李俊奇團(tuán)隊(duì) | 綜述：滲排型透水鋪裝運(yùn)行維護(hù)研究

作為雨水源頭控制措施，滲排型透水鋪裝具有良好的徑流控制效能，可有效削減徑流體積、降低和延遲徑流峰值、控制徑流污染。然而，大氣沉降、雨水沖刷等各種因素易導(dǎo)致沉積物進(jìn)入透水鋪裝并造成堵塞，進(jìn)而降低徑流控制效能。合理的維護(hù)措施可有效緩解透水鋪裝的堵塞并恢復(fù)其滲透性。綜述了滲排型透水鋪裝在徑流控制、堵塞、維護(hù)等方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了徑流控制效能的影響因素、堵塞及維護(hù)機(jī)理，并在徑流控制效能量化、堵塞緩解、維護(hù)優(yōu)化等方面提出了建議。

透水鋪裝作為雨水源頭控制措施，具有良好的徑流控制效能，在海綿城市建設(shè)中被廣泛使用。透水鋪裝的常見(jiàn)構(gòu)造由上到下依次為面層、找平層、基層、底基層和原位土。根據(jù)基層是否透水，透水鋪裝可分為全透水鋪裝和半透水鋪裝，全透水鋪裝被廣泛用于停車位、景觀硬地等，半透水鋪裝則適用于輕型荷載道路等。根據(jù)面層結(jié)構(gòu)的不同，透水鋪裝可分為透水磚鋪裝、現(xiàn)場(chǎng)碾壓制作整體成型的無(wú)縫透水鋪裝（簡(jiǎn)稱為“無(wú)縫透水鋪裝”）。透水磚鋪裝包括水泥透水磚鋪裝(Permeable interlocking concrete paver pavement, PICP)、陶瓷透水磚鋪裝、網(wǎng)格磚鋪裝(Concrete grid paver pavemen, CGP)、結(jié)構(gòu)透水磚鋪裝。CGP還可分為嵌沙磚鋪裝(Sand-embedded CGP, SD-CGP)、嵌草磚鋪裝(Grass-embedded CGP, GS-CGP)、嵌石磚鋪裝等。無(wú)縫透水鋪裝有透水水泥混凝土鋪裝(Pervious concrete pavement, PCP)、透水瀝青混凝土鋪裝(Porous asphalt pavement, PAP)，碎石鋪裝(Gravel pavement, GP)等。

01 滲排型透水鋪裝徑流控制

1.1 徑流控制機(jī)理

滲排型透水鋪裝的徑流控制效能與徑流下滲密切相關(guān)，下滲過(guò)程可分為3個(gè)階段，先后依次分別為“表面下滲階段”“內(nèi)部滯留階段”“儲(chǔ)水排放階段”。透水鋪裝主要通過(guò)吸附、毛細(xì)、過(guò)濾、儲(chǔ)存、滲透等作用削減徑流體積，降低和延遲徑流峰值，控制徑流污染物。

1.2 徑流控制效能量化方法

COLLINS等采用徑流體積削減率、峰值削減率、峰值延時(shí)量化滲排型透水鋪裝的水量控制效能，無(wú)表面徑流時(shí)，滲排型透水鋪裝的峰值削減率、峰值延時(shí)是針對(duì)下滲出流而言。徑流體積削減率、峰值削減率、峰值延時(shí)與有無(wú)匯水區(qū)有關(guān)。透水鋪裝的徑流體積削減率是基于入流體積，無(wú)匯水區(qū)時(shí)入流體積為透水鋪裝上的直接降雨量，有匯水區(qū)時(shí)入流體積包括透水鋪裝上的直接降雨量和匯水區(qū)的入流體積，匯水區(qū)入流體積可采用雨前干期的“徑流曲線數(shù)值法(CN)”和徑流系數(shù)法計(jì)算。無(wú)匯水區(qū)時(shí)透水鋪裝的徑流峰值削減率、峰值延時(shí)是基于不透水鋪裝表面徑流或鋪裝內(nèi)的降雨。KUICHLING等采用“比值法”計(jì)算匯水區(qū)的入流峰值。當(dāng)匯水區(qū)面積遠(yuǎn)大于監(jiān)測(cè)的透水鋪裝面積時(shí)，鋪裝內(nèi)的降雨峰值可忽略，匯水區(qū)徑流峰值可代表透水鋪裝的入流峰值；但是，當(dāng)匯水區(qū)面積小于和接近透水鋪裝面積時(shí)，鋪裝內(nèi)的降雨峰值不可忽略，入流峰值需同時(shí)考慮匯水區(qū)徑流和鋪裝內(nèi)降雨。

BOOTH等將下滲出流水質(zhì)與不透水鋪裝表面徑流水質(zhì)作比較，采用不同水質(zhì)指標(biāo)的削減率來(lái)量化透水鋪裝的水質(zhì)控制效能，監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)主要有TSS、TOC、TN、TP、Cu、Pb、Zn等。透水鋪裝還可有效控制雨水徑流的熱污染，因此除上述常規(guī)監(jiān)測(cè)指標(biāo)外水體溫度的監(jiān)測(cè)也十分重要。

1.3 水量控制效能及其影響因素

不同監(jiān)測(cè)條件下滲排型透水鋪裝水量控制效能見(jiàn)表1。由于鋪裝結(jié)構(gòu)（即使面層結(jié)構(gòu)相同）、原位土滲透率、IWS、降雨條件、匯水區(qū)等影響因素的差異，監(jiān)測(cè)結(jié)果變化顯著。透水鋪裝水量控制效能與單因素或多因素的關(guān)系尚不明確，如何將單因素影響耦合為多因素影響也需進(jìn)一步研究。由于我國(guó)地域環(huán)境差異較大，透水鋪裝水量控制效能的量化應(yīng)考慮地域特征，如北方城市的冰凍和融雪劑使用、南方城市的濕度和高水位等。

1.3.1 內(nèi)在因素透

透水鋪裝水量控制效能影響因素按是否與自身特性有關(guān)分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素有面層滲透率、鋪裝面層結(jié)構(gòu)、IWS、鋪裝底部和四周的滲透率、鋪裝表面凹陷程度、鋪裝內(nèi)孔隙毛細(xì)力和材料表面吸附力等。滲排型透水鋪裝的水量控制效能與面層滲透率成正相關(guān)。透水鋪裝面層結(jié)構(gòu)除與面層滲透率緊密相關(guān)外還影響雨水下滲流徑和表面流徑。不同面層結(jié)構(gòu)的透水鋪裝的徑流控制效能差異顯著。

1.3.2 外在因素

外在因素有匯水區(qū)不透水面積與透水鋪裝面積的比值（匯水面積比）、降雨特征，其中，降雨特征包括降雨量、降雨強(qiáng)度、雨前干期。匯水面積比的范圍為0~21.9，匯水面積比與水量控制效能成負(fù)相關(guān)。COLLINS等采用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)降雨量、降雨強(qiáng)度分別與徑流體積或徑流峰值成正相關(guān)，而與峰值延時(shí)成負(fù)相關(guān)，雨前干期與徑流體積、徑流峰值、峰值延時(shí)的相關(guān)性與降雨量相反。與其他降雨特征相比，降雨量、降雨強(qiáng)度分別對(duì)徑流體積、峰值延時(shí)的影響最顯著，降雨量和降雨強(qiáng)度對(duì)徑流峰值的影響程度接近但顯著高于雨前干期。由于自然降雨的不確定性和雨期有限，外在因素對(duì)水量控制效能影響的量化試驗(yàn)可采用模擬降雨的方式進(jìn)行。

1.4 水質(zhì)控制效能及其影響因素

透水鋪裝能有效控制徑流污染物，鋪裝面層結(jié)構(gòu)對(duì)徑流水質(zhì)控制效能影響明顯，不同面層結(jié)構(gòu)的滲排型透水鋪裝水質(zhì)控制效能見(jiàn)表2。PICP、PCP、PAP對(duì)TSS濃度的控制效能顯著，PICP、PCP、PAP下滲出流的TSS濃度較不透水鋪裝表面徑流分別降低了72%~99%、77%、69%。PAP對(duì)TOC、TN、TP的控制效能低于PICP和PCP，PAP下滲出流的TOC、TN、TP的濃度削減率分別為(-19%)~3%、(-34%)~(-33%)、19%，PICP對(duì)應(yīng)削減率分別為35%~46%、(-24%)~68%、23%~96%，PCP對(duì)應(yīng)削減率分別為24%、(-2%)~64%、58%。PAP對(duì)TOC、TN、TP的控制效能較差的原因可能與PAP自身的瀝青混凝土骨料有關(guān)。所統(tǒng)計(jì)的透水鋪裝都可減少Cu、Pb、Zn的排出，透水鋪裝下滲出流的Cu、Pb、Zn濃度相較于不透水鋪裝表面徑流分別降低了(-59%)~95%、59%~(>95%)、30%~95%。與不透水鋪裝表面徑流相比，PICP、PCP、SD-CGP下滲出流的pH有所上升，上升幅度為9%~27%；GS-CGP、GP、PICP下滲出流的硬度和導(dǎo)電性上升明顯，上升幅度分別為214%~710%、159%~751%。透水鋪裝水量控制機(jī)理和水質(zhì)控制機(jī)理聯(lián)系密切，水量控制效能的影響因素可通過(guò)削減徑流體積的方式影響水質(zhì)控制效能。KIM等發(fā)現(xiàn)TSS削減率與面層滲透率成反比，WARDYNSKI等發(fā)現(xiàn)熱負(fù)荷削減、TSS削減主要與徑流體積削減有關(guān)。

02 滲排型透水鋪裝堵塞

2.1 堵塞機(jī)理

透水鋪裝的堵塞主要由沉積物進(jìn)入孔隙造成。滲排型透水鋪裝在水平方向的堵塞是從其入口向尾部延展；堵塞在水平方向的延展規(guī)律與沉積物進(jìn)入鋪裝的軌跡有關(guān)，有匯水區(qū)時(shí)雨水徑流夾雜沉積物一般從鋪裝入口向尾部流動(dòng)，無(wú)匯水區(qū)時(shí)車胎夾雜的沉積物也因胎與鋪裝入口接觸而掉落。因此，為緩解堵塞，可通過(guò)在鋪裝入口設(shè)溝槽或增大表面孔徑等方式截留沉積物。ZHANG等采用透明骨料和不同顏色的堵塞顆粒來(lái)模擬豎向堵塞過(guò)程，通過(guò)Image J軟件對(duì)圖片分析發(fā)現(xiàn)堵塞面積變化可分為4個(gè)階段：快速增長(zhǎng)、小幅下降、慢速增長(zhǎng)、穩(wěn)定，具體的堵塞機(jī)制是大顆粒沉積物堵塞后小顆粒沉積物在其周圍堵塞。由于自然堵塞緩慢，鋪裝堵塞與維護(hù)的場(chǎng)地試驗(yàn)所需時(shí)間較長(zhǎng)。為了克服上述問(wèn)題，SANDOVAL等在鋪裝表面選取直徑為30 cm的圓形區(qū)域來(lái)模擬堵塞。HU等將沉積物等分后每間隔一段時(shí)間逐份將沉積物沉降到PCP表面來(lái)代表面層滲透率逐漸降低的過(guò)程。HU等灑水直到沉積物無(wú)明顯地進(jìn)入孔隙來(lái)模擬最嚴(yán)重的堵塞。模擬堵塞除了考慮沉積物的質(zhì)量、級(jí)配、有機(jī)物含量、粒徑外，還應(yīng)考慮壓實(shí)度。

2.2 堵塞影響因素

透水鋪裝堵塞與沉積物的質(zhì)量、有機(jī)物含量、級(jí)配、沉積物粒徑與鋪裝表面孔隙的比值等有關(guān)。SANDOVAL等采用模擬堵塞發(fā)現(xiàn)面層滲透率隨著沉積物質(zhì)量的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)（先快速下降，而后慢速下降，最后趨于穩(wěn)定），面層滲透率和堵塞面積分別隨沉積物質(zhì)量的變化趨勢(shì)相似，面層滲透率降低與堵塞面積增加密切相關(guān)。SANDOVAL等還發(fā)現(xiàn)粘土和粘土-沙混合物對(duì)堵塞的影響程度相等，但都高于沙。級(jí)配較多的沉積物比級(jí)配較少的更易造成堵塞，與粒徑為0~0.6 mm的沉積物相比，粒徑為0.6~2.36 mm的沉積物堵塞更嚴(yán)重。ZHOU等采用斷層掃描技術(shù)(CT)和Image J軟件分析混凝土柱發(fā)現(xiàn)當(dāng)沉積物粒徑與孔隙孔徑的比值為0.6~0.8時(shí)堵塞易發(fā)生。NICHOLS等也發(fā)現(xiàn)粒徑為251~550 μm的沉積物造成的堵塞最嚴(yán)重。因此，為了緩解堵塞，可調(diào)整透水鋪裝的設(shè)計(jì)參數(shù)并嚴(yán)格按要求施工，以防止當(dāng)?shù)爻练e物主要粒徑與鋪裝主要孔徑的比值在上述區(qū)間。

沉積物質(zhì)量受使用年數(shù)、大氣沉降、匯水面積比、降雨場(chǎng)次、鋪裝表面骨料脫落、車流量等自然和人為因素影響。SANSALONE等發(fā)現(xiàn)透水鋪裝面層滲透率隨使用年數(shù)的增加呈指數(shù)下降趨勢(shì)。KAYHANIAN等發(fā)現(xiàn)使用年數(shù)和粒徑小于38 μm的沉積物對(duì)鋪裝堵塞影響較大，車流量、植被、大于30 ℃的天數(shù)影響較小，然而CIPOLLA等發(fā)現(xiàn)使用年數(shù)和雨前干期對(duì)堵塞影響較小，前兩者研究結(jié)果的差異可能是場(chǎng)地?fù)P塵和車流量的差異造成的。WELKER等發(fā)現(xiàn)無(wú)雨水沖刷和車輛夾雜時(shí)，孔隙中沉積物主要是鋪裝面層自身脫落的粗顆粒，細(xì)顆粒和有機(jī)物較少。對(duì)于無(wú)縫透水鋪裝，面層構(gòu)造材料脫落是其堵塞的重要原因，在鋪裝施工中應(yīng)著重考慮構(gòu)造材料脫落問(wèn)題。

03 滲排型透水鋪裝維護(hù)

3.1 維護(hù)措施及其機(jī)理

透水鋪裝的堵塞可通過(guò)維護(hù)措施緩解，維護(hù)措施分為單項(xiàng)維護(hù)措施和組合維護(hù)措施。單項(xiàng)維護(hù)措施有：清掃、高壓氣沖、高壓水洗、低壓抽吸、反沖洗、破碎重構(gòu)等。清掃通過(guò)人工、機(jī)械、空氣循環(huán)等方式清除鋪裝表面雜物和破碎磚縫堵塞來(lái)提高鋪裝的面層滲透率，不易清除透水鋪裝表面孔隙的堵塞。高壓氣沖和高壓水洗分別通過(guò)高壓水和高壓氣將一部分堵塞顆粒沖出鋪裝，同時(shí)將另一部分堵塞顆粒沖入鋪裝深層，因此高壓氣沖和高壓水洗可能會(huì)在鋪裝深層形成難以維護(hù)的堵塞。低壓抽吸通過(guò)真空吸取堵塞顆粒，可避免在鋪裝深層形成堵塞，由于磚縫會(huì)降低真空度，低壓抽吸適用于PCP、PAP等無(wú)縫透水鋪裝。與低壓抽吸相比，反沖洗以水為介質(zhì)將堵塞顆粒從鋪裝中吸出，ZHAO等發(fā)現(xiàn)其維護(hù)效能優(yōu)于清掃、低壓抽吸、高壓水洗。由于堵塞主要發(fā)生在鋪裝表面以下一定深度(25 mm)，WINSTON等對(duì)鋪裝面層通過(guò)破碎重構(gòu)的方式來(lái)恢復(fù)其滲透率。破碎重構(gòu)的深度以破碎后面層滲透率滿足期望滲透率為準(zhǔn)，此維護(hù)措施應(yīng)作為其他維護(hù)措施難以恢復(fù)鋪裝面層滲透率時(shí)采用的最終手段。

組合維護(hù)措施是不同單項(xiàng)維護(hù)措施組合而成，單項(xiàng)維護(hù)措施的不同組合順序具有不同的維護(hù)效能。組合維護(hù)措施可根據(jù)鋪裝面層結(jié)構(gòu)和沉積物特性選擇單項(xiàng)維護(hù)措施及其組合順序，因此組合維護(hù)措施的維護(hù)效能一般優(yōu)于單項(xiàng)維護(hù)措施。組合維護(hù)措施有：低壓抽吸+高壓水洗，低壓抽吸+高壓氣沖，高壓水洗+低壓抽吸，清掃+低壓抽吸等，低壓抽吸常與其他維護(hù)措施組合。

3.2 維護(hù)效能及其影響因素

維護(hù)效能與鋪裝面層結(jié)構(gòu)、維護(hù)措施類型、維護(hù)參數(shù)、維護(hù)周期有關(guān)。根據(jù)初始面層滲透率(Pin)、維護(hù)前面層滲透率(Pre)、維護(hù)后面層滲透率(Pos)計(jì)算滲透比(RS，RS=Pos/Pre)、恢復(fù)率［RI，RI=(Pos-Pre)/Pin］來(lái)表示維護(hù)效能。在不同維護(hù)條件下，不同面層結(jié)構(gòu)透水鋪裝的恢復(fù)率范圍為9%~73%。在相同維護(hù)條件下比較不同維護(hù)措施的維護(hù)效能，CHOPRA等發(fā)現(xiàn)維護(hù)PCP時(shí)維護(hù)措施按維護(hù)效能從高到低排序?yàn)椋海ǖ蛪撼槲?高壓氣沖）=（低壓抽吸+高壓水洗）=（高壓水洗+低壓抽吸）>高壓氣沖=高壓水洗>低空抽吸=機(jī)械清掃，SEHGAL等發(fā)現(xiàn)維護(hù)PCP時(shí)維護(hù)措施按維護(hù)效能從高到低排序?yàn)椋海ǖ蛪撼槲?高壓水洗）=高壓水洗>低壓抽吸，ZHAO等發(fā)現(xiàn)維護(hù)PAP時(shí)高壓水洗和低壓抽吸的維護(hù)效能無(wú)明顯區(qū)別。

維護(hù)參數(shù)包括維護(hù)強(qiáng)度參數(shù)、維護(hù)時(shí)間參數(shù)、其他維護(hù)參數(shù)。維護(hù)強(qiáng)度參數(shù)有氣壓、水壓、真空度、破碎深度等，維護(hù)時(shí)間參數(shù)有單次維護(hù)時(shí)長(zhǎng)、清掃次數(shù)等，其他維護(hù)參數(shù)有維護(hù)噴嘴或吸嘴距鋪裝表面距離、噴射水面或氣面與鋪裝表面的夾角等。維護(hù)效能與維護(hù)強(qiáng)度或維護(hù)時(shí)間參數(shù)成正相關(guān)，不同維護(hù)條件下的維護(hù)效能見(jiàn)表3。雖然一些研究根據(jù)維護(hù)效能對(duì)維護(hù)措施進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但是由于維護(hù)效能隨維護(hù)參數(shù)變化，透水鋪裝的最佳維護(hù)措施還不能確定。維護(hù)措施的評(píng)價(jià)應(yīng)綜合考慮維護(hù)效能、維護(hù)成本、維護(hù)耗能等。SANDOVAL等發(fā)現(xiàn)維護(hù)周期越短維護(hù)前面層滲透率越高而維護(hù)后面層滲透率越低，維護(hù)周期過(guò)短（即維護(hù)越頻繁）可能會(huì)加劇透水鋪裝深層堵塞的形成。目前透水鋪裝的維護(hù)周期、維護(hù)時(shí)長(zhǎng)的選擇尚不清楚，此方面的研究需繼續(xù)深入。

04 結(jié)論和建議

（1）滲排型透水鋪裝具有良好的徑流控制效能，可通過(guò)吸附、毛細(xì)、過(guò)濾、儲(chǔ)存、滲透等作用削減徑流體積，降低和延遲徑流峰值并減少TSS、TOC、TN、TP、Cu、Pb、Zn等徑流污染物的排出，但有時(shí)也會(huì)增加雨水徑流的pH、硬度、導(dǎo)電性。影響透水鋪裝徑流控制效能的主要因素有匯水面積比、降雨量、降雨強(qiáng)度、鋪裝面層結(jié)構(gòu)、IWS，其中，IWS的儲(chǔ)水深度與鋪裝結(jié)構(gòu)安全有關(guān)，最大儲(chǔ)水深度的確定對(duì)滲排型

（2）滲排型透水鋪裝的堵塞集中發(fā)生在鋪裝表面以下的一定深度(25 mm)內(nèi)，從入口向其遠(yuǎn)端延展，堵塞程度先明顯加劇而后趨于穩(wěn)定。影響堵塞的因素主要有沉積物質(zhì)量、級(jí)配、有機(jī)物含量及沉積物主要粒徑與鋪裝表面主要孔徑的比值。合理地設(shè)計(jì)和維護(hù)透水鋪裝可有效緩解堵塞，如在鋪裝入口處設(shè)置截留沉積物的措施，避免沉積物主要粒徑與鋪裝表面主要孔徑的比值在易發(fā)生堵塞的區(qū)間內(nèi)(0.6~0.8)，防止鋪裝面層骨料脫落等。

（3）合理的維護(hù)措施可有效緩解滲排型透水鋪裝的滲透性能，平均恢復(fù)率可達(dá)40%，相較于單項(xiàng)維護(hù)措施，組合維護(hù)措施效能更佳。應(yīng)根據(jù)維護(hù)機(jī)理和鋪裝面層結(jié)構(gòu)靈活選用維護(hù)措施。維護(hù)措施選擇中應(yīng)注意：高壓氣沖和高壓水洗易將部分堵塞顆粒沖入鋪裝深層而形成難以維護(hù)的堵塞，且易造成鋪裝面層骨料的脫落，低壓抽吸易在未抹縫的透水磚鋪裝上因真空度不足而維護(hù)效能不佳。當(dāng)然，維護(hù)措施的評(píng)價(jià)與選用也不能僅考慮維護(hù)效能，還需綜合考慮維護(hù)成本、耗能、耗水等因素。

（4）滲排型透水鋪裝控制效能、堵塞機(jī)理及其維護(hù)措施的效能尚有許多問(wèn)題需要研究，如匯水比、降雨量、降雨強(qiáng)度等因素對(duì)徑流控制效能量化分析欠缺，如何將單因素分析耦合為多因素分析從而構(gòu)建水量水質(zhì)模型也值得進(jìn)一步探討；沉積物粒徑與鋪裝表面孔徑的比值對(duì)堵塞深度的影響還不確定，沉積物質(zhì)量、級(jí)配、有機(jī)物含量、粒徑和鋪裝表面孔徑等堵塞因素的單因素分析和多因素分析也需加強(qiáng)；透水鋪裝的維護(hù)措施、維護(hù)周期、維護(hù)時(shí)長(zhǎng)的最優(yōu)選擇還不確定，周期性維護(hù)是否會(huì)加速鋪裝深層堵塞的形成，為防止骨料脫落高壓氣沖和高壓水洗所允許使用的壓力上限如何，低壓抽吸有效工作的最大磚縫深度如何等。合理地選用、設(shè)計(jì)、維護(hù)透水鋪裝可長(zhǎng)效地控制雨水徑流及其污染。