人行道透水铺装对雨水径流控制和污染物削减效果研究

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近年来,不健康的城市建设方式导致城区硬化地面、不透水地面大量增加,显著改变了雨水径流特性,城市雨水径流量和洪峰流量显著增大,城市内涝积水严重,面源污染加重,“城市看海”屡见不鲜,城市水安全成为了困扰城市健康发展的主要因素之一。因此,转变城市建设方式、改善城市雨洪管理和强化径流污染控制已成当务之急。透水铺装是“海绵城市”理念下的源头分散控制具体措施之一,不仅能延缓产流时间、峰现时间,减少洪峰流量,而且能有效拦截过滤雨水径流污染物,对城市面源污染负荷具有一定的削减作用。本研究通过设计建造十一种不同结构及类型的人行道透水铺装,面层包括陶瓷砖、砼砖、不同孔隙率的现浇透水砼,设置透水砼或级配碎石基层,垫层均为灰土层。通过对透水铺装面层及基层的结构及厚度改变,并设置一个不透水普通砼路面作为对照,比较研究了透水铺装对雨水径流控制和污染物削减效果,并对其污染物间歇性吸附脱附特性进行分析。主要结论如下:(1)陶瓷透水砖、透水砼铺装在建设一年后均可消纳海绵城市建设中年径流总量控制率80%对应的降雨量,且结构层厚度大于30cm的现浇砼铺装可完全消纳重现期20年内的降雨量。定期清扫的非缝隙式透水陶瓷砖及缝隙式的透水陶瓷砖的产流时间比普通透水陶瓷砖分别延迟1~13min、4~22min,峰现时间分别延迟0~7min、2~16min,且缝隙式的透水陶瓷砖延迟效果更明显。降雨间歇期1d时,透水陶瓷砖及透水砼砖产流峰值削减率比降雨间歇期1h时提高6.4%~47.7%,且砼砖产流峰值增长率高于陶瓷砖。透水砼砖渗透速率随运行时间快速下降,且定期清扫处理后渗透效果无明显提升,使用此砖时建议采用缝隙式铺装方式,并用粗骨料填缝或做不填缝处理。另外,透水砼砖运行一年后因表层孔隙堵塞几乎完全失去渗透效果,可据此特征改变现有透水砖结构,将表层做成可替换式结构,以延长透水人行道使用寿命并减少复建成本。(2)透水砼铺装对道路地表径流中SS去除效果介于59%~100%,运行一年后,透水砼铺装仍能保持良好的去除效果和渗透效果,但降雨间歇期大于3天时,降雨前期出流SS浓度较大,建议将此阶段出流雨水收集后进行再处理。透水现浇砼铺装对雨水径流污染物中溶解性COD的削减效果不稳定;透水现浇砼铺装在不同降雨重现期下对NH4+-N的去除率介于-17%~60%;对NO3--N的净化效果变化不大,且最终趋于平稳,去除率介于4%~51%;对TP去除率均在60%以上。(3)降雨间歇期7d、3d时较降雨间歇期0.5d时,透水砼铺装对污染物的去除率分别降低23%~46%、30%~51%。降雨间歇期3天时,出流雨水中硝酸盐氮达到《地下水质量标准(GBT 14848-2017)》中III类标准,氨氮超出《地下水质量标准(GBT 14848-2017)》中V类标准的临界值2.0~6.6倍,存在污染地下水风险,故建议在降雨间歇期大的地区透水铺装底部应铺设排水导管,将雨水及时导流排出,防止地下水污染。(4)透水砼结构层对溶解态COD去除效果不稳定;其内部吸附的氨氮极易解吸脱附,去除率在出流10min时均达到100%,最终对氨氮的去除处于吸附量和解吸量相当的动态平衡状态;对硝态氮吸附作用较稳定,解吸过程缓慢,短时间内不能完全解吸,纯水冲洗一小时内去除率介于65%~83%;在冲刷时间内均有总磷解吸现象,且冲刷15min内总磷未完全解吸,去除率介于84%~95%。在干燥状态下,透水砼的持水过程能够极大地提高前期的表观去除效果,但极易解吸脱附重新进入雨水中,造成污染物浓度增大,透水砼结构层对溶解态COD、氨氮、硝态氮的去除主要是物理吸附作用,对总磷能够稳定维持较好的削减效果,主要是化学吸附作用。
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