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不同清理方式对北京市透水砖铺装渗透率衰减过程影响

李美玉 张守红 王云琦 谢朝帅 李睿贤

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不同清理方式对北京市透水砖铺装渗透率衰减过程影响

    作者简介: 李美玉。主要研究方向:城市雨水控制与利用。Email:limeiyu06@163.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院.
    通讯作者: 张守红,博士,教授。主要研究方向:城市雨水控制与利用、水土保持。Email:zhangs@bjfu.edu.cn 地址:同上. 
  • 中图分类号: X

Clogging processes of permeable paver systems under different maintenance methods in Beijing

图(7)表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-23
  • 录用日期:  2019-03-22
  • 网络出版日期:  2019-10-16

不同清理方式对北京市透水砖铺装渗透率衰减过程影响

    通讯作者: 张守红, zhangs@bjfu.edu.cn
    作者简介: 李美玉。主要研究方向:城市雨水控制与利用。Email:limeiyu06@163.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学水土保持学院
  • 1. 北京林业大学水土保持学院,北京 100083
  • 2. 北京林业大学重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站,北京 100083

摘要: 目的透水砖铺装作为新兴的径流调控措施之一,已被广泛应用于我国海绵城市建设。由于缺乏长期监测数据,透水砖铺装渗透率衰减过程及不同清理方式的维护效果尚不明确。本文通过室内模拟多年雨水径流入渗过程实验,定量监测其渗透率衰减过程并对比不同清理维护措施效果。方法基于透水砖铺装入流−渗透实验,测定分析了不清理以及真空抽吸尘和压力水冲洗两种清理维护方式下透水砖铺装系统渗透率的衰减过程和实验前后找平层粒径分布的变化特征。结果3种清理方式下,透水砖铺装渗透率均呈指数衰减趋势,运行7年后,不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗清理下透水砖铺装渗透率分别为26 mm/h,229 mm/h和19 mm/h,分别衰减了99.6%、96.3%和99.7%,真空抽吸尘的清理效果优于压力水冲洗。三种清理方式下透水砖铺装的悬浮颗粒物平均去除率在95%−98%之间,差异不显著(P < 0.05,n = 7),铺装系统的找平层上部细颗粒物含量分别增加了29.2%、15.6%和30.1%。更新透水砖(即“新砖+旧找平层+旧土工布”)可将透水砖铺装系统的渗透速率恢复至新建系统的28.3%−32.4%,而更新找平层和土工布可将渗透率恢复至新建系统的63.8%−72.6%。结论雨水径流携带的细颗粒物在找平层上层聚集是透水砖铺装系统堵塞的主要原因,采用真空抽吸尘清理可有效减少找平层上层的细颗粒物含量,更新找平层和土工布比更新透水砖层可取得更好的透水性能恢复效果。

English Abstract

  • 在城镇化进程中,不透水下垫面(屋顶、道路、停车场和广场)取代了原有的森林、草地和农田等透水地表[1],隔断了近地表岩土层与大气层的水气交换,阻止了降水下渗补给土壤水分及土壤水分蒸发,显著降低了城市地表糙率,改变了自然水文过程,导致城市涝灾频发,对城镇居民的生产生活和生命财产安全产生了严重影响[2]。为解决这些问题,我国借鉴低影响开发(LID)、水敏感城市设计(WSUD)、可持续城市排水系统(SUDS)等模式,提出并推广海绵城市建设理念[3]。透水铺装(Permeable Pavement)作为海绵城市建设的重要措施之一,可以通过其多层孔隙结构渗透、过滤、滞留和储存雨水径流[4],被越来越广泛地应用于人行道、停车场、花园步道和轻荷载公路等建设,用以缓解或避免城市化过程中因不透水面增加所带来的水生态环境问题[5]

    透水砖、透水混凝土和透水沥青铺装是较为常见的3种透水铺装方式[6]。透水沥青和透水混凝土铺装是由不含细颗粒的大颗粒骨料聚集而成,并通过颗粒之间的空隙渗透过滤雨水径流,而透水砖铺装主要依靠砖内孔隙和砖与砖之间的接缝渗透过滤雨水径流[7]。透水砖铺装系统一般由透水砖层、找平层、土工布和碎石底基层等组成。新建透水砖铺装系统的渗透速率通常可达4 500 mm/h以上[8],但随着时间推移,透水砖铺装的孔隙会被大量有机物、碎屑沉积物和细砂等物质填充[9],导致其孔隙堵塞而引发渗透速率迅速下降。堵塞不仅会损害透水砖铺装的渗透性能,还会缩短其有效使用寿命,造成高昂的清理维护和更换费用[10]

    由于透水砖铺装是较为新兴的城市雨水控制与利用技术,缺乏长期室外监测数据,研究者主要通过室内模拟实验研究其堵塞过程和机理。Pratt等[11]通过室内模拟实验发现,透水砖铺装的大多数颗粒物和有机物主要沉积在找平层和土工布,并预测其有效使用年限为15 ~ 20年。Siriwardene等[12]研究表明透过碎石层的 < 6 μm细颗粒物是造成系统堵塞的主要原因。Lucke等[13]研究对比了透水砖铺装不同结构层的颗粒物累积量发现,细颗粒物主要沉积在找平层上层20 mm。Nichols等[14]研究指出粗颗粒比细颗粒会更加显著降低透水砖面层的渗透性能。然而,这些研究仅指出了透水砖铺装的堵塞发生位置和堵塞颗粒物粒径对堵塞过程的影响,而缺乏定量分析长期运行后透水砖铺装各垂直结构层渗透率的变化特征。

    定期清理维护可有效维持透水砖铺装的雨水径流调控功能[15]。目前,国内外广泛采用的透水砖铺装清理维护方式有机械清扫、真空抽吸尘、压力水冲洗等[16]。Bean等[9]对混凝土栅格铺装进行机械清扫前后渗透速率的测定发现,清理后的透水铺装平均渗透速率比清理前高出了89%。Drake等[17]研究发现,真空抽吸尘清理对透水砖铺装的渗透性能维护效果优于透水混凝土和透水沥青。Chopra等[18]通过对比8个透水混凝土停车场清理维护前后的渗透率发现,采用压力水冲洗清理后的透水混凝土渗透速率是清理前的56.7倍。然而,这些研究多集中于分析清理方式对透水铺装在使用一定时间段后的恢复效果,而缺乏定量分析长期运行过程中不同清理方式对透水铺装系统的维护效果研究。

    本文基于北京市近30年年均降雨量和城区道路径流颗粒污染物浓度特征,设置人工模拟透水砖铺装入流−渗透实验,采用单/双环法和全灌水法测定不同清理方式(不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗)下透水砖铺装系统渗透率衰减过程,对比分析不同清理方式对透水砖铺装堵塞过程、找平层颗粒物粒径变化特征和透水砖铺装各垂直结构层渗透率衰减的影响。研究结果可望为揭示透水砖铺装堵塞机理和筛选有效清理维护方式提供科学参考。

    • 本研究基于时间压缩尺度原理[19],通过室内模拟多年雨水径流来预测实际条件下的透水砖铺装系统长期运行使用效果。实验采用自制的研究装置进行透水砖铺装入流−渗透实验。该装置主要由体积为120 L的塑料桶和3个规格为500 mm(长)× 400 mm(宽)× 650 mm(高)的长方体透明有机玻璃槽组成(图1)。塑料水桶内配有转动搅拌器,用以保证合成雨水径流中的悬浮颗粒物处于均匀分布状态,水桶下接出水管,并经由抽水泵将雨水径流通入每个透水砖铺装槽。铺装槽上方置有均分成16个面积大小相等栅格的透水穿孔板(孔径为2 mm),用于均匀分配径流。玻璃槽钢架底部留有100 mm × 100 mm的方形出水口,出水径流终由PVC排水槽导入至下水管道。

      图  1  实验装置示意图

      Figure 1.  Structural diagram of the experiments

    • 依据《透水砖路面技术规程(CJJ/T 188——2012)》[20],设计3个形状结构完全相同的透水砖铺装系统(图2)。透水砖铺装从上至下依次为透水砖面层、粗砂找平层、土工布和碎石底基层。透水砖面层由10块规格为200 mm × 100 mm × 80 mm,孔隙率为18.6%的透水砖组成(购自仁创科技集团),砖面水平,砖与砖之间保持2 ~ 3 mm左右的接缝,接缝长度与透水面积比为10.5%,砖面层与玻璃槽接触四周使用玻璃胶进行密封。找平层由厚度为30 mm,孔隙度为28%的粗砂铺设而成。碎石底基层由厚度为350 mm,孔隙度为37.5%,粒径为5 ~ 25 mm的水洗碎石组成。找平层与碎石底基层之间铺设单层150 ~ 200 g/m2无纺土工布。

      图  2  透水砖铺装断面结构图

      Figure 2.  Cross-section structure of the permeable paver systems

    • 每次实验过程中,通入透水砖铺装的雨水径流量为218 L,颗粒物浓度为450 mg/L。其中,模拟雨水径流量根据北京市近30年年均降雨量545 mm,每个铺装表面积0.2 m2以及面积比例为1:1的上游集水区和透水砖铺装面计算:545 mm ×(0.2 m2 + 0.2 m2)= 218 L。每次通水218 L相当于实际条件下1年的雨水径流量。根据前人[2123]监测结果,北京城区道路和街道径流水质中悬浮物(SS)浓度范围大约在150 ~ 750 mg/L之间,本实验取其平均值(450 mg/L)作为模拟雨水径流的悬浮物浓度。采用激光粒度分析仪(马尔文2000)测定颗粒物粒径分布,结果见表1

      表 1  模拟雨水径流中悬浮颗粒物粒径分布

      Table 1.  Particle size distribution of suspended solids in the synthetic stormwater

      粒径范围
      Particle size
      range/μm
      平均粒径
      Average paricle
      size/μm
      D10/
      μm
      D25/
      μm
      D75/
      μm
      D90/
      μm
      0 ~ 1 000562.3063.41364.74789.48987.03
    • 每次通水实验结束后,分别采用真空抽吸尘和压力水冲洗两种清理方式对其中两个透水砖铺装的表面沉积颗粒物进行清理,另一个透水砖铺装为对照组−不清理。真空抽吸尘清理使用负压为19.8 kPa的吸尘器每次清理2 min左右,压力水冲洗使用压力为6 MPa的水枪与砖面成45°每次冲洗大约1 min。由于每次通水量218 L相当于实际条件下1年的雨水径流量,因此,实验中清理维护频率等同于1年一次。

    • 每天通水实验过程中,分别于开始入出流时、实验中和实验结束前在入流口和出流口处采集水样,依据GB 11901-89《水质悬浮物测定−重量法》进行悬浮颗粒物(SS)浓度的测定,取3次不同采样阶段的SS浓度平均值作为最终入、出流SS浓度值,分别记为AB(mg/L)。透水砖铺装SS去除率(EMC)可由下式计算:

      $ EMC{\rm{ = }}\frac{{A - B}}{A} \times 100{{\%}} $

    • 在搭建透水砖铺装系统过程中,采用单环法(直径4.0 cm)测定每块透水砖渗透率,并计算其平均值,采用双环法(内外环直径分别为21.5 cm和37.5 cm)测定找平层渗透率。系统搭建完成后,采用全灌水(透水砖铺装面全部漫水)方法测定透水砖铺装系统的初始渗透率。每次通水实验结束并完成相应清理后,采用全灌水法测定不同清理方式下各透水砖铺装系统渗透率。双环法和全灌水法测定找平层和铺装系统入渗率时,重复3次,取平均值。实验结束后,依次移出3个铺装槽内旧砖,并采用单环法测定每块旧砖的渗透率。

    • 采用马尔文2000激光粒度分析仪测定实验前和实验后找平层颗粒物粒径分布,对比分析不同清理方式下找平层颗粒物粒径变化特征。其中,实验后的找平层分上下两层取样测定。

    • 不同清理方式下透水砖铺装系统悬浮颗粒物的入流和出流浓度分布如图3。3种清理方式下,透水砖铺装系统均呈显著的悬浮颗粒物去除效果,入流悬浮颗粒物浓度在350 ~ 574 mg/L之间,平均浓度为450 mg/L,出流悬浮颗粒物浓度在1 ~ 50 mg/L之间,去除率在86% ~ 99%之间。不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗清理下透水砖铺装的悬浮颗粒物平均去除率分别为97%、98%和95%,差异不显著(P < 0.05,n = 7)。Lucke等[10]研究表明,透水砖铺装系统的找平层可以截留70%以上的颗粒污染物,土工布可以有效截留过滤直径小于33 μm的细颗粒物。Newman等[4]研究指出,透水铺装中土工布是去除油脂等污染物的主要场所,而油脂等污染物主要依附在悬浮颗粒物表面。这些结果表明找平层和土工布是透水砖铺装发挥颗粒物过滤截留功能的关键结构层。本文实验设计3种清理方式下透水砖铺装结构中找平层和土工布完全相同,且真空抽吸尘和压力水冲洗对透水砖层下方的找平层和土工布影响较小,因此3种不同清理方式下透水砖铺装系统所发挥的悬浮颗粒物去除效果差异不显著。此外,透水砖铺装对悬浮颗粒物的去除效果不随其运行年限的增长而有所降低,这也与找平层及其土工布依靠其自身较小孔隙而截留了大量的细颗粒物有关。Hogland等[25]研究表明,透水铺装中土工布的使用可以显著提高系统的污染物去除效果。

      图  3  不同清理方式下透水砖铺装入出流悬浮颗粒物浓度变化

      Figure 3.  Changes in concentrations of total suspended solids of the inflow and outflow of permeable paver systems

    • 不同清理方式下透水砖铺装表面渗透率随时间的变化过程如图4。三种清理方式下,透水砖铺装的渗透率均呈显著的指数衰减趋势(R2 > 0.95,n = 7)。Sansalone[5]和Boogaard等[26]研究也发现透水铺装的渗透速率衰减过程符合指数模型。由图可见,三个新建透水砖铺装系统的初始渗透速率均在6 000 mm/h以上,而在运行1年后,其渗透速率就分别衰减至初始值的20.2%、22.4%和16.3%。在最初3年,3种清理方式下透水砖铺装的渗透速率呈现大幅损失,逐年衰减率在46% ~ 83.7%之间。第4年后,真空抽吸尘清理对透水砖铺装的恢复效果明显高于不清理和压力水冲洗方式下的铺装系统,其渗透速率衰减幅度基本趋于稳定。第7年后,不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗清理方式下透水砖铺装的渗透率分别衰减至26、229和19 mm/h。初始阶段中,真空抽吸尘清理效果微弱可能与模拟实验条件下连续通水所导致的铺装系统内部堵塞颗粒物含水持续饱和[8]或透水砖面层孔隙较小[18]而造成负压条件下无法清理出大量沉积颗粒物有关。实验过程中,压力水冲洗清理对透水砖铺装表面渗透率无明显恢复效果,甚至低于不清理方式下透水砖铺装的渗透速率,原因可能是冲洗而不清扫的情况下会将颗粒冲刷至透水砖孔隙、透水砖接缝或找平层,加快铺装系统的堵塞进程。Henderson等[27]的研究表明,压力水冲洗清理主要通过将沉积颗粒物冲刷至透水面层或更深处来恢复透水砖铺装的渗透性能,而堵塞物质积累在更深层可能导致更严重的堵塞问题和隐患。

      图  4  不同清理方式下透水砖铺装表面渗透速率衰减过程

      Figure 4.  Clogging processes of permeable paver systems under different maintenance methods

      诸多因素会影响透水砖铺装系统的堵塞过程和生命周期,如透水砖铺装结构设计、降雨量与降雨强度、颗粒物浓度、颗粒物粒径以及清理维护方式等[2830]。降雨量和颗粒物浓度主要通过增加透水砖铺装内部的颗粒物累积量来影响渗透速率衰减过程,缩短其运行年限。Sansalone等[5]研究结果表明,雨水径流中颗粒物浓度越高,单位体积径流中颗粒物负荷量越大,透水铺装的渗透率衰减越快。Yong等[8]研究结果表明,100年一遇降雨量比5年一遇降雨量在透水铺装表面形成积水更多,堵塞进程更快。Borgwardt等[31]研究得出,透水铺装系统在运行使用10年后,渗透速率虽然降低至初始渗透值的10%−25%,但仍可满足当地的设计暴雨强度。Boogaard等[26]通过测定室外运行8−12年的透水铺装路面发现,即使在缺乏清理维护条件下,仍有90%左右铺装系统可以消纳渗透该地区3个月一遇的最大暴雨。本研究中,依据北京市0.5年一遇和1年一遇的一小时降雨量分别为27.3 mm和33.6 mm[3],不清理方式下的透水砖铺装在运行第5年和第7年便已无法满足对应的设计暴雨强度入渗。此外,在连续通水的室内模拟条件下,透水砖铺装的有效运行年限相比实际条件下可能有所低估,有待未来研究进一步验证。

    • 实验前和实验后透水砖铺装新找平层和旧找平层上、下部颗粒物粒径变化特征如图5。相对于新找平层,不清理、压力水冲洗和真空抽吸尘清理下的透水砖铺装系统旧找平层上部0−200 μm粒径颗粒明显增多(图5左),由新找平层的4.2%分别增加至33.4%、34.3%和19.8%,而下部颗粒物粒径变化特征不明显(图5右)。Lucke等[10]研究也发现细颗粒物主要沉积在透水砖铺装找平层上部,这表明雨水径流携带的细颗粒物主要聚集在找平层上部。因此,找平层上部的堵塞可能是造成透水砖铺装系统渗透率衰减的主要原因之一。

      图  5  透水砖铺装找平层颗粒物粒径变化特征

      Figure 5.  Changes in grain size distributions of bedding layers of permeable paver systems

      采用真空抽吸尘清理的透水砖铺装找平层上部细颗粒物(0 ~ 200 μm)含量(19.8%)明显低于不清理方式下的透水砖铺装系统(33.4%),而采用压力水冲洗清理的透水砖铺装找平层上部细颗粒物含量(34.3%)略高于不清理方式下的透水砖铺装。原因在于真空抽吸尘清理可以清除砖面和接缝处累积的细颗粒物,从而减少找平层上部的细颗粒含量,而压力水冲洗清理会将面层和接缝处的细颗粒冲刷至找平层,增加找平层上部细颗粒物的含量。不清理、压力水冲洗和真空抽吸尘3种清理方式下透水砖铺装找平层下部细颗粒物(0 ~ 200 μm)含量分别为10.3%、7%和11.6%,差异不明显,表明不同清理方式对找平层下部颗粒粒径分布影响较小。不清理、压力水冲洗和真空抽吸尘3种清理方式下透水砖铺装找平层上部细颗粒物含量比下部分别高23.1%、27.3%和23.6%。Borgwardt等[31]实验发现,透水砖铺装中接缝处上层20 mm的细颗粒物(< 63 μm)质量比下层20 mm细颗粒物量多出26%。

    • 不同清理方式下透水砖铺装的透水砖和找平层实验前后渗透率变化如图6。由图6a可见,不清理、压力水冲洗和真空抽吸尘清理方式下旧砖的渗透速率相比新砖分别降低了86%、79.4%和46.3%,不清理和压力水冲洗清理的旧砖表面渗透速率衰减严重,原因在于大量颗粒物沉积、粘结吸附在砖面,同时也有一部分颗粒在透水砖孔隙聚集,阻碍水流下渗迁移。真空抽吸尘清理方式下的旧砖渗透速率虽然比其它两种维护方式较高,但由于吸尘器负压的吸力有限,仅能抽吸出距离透水砖表面一定深度(约1.6 ~ 3.2 mm)的堵塞颗粒[32],因此,采用该清理方式的透水砖也发生了明显的渗透率衰减。除负压吸力外,透水砖的干湿状态也会影响真空抽吸尘清理的维护效果。不同清理方式下透水砖铺装系统新、旧找平层的渗透速率变化如图6b,不清理、压力水冲洗和真空抽吸尘清理方式下的透水砖铺装系统旧找平层渗透率比新找平层分别降低了45.4%、63.6%和42.4%。

      图  6  透水砖铺装不同垂直结构层渗透速率衰减特征

      Figure 6.  Attenuation of infiltration rates of permeable layers of permeable paver systems

      将这些旧透水砖铺设在更新后的找平层和土工布上,测定“旧砖+新找平层+新土工布”铺装系统的渗透率如图6c,3种清理方式下系统的渗透率分别为4 181.5、4 501.3和4 370 mm/h,分别为新建透水砖铺装系统的68.6%、72.6%和63.8%。而更新透水砖后的铺装系统(“新砖+旧找平层+旧土工布”)的渗透率分别恢复至新建系统的29.7%、28.3%和32.4%(图6d),都远低于“旧砖+新找平层+新土工布”系统的渗透性能恢复效果。由此可见,在透水砖铺装系统更新维护过程中,仅更新找平层和土工布比仅更新透水砖层可取得更好的渗透性能恢复效果。

      实验后,将不清理方式下的透水砖铺装系统的10块旧砖分为两组,分别采用真空抽吸尘和压力水冲洗进行砖面清理,清理前后的砖面渗透率变化如图7。采用真空抽吸尘清理的5块旧砖清理前的平均渗透率为1 168.3 mm/h,清理后恢复至2 037.5 mm/h,平均渗透率提升了1.7倍。采用压力水冲洗的5块旧砖清理前的平均渗透率为654.6 mm/h,清理后恢复至2 458.9 mm/h,平均渗透率提升了3.8倍。Chopra等[33]通过对比8个透水混凝土停车场清理维护前后的渗透速率发现,采用真空抽吸清理后的透水混凝土渗透速率是清理前的10.45倍,而采用压力水冲洗清理后的渗透速率是清理前的56.73倍。Drake等[17]指出,使用压力水冲洗可以提高透水沥青、透水混凝土和透水砖铺装的渗透速率至原来的2 ~ 81倍。因此,采用真空抽吸尘和压力水冲洗两种方式清理后的旧透水砖都具有相对较好的渗透性能(平均渗透率 > 2 030 mm/h), 在结构性能许可情况下可回用于透水砖铺装,以减少维护更新成本。

      图  7  旧透水砖清理前后表面渗透率变化特征

      Figure 7.  Infiltration rates of the old permeable pavers before and after maintenance methods

    • 本文通过透水砖铺装入流−渗透实验,测定对比了不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗3种清理方式下透水砖铺装渗透率衰减过程,定量分析了不同清理方式对透水砖铺装渗透率衰减过程的影响,得出主要结论如下:

      (1)3种清理方式下,透水砖铺装渗透率均呈指数衰减趋势。运行7年后,不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗下透水砖铺装渗透率分别衰减了99.6%、96.3%和99.7%,真空抽吸尘的清理效果优于压力水冲洗;

      (2)3种清理方式下透水砖铺装悬浮颗粒物平均去除率在95% ~ 98%之间,差异不显著(P < 0.05,n = 7);

      (3)雨水径流携带的细颗粒物(0 ~ 200 μm)主要聚集在找平层上部,3种清理方式下找平层上部细颗粒物含量分别增加了29.2%、15.6%和30.1%,真空抽吸尘清理方式下找平层上部的细颗粒物含量变化最小,因此,该清理方式对透水砖铺装渗透性能维护效果最好;

      (4)更新透水砖(即“新砖+旧找平层+旧土工布”)可将透水砖铺装系统的渗透速率恢复至新建系统的28.3% ~ 32.4%,而更新找平层和土工布可将渗透率恢复至新建系统的63.8% ~ 72.6%。因此,更新找平层和土工布比更新透水砖可取得更好的渗透性能恢复效果。

参考文献 (33)

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