透水砖铺装对雨水径流热污染控制效果实验

随着海绵城市的快速发展,透水砖铺装在实际工程中得到了广泛应用,但其对雨水径流热污染控制效果尚缺乏系统研究。采用人工模拟降雨方法,以不透水沥青路面为参考,研究了透水砖铺装系统对雨水径流温度的削减效果,具体包括透水砖铺装表面外排雨水径流温度、渗透出水温度以及各结构层的温度变化。实验结果表明:当重现期为5年一遇,透水砖铺装面层初始温度为35,42,47 ℃时,与不透水沥青相比,透水砖铺装面层外排径流温度可削减1.4~1.8 ℃,且面层初始温度越高,外排雨水径流温度越高,渗透出水温度也越高;透水砖铺装各结构层可削减渗透部分雨水径流的温度,渗透出水温度相对于径流温度降低3.5~5.2 ℃;降雨强度对透水砖面层外排雨水径流温度有显著影响,而对渗透出水温度影响较小。因此,透水砖铺装可有效削减雨水径流对城市水体的热污染。     

海绵城市透水砖铺装雨水入渗模型及产流分析

透水砖铺装系统的入渗特征是海绵城市建设中产流控制的重要影响因素。以海绵城市试点庄河市为例,通过渗流试验,构建不同土基土壤土水特征曲线,建立适用于透水砖铺装系统各层的入渗模型,揭示系统雨水入渗规律,阐明结构层厚度和土基土壤特性对产流控制的影响。研究表明:土壤粒径对产流控制影响程度最大;特大暴雨时,粗砂土壤作为土基,相比细砂土壤和粉质黏土作为土基,可以延长产流时间,但随着雨强继续增大,产流时间延长作用逐渐减弱;以粉质黏土作为土基,基层与垫层厚度比约为3∶2,以砂质土壤作为土基时,基层与垫层厚度比约为4∶1时,透水砖铺装系统产流控制效果最好。     

高地下水位地区透水停车场的水文控制效果

为确定高地下水位地区透水铺装对路面径流的水文控制效果,在上海市区建造了4个实验性透水铺装单元与1个不透水铺装对照,其中3个为设有防水衬底的不透型设施分别为透水混凝土铺装(设施Ⅰ)、水泥稳定碎石基层/缝隙透水砖面层(设施Ⅱ)、碎石基层/缝隙透水砖面层(设施Ⅲ),1个普通缝隙透水砖铺装(设施Ⅳ),以及1个不透水混凝土对照(设施0).历时1年监测了实际降雨条件下4种实验设施的表面径流、排水管出流流量及表面渗透速率,考察不同设施的径流总量削减率、峰值削减及峰现延迟能力.结果表明,缝隙透水砖面层的表面稳定渗透速率明显小于透水混凝土面层,使用1年后,2种面层表面稳定渗透速率均明显下降;4种设施的表面产流均无显著差异;3种不透型设施的就地消纳水量能力均较弱,年径流总量控制率分别为24.2%、28.5%、28.4%,排水管不发生出流的控制降雨量分别为5.2 mm、7.8 mm、7.8 mm;设施Ⅰ的峰值削减与峰现延迟效果弱于设施Ⅱ及设施Ⅲ,且3种设施的峰值削减率和峰现延迟时间与降雨强度呈现显著负相关性.     

透水铺装类型对径流重金属去除效能的影响机制

研究了不同类型透水铺装系统对径流重金属的去除效能和机制。在实验室搭建了3种典型透水铺装系统（陶瓷透水砖、透水沥青和透水混凝土）,研究了其对5种常见径流重金属（Cu、Zn、Cd、Mn、Ni）的去除效能和机制,并分析了不同降雨重现期（2,3,5年）对透水铺装系统去除径流重金属的影响。结果表明:3种透水铺装系统对5种径流重金属都有较好去除效果,其中陶瓷透水砖的去除效果最好,且去除效果最稳定。比较而言,陶瓷透水砖与透水沥青能够在短时间内降低重金属的浓度,透水混凝土达到吸附点位的速度较慢并有一定波动,特别是在不同降雨重现期下波动更加明显。在不同重现期下,各设施表现出不同性能,影响程度为2年＞5年＞3年,即整体在重现期为3年的降雨条件下有着较为优异且较为稳定的去除性能,而过大或过小的流量都会使透水铺装去除重金属的性能有所降低。     

高地下水位地区透水铺装控制径流污染的现场实验

为确定高地下水位地区使用透水铺装对地下水水质的影响,在上海市区建造了3种实验性透水铺装停车场及1个不透水铺装对照,监测实际降雨条件下3种实验设施进、出水水质,考察其对径流中污染物的去除效果并评价设施对地下水造成污染的可能性.结果表明,3种设施对TP、TSS、COD、Cr、Mn、Cu、Zn、Pb及石油类均有良好的去除效果,而对TN的去除效果较差;3种设施中均发生了明显的NO-3-N释放现象;以水泥稳定碎石为基层的缝隙透水砖铺面以及碎石基层的缝隙透水砖铺面对NH+4-N去除效果明显好于透水混凝土铺面;不同透水铺装设施出水水质除NH+4-N之外无显著差异;现场地下水质总体上劣于上海市地下水背景值,而3种透水铺装出水总体上劣于现场地下水,且多项指标属于或接近地下水V类标准.在高地下水位地区使用无防渗衬垫透水铺装存在污染地下水的风险.     

垃圾衍生燃料气化后的无机底渣制备透水砖试验研究

通过对垃圾气化后的无机底渣在制备透水砖中不同掺量和集灰比的试验研究,依据JC/T945—2005《透水砖》中的要求,对其孔隙率,保水性,透水系数和抗压强度4项指标进行测定,探索了不同底渣掺量和集灰比下透水砖性能的简单变化规律,并综合优选出最佳配合比为A-2,即水灰比为2.8,集灰比为3.0,气化底渣掺量为20%。     

透水砖铺装的设施构造对运行效果的影响

为考察缝隙透水砖铺装的基层构造与材料对设施运行效果的影响,在上海市区建造了2个缝隙透水砖铺装(permeable interlocking concrete pavement,PICP)与1个不透水混凝土铺装(concrete pavement,CP)停车场,其中2个缝隙透水砖铺装分别采用水泥稳定碎石(PICP1)和普通碎石(PICP2)作为基层结构.在2018年实际降雨条件下对2个设施的水文效果及底部出流水质进行了长期监测.结果表明PICP1与PICP2的年径流总量控制率相近,分别为37. 0%和38. 7%,PICP1的峰值削减率及峰现延迟时间略优于PICP2.水质控制效果方面,PICP1比PICP2有更好地NH_4~+-N转化效果,两种设施底部出流均存在NO_3~--N淋出的现象; PICP1底部出流的TSS、TP、颗粒态磷和溶解态磷浓度均低于PICP2.采用水泥稳定碎石作为基层有助于提高设施的水质净化效果,并改善设施的水文控制效果.     

海绵城市透水砖铺装系统雨水入渗及重金属污染物迁移模拟

海绵城市透水砖铺装系统（PBPS）入渗特征是产流控制及径流污染物去除的重要影响因素之一。通过渗流实验,构建系统土壤层土水特征曲线,建立降雨入渗及径流重金属污染物迁移数学模型,以阐明找平层土壤粒径、基层与垫层厚度比对产流时间及径流重金属污染物去除的影响。研究表明:综合考虑延迟产流与径流重金属去除能力,中砂作为找平层介质最佳;依据结构层出水重金属污染物浓度,基层与垫层厚度比为15∶4时,PBPS对径流中重金属污染物吸附效率最高、去除效果较好。     

透水砖系统堵塞失效全过程对径流重金属控制效果的评价

针对透水砖系统堵塞失效对径流控制效果衰减的问题,考察了透水砖堵塞失效演化全过程时雨水径流重金属的输出变化特征,并采用综合污染指数法对不同堵塞节点透水砖铺装径流重金属污染进行风险评价。结果表明:透水砖堵塞程度增加可显著增大其表面径流溶解态和颗粒态重金属输出,且在透水砖堵塞程度达到30%后的场次降雨输出的重金属浓度明显上升;不同堵塞程度透水砖径流中重金属均出现了初期冲刷现象,初期冲刷效应强弱与透水砖堵塞程度呈正相关。透水砖堵塞前期各历时径流重金属污染风险较低,但随着堵塞加剧初期径流重金属污染风险变高,其中Cd和Pb是主要风险源。     

基于SEM图像处理法的化学镀Ni-P合金表面改性基底层孔隙表征

目的对Ni-P合金表面层孔隙进行定量表征。方法通过SEM微观形貌图像分析孔隙分布,运用ImageJ软件对SEM图像进行处理,并统计分析Ni-P合金表面层孔隙的孔隙率、孔隙数目、等效直径等数据。结果电化学蚀刻在改性Ni-P合金表面层制备微孔层,随时间延长,表面微孔数量增多、孔径增大。蚀刻1,3,5 min的孔隙率分别为0.85%,4.34%,11.18%,蚀刻5 min后微孔发生交联,Ni-P合金层防护性能被破坏。结论电化学蚀刻3 min可在Ni-P合金表面层获得分布均匀、等效直径主要分布在100~850 nm之间的微孔。     

光纤传感技术在雨水径流监测中的应用

鉴于海绵城市建设中海绵设施效能监测不足、手段复杂且精度低的问题,将光纤传感技术应用于海绵城市透水铺装中,以光纤光栅温度传感器为监测手段,以外界量改变引发透水面层上下铺设传感器输出波长信号变化为基本原理,得出雨水渗透速率,并以此为核心指标。以湖北省暴雨资料为基础,模拟不同重现期（1,5,10,50,100 a）下不同透水铺装对雨水径流量的削减实验,结合实验数据,建立了雨水渗透速度与透水铺装径流量削减指标的线性拟合关系。结果表明:渗透速度与径流量削减率、产流时刻均有较好相关性（R2>0.93、R2>0.92）。该技术在鄂西地区高铁站成功应用,证明利用渗透速率监测产流时刻与径流量削减率是可行的。     

基于LCA的北京市透水水泥混凝土路面的环境影响分析

透水铺装因其雨水入渗和净化等功能成为未来城市道路铺装的重点发展方向,其生命周期资源环境影响的影响机制与因素需开展系统全面分析。基于北京市的降雨特征和路面工程实际,采用生命周期评价(life cycle assessment, LCA)方法,综合分析透水水泥混凝土路面全生命周期产生的环境影响,并结合雨水管理模型(storm water management model, SWMM)模拟透水铺装在使用阶段的环境效益,对比了不同维护方式给透水水泥混凝土路面环境影响带来的变化。结果表明:透水水泥混凝土路面在生产阶段的水泥投入,是造成其生命周期环境影响的主要因素,但其在使用阶段因透水和净水作用产生的环境效益可以抵消部分其他阶段产生的环境影响。从环境角度而言,日常清扫+高压冲洗是透水水泥混凝土路面最佳的维护方式。但是由于使用年限可影响不同维护方式的环境表现,建议综合考虑使用年限选择适合的维护方式,以降低透水水泥混凝土路面的资源环境影响。因此,LCA与SWMM的耦合应用可以更准确地量化透水铺装全生命周期环境效益及其关键影响因素。该方法有望应用于其他低影响开发(low impact development, LID)设施甚至整个海绵城市资源环境影响的系统评价。     

生物炭墙对紫色土坡耕地中氟苯尼考迁移影响

采用实验室批量平衡实验,研究紫色土坡耕地土壤中氟苯尼考吸附-解吸特征及生物炭施用的影响,此外,开展野外坡底生物炭（重量占比5%）可渗透反应墙的构建试验,观测自然降雨条件下该反应墙对坡耕地小区中氟苯尼考随地表径流与下渗水迁移的影响.结果表明,氟苯尼考在紫色土中的等温吸附行为符合Freundlich方程,在低浓度范围内（<2mg/L）,生物炭的施用一方面提高了其在紫色土中的吸附量,吸附过程可能以内扩散为主,另一方面,显著降低其解吸量;紫色土坡耕地中的淋溶作用是氟苯尼考的主要迁移方式;坡底生物炭（5%）渗透墙的构建有效地减控了其在紫色土中的淋溶迁移以及深层侧向迁移.     

纳滤膜截留特性与膜基本特征之间关系的研究

选择DF10、DF30、DF90 3种纳滤膜对无机盐(NaCl和CaCl_2)、微量有机物(药物及个人护理品)、富里酸溶液进行纳滤实验,考察具有不同物理化学特性的膜对不同种类溶质的截留能力差异.结果表明,膜孔大小和带电量共同决定了纳滤膜对无机物的截留率,而微量有机物和天然有机物的截留率主要由膜孔径决定.膜活性层厚度很大程度上影响了膜的透水系数;膜的透水系数与NaCl截留率呈现负相关;膜的截留分子量越小,其对有机物的截留率越高;脱盐(NaCl)能力不一定正相关于有机物截留率,也不正相关于CaCl_2截留率.研究发现,DF30具有低无机物截留、高有机物截留的特性,这与其截留分子量适中、膜表面电荷密度低、活性层厚度小等物化性质密切相关.     

低影响开发对城市内涝节点雨洪控制效果研究——不同降雨特性下的情景模拟

以中国福建省福州市晋安区解放溪流域高密度居民住宅区为例,针对不同降雨重现期、降雨历时和雨峰系数的降雨情景,利用PCSWMM模型模拟该地区的雨洪情况,并运用模型的低影响开发（LID）模块,研究7种不同LID用地布局情景对研究区内涝节点的雨洪控制效果.情景模拟结果表明：在不同降雨情景下,各LID用地布局情景会使节点的洪峰流量减小、积水时间减少、积水深度变小;植被浅沟措施和植被浅沟&绿色屋顶组合措施会使节点SS峰值浓度高于现状用地,其余布设情景下,SS峰值浓度均减小.LID措施对节点流量和水质的控制效果在低降雨重现期和长降雨历时的降雨情景下较为有效.在单个LID布设情景中,渗透铺装措施控制最佳,而组合LID布设情景中,渗透铺装&植被浅沟&绿色屋顶是最佳的组合控制措施.研究结果可为南方城市居民区实施海绵城市建设提供技术支持,并为地方制定相关规范和标准提供参考和借鉴.     

基于生命周期思想的透水铺装资源环境影响评价述评

透水铺装作为典型的海绵城市设施,具有城市雨水径流减排、水质净化等多种环境效益,但在材料制备、施工、维护管理过程中相对于传统铺装资源能源消耗有所增加,亟须应用生命周期评价这一系统分析方法,开展透水铺装的资源环境效益的综合评估。通过文献述评,总结了生命周期评价方法应用于透水铺装评估的现状与面临的挑战,并提出了相应对策:将运行维护阶段纳入评价系统边界,有助于提升透水铺装资源环境评价的全面性;针对生命周期评价结果难以指导工程设计的问题,建议将生命周期评价与建筑信息模型相结合,优化透水铺装的绿色设计;针对透水效应动态变化等生命周期环境影响评价方法问题,建议将水文模型引入整体评估方法。通过上述角度的提升,生命周期评价方法有望为透水铺装的政策制定、规划设计、施工养护等全过程提供参考数据与优化方案,助力海绵城市建设乃至城市生态系统的良性发展。