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路面径流污染原位控制技术及其净化效能研究

寇长江  
【摘要】:本文的研究工作是在国家自然科学基金项目“原位生态渗-滤技术阻滞道路径-渗流污染的作用机理及方法”(NO.51578481)的资助下开展的。密集的道路交通网络在为城市带来高度通达、集散功能的同时,也由于频繁交通活动所致的尾气排放、敞式运输、车辆扬尘、轮胎制动、部件磨损以及油分渗漏等原因,成为面状污染最主要的来源之一,路面径流排放、下渗对周围水系和地下水环境造成的影响已经成为道路生态化建设亟待解决的重要问题。本文通过大量文献与实地调研,在综合比对种植林带、人工湿地、生物滞留设施、渗滤系统与透水铺装等污染处治措施及其净化效能的基础上,提出了基于渗滤系统和透水铺装等原位污染控制技术,通过“径流转变为渗流”实现道路面源污染净化的基本思路,并设计了合理的净化介质与渗流路径,从试验、数值层面论证了路面径流污染原位控制技术的可行性。首先,准确评估不同类型路面径流污染物的时空分布特征是进行原位污染控制措施设计的依据和前提。通过实地采样与测试,对水泥混凝土、密实沥青混凝土、透水沥青混凝土三种不同道路路面形式的产流过程、径流污染物浓度水平与时空分布特征进行了探究,发现水泥混凝土路面和密实沥青混凝土路面的产流过程为“冲刷-浸润-径流”,透水沥青混凝土路面的产流形式为“冲刷-浸润-渗流-径流”,“渗流”过程和丰富的空隙空间赋予透水沥青混凝土路面较强的污染截留和保持能力,而较小的表面构造特性使水泥混凝土路面的污染保持能力远远低于密实沥青混凝土路面,故透水沥青混凝土路面、传统的水泥混凝土路面、密实沥青混凝土路面,径流水样污染程度依次加深。除了不同类型路面产流特征,路面径流污染物的空间分布特征还受到路段交通特征和周边环境的影响,在交叉口与人行横道附近表现出悬浮物、重金属污染富集的现象,在商业区附近表现出有机污染物升高的现象;在路面径流污染物的时间分布特征方面,基于密实沥青混凝土路面径流污染物累积分布曲线,提出了冲刷高峰时点tm、累积最大冲刷浓度Cm和冲刷强度Fm等量化指标来表征路面径流污染物的初期冲刷效应时域和强度。其次,调研结果充分说明了透水沥青混凝土路面在净化路面污染、削减降雨洪峰等方面的优势。基于此,研究设计了“全渗透式”道路断面的基本形式,确定了包括透水沥青混凝土路面、多孔水泥混凝土边坡、矿物材料净化层和生物废料改良土4种净化介质组成的渗流路径,对不同配(合)比的净化介质进行了室内制备、基本性能测试,确定了干法撒布沉积土与湿法化学试剂法投放相组合的污染物输入方式,并设计、开展了不同配(合)比的净化介质的室内净化试验。对不同净化介质的模拟试验结果表明:透水沥青混凝土和多孔水泥混凝土的空隙率变化主要影响SS及附着其上的那部分污染物的净化率,对溶解分散于水样中的其他污染物的净化率影响较小;不同矿物材料净化层的内部孔隙结构、表面物化特性不同,对SS的净化率普遍较高,沸石、硅藻土对TP的净化率较高,而沸石、陶粒对重金属Pb和Zn的净化能力突出;对土壤的改良处理不利于SS的净化,生物废料的掺配主要提升土壤的重金属净化能力。根据净化介质的初始净化能力,绘制了初始净化等级示意图,并从空间布局、层位布局、材料混合、净化增强四个层面给出了适用于不同污染物浓度水平与净化等级要求的净化介质组合方法。此外,还对净化前后径流水样中悬浮颗粒粒径范围、峰形特征及最频粒径的变化规律进行了分析,发现透水沥青混凝土主要截留大粒径颗粒,多孔水泥混凝土主要截留大粒径和中等粒径的颗粒,而矿物材料净化层对各个粒径范围的颗粒均具有较好的截留作用。室内净化试验还针对大空隙/多孔材料容易堵塞而引起的排水能力衰减问题,考虑雨前晴天风干作用对堵塞进程的影响,对不同配(合)比的净化介质进行了径流水样污染物总量等效年限为10年长期净化效能试验,对渗透系数与污染净化率的同步测定结果表明,风干效应虽然会引起路面结构空隙内沉积物的絮凝、成团、结硬,加速空隙空间排水能力的衰减进程,但能够促进溶解态污染物向悬浮颗粒的附着过程,增加各种污染与净化介质的接触时间,有利于污染物的净化,且截留颗粒和空隙内壁组成的新空隙结构能够显著提高净化介质对各种污染物的截留、净化能力。对于长期服役过程的堵塞问题,基于空隙衰变引起的排水能力衰减而净化能力增强的规律,提出了“平衡法”、“最大污染净化率法”和“排水能力优先法”等确定净化介质清理时间节点的方法。为确定降雨强度、几何坡度、组合形式对实际净化效能的影响,建立与室内净化试验的联系,实现路面径流污染物的定量管理,构建了包括人工模拟降雨平台和道路集成平台的足尺试验系统,对单(双)层沥青混凝土路面、不同坡度多孔水泥混凝土边坡及两种矿物材料净化层进行人工模拟降雨试验。率定试验表明人工降雨的均匀性和重复性均能满足试验要求,不会对实验结果造成影响。对于边坡部分,坡度的增加会明显降低多孔水泥混凝土对径流污染的净化能力;对于路面部分,通过计算不同空隙率透水沥青混凝土所能承受的极限降雨强度确定了合理的降雨强度范围与梯度,并以相同空隙率透水沥青混凝土的室内净化试验结果和近似降雨强度人工模拟降雨试验结果为参照,分别提出了调整系数α、层系数β、降雨强度折减系数y,同时实现不同影响因素的定量评价和与室内净化试验的转换;两种组合形式(2#仓室和3#仓室)对六种污染物的综合净化率均达到了较高的水平,不同材料所发挥的作用与室内净化试验结果相符。最后,基于一定的简化、概化条件,建立了道路结构及其地下水环境的有限差分模型和污染物运移模型,初步探究了路面径流入渗部分对其污染羽的影响,运行结果表明:污染物在道路及其地下水环境中的入渗与迁移过程受到介质分界面、地下水位线、距离排水区域的距离等因素的影响,表现出有规律的时间、空间的累积现象,且在相同或类似的地质条件下,整个区域的浓度水平则主要受到污染物补给浓度(路面径流污染浓度与原位控制技术污染截留量的差值)的影响。模型能够对输入(补给)、输出(观测井)模拟区域的污染物随时间和空间的变化进行有效预测,可以作为原位控制技术实施后道路地下水环境污染羽评估、管理的有效手段。研究成果将为推动路面径流污染原位控制技术的发展和实施前后道路环境污染状况的定量评估提供理论基础。


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