生物陶粒滤料厂家基于“海绵城市”理念的透水铺装系统

　　生物陶粒滤料厂家基于“海绵城市”理念的透水铺装系统

　　生物陶粒滤料生产厂家基于“海绵城市”理念的透水铺装系统。近年来，城市内涝和非点源污染得到高度关注。透水铺装系统是基于“海绵城市”理念的一种重要的源控制技术，可以有效的减少洪峰流量、防治城市内涝现象、净化雨水径流污染。已被广泛应用于公园、停车场、人行道、广场、轻载道路等。通过总结国内外相关文献资料，重点介绍透水铺装系统在雨水径流水文特性和水质净化方面的研究现状和行业趋势，并对日后研究方向和未来行业领域的发展提出建议，对透水铺装系统的进一步深入研究具有积极意义。

　　国家水体污染控制与治理科技重大专项(2011ZX07301-004-01)。

　　0　引　言

　　19世纪多数发达国家大力发展管网系统，收集雨水径流，然后排入附近河道或污水管道系统[1-2]。但是随着人口增长和城市化进程的加快，地表径流大幅度增加，传统的末端处理设施不仅增加管网和污水处理厂的负荷，而且由超负荷流量引发的城市内涝问题不容忽视。另外，过量的雨水径流排入水体会引起水体危害[3]。过量的营养成分会使水体发生藻华[4]，金属等污染物会危害水中生物[5]。城市内涝和非点源污染得到国内外高度关注。

　　寻找新型雨洪管理方法和理念是解决这些问题的根本途径。“海绵城市”是通过各种生态排水设施，使城市开发建设后的水文特征尽量接近开发建设前，可以有效缓解城市内涝，削减城市径流污染负荷[6]。透水铺装系统属于“海绵城市”理念下的一种重要的源控制技术。目前，透水铺装系统已被广泛应用于公园、停车场、人行道、广场、轻载道路等领域。透水铺装系统的总体原则是收集、储存、处理雨水径流，进而通过渗透补充地下含水层，这对提升城市整体的水文调蓄功能具有重要意义。

　　1　国内外研究现状

　　1.1　“海绵城市”的内涵

　　面对城市化进程中城市内涝和雨水非点源污染问题，国内外开始实践新型雨洪管理方法。美国提出了低影响开发LID(low impact development)和最佳管理措施BMPs(best management practices)，澳大利亚发展水敏感性城市设计WSUD(water sensitive urban design)，新西兰则采用低影响城市设计与开发LIUDD(low impact urban design and development)[7]，2014年10月我国颁布了《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》。

　　“海绵城市”理念遵循与自然和谐共处，顺应自然，恢复自然水文特征的低影响建设模式，采用各种自然和人工的生态排水设施，充分发挥城市道路、绿地、水系等对雨水的吸收、储蓄、渗透、净化、缓释和回用作用。“海绵城市”设计理念是将城市比作海绵，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用[6]，提高城市面对自然灾害和环境变化时的适应力。透水铺装系统作为“海绵城市”理念下的具体措施之一，重新构建了被硬化地面所破坏的“降雨—径流—下渗—回用/循环”的良性循环(如图1所示)，对修复城市水环境、实现雨水资源化具有重要意义。

　　图1　降雨—径流—下渗—回用/循环

　　1.2　透水铺装系统的结构

　　一般认为，透水铺装系统的结构，从上到下依次为：面层、基层、底基层、垫层，如图2所示。每层结构有不同的生态和结构功能，如表1所示。其中由于组成不同，常用面层材料分为：透水混凝土、透水沥青、网格、透水砖等[8-10]。基层材料可使用砂、砾石、石灰岩、方解石等[11-12]。所以透水铺装系统的类型和结构多种多样。

　　1.3　透水铺装系统对雨水径流量的控制

　　研究表明[13]，开发前的自然生态系统可以截留、渗透、吸收80%的降雨;而城市化后，硬化地面大幅度增加，仅能截留20%的降雨，80%的雨水形成地表径流。城市化使得径流量增加，行洪历时缩短、洪峰流量增加，造成严重的城市内涝问题。2012年北京“七二一”洪涝灾害造成79人死亡，经济损失高达116.4亿元。2013年7月延安连续大暴雨引发的自然灾害导致42人死亡[14]。

　　图2　透水铺装系统结构

　　表1　透水铺装系统结构层功能

　　大量研究表明[15-16]，和传统的沥青硬化道路相比，透水铺装系统可以更有效地减少径流峰值和延长径流排放时间，并使蒸发和表面水溅显著减少。Bean等[17]监测卡罗莱纳州的东南部透水路面，当降雨事件达到80 mm时，透水铺装系统没有产生表面径流。Collins等[18]监测北卡罗莱纳州东部透水联锁铺装和透水网格的地表径流情况，发现2种透水铺装系统可以储存6 mm的降雨而不产生径流，即储存体积约占到中等降雨量的30%。透水铺装系统作为生态排水设施，可将降雨渗透率由硬化路面的10%～15%增加到75%以上，大大降低地面径流量，削减洪峰，避免大暴雨或连续降雨造成城市洪涝灾害[19]。

　　1.4　透水铺装系统对雨水径流污染的控制

　　1.4.1　非点源污染的内涵

　　城市非点源污染是指城市地表污染物在降雨和径流冲刷、溶解的作用下，通过地表径流的形式流入河流、湖泊、海湾、水库等受纳水体中，造成水体污染[20]。根据2000年美国环保署报告，美国河流和湖泊中2/3的污染负荷来自于非点源污染，并把地表径流作为引发江河湖海水体污染的第三大污染源[21]。典型城市雨水径流中污染物主要包括营养物质(氮和磷)、重金属、悬浮固体(SS)、石油烃和病原体。不经过任何处理的雨水径流汇入受纳水体，会引发水体污染。

　　1.4.2　透水铺装净化雨水径流

　　大量研究表明，透水铺装系统可以吸收、储存雨水径流，并通过吸附等功能显著地减少径流中污染物的浓度后，进而下渗补充地下含水层。Flecher等[22]根据污染物类型的不同，评估透水铺装系统对径流污染物的去除率为40%～90%。Wilson等[23]检测多孔表面对油的拦截作用，把可能发生的最严重污染事件和降雨结合在一起，以这种最糟糕的状况来评估透水铺装系统对烃类的去除能力。结果表明，透水铺装系统可以很好地截留烃类污染物，提高出水水质。Carsten Dierkes等[24]通过测试得出，透水铺装系统可以有效地截留径流中溶解性重金属，在土壤中未检出重金属。虽然在土壤中检出了烃类，但浓度很低，未超过土壤中污染物的浓度范围，说明经过透水铺装系统渗透的雨水可以用于回灌地下水。

　　不同地区雨水径流水质也有显著差别，研究不同类型透水铺装系统和逐层结构对径流污染物的去除能力，可以优化选择透水铺装系统类型来适应当地雨水径流水质，以确保不污染地下水。目前不同类型和结构的透水铺装系统对径流污染物的去除能力已有一些研究。赵现勇等[25]通过试验比较了透水混凝土、透水砖和透水草皮砖对雨水径流污染物的削减作用，得出透水草皮砖对COD、总氮(TN)去除效果最好，透水砖对总磷(TP)削减程度最高。研究显示[26]，开口面积较小的透水联锁块(PICP, permeable interlocking concrete pavement)对TN、硝酸氮和亚硝酸氮的去除率比开口面积大的PICP高。对TN、硝酸氮和亚硝酸氮的削减程度由高到低依次为透水网格>透水水泥混凝土>PICP。经过试验[27]，透水砖对重金属的去除比透水网格好，但给两者处理后水中的重金属浓度均达标。Myers B等[28]经过实验发现，TN在基层材料方解石和石灰岩中分别减少了18%和67%，可知石灰岩做基层材料性质优于方解石，这与Myers[28]的研究结果一致。雨水径流进入地下水之前要经过土壤的净化处理。目前对黏土、红壤土、亚砂土、人工土壤等不同种类土壤净化雨水径流污染物已有大量研究[29-31]。研究显示[32]，土壤对径流污染物净化能力由强到弱依次为：重金属>有机物>无机物。透水铺装系统每层独立结构层对雨水径流中不同目标污染物有不同的去除能力。

　　2　发展前景

　　综上所述，透水铺装系统每层独立结构层对雨水径流污染物去除能力已有大量研究，但是缺乏系统研究和认识，即污染物的垂直迁移问题有待探索。Boving T B等[33]认为金属污染物积累在多孔沥青表面，在储层结构中不发生迁移现象。而Carsten Dierkes等[24]在底基层中发现浓度较高的Zn、Cu、Pb等重金属。这些矛盾的现象表明对径流污染物在透水铺装系统下渗过程中迁移规律研究不足。将侧重不同污染物去除的独立层结构合理的结合起来达到对不同地区不同径流水质最大的净化作用是今后的研究方向之一。

　　另外，对透水铺装系统去除径流污染物机理的研究有助于深入解析污染物的转化分解过程，并指导透水铺装系统设计配比、不同类型层组合方式等工程实践。在这方面已有初步的探索，Dierkes C[34]建议基层材料中含有高浓度CaCO3和有机成分可以更好的截留去除径流污染物。Scholz[19]认为透水铺装系统对径流污染物的去除主要是由于媒介吸附和细菌分解的双重作用。Al-Degs Y S[35]认为Zn、Cu、Pb等重金属的吸附重要是通过金属碳酸盐沉淀复合物去除。但Myers B[28]认为重金属阳离子与基层表面负电荷静电引力是金属浓度降低的原因。可以看出，关于透水铺装系统对径流污染物去除机理的研究存在很多争议，并且不具备系统性。未来的研究应重点分析径流污染物逐层经过透水铺装系统的浓度变化，确定物质形态和转化过程。同时应结合物理化学表征手段，进行系统性的机理分析，阐明径流污染物经过透水铺装系统过程中的具体转化过程。进而对不同地区、土壤土质、径流水质针对性配比，组合设计出相应的透水铺装系统结构，从而保障地下水的安全性。

　　最后，透水铺装系统作为建设海绵城市的具体措施，可以与建设智慧城市的实践相融合。通过在线实时监测预警暴雨和透水铺装系统积水情况，快速做出反应，控制地表径流量。将透水铺装系统基础设施与大数据、云计算等信息技术手段相结合，实现对雨洪的智慧调控及城市雨水的循环利用，从而达到智慧海绵城市的功能。

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