建筑废弃料对改良土壤蓄渗效果的试验及模拟研究

周倩倩， 李阿婷， 饶宇锐， 任 毅， 王和平

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院， 广东 广州 510006； 2.中水珠江规划勘测设计有限公司， 广东 广州 510610)

1 研究背景

近年来, 受极端水文气候的影响, 我国多个地区频繁遭遇强降雨袭击[1]。为了降低城市洪涝灾害发生频率，恢复城市化开发前的水文环境，我国“十三五”规划纲要提出要建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，低影响开发(LID)措施如雨水花园、生物滞留池、下凹式绿地等在城市建设中倍受重视[2-4]。近年来，生物滞留池在有效控制雨水径流水量和有效改善雨水径流水质等方面取得了显著效果，生物滞留池已快速成为国内外最高效的LID工程措施之一[5-6]。研究证明，生物滞留池能有助于减少雨水径流量、削减径流的峰值流量和低渗透集水区的洪水量[7-9]；同时还可以去除一定量的固体悬浮物、TN和重金属镉(Cd)、铜(Cu)、铅(Pb)和锌(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]。另针对建筑垃圾在土壤蓄渗改良中的研究表明，建筑垃圾可用作雨水储备层，但需合理确定其粒径级配、填充次序和填充厚度[14]。固结砂浆和加气混凝土砖块两种建筑废弃料可有效提高土壤渗透能力，对pH的缓冲容量也有相应提高[15-16]。

由上述学者对建筑垃圾在土壤蓄渗改良的研究可知，土壤入渗性能的改良是一个较为复杂的过程，需系统性地测试填充材料和方式对土壤理化性状的影响机理。目前针对建筑材料在土壤渗蓄改良的研究仍十分有限，难以形成系统性的对比分析和理论方法。因此建立可靠的建筑材料-土壤蓄渗能力的改良模型，对建筑废弃料在城市土壤蓄渗改良中的工程设计和应用具有一定的指导作用。通过对建筑垃圾在生物滞留池中的合理利用，使生物滞留池对雨水呈现出海绵特性，既可满足在快速发展的城市中达到吸纳和调控雨水径流的目的，又可有效削减初期雨水的径流污染，且经济上合理, 环保效果突出, 还可增加城市的美观性，具有广阔的应用前景。

鉴于此，本项目通过将生物滞留池典型构造中原有的换土层改造成为旧建筑拆除过程中产生的建筑废弃料层，科学合理地将建筑垃圾应用到改善土壤渗蓄的研究中来，利用自制滤柱装置，以不同粒径建筑废弃料作为研究对象，优化土壤的蓄渗条件。

根据试验结果，基于SWMM中已开发的LID 模型——生物滞留池，定量化模拟滤柱装置的水文过程，经参数率定后的模型结果为生物滞留池提供了合理参数设定，也为华南地区大规模推广海绵城市低影响开发措施中的土壤蓄渗改造提供了科学参考。

2 试验条件

2.1 装置与材料

试验主要装置为4根各层填充高度根据《海绵城市建设技术指南》复杂型生物滞留设施典型构造设计而成的自制滤柱，如图1(a)所示。整个滤柱高为1 505 mm(不包含底座高度),内径为90 mm，内含蓄水层、覆土层、废弃料层、砂层、砾石层和集水层；4根滤柱实物图如图1(b)所示，填充层部分从左至右分别为纯土层和0.5～2 mm、2～5 mm、5～9 mm建筑废料层。

图1 自制滤柱示意图和自制滤柱实物图

试验初始土壤采自广东省广州市番禺区瀛洲生态公园，土壤成分经测定黏粒含量为38.41%，粉粒含量为39.74%，砂粒含量为21.85%，属于华南地区典型的黏壤土。采回土壤经初步敲碎，置于烘箱烘干，过5 mm筛处理，与海砂粒按1∶1混合制备试样。试验所用建筑废弃料为广东工业大学流体力学试验室旁某建筑现场收集的落地灰数桶，经过相应目数筛网筛分而成。

2.2 模拟方法与试验结果

模拟降雨前初步调试4个滤柱，使其在同样的水分含量和空气湿度中放置0.5 h，试验根据广州市水务局印发文件《广州市中心城区暴雨公式及计算图表2012年》中的单一重现期暴雨强度公式，采用了均一降雨强度，设置多组设计暴雨重现期1a(雨强55 mm/h)、5 a(雨强76 mm/h)，根据式(1)得出重现期为1 a时恒定进水负荷为0.097 mL/s，重现期为5 a时恒定进水负荷为0.13 mL/s。通过测量降雨经过不同滤柱滞留作用后下渗的雨水量，确定不同设计暴雨重现期与滤柱填充方式对土壤渗透性的改善效果以及对渗流总量的控制效果。

进水负荷=恒定进水雨强×滤柱面积

(1)

试验结果通过滤柱下渗速率随不同降雨重现期、不同建筑废弃料粒径级配随时间的变化得以体现，据其变化曲线(如图2)可知：(1)建筑废弃料的使用能有效增强土壤蓄渗效果，这是由于华南地区红壤土本身土质黏重，渗透性极低，适当施加土壤蓄渗改良材料十分必要。(2)各个重现期下粒径级配为5～9 mm的建筑废弃料在华南地区土壤蓄渗效果改善方面表现出最佳的效果，这是由于随着建筑废弃料粒径级配的增加，除了粒径与粒径之间缝隙增大外，该级配本身孔隙率较大颗粒含量也增多。而在0.5～5 mm的粒径范围之内，下渗速率随粒径级配的递增而增大的趋势还不是十分显著，容易受其他因素的影响，如进水扰动引起的覆土层特征(厚度等)改变、各滤柱材料层无法保证填充高度完全均一等等。但若考虑到水质情况，介于污染物削减需要合理停留时间，故粒径级配可能需要进一步优化调整。

随着降雨重现期的增加，各粒径建筑废弃料的峰值下渗速率(即下渗速率变化曲线峰值)逐渐增加(如图3)的同时，产渗流时间和峰值下渗速率出现时间也随之提前，这是因为随着降雨强度的增加，单位时间内渗入同一滤柱区域单位面积的雨量也随之增加。而各滤柱径流总量的削减率通过以公式(2)求的，结果如图4所示。由图4可得，随着重现期的增加，各滤柱对径流总量的削减率也随之增加，且建筑废弃料的粒径级配越大，其渗水性能增强的同时，保水性能相应减弱。

该研究首席作者、达尔豪斯大学生物学教授阿拉斯泰尔·辛普森说：“它是生命之树的一个分支，可能已经分离超过十亿年，我们没有任何有关它的信息。它开启了一扇新的大门，有助人们了解复杂细胞的进化以及它们的古老起源。”

径流削减率=(雨量-渗流量)/雨量×100%

(2)

图2 下渗速率变化曲线

图3 峰值下渗率随降雨强度的变化

图4 各滤柱径流量削减率曲线

3 SWMM模拟

3.1 SWMM模拟与LID模块

SWMM(storm water management model，暴雨洪水管理模型)是一个动态的降水-径流模拟模型,主要被用于模型适应性的检验及模型参数的识别、城市暴雨洪水地表径流及其污染过程的模拟、城市低影响开发效果的模拟、与其他模型软件的耦合应用模拟等方面。SWMM最新版本包含水文、水力、水质模块，水文模块增设LID控制区，用于研究不同LID措施诸如生物滞留池、渗透铺装、雨桶等对雨水径流和水质的控制效果，通过与SWMM水力模块的结合，有效评估LID水文效应[2,17]。

LID控制通过多个填充竖向层的组合表示，其水流路径如图5(a)所示。根据试验实际情况，选定LID模块为生物滞留池，生物滞留池分为表面层(surface)、土壤层(soil)、蓄水层(storage)和排水层(drain)4大板块，如图5(b)所示。表面层实为种植层，可通过种植各类植物以截留进入生物滞留池的雨水；表面层设置蓄水厚度、植物覆盖小数、表面覆盖度、表面坡度4个参数模拟表面积水、植物覆盖比例等情况；入渗后的雨水流经土壤层，该层设置土壤厚度、孔隙率、产水能力、倾斜点、导水率、导水率坡度、吸水头7个参数模拟土壤层土壤厚度、孔隙率、相对于土壤允许完全排干之后总容积的孔隙水容积等情况；经土壤层雨水继续往下渗即是蓄水层，蓄水层设置蓄水层高度、孔隙比、过滤速度、堵塞因子等参数用于描述该层高度、相对于层中固体容积的空隙容积、可以流过层底水的最大速率等情况；蓄水层下渗后的雨水通过排水层向外排出，排水层相当于暗渠系统，从底部收集蓄水并输送至常规雨水管渠，该层包含排水指数、暗渠偏移高度等数据输入域。4个板块各个参数详细取值依据和取值范围见表1。

表1 LID参数设置表

图5 LID水流路径和生物滞留池示意图

3.2 参数设置

根据试验条件，在SWMM中建立一个与自制滤柱面积相一致的子汇水区域模型，布置管渠汇集子汇水区出水，构建LID生物滞留池模块对自制滤柱出流过程进行模拟。相关参数设置如下。

3.2.1 基础参数设置 参考SWMM模型手册和试验实际情况，子汇水区参数及管段参数设置如表2所示。模拟选用的下渗模型为霍顿下渗。雨量与试验条件保持一致，故选用均一雨强降雨，根据试验条件，选取0.5 h后开始降雨，2.5 h后降雨结束。雨量计雨强设置55 mm/h为1 a重现期，76 mm/h为5 a重现期，雨量计记录时间间隔取0.01 h。表2中未提及的参数均采用SWMM软件默认值，无需设置与率定。

3.2.2 LID参数设置 子汇水区域属性中设置LID模块1个，即生物滞留池单元，其面积与子汇水区域面积相一致。LID控制编辑器定义可以在整个研究面积使用的低影响开发控制区域，用于表达子汇水面积径流的储存、下渗和蒸发。控制编辑器是对单位面积进行设计，以便在不同尺寸的研究区放置任意数量子汇水区域，或者对研究区进行任意数量的重复。

4 结果与分析

根据试验，建立与自制滤柱面积相一致的子汇水区域模型，布置管渠汇集子汇水区出水，选取径流减排效果明显优于0.5～2 mm和2～5 mm两种粒径建筑废弃材料的5～9 mm建筑废弃料材料作为参数调试模拟对象，通过参数率定过程，使得SWMM模拟运行结果与试验所得下渗速率变化曲线大致相符。其参数选择结果见上文3.2节所示。

模拟结果见图6。由图6可知，在重现期为1 a的情况下，自制滤柱出流的试验值与SWMM模拟值整体拟合程度极高，下渗出流开始时间均为2 h左右，峰值下渗速率出现时间、峰值下渗速率数值量等参数亦接近一致。

而在重现期为5 a的情况下，虽然模拟值的产渗流和峰值下渗速率出现时间滞后于实测值1 h，但模拟值与实测值的峰值下渗速率数值量和下渗曲线形状基本一致，参数率定后的结果对不同雨强下模型与实测的拟合程度会存在允许范围内的差异，这并不影响整个模型的外延。

表2 基础参数设置表

图6 1a重现期和5a重现期模拟值与实测值对比

5 结 论

(1)提出将建筑废弃料运用于土壤渗透性改善的新思路，初步实现建筑废弃料的资源化管理，在一定程度上可解决大量建筑垃圾增长带来的一系列环境问题。作为一种新型填充材料，建筑废弃料对土壤的改性应用在缓减排水压力、径流总量控制等方面具有广泛的应用前景。

(2)通过试验研究发现，相同重现期下，尤以5～9 mm的建筑废弃料对径流雨水总量削减作用效果最佳，即其更能针对性解决华南地区典型黏重红壤土土壤板结、渗透性极低等问题，但若考虑到水质方面，则需对粒径级配进行进一步优化调整；随着降雨重现期的增加，各粒径建筑废弃料作用下的总径流下渗速率逐渐增加，产渗流时间和峰值下渗速率出现时间也随之提前。

(3)要使基于LID理念构建的研究区域SWMM 模型能够更加精准和可靠地评估不同试验条件下的水文过程，必须利用试验所得数据对其进行参数率定，准确的模拟过程方可为新型填充材料在不同空间尺度、下垫面条件和雨洪情景下的推广提供科学支持。

(4)本文仅着重研究了建筑废弃料对径流总量削减的影响效果，近期将开展生物滞留池的新型填充材料对区域雨水水质和水量双重处理作用的探讨，进一步实现城市水资源的综合利用，为海绵城市可持续发展做出贡献。