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透水铺装系统在海绵城市建设的应用

学术杂志网   |   2020-06-08

摘要:透水铺装系统是我国海绵城市建设中的重要组成部分,是低影响开发雨水系统的重要手段。文章对现行透水材料做以介绍,并阐述了透水铺装材料对建设海绵城市的重要意义,最后为透水铺装材料今后的研究方向和未来发展趋势加以展望。

关键词:透水铺装;海绵城市;城市道路;城市雨水

人类活动加剧,不断开发和利用水资源的同时向水体排放污染物,给水环境施加了源源不断的压力,导致水资源生态问题日益突出,在当前紧张的水资源条件下,“海绵城市”概念的提出,为缓解城市水资源短缺,强化雨水的回收利用提供了新思路。用透水材料替代传统硬质路面不仅可以缓解强降雨引发的城市内涝问题,同时通过对雨水的调控和利用,可以改善城市的水文循环现状[1],契合“渗、滞、蓄、净、用、排”的海绵城市建设理念,因此是低影响开发海绵城市的重要措施[2-3]。

1透水铺装系统的生态功能与内涵

1.1提高城市蓄水能力,降低城市内涝风险

我国城市道路多采用硬质材料进行敷设以加快城市化建设,因此当发生强降雨时,地表径流的骤增致使城市排水管网无法及时疏导雨水,从而导致城市内涝的困局。通过敷设透水材料代替传统硬质路面使雨水由经透水材料内部孔隙渗入地下,一方面补充了地下水,提高了城市的蓄水能力和雨水疏导能力,减小了城市内涝的风险;另一方面打破了传统城市建设中“以排为主”的雨水管网建设理念[4]。同时,这种对雨水的天然处理方式使城市水文循环系统得到了完善。研究表明,透水材料的铺设使城市地表径流量和洪峰分别降低30%~80%和7%~70%,有效地缓解了城市管网的泄洪压力[5]。

1.2低影响开发海绵城市雨水系统

低影响开发指通过分散的,小规模的源头控制机制和设计技术,控制暴雨径流和污染,使该区域的水文循环尽可能的接近未开发状态[6]。透水铺装系统正是利用材料内部孔隙将雨水渗透至地下,以实现对雨水的天然式处理。不仅契合低影响开发建设海绵城市的要求,而且这种从源头上控制、收集、储存雨水的方式规避了硬质路面对城市水文循环不完善的缺陷,从建设海绵城市的实践经验来看,透水材料的铺设也是很多发达国家建设低影响开发海绵城市首要选择。日本东京地区在敷设透水材料后,使城市雨水的出流率从51.8%降低到5.4%[7]。

1.3补充地下水资源,缓解地下水污染

下渗到土壤层结构的雨水经透水铺装材料的层层过滤,将跟雨水混合的路面油污,清洁型溶剂,车辆废气废渣有效的截留在面层内部,防止对地下水造成污染[8]。Meysam等[9]试验发现,透水铺装系统可去除地表径流中79%的氨氮和12%硝态氮,对地表径流中悬浮颗粒物SS的去除率近100%,基本实现完全去除。Zhang等[10]试验发现,与传统沥青混凝土路面相比,透水混凝土路面对氨氮、亚硝态氮及有机氮的去除效果更好,并推测在透水材料内部可能发生的硝化反应,使出水氮含量降低。Jennifer等[11]的试验发现,透水沥青路面内更容易吸附截留地表径流中的悬浮颗粒物,在截留SS的过程中,对有机氮的去除率增加了35%~45%,并且透水混凝土路面可以去除地表径流中90%的SS[12]。秦余朝[13]研究发现,透水铺装对SS的去除效果主要发生在材料面砖层,对氨氮等污染物的去除主要发生在面层以下的结构,当降雨量增大时,氨氮的去除率也逐渐增大,最后趋于稳定;且透水材料对污染物的去除率随进水污染负荷的提高而增加。透水铺装系统在去除地表径流中的部分N、P与SS的同时,还可降低一定程度的重金属污染。Laurent等[14]研究发现,透水铺装系统可去除20%~99%的Cu2+、74%~99%的Pb2+以及的Zn2+。刘月琴等[15]研究发现,透水铺装材料对金属离子、有机物、SS、COD、氮磷等污染物的去除率约为40%~90%,其中对Cu、Pb、Zn和Ca等金属离子的去除效果尤其显著,平均可达90%左右,且重金属离子去除率与降雨强度之间没有明确的线性关系。Jiang等[16]研究表明,透水铺装系统可去除地表径流中95%石油和65%动植物油。周利睿等[17]研究发现,透水铺装系统对路面油污的去除率可达98%,同时推测,有机污染物经过透水材料各个面层,在面层内部可能发生过滤,物质交换,物理化学吸附和微生物作用,从而降低了出水的有机污染物含量。Wei等[18]推测,由于相比于动植物油,石油具有更大的相对分子质量,分子间范德华力更大,物理吸附效果更强,更容易被截留在面层内部,因此透水铺装材料对石油的去除效果更好。王俊岭等[19]研究发现,当降雨量增加时,透水混凝土系统对COD的去除率也随之提高;且面层与基层是透水铺装系统去除污染物的主要层结构,透水铺装系统面层和基层对COD、氮磷和Cu2+总的去除率大约在28.96%~71.81%之间,且降雨重现期越大,污染物的总去除率越小,因此总结出,当降雨强度较小时,更利于污染物的去除。宋秋霞等[20]研究发现,透水沥青系统内部孔隙率与大小影响系统对COD的去除效果,试验发现COD去除率与透水沥青孔隙率存在线性关系,并且孔隙率在12.1%~23.0%之间时,COD去除率最高。李志辉等[21]以硅砂混凝土作为透水材料的面层,测得透水系统对SS、TP、Zn2+的去除率分别稳定在98.15%、97.33%和97.58%,同时可降低20.87%的NH3-N,且当NH3-N浓度较低时去除率越高,但是透水系统对COD的去除效果并不显著,最高可达3.52%。综上研究结果均表明,透水铺装系统可以去除地表径流中的污染物杂质,可有效降低地下水受污染的风险。

1.4营造良好的城市生态环境

由于透水材料存在的孔隙,可利于土壤层内微生物与外界实现物质交换,为其生长发育营造良好的环境条件。透水材料的敷设可快速疏导路面积水,尤其是在北方冬季,降低路面结冰风险,提高了行车安全性[2]。透水材料内部为多孔结构,增加了声音的反射频率,因此减小了城市的噪声污染[22],可起到吸声降噪的效果。李满良等[23]研究发现,透水材料孔隙率与吸声系数成正比,当材料孔隙率越大时,可更快使声能衰减;当材料的孔隙率相同时,骨料粒径越小吸声效果越好,因此可通过调节材料的孔隙率与骨料粒径大小以达到目标吸声效果。储存在不同透水层面的雨水经过蒸发作用,增加城市的湿度,降低温度,促进地表与空气之间的热量交换,缓解城市的“热岛效应”,有试验研究发现,透水系统的敷设可降低城市温度3~5℃[5]。杨文娟等[24]通过对比透水混凝土路面与传统水泥混凝土路面的温湿度变化,研究透水混凝土的保水降温能力,试验发现,自然条件相同时,80%以上的透水混凝土路面湿度高于水泥混凝土路面,但是温度更低。

2透水铺装材料

透水铺装系统是指能使雨水通过材料内部孔隙或表面链接缝隙,渗入道路基层,从而显著降低地表径流量的铺装材料[25]。目前广泛应用于市政道路建设的透水铺装材料主要有透水水泥混凝土,透水沥青混凝土,陶瓷透水砖,砂基透水砖和植草砖等。

2.1透水水泥混凝土

透水水泥混凝土以水泥为胶凝材料,由单一或几个不同级配粒径的粗骨料、掺合料和外加剂按比例配制而成的内部具有孔隙贯穿的多孔混凝土材料[26]。通常,透水混凝土依靠粗骨料表面包裹的薄层水泥浆相互黏结,形成的具有均匀分布的蜂窝状结构[27],因此一般不添加细骨料。透水水泥混凝土的孔隙率满足15%~25%,透水系数1~15mm/s[28]。因孔隙率较大,需要定期进行清理和维护,防止孔隙堵塞,同时对抗压强度和抗冻性要求较高。实际工程中经常加入粉煤灰,聚丙烯酰胺等添加剂来提高颗粒骨料之间的粘结性。透水水泥混凝土制作简单且成本低廉,自重较小,施工简单,透水透气性好,可制成砖体,批量生产,在制作过程中加入颜料,以满足对设计工程的景观需求。

2.2透水沥青混凝土

透水沥青混凝土以沥青为主要胶凝材料,同时以大孔隙率的沥青作为道路的辅助面层,是高分子透水混凝土的种类之一,其强度高于透水水泥混凝土,孔隙率通常达到20%以上[29],以保证材料的渗水效果,当敷设于非机动车道时,可适当降低孔隙率[29]。沥青的性能受温度影响较大,因此在制作过程中不仅要防止沥青高温老化,还要防止低温开裂,应选用高粘度沥青以保证材料的稳定性。透水沥青平整度高,抗压强度高,适用于市政道路及公路建设。

2.3陶瓷透水砖

陶瓷透水砖是指将工业废弃物、建筑垃圾、废玻璃等材料破碎成颗粒后,筛分并组织合理颗粒级配,加入一定量的结合剂粘结后,压制成型,经1200℃以的高温烧结而形成的优质透水建材。加热时,颗粒表面熔融后相互粘结成陶瓷透水砖的主体,加入一定量的粘接剂可提高透水砖强度。陶瓷透水砖的生产降低了建筑垃圾对城市环境的污染,符合绿色生态的要求。陶瓷透水砖强度较高、孔隙率高,经常被应用于非机动车道,公园人行道等场地建设,Takebayashi等[30]对比陶瓷透水砖、透水沥青路面、透水混凝土路面三者的热通量发现,透水砖降低热通量的效果更加显著。因此敷设陶瓷透水砖利于缓解城市的热岛效应。近年来,陶瓷透水砖正越来越广泛的应用于我国景观道路的敷设,未来的研究将着力于简化透水砖的制作工艺和成本,提升透水砖的强度和稳定性,最大限度发挥其环境友好的生态环保优势。

2.4砂基透水砖

砂基透水砖是以砂为骨料,加入胶凝剂和功能性外加剂制备成的具有一定稳定性和强度,满足实际工程需求的多孔隙复合材料[31]。目前制作砂基透水砖的原材料以石英砂为主,王萍萍等[32]认为,如果能采用沙漠中的砂作为砂基透水砖的原材料,不仅可以缓解沙漠化的难题,且原料成本低廉,绿色环保。砂基透水砖的研究热点集中于提高胶黏剂的稳定性上,常见的胶凝剂环氧树脂价格较高,且在雨水,光照等自然条件下,树脂老化速度加快,因此砂基透水砖寿命较短,同时制作砂基透水砖的工艺较为复杂,成本较大,目前尚未普遍使用,但是其生态环保的特点十分显著,用于敷设市政道路时,孔隙不易堵塞,因此砂基透水砖依然具有潜在的研究推广价值。

2.5植草砖

植草砖在预先留有空间的块料内部种草,使雨水直接渗透到土壤中。植草板是串联由高密度聚乙烯或PP塑料制成的塑料板,组成连锁结构敷设在草地上。但是植草砖和植草板的平整性差,且承重能力有限,大多敷设在公园人行道、景观设施周围、树池等交通与承载量不大的环境中。

3透水路面的养护

透水铺装系统后期的维护是确保其渗透效果的关键。针对材料表面易于去除的落叶碎石等体积较大的杂质,可以通过人工清扫的方法去除,针对被截留在孔隙中不易去除的杂质,目前主要使用真空清扫法和压力清扫法。李俊奇等[33]试验研究发现,使用单一的机械清扫方法对孔隙恢复率均小于10%,但是二者联合使用时,恢复率可达20%[34]。日常情况下应加强对材料本身的检查和管理,防止在降雨时因材料堵塞致使雨水无法得到及时疏导。雨水中夹杂的油污或具有腐蚀性污染物存在着降低材料使用寿命的风险,北方冬季应防止孔隙存水导致材料冻胀。应定期检查测试透水材料的强度和稳定性,对存在安全风险的透水材料应做到及时更换。

4结语

传统硬质路面对雨水的收集与排放方式上存在不足,致使雨水资源没有得到有效利用且存在污染地下水的风险。在我国海绵城市建设的背景下,推广使用透水铺装不仅契合海绵城市建设理念,且对改善城市水文循环,缓解热岛效应,减少建筑垃圾污染,营造良好的生态居住环境具有现实意义。未来的研究应致力于增强材料的强度和稳定性,延长材料的使用寿命,原料选材环保可靠,加强对固体废弃物的利用,降低生产成本,简化制作工艺等方面,协同其他部门,完善透水铺装系统的管理机制,以最大限度地发挥透水铺装系统在建设海绵城市上的生态价值。

作者:张子一 单位:沈阳建筑大学 市政与环境工程学院

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