透水瀝青路面凈化雨水徑流的研究進展

章澤宇，駱輝，荊肇乾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

城市道路雨水徑流對城市生態的負面影響已逐漸被研究人員所重視[1]。城市道路徑流污染物主要來自雨水沖刷路面、大氣濕沉降[2]。經過上述途徑，大氣中的粉塵、灰塵，路面中的SS、各類有機物及Cu、Zn、Pb等重金屬進入雨水徑流中[3]。

透水瀝青路面是由排水瀝青為面層，并可以允許雨水徑流進入路面甚至允許徑流通過路面基層進入路基的一類路面的總稱[4]。20世紀70年代，美國賓夕法尼亞州東南部城市費城修建了一條透水瀝青路面，由于面層易被顆粒物堵塞，該路面在當時并沒有得到推廣[5]。之后隨著土工織物及各類解決方案的出現，堵塞問題得到了很大程度的改善。在美國，透水瀝青路面已大量應用于商業中心停車場、大學操場和廣場等中、輕交通量的區域。20世紀70年代，日本為解決地基沉降問題開啟了透水瀝青路面的研究，如今透水瀝青路面在日本得到了大范圍的應用[6]。我國對透水瀝青路面的研究起步較晚，2012年，《透水瀝青路面技術規程》(CJJ/T 190—2012)正式頒發，明確提出透水瀝青路面在我國城鎮道路工程中的應用[7]。

1 路面徑流水質污染特征

根據我國各城市的道路雨水徑流污染情況可知，道路徑流COD和TN的濃度已遠遠超過《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準，TP的濃度一定程度的超出地表水環境質量Ⅴ類標準，SS的濃度也普遍較高，具體統計數據見表1。

表1 部分城市道路雨水徑流次降雨徑流平均濃度

2 透水瀝青路面類型和結構形式

2.1 國內透水瀝青路面結構和類型

我國透水瀝青路面的主要設計依據是《透水路面技術規程》(CJJ/T 190—2012)，結合道路所在土質與道路用途決定道路具體結構，路面設計時需考慮路用性能和透水性的因素[20]。

透水瀝青路面結構類型可分為以下3種類型(圖1～圖3)。

Ⅰ型透水瀝青路面，也稱排水瀝青路面，徑流通過面層內部向鄰近排水設施流出。

Ⅱ型透水瀝青路面，其面層和基層均具有透水能力。

Ⅲ型透水瀝青路面，也被稱為全透性透水瀝青路面，雨水徑流進入路面后直接進入路基。

圖1 Ⅰ型透水瀝青路面結構Fig.1 The structure of type Ⅰ permeable asphalt pavement

圖2 Ⅱ型透水瀝青路面結構Fig.2 The structure of type Ⅱ permeable asphalt pavement

圖3 Ⅲ型透水瀝青路面結構Fig.3 The structure of type Ⅲ permeable asphalt pavement

Ⅰ型透水瀝青路面具有降噪、路面抗滑性能好和快速排出路面積水等優點。Ⅱ型透水瀝青路面具有Ⅰ型透水瀝青路面的優點，同時可以減少地面徑流量，減輕暴雨時城市排水系統的負擔。Ⅲ型透水瀝青路面兼具上述優點，同時還可以補充城市地下水資源，改善道路周邊的生態環境。

2.2 國外透水瀝青路面結構和類型

以日本、美國為代表的國家是世界上透水性路面材料研究與應用較為先進的國家。在這些國家，高強度、高性能的透水性路面的研究與應用也走在世界的前列。在日本于2007年頒布的《透水路面指南》中，根據透水路面要實現的效果提出了路床滲透型和暫時儲存型兩種透水路面結構[21]。

在美國，透水瀝青路面主要應用于中、輕交通量的區域，特別是停車場、公園道路、小區道路和廣場等場所；美國大部分州也會根據當地的氣候和降雨條件，設置其路面結構形式，但總體來說美國各州透水瀝青路面的大體結構是相似的[22]。以俄亥俄州全透型透水瀝青路面結構形式為例[23]，應用于中、輕交通量的區域的全透型透水瀝青路面可分為兩種類型(圖4～圖5)。街道透水瀝青路面與停車場透水瀝青路面的主要區別在于下臥層的材料和厚度以及是否設置底基層。

圖4 俄亥俄州停車場透水瀝青路面Fig.4 The structure of permeable asphalt pavement in Ohio parking lot

圖5 俄亥俄州街道透水瀝青路面Fig.5 The structure of permeable asphalt pavement in Ohio street

3 透水瀝青路面對地表徑流凈化效果

透水瀝青路面結構由于呈多孔構造，路面徑流在下滲過程中，通過各結構層的過濾、吸附、截留等作用，以及結構層中微生物的凈化作用，起到減少徑流中的有機物、SS和重金屬等污染物數量的作用。

3.1 面層對地表徑流凈化效果

3.1.1 面層空隙率 宋秋霞等[24]研究了不同空隙率的瀝青路面對徑流污染物的去除效果，通過測定5種不同空隙率的瀝青混合料試件對徑流污染物的去除效果，發現透水瀝青路面的空隙率控制在12.1%～23.0%時凈化徑流污染的效果較好，其中SS和濁度的去除率與面層空隙率呈負相關性，對Zn、Pb等重金屬的去除率與面層空隙率呈負相關，但變化幅度不大。

解曉光等[25]研究發現空隙率為19.9%的瀝青混合料對COD和SS的去除率分別為61.3%和62.5%。趙曜等[26]研究發現目標空隙率為20%的瀝青試件對Pb2+去除率在30.4%～34.48%之間。李志霏[27]比較了6種面層材料對雨水徑流的凈化作用，發現在透水瀝青孔隙體積數為1時，對氨氮去除率可達到75%左右，對硝態氮的去除率15%左右；孔隙體積數在5～30之間時，對氨氮去除率在40%～50%之間，對硝態氮的去除率在16%～24%之間；在6種鋪裝系統運行的過程中，透水瀝青系統對于COD和氨氮的去除效果最好；而對于硝態氮的凈化效果是6種透水鋪裝系統中最差的。

3.1.3 運營周期 吳正光等[31]研究發現瀝青混合料對于道路雨水徑流的主要污染物的凈化效果后期污染物負荷影響較大，凈化效果的穩定性較差。解曉光等[30]研究了瀝青混合料在不同年限的降雨沖刷下混合料的去污能力，發現在降雨量達到3年時，COD凈化率開始下降；當降雨量累計達到5年降雨總量時，瀝青混合料對COD的凈化率不足17%；由此可初步推斷，透水瀝青混合料的去除有機污染物的有效年限約為3年。

3.2 基層對地表徑流凈化效果

3.2.1 透水混凝土基層 研究表明[32-33]，多孔混凝土對徑流污染物有良好的去除效果。多孔混凝土作為新型生態材料可代替傳統混凝土作為基層材料，形成透水混凝土基層。許國東等[32]研究認為，采用10～20 mm粒徑的集料所制備的空隙率為 25%的多孔混凝土其水質凈化效果最佳。徐大勇等[33]利用多孔生物質混凝土凈化酸性礦井水，實驗證明，礦井水經過多孔生物質混凝土凈化后COD、TP的濃度明顯降低，去除率可分別達到60%，80%以上。秦新[34]研究表明，透水水泥穩定碎石基層對雨水徑流污染物有一定的凈化作用，其對污染物的去除率的大小為：TP>TSS>COD。

3.2.2 級配碎石基層 蔣瑋等[35]研究表明，級配碎石對Pb和氨氮的去除效果相對較好，徑流污染物經過厚度>15 cm的碎石層后，氨氮的檢測指標相對值降至40%以下，鉛的檢測指標相對值低至檢出限值下，此外級配碎石對BOD、COD、Zn和石油類等也有一定去除效果。解曉光等[36]研究發現，孔隙率為21.8%的水泥穩定碎石基層對COD和SS的去除率分別為47.83%和62.04%，表明碎石基層對COD和SS有一定的去除效果。

李蒙正等[37]實驗表明，基層的厚度對TSS、TP的平均去除率的影響不大，實驗中基層分別設置150 mm和250 mm兩種厚度，結果發現兩種厚度的基層對TSS的去除率都接近100%，TP的平均去除率70%。李陽[38]經過實驗后也得出類似結果，發現基層厚度由150 mm增加到250 mm的過程中，TP去除率從74.6%變為90.8%，而SS、TN和COD的去除率分別保持在90%，10%和40%左右，均未發生明顯變化。

3.2.3 基層材料 王俊嶺等[39]研究了礫石、陶粒、沸石等3種基層骨料在靜態吸附等溫實驗下對徑流污染物的削減效果，發現沸石對污染物的去除效果最好，沸石對COD、TP和Cu的吸附能力比礫石分別高出51%，61%和87%。汪鴻山[28]比較了透水瀝青路面過濾層常用材料沸石、活性炭、火山巖、爐渣以及陶粒對徑流污染物的凈化效果，實驗結果表明，火山巖對徑流中COD的凈化效果優于爐渣和陶粒；但是從過濾層材料對整個徑流污染物凈化效果角度來講，爐渣、陶粒對徑流污染物的凈化效果要優于其他材料，因此陶粒和爐渣可作為透水瀝青路面的優選過濾材料。王祝來等[40]用粉煤灰陶粒對初期徑流雨水進行吸附實驗，結果顯示粉煤灰陶粒能較好地吸附對初期徑流中的COD、TP和TN等污染物，且對同時含有COD、TP和TN的混合液進行吸附實驗時發現，粉煤灰陶粒在混合液中對各實驗指標吸附效果無明顯干擾。

4 透水瀝青路面凈化機理探究

解曉光等[25]認為由于不同空隙率的瀝青混合料對徑流污染物都有一定的去除效果，因此混合料對于污染物的去除是通過孔隙結構的吸附和截留作用去除水體中的有機污染物和固體懸浮物。蔣瑋等[35]認為徑流中的Cu、Pb、Zn和Cr等重金屬污染物主要以吸附態的形式吸附在SS上，并隨著SS的除去而除去。張磊等[41]認為瀝青質可通過氫鍵、范德華力、配位作用、離子交換等作用對重金屬進行物理和化學吸附。趙曜[42]認為透水瀝青路面對徑流中的Pb、Zn的去除主要依靠SS的吸附作用和材料內部微觀孔隙的截留吸附，并深入分析瀝青中不同組分對瀝青薄膜自溶液中吸附的影響，發現瀝青中部分羧酸在水中電離為羧酸根離子和氫離子；而羧酸根離子可與重金屬離子形成較為穩定的螯合物。其作用機理如下：

R-COOH+H2O→R-COO-+H3O+

R-COO-+Pb2+→Pb(RCOO)2↓

2R-COO-+Zn2+→Zn(RCOO)2↓

并發現在pH>7時，該反應向右進行。

Zn2+(aq)+H2O(l)

Zn(OH)+(aq)+H+(aq)

Newman等[44]研究發現滯留在自行開發的能為微生物提供無機養分土工織物薄膜上的油污會成為一些微生物的食物來源，油污經過有氧細菌和真菌的代謝作用轉化為糖分;在經過一定時間的培養后發現在土工織物上已經形成了一個復雜的生物群落，包含了各種細菌、真菌、單細胞微生物和多細胞微生物;由此消除油污對土工織物的堵塞作用，保持土工布的透水暢通。

5 結束語

關于透水瀝青混合料對徑流污染的凈化效果的研究主要集中在混合料空隙率的變化帶來的影響，但改性瀝青對凈化徑流污染的效果方面的研究還有待深入。在今后的研究中，開發出既滿足路用性能又具有更好的凈化功效的改性瀝青，是未來透水瀝青路面研究中值得注意的方向。基層改性的研究和對墊層的關注都有不足，基層和墊層占透水瀝青路面體積相當大比重，因此基層和墊層研究對透水混凝土路面的影響很大。基礎材料的創新與改造是今后的重點研究方向之一。

當前對透水瀝青路面的凈化機理還有待深入研究，在透水瀝青路面中面層空隙是否起主要作用，落干期路面內部是哪些微生物在凈化截留和吸附在各結構層的污染物、微生物對污染物的轉化分解過程，全透式透水瀝青路面的墊層的凈化作用是否明顯等這些都需要進一步的研究。路面在雨水期對COD、TN和重金屬等的去除效果相對有限。以上諸多問題在只有明確路面的凈化機理下，對各方面進行優化設計，才能提高凈化效果。