土工布强化透水铺装对径流污染阻控的研究

摘 要：

城市道路等下垫面积累大量污染物被雨水径流冲刷汇入受纳水体，造成污染威胁。透水铺装是削减径流污染的有效措施之一。为研究铺装隔离层土工布强化透水铺装对径流污染阻控的作用，明确铺装中土工布的选用，实现透水铺装性能的优化，采用模拟均匀降雨方式，在透水铺装中加铺不同材质、规格、层数的土工布研究其对出水悬浮物(SS)浓度、粒径以及总磷(TP)浓度的影响。结果表明：对于悬浮物(SS),聚酯长丝土工布去除效果较好；在双层200 g/m2土工布的基础上每加铺同等规格100 g/m2的土工布，出水90 min时去除率提高2.4%～3.3%,加铺双层600 g/m2土工布的铺装去除率可达89.71%;加铺土工布后可以有效去除0～76μm粒径的SS。对于总磷(TP),聚酯长丝和聚丙烯短纤土工布去除效果好；加铺双层600 g/m2土工布的铺装对TP去除效果最好，出水120min时去除率为86.24%。因此，在铺装内加铺双层聚丙烯短纤或聚酯长丝材质土工布并适当增大规格，既能缓解铺装堵塞，又能强化铺装径流污染阻控，加铺土工布对透水混凝土铺装污染物去除率影响较大，在装置中可稳定发挥作用。

关键词：

透水铺装;土工布;雨水径流;悬浮物;总磷;

牟子婕(1997—)，女，硕士研究生，主要从事城市雨水控制利用与海绵城市研究。

*李俊奇(1967—)，男，教授，博士，主要从事城市雨水控制利用与水环境生态技术等研究。

基金：

北京市自然科学基金重点项目(8191001);

引用：

牟子婕，李俊奇． 土工布强化透水铺装对径流污染阻控的研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 6) : 184-193.

MU Zijie，LI Junqi． Study on prevention and control of runoff pollution by geotextile reinforced permeable pavement［J］. Water Resources and Hydropower Engineering，2022，53( 6) : 184-193.

0 引 言

随着城市化进程的快速发展，水环境遭到严重破坏，雨水径流污染已成为城市水环境污染的重要原因之一。为解决近年来出现的一系列城市水环境问题，我国开启了新一代城市雨洪管理概念——“海绵城市”。透水铺装作为海绵城市中一种重要的雨水源头减排设施，在实现径流体积控制的同时可有效削减雨水径流中的污染物。悬浮物(SS)是雨水径流中的主要污染物之一，也是雨水径流中其他多种污染物的主要载体，流经下垫面的雨水径流中SS浓度与COD、TN、TP浓度之间存在紧密联系，他们之间相关系数超过0.85。有研究发现雨水径流中粒径小于75 μm的SS较多，粒径小于63 μm的SS可达40%。粒径小于150 μm的SS对各类污染物的吸附作用最明显，粒径为75～150 μm的SS吸附 TP 浓度最高。故对雨水径流中SS去除是降低径流污染负荷的关键，并应重点关注小粒径SS的去除。

透水铺装对颗粒态污染物去除效果好，对溶解性有机污染物也有吸附作用。铺装对雨水径流中颗粒态污染物SS的去除机理主要包括截留、过滤等；溶解态污染物如TP 去除机理主要包括过滤、吸附、沉淀和离子交换等。大部分透水铺装对径流中TP 的去除率不佳，仅为70%左右。

透水铺装对污染物去除率的影响因素有面层和基层材料、孔隙结构及其致密性、径流污染物浓度等。对于铺装面层，面层材质对出水浓度的影响很大，页岩砖对出水TP的净化效果略差。不同类型透水砖对SS的去除率不同，陶瓷透水砖对SS去除率良好，砂基透水砖比复合透水砖去除率高；同一类型透水砖对含不同SS粒径的原水中的SS去除率不同。复合透水砖对粒径小于100 μm的原水中SS去除率较高，与砖体孔隙率有关。对于铺装基层，优选骨料和掺入添加剂的方法对透水铺装基层进行改性，沸石作为骨料，膨润土作为添加剂可提高透水铺装基层对TP的吸附量。煤矸石也可作为透水铺装的过滤介质，对TP的去除效果比其他填料去除效果好，去除率均在93.02%以上。随使用年限增长，透水铺装截留污染物增多，铺装表面的SS可通过表面清洗去除，而内部SS会造成结构堵塞，使得去除污染物效果逐步下降。透水铺装的孔隙较大，不能很好地去除较小粒径的SS,而造成透水铺装堵塞的主要是尺寸较小的颗粒。

土工布具有优良的透水性、耐久性、保土性、防堵性，是一种常用的反滤材料，可应用于铺装结构层中。常用的有聚酯长丝土工布、聚丙烯短纤土工布，或由涤纶、麻、毛混合的营养土工布。透水铺装中加铺土工布，土工布分离找平层和基层、基层和底基层，防止颗粒物进入下层造成堵塞。土工布规格不同，对污染物的去除能力也不同。陈莹等对雨水口截污 袋截污能力的研究表明土工布用于截污 袋时规格越大，SS去除率越高。土工布上的生物膜可降解有机污染物，较厚的土工布适合微生物生长。在结构层中增加土工布作为过滤垫层，可明显提高 SS 的去除率，使浊度水平降低70%左右，达到进一步控污的作用。透水铺装中土工布对部分重金属的截留效果仅次于铺装面层。

1 试验设计

1.1 试验装置设计

试验装置由试验箱和人工模拟均匀降雨系统组成。试验箱主体由10 mm厚不透明PVC板制成，规格为长410 mm×宽210 mm×高600 mm。在出水口1、2、3处取样。透水铺装试验装置如图1所示。

图1 透水铺装试验装置示意

面层材料选用透水陶瓷砖(Permeable ceramic brick, PCB)、透水水泥混凝土(Permeable cement concrete, PCC)、透水沥青混凝土(Permeable asphalt concrete, PAC)3种材料。透水陶瓷砖的规格为长200 mm×宽100 mm×厚80 mm, 砖与砖之间缝隙为3 mm, 接缝处填充粒径小于2.5 mm的砂砾。透水砖铺装的找平层和垫层为中砂，基层和底基层分别为细、粗级配碎石。透水水泥铺装基层为大孔隙混凝土，底基层为级配碎石。透水沥青铺装基层为级配碎石，垫层为中砂。级配碎石铺入装置前用去离子水反复冲洗。铺装找平层和基层之间的隔离层，土基上部的反滤隔离层可铺设土工布，土工布选用以下几种类型：聚丙烯(丙纶+涤纶)土工布200 g/m2、400 g/m2、600 g/m2;聚酯长丝土工布200 g/m2;营养土工布 (PET、麻、毛混合)200 g/m2。

人工模拟均匀降雨系统包括水箱、潜水泵、搅拌器、花洒等。PVC水箱容积为300 L,内部放置潜水泵和搅拌器，配水时搅拌，使污染物浓度均匀，泵提升后通过花洒均匀降雨。

1.2 试验方案设计

根据雨水径流中的污染物浓度分别配制溶液，采用单因素试验法。模拟降雨时长为2 h, 分别在出流的0 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min、90 min、120 min时用500 ml的聚乙烯瓶各取一瓶水样。透水铺装构造参数如表1所列，根据装置PCB-1、PCB-2、PCB-3分析有无土工布及其层数对污染物去除效果的影响；装置PCB-4、PCB-5、PCB-6分析土工布材质对污染物去除效果的影响；装置PCB-3、PCB-6、PCB-7分析土工布规格对污染物去除效果的影响；装置PCC-1、PCC-2以及PAC-1、PAC-2分析土工布对不同面层材料的透水铺装去除污染物效果的影响。

试验颗粒物采集时间是2021年5月，选择天气较为干燥的日期，采集地点是北京建筑大学大兴校区道路，采样时间为10:00—14:00,采样点在雨水排放口附近，采样面积取8～9 m2。用毛刷清扫、簸萁收集、过筛去除杂质、装入聚乙烯密封袋中保存。

SS溶液用采集的颗粒物制备，配水SS浓度为700 mg/L;TP溶液配水浓度为1.7 mg/L。出水水质测定，SS采用 GB/11901—89重量法测定；取不同条件下各径流样品500 mL,使用Mastersizer 3 000粒度分布仪(Malvern Panalytical, US)完成径流样品中SS粒径分布的测定；TP采用GB/11893—89钼酸铵分光光度法测定；根据出水TP的短期试验结果选择去除效果较好的透水砖铺装，对有无土工布的透水砖、透水沥青、透水水泥混凝土铺装出水TP进行长期监测，每次试验间隔15 d。

进行数据处理，绘制SS和TP去除率随时间变化的拟合曲线。根据激光粒度分析仪测得的数据将粒径分为四个组份，分别为0～76 μm、76～310 μm、310～1110 μm、1 110～3 500 μm, 绘制百分比堆积柱状图，分析粒径占比随时间的变化规律以及不同透水铺装出水中0～76 μm SS粒径占比。计算5次进水的透水铺装出水TP去除率差值。

2 试验结果与分析

2.1 土工布对透水铺装出水SS的影响

2.1.1 对出水SS浓度的影响

透水铺装出水SS浓度变化情况如图2所示。由图2可知，随时间变化透水砖铺装出水SS浓度整体均呈下降趋势。出水90 min时，无土工布、单层土工布、双层土工布的铺装SS去除率分别为68.71%、74.14%、76.43%,双层土工布比无土工布、单层土工布的去除率分别增加了7.71%、2.29%[见图2(a)];SS去除率依次为：聚酯长丝土工布>营养土工布>聚丙烯短纤土工布[见图2(b)];出水90 min时，加铺双层200 g/m2和双层400 g/m2聚丙烯短纤土工布的铺装去除率分别为67.00%、76.43%,试验范围内每加铺同等规格100 g/m2的土工布，去除率提高2.4%～3.3%,加铺双层600 g/m2土工布的铺装去除率达到89.71%[见图2(c)]。而有研究发现不加铺土工布的透水砖铺装对径流中SS的去除率低于80%。

图2 透水铺装出水SS浓度变化

加铺土工布的透水沥青混凝土铺装和透水水泥混凝土铺装在出水90 min时均可达到80%以上的SS去除率[见图2(d)]。有研究表明无土工布的透水混凝土铺装对SS的去除率仅为76.2%。两种透水混凝土铺装在出水的前20 min内，SS浓度下降较快，之后逐渐平稳，因为截留SS堵塞了透水铺装各层的孔隙。加铺土工布后均降低了出水SS浓度，在一定程度上缓解了堵塞情况。透水水泥混凝土铺装效果较好，与结构层中不含中砂层有关，而透水砖和透水沥青混凝土铺装的垫层均为中砂，存在中砂的流失，效果略差。

2.1.2 对出水SS粒径的影响

加铺土工布后，出水中76～310 μm和310～1 100 μm的SS粒径占比增大，0～76 μm的SS粒径占比减小，又因整体SS浓度是降低的，故加铺土工布后可有效截留0～76 μm的SS。

不同透水铺装出水0～76 μm SS粒径占比情况如图3所示。由图3(a)可知，透水砖铺装中土工布层数增加，出水中0～76 μm粒径的SS占比减小。无土工布的透水砖铺装，0～76 μm粒径占比为56%～73%,透水铺装截留大于76 μm的SS最多；有单层400 g/m2土工布的透水砖铺装，相应占比为40%～58%,说明一些小于76 μm的SS被土工布截留；有双层400 g/m2土工布的透水砖铺装，占比为2%～32%,因为土工布截留比表面积更大，对小于76 μm的SS截留的更多。有研究发现透水砖堵塞程度与径流中粒径小于150 μm SS体积占比呈正相关关系,加铺土工布后小于76 μm的SS减少，可在一定程度上缓解小颗粒堵塞铺装内部结构。

图3 不同透水铺装出水0～76 μm SS粒径占比

由图3(b)可知，对于透水水泥混凝土铺装，加铺土工布对粒径占比有较大的影响，因为透水水泥混凝土孔隙较大，对小颗粒的截留能力很弱。无土工布的透水水泥混凝土铺装，出水中0～76 μm的SS占比高达82%～97%;加铺土工布后占比下降到12%～59%,土工布的存在增强了对小颗粒的截留能力。无土工布的透水沥青混凝土铺装，出水中0～76 μm粒径SS占比为34%～69%,加铺土工布后，小颗粒更多地被截留，0～76 μm颗粒物占比为6%～46%。

不同材质土工布出水SS粒径百分比分布情况如图4所示。三种材质中，聚酯长丝土工布孔隙结构较小，对0～76 μm的SS截留作用好。加铺聚酯长丝土工布的透水砖铺装出水中，0～76 μm的SS占比呈下降趋势，刚出水时占比为52%,出水90 min时下降到5%[见如图4(a)]。这是由于小颗粒间具有互相吸附的作用，且小颗粒具有很高的比表面积，表面能的作用非常大而体现出强作用力，这个力是分子之间的作用力，形成一种颗粒层的吸附絮凝；其次对SS的截留使土工布的孔隙变得更小。这两种方式都增强了对小颗粒的截留效果，使出水中0～76 μm的SS占比持续呈下降趋势。加铺营养土工布的透水砖铺装出水中，0～76 μm的SS占比也呈下降趋势，刚出水时占比为76%,出水90 min时下降到51%[见如图4(b)]。加铺聚丙烯短纤土工布的铺装刚出水时对0～76 μm的SS去除效果不稳定，30 min后占比逐渐稳定[见如图4(c)]。

图4 透水陶瓷砖铺装出水SS粒径百分比

综上所述，加铺土工布后可有效截留0～76 μm的SS;对SS浓度和0～76 μm粒径的SS去除效果，聚酯长丝土工布>营养土工布>聚丙烯短纤土工布。加铺土工布后在一定程度上可缓解透水铺装结构层堵塞，对透水水泥混凝土铺装出水粒径占比影响大。

2.2 土工布对透水铺装出水TP去除率的影响

2.2.1 对出水TP去除率的影响

土工布对透水铺装出水TP去除率的影响情况如图5所示。

图5 透水铺装出水TP去除率变化

由图5(a)可知，对TP的去除率，加铺双层土工布的透水砖铺装>加铺单层土工布的铺装>无土工布的铺装，且加铺双层土工布的铺装去除效果稳定。出水120 min时无土工布、有单层土工布、有双层土工布的铺装对TP的去除率分别为47.94%、59.29%、84.06%,随时间变化，有双层和单层土工布的透水砖铺装对TP去除率的差距逐渐增大，因为单层土工布吸附逐渐饱和。有研究发现透水砖铺装对径流中TP 的去除率仅为74.2%,加铺土工布后可提高去除率。

由图5(b)可知，加铺三种不同规格聚丙烯土工布的透水砖铺装中，去除率总体效果最好的是加铺双层600 g/m2土工布铺装，出水120 min时去除率为86.24%,加铺双层400 g/m2和200 g/m2的铺装去除率分别为84.06%、72.82%。

由图5(c)可知，聚酯长丝和聚丙烯短纤材质对TP的去除率都较高，出水120 min时分别为75.94%和72.82%。营养土工布在无纺布表层复合了单层可缓慢分解植物所需营养的毛毡，会长期缓慢释放肥料，释放出一些氮、磷、钾等物质，去除效果是3种材质中最差的，120 min时去除率仅为63.12%。对比有单层400 g/m2和有双层200 g/m2的聚丙烯短纤土工布的透水砖铺装，出水120 min时前者去除率为59.29%,后者去除率为72.82%,故土工布层数对去除率影响大，因为每层都会达到吸附的饱和状态，即使增大土工布规格，单位比表面积吸附达到饱和，也无法进一步去除TP。

由图5(d)可知，透水水泥混凝土铺装对TP的去除效果不佳，因为透水水泥混凝土铺装无中砂层、碎石层厚度小，导致基质的吸附作用弱，径流中TP到达反滤隔离层的土工布时浓度过高，土工布达到吸附饱和。加铺土工布层可略提高去除率，效果不明显。出水120 min时，有无土工布的透水水泥混凝土对TP去除率分别为49.65%和48.89%。有无土工布的透水沥青混凝土铺装出水浓度差距明显，去除率分别为95.53%和72.24%。TP的去除以过滤、吸附、沉淀为主，TP较易吸附在SS上，随SS去除而去除；透水沥青混凝土铺装有砾石层和中砂层，且出水 pH 值较高，砾石组成中含有大量的Ca2+,在碱性条件下PO43-与Ca2+生成 Ca3(PO4)2,以沉淀形式留在铺装内部，TP去除效果好。

2.2.2 对出水TP去除率的长期影响

根据上述试验，有土工布的透水砖铺装选用整体去除率好且透水性好的双层400 g/m2土工布进行长期监测试验，分析TP去除率的变化规律。5次出水中，加铺土工布后这三类铺装TP去除率均高于无土工布的铺装，去除率差值如图6所示。

图6 透水铺装出水TP去除率差值

由图6可知，无土工布的透水砖铺装在0 min时第5次进水比第1次进水出水TP去除率降低9.73%,120 min出水TP去除率降低16.76%;有土工布的相应降低40.76%和42.82%。无土工布的透水水泥混凝土铺装在0 min时第5次进水比第1次进水出水TP去除率降低58.53%,120 min出水TP去除率降低39.83%;有土工布的相应降低40.76%和23.82%。无土工布的透水沥青混凝土铺装在0 min时第5次进水比第1次进水出水TP去除率降低19.40%,120 min出水TP去除率降低29.15%;有土工布的相应降低9.32%和16.40%。

对于透水砖铺装，加铺土工布后尽管去除效果比无土工布的好，但去除率降低的快，长期情况下透水砖铺装找平层中砂流失会导致土工布堵塞，削弱吸附效果。加铺土工布后，透水水泥和透水沥青混凝土铺装去除率降低得慢，土工布在装置中可以稳定发挥作用。

综上所述，此试验中聚酯长丝和聚丙烯短纤材质、双层600 g/m2的土工布对TP去除效果最好。透水沥青混凝土铺装对TP去除率最高，加铺土工布后对透水沥青混凝土铺装TP去除率提高最显著。各类透水铺装加铺土工布后对TP的去除效果在一段时间内均有提升作用。

3 结论与展望

(1)对于颗粒态污染物SS的去除效果，聚酯长丝材质效果好；在双层200 g/m2土工布的基础上每加铺同等规格100 g/m2的土工布，出水90 min时去除率提高2.4%～3.3%,加铺双层600 g/m2土工布去除率可达89.71%。对于SS粒径而言，可以有效去除0～76 μm粒径的SS,各类铺装中加铺聚酯长丝、双层600 g/m2土工布的去除效果最好。加铺土工布后对透水水泥混凝土铺装出水粒径占比影响大。

(2)对于溶解态TP的去除效果，聚酯长丝和聚丙烯短纤材质的土工布去除率都较高；此试验中加铺聚丙烯短纤、双层600 g/m2土工布的透水砖铺装，120 min时出水TP去除率最高，为86.24%;透水沥青混凝土铺装加铺土工布后TP去除率提高明显，120 min时出水去除率为95.53%。

(3)对于出水中TP的长期监测结果显示，对于透水砖铺装，加铺土工布后尽管去除效果比无土工布的好，但去除率降低的快，长期情况透水砖铺装找平层中砂流失会导致土工布堵塞，削弱吸附效果。而加铺土工布后透水水泥和透水沥青混凝土铺装去除率降低的慢，土工布在装置中可以稳定发挥作用。

加铺土工布可强化透水铺装对径流污染的阻控：一是土工布本身的截留、吸附作用；二是土工布延长径流在铺装结构层中的停留时间并缓解结构层堵塞。在下一步研究中，应继续深入研究土工布饱和后的清理方式(自洁、解吸)和堵塞问题；研发高吸附性、多功能化土工布，增加催化自降解、微生物富集、释碳降氮等；研究其对COD、多环芳烃等污染物的去除效果，降雨不同重现期、雨型等对去除效果的影响。

水利水电技术（中英文）

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