建筑廢棄料對改良土壤蓄滲效果的試驗及模擬研究

周倩倩， 李阿婷， 饒宇銳， 任 毅， 王和平

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 2.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司， 廣東 廣州 510610)

1 研究背景

近年來, 受極端水文氣候的影響, 我國多個地區(qū)頻繁遭遇強(qiáng)降雨襲擊[1]。為了降低城市洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率，恢復(fù)城市化開發(fā)前的水文環(huán)境，我國“十三五”規(guī)劃綱要提出要建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的“海綿城市”，低影響開發(fā)(LID)措施如雨水花園、生物滯留池、下凹式綠地等在城市建設(shè)中倍受重視[2-4]。近年來，生物滯留池在有效控制雨水徑流水量和有效改善雨水徑流水質(zhì)等方面取得了顯著效果，生物滯留池已快速成為國內(nèi)外最高效的LID工程措施之一[5-6]。研究證明，生物滯留池能有助于減少雨水徑流量、削減徑流的峰值流量和低滲透集水區(qū)的洪水量[7-9]；同時還可以去除一定量的固體懸浮物、TN和重金屬鎘(Cd)、銅(Cu)、鉛(Pb)和鋅(Zn)等污染物，其中尤以包含粉煤灰和砂混合物的人造填料效果最佳[10-13]。另針對建筑垃圾在土壤蓄滲改良中的研究表明，建筑垃圾可用作雨水儲備層，但需合理確定其粒徑級配、填充次序和填充厚度[14]。固結(jié)砂漿和加氣混凝土磚塊兩種建筑廢棄料可有效提高土壤滲透能力，對pH的緩沖容量也有相應(yīng)提高[15-16]。

由上述學(xué)者對建筑垃圾在土壤蓄滲改良的研究可知，土壤入滲性能的改良是一個較為復(fù)雜的過程，需系統(tǒng)性地測試填充材料和方式對土壤理化性狀的影響機(jī)理。目前針對建筑材料在土壤滲蓄改良的研究仍十分有限，難以形成系統(tǒng)性的對比分析和理論方法。因此建立可靠的建筑材料-土壤蓄滲能力的改良模型，對建筑廢棄料在城市土壤蓄滲改良中的工程設(shè)計和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。通過對建筑垃圾在生物滯留池中的合理利用，使生物滯留池對雨水呈現(xiàn)出海綿特性，既可滿足在快速發(fā)展的城市中達(dá)到吸納和調(diào)控雨水徑流的目的，又可有效削減初期雨水的徑流污染，且經(jīng)濟(jì)上合理, 環(huán)保效果突出, 還可增加城市的美觀性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

鑒于此，本項目通過將生物滯留池典型構(gòu)造中原有的換土層改造成為舊建筑拆除過程中產(chǎn)生的建筑廢棄料層，科學(xué)合理地將建筑垃圾應(yīng)用到改善土壤滲蓄的研究中來，利用自制濾柱裝置，以不同粒徑建筑廢棄料作為研究對象，優(yōu)化土壤的蓄滲條件。

根據(jù)試驗結(jié)果，基于SWMM中已開發(fā)的LID 模型——生物滯留池，定量化模擬濾柱裝置的水文過程，經(jīng)參數(shù)率定后的模型結(jié)果為生物滯留池提供了合理參數(shù)設(shè)定，也為華南地區(qū)大規(guī)模推廣海綿城市低影響開發(fā)措施中的土壤蓄滲改造提供了科學(xué)參考。

2 試驗條件

2.1 裝置與材料

試驗主要裝置為4根各層填充高度根據(jù)《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》復(fù)雜型生物滯留設(shè)施典型構(gòu)造設(shè)計而成的自制濾柱，如圖1(a)所示。整個濾柱高為1 505 mm(不包含底座高度),內(nèi)徑為90 mm，內(nèi)含蓄水層、覆土層、廢棄料層、砂層、礫石層和集水層；4根濾柱實物圖如圖1(b)所示，填充層部分從左至右分別為純土層和0.5～2 mm、2～5 mm、5～9 mm建筑廢料層。

圖1 自制濾柱示意圖和自制濾柱實物圖

試驗初始土壤采自廣東省廣州市番禺區(qū)瀛洲生態(tài)公園，土壤成分經(jīng)測定黏粒含量為38.41%，粉粒含量為39.74%，砂粒含量為21.85%，屬于華南地區(qū)典型的黏壤土。采回土壤經(jīng)初步敲碎，置于烘箱烘干，過5 mm篩處理，與海砂粒按1∶1混合制備試樣。試驗所用建筑廢棄料為廣東工業(yè)大學(xué)流體力學(xué)試驗室旁某建筑現(xiàn)場收集的落地灰數(shù)桶，經(jīng)過相應(yīng)目數(shù)篩網(wǎng)篩分而成。

2.2 模擬方法與試驗結(jié)果

模擬降雨前初步調(diào)試4個濾柱，使其在同樣的水分含量和空氣濕度中放置0.5 h，試驗根據(jù)廣州市水務(wù)局印發(fā)文件《廣州市中心城區(qū)暴雨公式及計算圖表2012年》中的單一重現(xiàn)期暴雨強(qiáng)度公式，采用了均一降雨強(qiáng)度，設(shè)置多組設(shè)計暴雨重現(xiàn)期1a(雨強(qiáng)55 mm/h)、5 a(雨強(qiáng)76 mm/h)，根據(jù)式(1)得出重現(xiàn)期為1 a時恒定進(jìn)水負(fù)荷為0.097 mL/s，重現(xiàn)期為5 a時恒定進(jìn)水負(fù)荷為0.13 mL/s。通過測量降雨經(jīng)過不同濾柱滯留作用后下滲的雨水量，確定不同設(shè)計暴雨重現(xiàn)期與濾柱填充方式對土壤滲透性的改善效果以及對滲流總量的控制效果。

進(jìn)水負(fù)荷=恒定進(jìn)水雨強(qiáng)×濾柱面積

(1)

試驗結(jié)果通過濾柱下滲速率隨不同降雨重現(xiàn)期、不同建筑廢棄料粒徑級配隨時間的變化得以體現(xiàn)，據(jù)其變化曲線(如圖2)可知：(1)建筑廢棄料的使用能有效增強(qiáng)土壤蓄滲效果，這是由于華南地區(qū)紅壤土本身土質(zhì)黏重，滲透性極低，適當(dāng)施加土壤蓄滲改良材料十分必要。(2)各個重現(xiàn)期下粒徑級配為5～9 mm的建筑廢棄料在華南地區(qū)土壤蓄滲效果改善方面表現(xiàn)出最佳的效果，這是由于隨著建筑廢棄料粒徑級配的增加，除了粒徑與粒徑之間縫隙增大外，該級配本身孔隙率較大顆粒含量也增多。而在0.5～5 mm的粒徑范圍之內(nèi)，下滲速率隨粒徑級配的遞增而增大的趨勢還不是十分顯著，容易受其他因素的影響，如進(jìn)水?dāng)_動引起的覆土層特征(厚度等)改變、各濾柱材料層無法保證填充高度完全均一等等。但若考慮到水質(zhì)情況，介于污染物削減需要合理停留時間，故粒徑級配可能需要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

隨著降雨重現(xiàn)期的增加，各粒徑建筑廢棄料的峰值下滲速率(即下滲速率變化曲線峰值)逐漸增加(如圖3)的同時，產(chǎn)滲流時間和峰值下滲速率出現(xiàn)時間也隨之提前，這是因為隨著降雨強(qiáng)度的增加，單位時間內(nèi)滲入同一濾柱區(qū)域單位面積的雨量也隨之增加。而各濾柱徑流總量的削減率通過以公式(2)求的，結(jié)果如圖4所示。由圖4可得，隨著重現(xiàn)期的增加，各濾柱對徑流總量的削減率也隨之增加，且建筑廢棄料的粒徑級配越大，其滲水性能增強(qiáng)的同時，保水性能相應(yīng)減弱。

該研究首席作者、達(dá)爾豪斯大學(xué)生物學(xué)教授阿拉斯泰爾·辛普森說：“它是生命之樹的一個分支，可能已經(jīng)分離超過十億年，我們沒有任何有關(guān)它的信息。它開啟了一扇新的大門，有助人們了解復(fù)雜細(xì)胞的進(jìn)化以及它們的古老起源?！?/p>

徑流削減率=(雨量-滲流量)/雨量×100%

(2)

圖2 下滲速率變化曲線

圖3 峰值下滲率隨降雨強(qiáng)度的變化

圖4 各濾柱徑流量削減率曲線

3 SWMM模擬

3.1 SWMM模擬與LID模塊

SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)是一個動態(tài)的降水-徑流模擬模型,主要被用于模型適應(yīng)性的檢驗及模型參數(shù)的識別、城市暴雨洪水地表徑流及其污染過程的模擬、城市低影響開發(fā)效果的模擬、與其他模型軟件的耦合應(yīng)用模擬等方面。SWMM最新版本包含水文、水力、水質(zhì)模塊，水文模塊增設(shè)LID控制區(qū)，用于研究不同LID措施諸如生物滯留池、滲透鋪裝、雨桶等對雨水徑流和水質(zhì)的控制效果，通過與SWMM水力模塊的結(jié)合，有效評估LID水文效應(yīng)[2,17]。

LID控制通過多個填充豎向?qū)拥慕M合表示，其水流路徑如圖5(a)所示。根據(jù)試驗實際情況，選定LID模塊為生物滯留池，生物滯留池分為表面層(surface)、土壤層(soil)、蓄水層(storage)和排水層(drain)4大板塊，如圖5(b)所示。表面層實為種植層，可通過種植各類植物以截留進(jìn)入生物滯留池的雨水；表面層設(shè)置蓄水厚度、植物覆蓋小數(shù)、表面覆蓋度、表面坡度4個參數(shù)模擬表面積水、植物覆蓋比例等情況；入滲后的雨水流經(jīng)土壤層，該層設(shè)置土壤厚度、孔隙率、產(chǎn)水能力、傾斜點、導(dǎo)水率、導(dǎo)水率坡度、吸水頭7個參數(shù)模擬土壤層土壤厚度、孔隙率、相對于土壤允許完全排干之后總?cè)莘e的孔隙水容積等情況；經(jīng)土壤層雨水繼續(xù)往下滲即是蓄水層，蓄水層設(shè)置蓄水層高度、孔隙比、過濾速度、堵塞因子等參數(shù)用于描述該層高度、相對于層中固體容積的空隙容積、可以流過層底水的最大速率等情況；蓄水層下滲后的雨水通過排水層向外排出，排水層相當(dāng)于暗渠系統(tǒng)，從底部收集蓄水并輸送至常規(guī)雨水管渠，該層包含排水指數(shù)、暗渠偏移高度等數(shù)據(jù)輸入域。4個板塊各個參數(shù)詳細(xì)取值依據(jù)和取值范圍見表1。

表1 LID參數(shù)設(shè)置表

圖5 LID水流路徑和生物滯留池示意圖

3.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)試驗條件，在SWMM中建立一個與自制濾柱面積相一致的子匯水區(qū)域模型，布置管渠匯集子匯水區(qū)出水，構(gòu)建LID生物滯留池模塊對自制濾柱出流過程進(jìn)行模擬。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下。

3.2.1 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置 參考SWMM模型手冊和試驗實際情況，子匯水區(qū)參數(shù)及管段參數(shù)設(shè)置如表2所示。模擬選用的下滲模型為霍頓下滲。雨量與試驗條件保持一致，故選用均一雨強(qiáng)降雨，根據(jù)試驗條件，選取0.5 h后開始降雨，2.5 h后降雨結(jié)束。雨量計雨強(qiáng)設(shè)置55 mm/h為1 a重現(xiàn)期，76 mm/h為5 a重現(xiàn)期，雨量計記錄時間間隔取0.01 h。表2中未提及的參數(shù)均采用SWMM軟件默認(rèn)值，無需設(shè)置與率定。

3.2.2 LID參數(shù)設(shè)置 子匯水區(qū)域?qū)傩灾性O(shè)置LID模塊1個，即生物滯留池單元，其面積與子匯水區(qū)域面積相一致。LID控制編輯器定義可以在整個研究面積使用的低影響開發(fā)控制區(qū)域，用于表達(dá)子匯水面積徑流的儲存、下滲和蒸發(fā)?？刂凭庉嬈魇菍挝幻娣e進(jìn)行設(shè)計，以便在不同尺寸的研究區(qū)放置任意數(shù)量子匯水區(qū)域，或者對研究區(qū)進(jìn)行任意數(shù)量的重復(fù)。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)試驗，建立與自制濾柱面積相一致的子匯水區(qū)域模型，布置管渠匯集子匯水區(qū)出水，選取徑流減排效果明顯優(yōu)于0.5～2 mm和2～5 mm兩種粒徑建筑廢棄材料的5～9 mm建筑廢棄料材料作為參數(shù)調(diào)試模擬對象，通過參數(shù)率定過程，使得SWMM模擬運行結(jié)果與試驗所得下滲速率變化曲線大致相符。其參數(shù)選擇結(jié)果見上文3.2節(jié)所示。

模擬結(jié)果見圖6。由圖6可知，在重現(xiàn)期為1 a的情況下，自制濾柱出流的試驗值與SWMM模擬值整體擬合程度極高，下滲出流開始時間均為2 h左右，峰值下滲速率出現(xiàn)時間、峰值下滲速率數(shù)值量等參數(shù)亦接近一致。

而在重現(xiàn)期為5 a的情況下，雖然模擬值的產(chǎn)滲流和峰值下滲速率出現(xiàn)時間滯后于實測值1 h，但模擬值與實測值的峰值下滲速率數(shù)值量和下滲曲線形狀基本一致，參數(shù)率定后的結(jié)果對不同雨強(qiáng)下模型與實測的擬合程度會存在允許范圍內(nèi)的差異，這并不影響整個模型的外延。

表2 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置表

圖6 1a重現(xiàn)期和5a重現(xiàn)期模擬值與實測值對比

5 結(jié) 論

(1)提出將建筑廢棄料運用于土壤滲透性改善的新思路，初步實現(xiàn)建筑廢棄料的資源化管理，在一定程度上可解決大量建筑垃圾增長帶來的一系列環(huán)境問題。作為一種新型填充材料，建筑廢棄料對土壤的改性應(yīng)用在緩減排水壓力、徑流總量控制等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

(2)通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，相同重現(xiàn)期下，尤以5～9 mm的建筑廢棄料對徑流雨水總量削減作用效果最佳，即其更能針對性解決華南地區(qū)典型黏重紅壤土土壤板結(jié)、滲透性極低等問題，但若考慮到水質(zhì)方面，則需對粒徑級配進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整；隨著降雨重現(xiàn)期的增加，各粒徑建筑廢棄料作用下的總徑流下滲速率逐漸增加，產(chǎn)滲流時間和峰值下滲速率出現(xiàn)時間也隨之提前。

(3)要使基于LID理念構(gòu)建的研究區(qū)域SWMM 模型能夠更加精準(zhǔn)和可靠地評估不同試驗條件下的水文過程，必須利用試驗所得數(shù)據(jù)對其進(jìn)行參數(shù)率定，準(zhǔn)確的模擬過程方可為新型填充材料在不同空間尺度、下墊面條件和雨洪情景下的推廣提供科學(xué)支持。

(4)本文僅著重研究了建筑廢棄料對徑流總量削減的影響效果，近期將開展生物滯留池的新型填充材料對區(qū)域雨水水質(zhì)和水量雙重處理作用的探討，進(jìn)一步實現(xiàn)城市水資源的綜合利用，為海綿城市可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。