量小于10.0 mm的降雨事件2场, 10.0~24.9 mm的3场, 25.0~49.9 mm的1场, 大于50.0 mm的2场, 降雨事件包括不同类型降雨, 相关水质检测结果具有代表性.

2.2 设施水文控制效果

本课题组前期实验结果表明, 设施PICP1与PICP2在2016年的监测过程中年径流总量控制率相近, 不存在显著差异[12].本文以2018年各设施表面产流以及2个PICP设施底部出流过程的实测数据进行对照, 评价PICP1和PICP2的水文效果, 并采用双环渗透仪测定了2个PICP设施的表面渗透速率.

整个实验期间, 设施CP、PICP1与PICP2分别产生表面径流811.2、31.6和28.4 mm.与空白设施CP相比, PICP1与PICP2表面径流削减率分别为96.1%和96.5%.PICP1与PICP2的年径流总量控制率相近, 分别为37.0%和38.7%.监测结果表明两个不透型透水铺装设施对年径流总量均有较好地控制效果, 水泥稳定碎石基层的设置不会影响设施的水量控制能力.如表 3所示, 2017年9月的测定结果表明两种设施的表面渗透速率相近, 分别为0.13 mm·s-1和0.14 mm·s-1；至2019年3月, 测定值分别降至0.07 mm·s-1和0.10 mm·s-1.设施在运行一年多后, PICP2的渗透速率仍达到相关规范所要求的10-4 m·s-1[13], 表现出较好的渗透性能；而PICP1的渗透速率在运行一年多后低于PICP2, 这可能是由于该设施在2017年进行面层翻修时, 找平层的部分杂质落入基层, 经降雨冲刷后产生堵塞, 因而设施的渗透性能稍差于PICP2.但表 3中PICP1的渗透速率仍达到规范对新建设施要求值的70%, 与多数投入实际使用中的PICP设施相比[14], 其渗透速率仍令人满意.

表 3 设施表面渗透速率测定结果 Table 3 Infiltration rates of two permeable pavements

PICP1与PICP2在峰现延迟时间和峰值削减率方面无显著性差异(P>0.05), PICP1的效果略优于PICP2(图 1).上述结果的可能原因是含5%水泥的稳定碎石基层通过灰浆对骨料空隙的填充, 降低了碎石基质的孔隙度, 因而降低了基层的渗透速率, 有利于实现对峰值的削减.两种设施年表面径流产量相当, 表明采用水泥稳定碎石基层不会影响实际降雨条件下径流的下渗.

图 1 设施峰现延迟时间和峰值削减率 Fig. 1 Time to peak rate and peak reduction rate for each facility

2.3 设施的水质净化效果 2.3.1 TSS与COD

TSS和COD经雨水冲刷后大量释放, 是街区道路径流中的主要污染物[15]. 2018年对出流水质进行检测的8场降雨事件中, 有关TSS和COD的EMC四分位如图 2所示, 其中2个PICP设施底部出流的TSS呈显著性差异(P < 0.05).在下渗过程中, 雨水中TSS首先被找平层粗砂拦截[16], 水泥的掺杂使得PICP1的基层与PICP2相比存在更多微小细缝, 有利于TSS进一步截留沉淀, 故PICP1对TSS的去除效果优于PICP2；COD主要通过设施找平层的拦截吸附得到去除, 找平层拦截的COD在粗砂表面得到降解[17].

图 2 TSS和COD的EMC浓度分布 Fig. 2 EMC of TSS and COD in influent and effluent of each facility

2.3.2 含氮污染物的去除效果

监测降雨事件中设施CP的表面径流与2个PICP设施底部出流的TN、NH4+-N和NO3--N的EMC分布如图 3所示.PICP1和PICP2均对NH4+-N有明显去除效果, 且PICP1的去除效果明显优于PICP2, 两者存在显著性差异(P < 0.05)；PICP1和PICP2底部出流的NO3--N均存在释放现象, PICP1出流的NO3--N浓度显著高于PICP2(P < 0.05), 这与2个设施对NH4+-N的去除效果差异相对应.NH4+的硝化主要发生在找平层及下方所垫的透水土工布, NH4+-N在流经找平层时通过离子交换实现部分吸附[17].降水过程中NH4+-N在硝化菌作用下发生硝化[18], 由于设施找平层厚度较薄, 仅为20~30 mm, 故NH4+-N硝化程度有限.PICP1基层由于5%水泥的掺杂, 能创造出适合微生物生长的多孔粗糙表面及碱性环境, 有利于硝化菌的生长[19, 20].在此条件下部分NH4+-N继续转化为NO3--N, 使得最终PICP1底部出流的NO3--N浓度高于PICP2.本实验的渗透铺装缺乏形成反硝化的环境条件, 设施无法实现对TN的有效去除[21], PICP1和PICP2底部出流的TN浓度均高于CP, 这与缝隙透水砖表面粗糙度明显高于混凝土面层, PICP设施实际的干沉降污染负荷也高于CP设施有关[19].

图 3 NH4+-N、NO3--N和TN的EMC浓度分布 Fig. 3 EMC of NH4+-N, NO3--N, and TN in influent and effluent of each facility

2.3.3 含磷污染物的去除效果

TSS不仅本身是道路径流的重要污染物, 也是其它污染物的载体[22].道路径流中PP在TP中占比高达70% ~90%[23], 图 4为实验期间CP设施表面径流中TSS和TP的相关性拟合直线, 结果表明TSS和TP呈显著相关(r=0.83), 即表面径流中TP大多以颗粒态形式存在并附着于水中悬浮颗粒上[24].国外的研究表明, 降雨径流中PP主要通过设施面层和基层的吸附、过滤以及沉淀作用截留在设施中, 而DP则易与透水材料中的钙、铝金属离子发生反应去除[25].

图 4 表面径流中TSS和TP的相关性拟合 Fig. 4 Correlation between TSS and TP in surface runoff

设施CP的表面径流与2个PICP设施底部出流的TP、PP和DP的EMC分布如图 5所示, PICP1与PICP2底部出流的TP浓度存在显著差异(P < 0.05).PICP1基层采用了水泥稳定碎石, 水泥的掺杂使得其基层结构相比于普通碎石基层存在更多弯曲的细缝, 随着悬浮颗粒被设施截留, PP得到有效去除, 因此PICP1对PP的截留效果优于PICP2并存在显著差异(P < 0.05).由于表面径流中DP所占比有限, 经设施处理后浓度进一步降低, 故2个PICP设施的底部出流中未发现DP存在显著差异(P>0.05).从图 5可知PICP1对DP去除效果仍优于PICP2, 水泥稳定碎石中水泥成分包含无定型硅酸盐, 其所含的Si—O—Si和Si—O—Al—O键能利用较大的表面积和表面能与极性分子产生化学吸附[26], 导致PICP1底部出流的DP浓度低于PICP2.

图 5 TP、PP和DP的EMC浓度分布 Fig. 5 EMC of TP, PP and DP in influent and effluent for each facility

综上, 以水泥稳定碎石作为基层结构的PICP1相比PICP2拥有更好的除磷、特别是去除颗粒态磷的能力.

3 结论

(1) 在2018年实际降雨条件下, 两种不同结构层的缝隙透水砖铺装的年径流总量控制率分别为37.0%和38.7%, 基层采用的水泥稳定碎石结构不影响设施的年径流总量控制率.水泥稳定碎石结构层在峰值削减能力和峰现延迟时间方面的效果略优于普通碎石结构层.

(2) PICP1对停车场径流中TSS与NH4+-N的去除效果优于PICP2, 两种设施底部出流的NO3--N均存在明显淋出.PICP1对TP尤其是PP的去除效果优于采用普通碎石基层的PICP2.

(3) 在对设施结构层强度以及出流水质有更高要求的场合, 缝隙透水砖铺装的基层建议采用水泥稳定碎石.

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