生物陶粒濾料廠(chǎng)家基于“海綿城市”理念的透水鋪裝系統(tǒng)

　　生物陶粒濾料生產(chǎn)廠(chǎng)家基于“海綿城市”理念的透水鋪裝系統(tǒng)。近年來(lái)，城市內(nèi)澇和非點(diǎn)源污染得到高度關(guān)注。透水鋪裝系統(tǒng)是基于“海綿城市”理念的一種重要的源控制技術(shù)，可以有效的減少洪峰流量、防治城市內(nèi)澇現(xiàn)象、凈化雨水徑流污染。已被廣泛應(yīng)用于公園、停車(chē)場(chǎng)、人行道、廣場(chǎng)、輕載道路等。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，重點(diǎn)介紹透水鋪裝系統(tǒng)在雨水徑流水文特性和水質(zhì)凈化方面的研究現(xiàn)狀和行業(yè)趨勢(shì)，并對(duì)日后研究方向和未來(lái)行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展提出建議，對(duì)透水鋪裝系統(tǒng)的進(jìn)一步深入研究具有積極意義。

　　國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX07301-004-01)。

　　0　引　言

　　19世紀(jì)多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展管網(wǎng)系統(tǒng)，收集雨水徑流，然后排入附近河道或污水管道系統(tǒng)[1-2]。但是隨著人口增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，地表徑流大幅度增加，傳統(tǒng)的末端處理設(shè)施不僅增加管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)的負(fù)荷，而且由超負(fù)荷流量引發(fā)的城市內(nèi)澇問(wèn)題不容忽視。另外，過(guò)量的雨水徑流排入水體會(huì)引起水體危害[3]。過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)使水體發(fā)生藻華[4]，金屬等污染物會(huì)危害水中生物[5]。城市內(nèi)澇和非點(diǎn)源污染得到國(guó)內(nèi)外高度關(guān)注。

　　尋找新型雨洪管理方法和理念是解決這些問(wèn)題的根本途徑。“海綿城市”是通過(guò)各種生態(tài)排水設(shè)施，使城市開(kāi)發(fā)建設(shè)后的水文特征盡量接近開(kāi)發(fā)建設(shè)前，可以有效緩解城市內(nèi)澇，削減城市徑流污染負(fù)荷[6]。透水鋪裝系統(tǒng)屬于“海綿城市”理念下的一種重要的源控制技術(shù)。目前，透水鋪裝系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于公園、停車(chē)場(chǎng)、人行道、廣場(chǎng)、輕載道路等領(lǐng)域。透水鋪裝系統(tǒng)的總體原則是收集、儲(chǔ)存、處理雨水徑流，進(jìn)而通過(guò)滲透補(bǔ)充地下含水層，這對(duì)提升城市整體的水文調(diào)蓄功能具有重要意義。

　　1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　1.1　“海綿城市”的內(nèi)涵

　　面對(duì)城市化進(jìn)程中城市內(nèi)澇和雨水非點(diǎn)源污染問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始實(shí)踐新型雨洪管理方法。美國(guó)提出了低影響開(kāi)發(fā)LID(low impact development)和最佳管理措施BMPs(best management practices)，澳大利亞發(fā)展水敏感性城市設(shè)計(jì)WSUD(water sensitive urban design)，新西蘭則采用低影響城市設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)LIUDD(low impact urban design and development)[7]，2014年10月我國(guó)頒布了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》。

　　“海綿城市”理念遵循與自然和諧共處，順應(yīng)自然，恢復(fù)自然水文特征的低影響建設(shè)模式，采用各種自然和人工的生態(tài)排水設(shè)施，充分發(fā)揮城市道路、綠地、水系等對(duì)雨水的吸收、儲(chǔ)蓄、滲透、凈化、緩釋和回用作用。“海綿城市”設(shè)計(jì)理念是將城市比作海綿，下雨時(shí)吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時(shí)將蓄存的水“釋放”并加以利用[6]，提高城市面對(duì)自然災(zāi)害和環(huán)境變化時(shí)的適應(yīng)力。透水鋪裝系統(tǒng)作為“海綿城市”理念下的具體措施之一，重新構(gòu)建了被硬化地面所破壞的“降雨—徑流—下滲—回用/循環(huán)”的良性循環(huán)(如圖1所示)，對(duì)修復(fù)城市水環(huán)境、實(shí)現(xiàn)雨水資源化具有重要意義。

　　圖1　降雨—徑流—下滲—回用/循環(huán)

　　1.2　透水鋪裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　一般認(rèn)為，透水鋪裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從上到下依次為：面層、基層、底基層、墊層，如圖2所示。每層結(jié)構(gòu)有不同的生態(tài)和結(jié)構(gòu)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(wǎng)格、透水磚等[8-10]�；鶎硬牧峡墒褂蒙�、礫石、石灰?guī)r、方解石等[11-12]。所以透水鋪裝系統(tǒng)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)多種多樣。

　　1.3　透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)雨水徑流量的控制

　　研究表明[13]，開(kāi)發(fā)前的自然生態(tài)系統(tǒng)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(shí)縮短、洪峰流量增加，造成嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問(wèn)題。2012年北京“七二一”洪澇災(zāi)害造成79人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)116.4億元。2013年7月延安連續(xù)大暴雨引發(fā)的自然災(zāi)害導(dǎo)致42人死亡[14]。

　　圖2　透水鋪裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　表1　透水鋪裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層功能

　　大量研究表明[15-16]，和傳統(tǒng)的瀝青硬化道路相比，透水鋪裝系統(tǒng)可以更有效地減少?gòu)搅鞣逯岛脱娱L(zhǎng)徑流排放時(shí)間，并使蒸發(fā)和表面水濺顯著減少。Bean等[17]監(jiān)測(cè)卡羅萊納州的東南部透水路面，當(dāng)降雨事件達(dá)到80 mm時(shí)，透水鋪裝系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生表面徑流。Collins等[18]監(jiān)測(cè)北卡羅萊納州東部透水聯(lián)鎖鋪裝和透水網(wǎng)格的地表徑流情況，發(fā)現(xiàn)2種透水鋪裝系統(tǒng)可以?xún)?chǔ)存6 mm的降雨而不產(chǎn)生徑流，即儲(chǔ)存體積約占到中等降雨量的30%。透水鋪裝系統(tǒng)作為生態(tài)排水設(shè)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(xù)降雨造成城市洪澇災(zāi)害[19]。

　　1.4　透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)雨水徑流污染的控制

　　1.4.1　非點(diǎn)源污染的內(nèi)涵

　　城市非點(diǎn)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(guò)地表徑流的形式流入河流、湖泊、海灣、水庫(kù)等受納水體中，造成水體污染[20]。根據(jù)2000年美國(guó)環(huán)保署報(bào)告，美國(guó)河流和湖泊中2/3的污染負(fù)荷來(lái)自于非點(diǎn)源污染，并把地表徑流作為引發(fā)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(氮和磷)、重金屬、懸浮固體(SS)、石油烴和病原體。不經(jīng)過(guò)任何處理的雨水徑流匯入受納水體，會(huì)引發(fā)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(tǒng)可以吸收、儲(chǔ)存雨水徑流，并通過(guò)吸附等功能顯著地減少?gòu)搅髦形廴疚锏臐舛群�，進(jìn)而下滲補(bǔ)充地下含水層。Flecher等[22]根據(jù)污染物類(lèi)型的不同，評(píng)估透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)徑流污染物的去除率為40%～90%。Wilson等[23]檢測(cè)多孔表面對(duì)油的攔截作用，把可能發(fā)生的最嚴(yán)重污染事件和降雨結(jié)合在一起，以這種最糟糕的狀況來(lái)評(píng)估透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)烴類(lèi)的去除能力。結(jié)果表明，透水鋪裝系統(tǒng)可以很好地截留烴類(lèi)污染物，提高出水水質(zhì)。Carsten Dierkes等[24]通過(guò)測(cè)試得出，透水鋪裝系統(tǒng)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(lèi)，但濃度很低，未超過(guò)土壤中污染物的濃度范圍，說(shuō)明經(jīng)過(guò)透水鋪裝系統(tǒng)滲透的雨水可以用于回灌地下水。

　　不同地區(qū)雨水徑流水質(zhì)也有顯著差別，研究不同類(lèi)型透水鋪裝系統(tǒng)和逐層結(jié)構(gòu)對(duì)徑流污染物的去除能力，可以?xún)?yōu)化選擇透水鋪裝系統(tǒng)類(lèi)型來(lái)適應(yīng)當(dāng)?shù)赜晁畯搅魉�質(zhì)，以確保不污染地下水。目前不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)徑流污染物的去除能力已有一些研究。趙現(xiàn)勇等[25]通過(guò)試驗(yàn)比較了透水混凝土、透水磚和透水草皮磚對(duì)雨水徑流污染物的削減作用，得出透水草皮磚對(duì)COD、總氮(TN)去除效果最好，透水磚對(duì)總磷(TP)削減程度最高。研究顯示[26]，開(kāi)口面積較小的透水聯(lián)鎖塊(PICP, permeable interlocking concrete pavement)對(duì)TN、硝酸氮和亞硝酸氮的去除率比開(kāi)口面積大的PICP高。對(duì)TN、硝酸氮和亞硝酸氮的削減程度由高到低依次為透水網(wǎng)格>透水水泥混凝土>PICP。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)[27]，透水磚對(duì)重金屬的去除比透水網(wǎng)格好，但給兩者處理后水中的重金屬濃度均達(dá)標(biāo)。Myers B等[28]經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TN在基層材料方解石和石灰?guī)r中分別減少了18%和67%，可知石灰?guī)r做基層材料性質(zhì)優(yōu)于方解石，這與Myers[28]的研究結(jié)果一致。雨水徑流進(jìn)入地下水之前要經(jīng)過(guò)土壤的凈化處理。目前對(duì)黏土、紅壤土、亞砂土、人工土壤等不同種類(lèi)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(duì)徑流污染物凈化能力由強(qiáng)到弱依次為：重金屬>有機(jī)物>無(wú)機(jī)物。透水鋪裝系統(tǒng)每層獨(dú)立結(jié)構(gòu)層對(duì)雨水徑流中不同目標(biāo)污染物有不同的去除能力。

　　2　發(fā)展前景

　　綜上所述，透水鋪裝系統(tǒng)每層獨(dú)立結(jié)構(gòu)層對(duì)雨水徑流污染物去除能力已有大量研究，但是缺乏系統(tǒng)研究和認(rèn)識(shí)，即污染物的垂直遷移問(wèn)題有待探索。Boving T B等[33]認(rèn)為金屬污染物積累在多孔瀝青表面，在儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)中不發(fā)生遷移現(xiàn)象。而Carsten Dierkes等[24]在底基層中發(fā)現(xiàn)濃度較高的Zn、Cu、Pb等重金屬。這些矛盾的現(xiàn)象表明對(duì)徑流污染物在透水鋪裝系統(tǒng)下滲過(guò)程中遷移規(guī)律研究不足。將側(cè)重不同污染物去除的獨(dú)立層結(jié)構(gòu)合理的結(jié)合起來(lái)達(dá)到對(duì)不同地區(qū)不同徑流水質(zhì)最大的凈化作用是今后的研究方向之一。

　　另外，對(duì)透水鋪裝系統(tǒng)去除徑流污染物機(jī)理的研究有助于深入解析污染物的轉(zhuǎn)化分解過(guò)程，并指導(dǎo)透水鋪裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)配比、不同類(lèi)型層組合方式等工程實(shí)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(jī)成分可以更好的截留去除徑流污染物。Scholz[19]認(rèn)為透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)徑流污染物的去除主要是由于媒介吸附和細(xì)菌分解的雙重作用。Al-Degs Y S[35]認(rèn)為Zn、Cu、Pb等重金屬的吸附重要是通過(guò)金屬碳酸鹽沉淀復(fù)合物去除。但Myers B[28]認(rèn)為重金屬陽(yáng)離子與基層表面負(fù)電荷靜電引力是金屬濃度降低的原因�？梢钥闯�，關(guān)于透水鋪裝系統(tǒng)對(duì)徑流污染物去除機(jī)理的研究存在很多爭(zhēng)議，并且不具備系統(tǒng)性。未來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)分析徑流污染物逐層經(jīng)過(guò)透水鋪裝系統(tǒng)的濃度變化，確定物質(zhì)形態(tài)和轉(zhuǎn)化過(guò)程。同時(shí)應(yīng)結(jié)合物理化學(xué)表征手段，進(jìn)行系統(tǒng)性的機(jī)理分析，闡明徑流污染物經(jīng)過(guò)透水鋪裝系統(tǒng)過(guò)程中的具體轉(zhuǎn)化過(guò)程。進(jìn)而對(duì)不同地區(qū)、土壤土質(zhì)、徑流水質(zhì)針對(duì)性配比，組合設(shè)計(jì)出相應(yīng)的透水鋪裝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而保障地下水的安全性。

　　最后，透水鋪裝系統(tǒng)作為建設(shè)海綿城市的具體措施，可以與建設(shè)智慧城市的實(shí)踐相融合。通過(guò)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警暴雨和透水鋪裝系統(tǒng)積水情況，快速做出反應(yīng)，控制地表徑流量。將透水鋪裝系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)手段相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨洪的智慧調(diào)控及城市雨水的循環(huán)利用，從而達(dá)到智慧海綿城市的功能。

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