透水沥青路面净化雨水径流的研究进展

章泽宇，骆辉，荆肇乾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

城市道路雨水径流对城市生态的负面影响已逐渐被研究人员所重视[1]。城市道路径流污染物主要来自雨水冲刷路面、大气湿沉降[2]。经过上述途径，大气中的粉尘、灰尘，路面中的SS、各类有机物及Cu、Zn、Pb等重金属进入雨水径流中[3]。

透水沥青路面是由排水沥青为面层，并可以允许雨水径流进入路面甚至允许径流通过路面基层进入路基的一类路面的总称[4]。20世纪70年代，美国宾夕法尼亚州东南部城市费城修建了一条透水沥青路面，由于面层易被颗粒物堵塞，该路面在当时并没有得到推广[5]。之后随着土工织物及各类解决方案的出现，堵塞问题得到了很大程度的改善。在美国，透水沥青路面已大量应用于商业中心停车场、大学操场和广场等中、轻交通量的区域。20世纪70年代，日本为解决地基沉降问题开启了透水沥青路面的研究，如今透水沥青路面在日本得到了大范围的应用[6]。我国对透水沥青路面的研究起步较晚，2012年，《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)正式颁发，明确提出透水沥青路面在我国城镇道路工程中的应用[7]。

1 路面径流水质污染特征

根据我国各城市的道路雨水径流污染情况可知，道路径流COD和TN的浓度已远远超过《地表水环境质量标准》Ⅴ类标准，TP的浓度一定程度的超出地表水环境质量Ⅴ类标准，SS的浓度也普遍较高，具体统计数据见表1。

表1 部分城市道路雨水径流次降雨径流平均浓度

2 透水沥青路面类型和结构形式

2.1 国内透水沥青路面结构和类型

我国透水沥青路面的主要设计依据是《透水路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)，结合道路所在土质与道路用途决定道路具体结构，路面设计时需考虑路用性能和透水性的因素[20]。

透水沥青路面结构类型可分为以下3种类型(图1～图3)。

Ⅰ型透水沥青路面，也称排水沥青路面，径流通过面层内部向邻近排水设施流出。

Ⅱ型透水沥青路面，其面层和基层均具有透水能力。

Ⅲ型透水沥青路面，也被称为全透性透水沥青路面，雨水径流进入路面后直接进入路基。

图1 Ⅰ型透水沥青路面结构Fig.1 The structure of type Ⅰ permeable asphalt pavement

图2 Ⅱ型透水沥青路面结构Fig.2 The structure of type Ⅱ permeable asphalt pavement

图3 Ⅲ型透水沥青路面结构Fig.3 The structure of type Ⅲ permeable asphalt pavement

Ⅰ型透水沥青路面具有降噪、路面抗滑性能好和快速排出路面积水等优点。Ⅱ型透水沥青路面具有Ⅰ型透水沥青路面的优点，同时可以减少地面径流量，减轻暴雨时城市排水系统的负担。Ⅲ型透水沥青路面兼具上述优点，同时还可以补充城市地下水资源，改善道路周边的生态环境。

2.2 国外透水沥青路面结构和类型

以日本、美国为代表的国家是世界上透水性路面材料研究与应用较为先进的国家。在这些国家，高强度、高性能的透水性路面的研究与应用也走在世界的前列。在日本于2007年颁布的《透水路面指南》中，根据透水路面要实现的效果提出了路床渗透型和暂时储存型两种透水路面结构[21]。

在美国，透水沥青路面主要应用于中、轻交通量的区域，特别是停车场、公园道路、小区道路和广场等场所；美国大部分州也会根据当地的气候和降雨条件，设置其路面结构形式，但总体来说美国各州透水沥青路面的大体结构是相似的[22]。以俄亥俄州全透型透水沥青路面结构形式为例[23]，应用于中、轻交通量的区域的全透型透水沥青路面可分为两种类型(图4～图5)。街道透水沥青路面与停车场透水沥青路面的主要区别在于下卧层的材料和厚度以及是否设置底基层。

图4 俄亥俄州停车场透水沥青路面Fig.4 The structure of permeable asphalt pavement in Ohio parking lot

图5 俄亥俄州街道透水沥青路面Fig.5 The structure of permeable asphalt pavement in Ohio street

3 透水沥青路面对地表径流净化效果

透水沥青路面结构由于呈多孔构造，路面径流在下渗过程中，通过各结构层的过滤、吸附、截留等作用，以及结构层中微生物的净化作用，起到减少径流中的有机物、SS和重金属等污染物数量的作用。

3.1 面层对地表径流净化效果

3.1.1 面层空隙率 宋秋霞等[24]研究了不同空隙率的沥青路面对径流污染物的去除效果，通过测定5种不同空隙率的沥青混合料试件对径流污染物的去除效果，发现透水沥青路面的空隙率控制在12.1%～23.0%时净化径流污染的效果较好，其中SS和浊度的去除率与面层空隙率呈负相关性，对Zn、Pb等重金属的去除率与面层空隙率呈负相关，但变化幅度不大。

解晓光等[25]研究发现空隙率为19.9%的沥青混合料对COD和SS的去除率分别为61.3%和62.5%。赵曜等[26]研究发现目标空隙率为20%的沥青试件对Pb2+去除率在30.4%～34.48%之间。李志霏[27]比较了6种面层材料对雨水径流的净化作用，发现在透水沥青孔隙体积数为1时，对氨氮去除率可达到75%左右，对硝态氮的去除率15%左右；孔隙体积数在5～30之间时，对氨氮去除率在40%～50%之间，对硝态氮的去除率在16%～24%之间；在6种铺装系统运行的过程中，透水沥青系统对于COD和氨氮的去除效果最好；而对于硝态氮的净化效果是6种透水铺装系统中最差的。

3.1.3 运营周期 吴正光等[31]研究发现沥青混合料对于道路雨水径流的主要污染物的净化效果后期污染物负荷影响较大，净化效果的稳定性较差。解晓光等[30]研究了沥青混合料在不同年限的降雨冲刷下混合料的去污能力，发现在降雨量达到3年时，COD净化率开始下降；当降雨量累计达到5年降雨总量时，沥青混合料对COD的净化率不足17%；由此可初步推断，透水沥青混合料的去除有机污染物的有效年限约为3年。

3.2 基层对地表径流净化效果

3.2.1 透水混凝土基层 研究表明[32-33]，多孔混凝土对径流污染物有良好的去除效果。多孔混凝土作为新型生态材料可代替传统混凝土作为基层材料，形成透水混凝土基层。许国东等[32]研究认为，采用10～20 mm粒径的集料所制备的空隙率为 25%的多孔混凝土其水质净化效果最佳。徐大勇等[33]利用多孔生物质混凝土净化酸性矿井水，实验证明，矿井水经过多孔生物质混凝土净化后COD、TP的浓度明显降低，去除率可分别达到60%，80%以上。秦新[34]研究表明，透水水泥稳定碎石基层对雨水径流污染物有一定的净化作用，其对污染物的去除率的大小为：TP>TSS>COD。

3.2.2 级配碎石基层 蒋玮等[35]研究表明，级配碎石对Pb和氨氮的去除效果相对较好，径流污染物经过厚度>15 cm的碎石层后，氨氮的检测指标相对值降至40%以下，铅的检测指标相对值低至检出限值下，此外级配碎石对BOD、COD、Zn和石油类等也有一定去除效果。解晓光等[36]研究发现，孔隙率为21.8%的水泥稳定碎石基层对COD和SS的去除率分别为47.83%和62.04%，表明碎石基层对COD和SS有一定的去除效果。

李蒙正等[37]实验表明，基层的厚度对TSS、TP的平均去除率的影响不大，实验中基层分别设置150 mm和250 mm两种厚度，结果发现两种厚度的基层对TSS的去除率都接近100%，TP的平均去除率70%。李阳[38]经过实验后也得出类似结果，发现基层厚度由150 mm增加到250 mm的过程中，TP去除率从74.6%变为90.8%，而SS、TN和COD的去除率分别保持在90%，10%和40%左右，均未发生明显变化。

3.2.3 基层材料 王俊岭等[39]研究了砾石、陶粒、沸石等3种基层骨料在静态吸附等温实验下对径流污染物的削减效果，发现沸石对污染物的去除效果最好，沸石对COD、TP和Cu的吸附能力比砾石分别高出51%，61%和87%。汪鸿山[28]比较了透水沥青路面过滤层常用材料沸石、活性炭、火山岩、炉渣以及陶粒对径流污染物的净化效果，实验结果表明，火山岩对径流中COD的净化效果优于炉渣和陶粒；但是从过滤层材料对整个径流污染物净化效果角度来讲，炉渣、陶粒对径流污染物的净化效果要优于其他材料，因此陶粒和炉渣可作为透水沥青路面的优选过滤材料。王祝来等[40]用粉煤灰陶粒对初期径流雨水进行吸附实验，结果显示粉煤灰陶粒能较好地吸附对初期径流中的COD、TP和TN等污染物，且对同时含有COD、TP和TN的混合液进行吸附实验时发现，粉煤灰陶粒在混合液中对各实验指标吸附效果无明显干扰。

4 透水沥青路面净化机理探究

解晓光等[25]认为由于不同空隙率的沥青混合料对径流污染物都有一定的去除效果，因此混合料对于污染物的去除是通过孔隙结构的吸附和截留作用去除水体中的有机污染物和固体悬浮物。蒋玮等[35]认为径流中的Cu、Pb、Zn和Cr等重金属污染物主要以吸附态的形式吸附在SS上，并随着SS的除去而除去。张磊等[41]认为沥青质可通过氢键、范德华力、配位作用、离子交换等作用对重金属进行物理和化学吸附。赵曜[42]认为透水沥青路面对径流中的Pb、Zn的去除主要依靠SS的吸附作用和材料内部微观孔隙的截留吸附，并深入分析沥青中不同组分对沥青薄膜自溶液中吸附的影响，发现沥青中部分羧酸在水中电离为羧酸根离子和氢离子；而羧酸根离子可与重金属离子形成较为稳定的螯合物。其作用机理如下：

R-COOH+H2O→R-COO-+H3O+

R-COO-+Pb2+→Pb(RCOO)2↓

2R-COO-+Zn2+→Zn(RCOO)2↓

并发现在pH>7时，该反应向右进行。

Zn2+(aq)+H2O(l)

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

Newman等[44]研究发现滞留在自行开发的能为微生物提供无机养分土工织物薄膜上的油污会成为一些微生物的食物来源，油污经过有氧细菌和真菌的代谢作用转化为糖分;在经过一定时间的培养后发现在土工织物上已经形成了一个复杂的生物群落，包含了各种细菌、真菌、单细胞微生物和多细胞微生物;由此消除油污对土工织物的堵塞作用，保持土工布的透水畅通。

5 结束语

关于透水沥青混合料对径流污染的净化效果的研究主要集中在混合料空隙率的变化带来的影响，但改性沥青对净化径流污染的效果方面的研究还有待深入。在今后的研究中，开发出既满足路用性能又具有更好的净化功效的改性沥青，是未来透水沥青路面研究中值得注意的方向。基层改性的研究和对垫层的关注都有不足，基层和垫层占透水沥青路面体积相当大比重，因此基层和垫层研究对透水混凝土路面的影响很大。基础材料的创新与改造是今后的重点研究方向之一。

当前对透水沥青路面的净化机理还有待深入研究，在透水沥青路面中面层空隙是否起主要作用，落干期路面内部是哪些微生物在净化截留和吸附在各结构层的污染物、微生物对污染物的转化分解过程，全透式透水沥青路面的垫层的净化作用是否明显等这些都需要进一步的研究。路面在雨水期对COD、TN和重金属等的去除效果相对有限。以上诸多问题在只有明确路面的净化机理下，对各方面进行优化设计，才能提高净化效果。