快速城市化进程，硬化地面和水文特征改变，城市水面率不断降低，水问题频发，亟待改善城市建设模式。为解决城市城市内涝与径流污染问题，美国提出了低影响开发LID和绿色基础设施GI，澳大利亚发展水敏感性城市设计WSUD，我国于2014年发布《海绵城市建设指南—低影响开发雨水系统构建（试行）的通知》，前后大力推进三批次海绵试点与三批次海绵示范城市建设[1]。

海绵城市是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥城市生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。透水铺装是“海绵城市”理念下的一项重要控制技术，重新构建了被硬化地面所破坏的“降雨-径流-下渗-回用/循环”的良性循环，通过对雨水径流的收集、渗透及净化达到控制径流水量、削减污染的目的，一般应用区域包括停车场、人行道、广场、小区路面等[1,2,3]。

透水铺装效益的发挥很大程度上取决于其渗透性能。透水铺装渗透性能受使用年限、沉积物质量与特征、汇水面积比和清理维护方法等多种因素的影响。随着时间的推移，雨水径流中携带的悬浮颗粒物堵塞透水铺装，从而降低铺装面层渗透率和径流控制效能。研究表明科学的清理维护可以有效减缓透水铺装堵塞过程，维持其渗透性能。

1、透水铺装技术简介

1.1铺装类型

目前，国内外较常用的透水铺装类型包括：混凝土砖缝隙透水铺装、透水混凝土铺装、塑料/混凝土网格铺装及透水沥青铺装4种。

(1)混凝土砖缝隙透水铺装（Permeable Interlocking Concrete Pavements）。

混凝土砖缝隙透水铺装依靠砖块间的缝隙使水分下渗进入铺装结构层，砖块间的排列方式会对铺装的结构强度以及实际透水性能产生影响[4]。混凝土砖缝隙透水铺装的主要结构如图1所示。通常，混凝土砖缝隙透水铺装的面层砖块间的空隙率占铺装整体的8%～20%[5]，并于砖块下铺设粗砂或细砾石作为找平层。

图1混凝土砖缝隙透水铺装主要结构  

(2)透水混凝土铺装（Pervious Concrete）。

透水混凝土铺装面层由特定配比的混凝土制成，通常查制备时去除了传统混凝土配制中的细集料，提高了混凝土的渗透能力。并且相比传统混凝土，透水混凝土铺装具有防滑、降噪、减少反光等优点。然而，在具体铺设及使用中，需注意其较容易堵塞且不易恢复，并且透水混凝土通常具有较高的铺设费用。

(3)塑料/混凝土网格铺装（Plastic/Concrete Grid Pavers）。

面层由空隙较大的网格组成，通常表面空隙率占铺装整体的20%～50%甚至更高以达到较强的渗透功能，并且在空隙中填入砾石或植草土壤。Dreelin等在美国Georgia的研究发现，这样的塑料/混凝土网格铺装在监测期间相比不透水表面能削减93%的表面产流[6]。然而，澳大利亚的Lucke等研究发现塑料/混凝土网格铺装不适合应用于拥有长期干燥及炎热的气候条件的地区，因为此类气候条件通常会使得网格中的植物快速死亡，最终导致失去植物的土壤在大雨期间逐渐被侵蚀[7]。

(4)透水沥青铺装（Pervious Asphalt）。

透水沥青铺装面层类似透水混凝土铺装，主要材料为省去了其中的细骨料的热拌沥青。通常透水沥青铺装面层的沥青厚度依具体的交通荷载在75～180mm之间，除了堵塞，还会由于受力变形、疲劳作用以及持续暴露在氧气与水汽中造成损坏，使用年限通常在15年左右，使用后期需注意维护以防止出现大面积的沥青裂解损坏现象。

1.2铺装排水方式

透水铺装按排水方式的不同主要分为全透型、半透型和不透型3种（图2）。

1.2.1全透型铺装

全透型铺装是一种能够使雨水通过结构层直接渗入土基的铺装系统。通常全透型铺装系统中不存在出流，仅是在极端降雨事件中可能发生表面径流现象。全透型铺装对土基的渗透速率要求较高，一般使用全透型铺装时土基渗透速率应达到1×10-6m/s以上。

1.2.2半透型铺装

半透型铺装在结构底部设置穿孔排水管，在雨水直接渗入土基的基础上将过剩的雨水通过穿孔排水管排入排水系统中。半透型铺装多用于土基层渗透性差的场合（<1×10-6m/s），可避免装置被淹没；能够防止地下水位的抬高，由此提高了土基的稳定性，一般用于土基渗透速率在1×10-8～1×10-6m/s的地点。

1.2.3不透型铺装

不透型铺装底部设置有不透水的防渗膜以防止雨水渗入土基。雨水达到铺装底部后通过设置于底部的穿孔排水管排入排水系统。不透型铺装结构通常在以下场合中适用：土基渗透速率或结构强度低；铺装结构中的水分需要回收利用；下方地下水较敏感且需保护；地下水位距铺装底部不足1.0m；铺装场地已被污染并且存在污染被转移的风险[8]。

2、透水铺装控制路面径流的水文效果

和传统的沥青硬化道路相比，透水铺装系统作为生态排水设施，可将降雨渗透率由传统硬化的10%～15%增加到75%以上，可更有效地减少径流峰值和延长径流排放时间[1]。

2.1全透型

早在1999年，Hunt等对位于美国North Carolina的一处全透型混凝土砖缝隙透水铺装的水文效果进行了研究，该处透水铺装面积为868m2，纵向坡度约1%，铺装厚度约0.38m，实测表面渗透速率约0.07mm/s。Hunt等的研究发现，该全透型混凝土砖缝隙透水铺装能消纳大部分径流[2]。

Bean等对位于美国North Carolina Kinston地区的混凝土网格砖铺装以及Wilmington地区的全透型透水混凝土铺装进行了现场监测。其中，Kinston地区的全透型混凝土网格砖铺装面积为630m2，坡度约0.5%，面层厚90mm，找平层厚50mm，结构层厚度为200mm，空隙率达到35%，下方土基渗透速率约5.6×10-5m/s，表面渗透速率为0.16mm/s。研究结果表明，通过对降雨量与表面产流量进行线性回归，在降雨量达到31mm及以上的降雨事件中才能产生至少2mm的表面产流。然而这一结果却远远小于200mm的35%空隙率的结构层的滞蓄容量[9]。

2.2半透型

Collins等于2006至2007年期间对位于美国North Carolina的4处半透型透水铺装及空白不透水铺装进行现场监测。4处透水铺装面层分别为1处透水混凝土（PC）、1处混凝土网格铺装（CGP）、2处混凝土砖缝隙透水铺装（PICP1,PICP2），坡度为0.42%。其中，2类混凝土砖缝隙透水铺装面层厚8cm，基层采用ASTMNo.78碎石，厚度达10cm，垫层采用ASTM No.5碎石，厚度达25cm；混凝土网格铺装面层厚10.5cm，基层采用10cm厚的ASTM No.78碎石，垫层采用22.5cm的ASTM No.5碎石；透水混凝土铺装采用15cm厚透水混凝土面层，基层采用5cm厚的ASTM No.78碎石，垫层采用23cm厚的ASTM No.5碎石。此外，Drake等在加拿大的Ontario对半透型透水铺装及空白不透水铺装进行了监测。铺装面积230～233m2，坡度小于1%，底部设置有穿孔排水管。研究表明，该处半透型铺装相对空白铺装的水量削减率为43%，且能完全消纳7mm的降雨[10]。

图2全透型、半透型、不透型铺装结构示意图 

2.3不透型

不透型铺装由于受制于特定的应用条件，因此相关报道较少。Fassman等在新西兰的Auckland对一处半透型混凝土砖缝隙透水铺装进行监测，该铺装结构层总厚度达480mm，铺装面积200m2，坡度高达6.0%～7.4%，表面渗透速率达到1200mm/h，虽未在设施底部设置防渗层，但铺装土基渗透速率极低，仅1.15×10-10m/s，可以近似认为是一处不透型铺装。研究结果表明，该设施多数径流均通过底部排水管排出，相对不透水空白铺装的水量削减率约30%，而峰值削减率则高达约80%[11]。

2.4表面渗透速率

表面渗透速率是评价透水铺装水文作用的一个基本指标，而表面渗透速率与铺装的结构与面层材料有着紧密的关系。孟莹莹等对上海市区混凝土砖缝隙透水铺装和自透水型2类共4种铺装进行了表面渗透速率的现场实测，发现在使用时间半年至5年多不等的透水铺装中，混凝土砖缝隙透水铺装表面渗透速率最高达到92.4mm/h，最低仅有4.14mm/h，而自透水型铺装的表面渗透速率最高可达7200mm/h，最低为9.76mm/h。表明各铺装由于使用时间与应用环境的不同，表现出的表面渗透速率相差较大，而且整体速率偏低[12]。

3、透水铺装控制路面径流污染的效果

透水铺装系统可通过吸收、储存、吸附等功能降低径流中污染物的浓度，研究不同类型透水铺装系统和逐层结构对各类径流污染物的去除能力具有重要意义。龚兆祥等研究认为三种典型结构的透水铺装“净”效果由大到小依次为全透水型铺装>半透水型铺装>不透型铺装，全透水型铺装“净”效果最好，但其效果随重现期的增大逐渐下降，下降幅度呈现出递增趋势[13]。

3.1透水铺装对氮、磷的去除

透水铺装对氮、磷具有一定的去除效果，其中氮包括：TN、NH4+-N等，磷包括TP、PO43--P等。Collins等在美国North Carolina的研究中对4种类型铺装进、出水的氮含量进行了详细的测定。研究发现，透水铺装中NH4+-N的浓度及负荷显著低于不透水对照铺装，表明各类透水铺装对NH4+-N具有较好的去除效果；然而，铺装出流中NO3--N浓度则显著高于不透水对照铺装，这是由于在透水铺装下层碳源不足且间歇性下雨，无法形成缺氧环境，从而抑制了反硝化反应[14]。Brown等在位于美国New Jersey的现场试验中，对包括透水沥青铺装的3种透水铺装进行了水质监测。结果表明，除透水沥青铺装以外的2种铺装的出流中TN含量与不透水对照的TN含量无显著差异，但透水沥青铺装出流中TN含量则显著高于对照的TN，作者认为这是由于透水沥青中的沥青材料发生了氮的淋出[15]。

3.2透水铺装对TSS及COD的去除

Huang等在2012年对位于加拿大Alberta的一处混凝土砖缝隙透水铺装现场试验中发现铺装对于TSS的平均去除率达到91%，且在不同类型降雨事件下多次试验结果均达到90%左右，因此可知混凝土砖缝隙透水铺装在不同水力条件下均能够对TSS起到显著的去除效果，而这主要是由于径流中的颗粒物被铺装找平层及基层所截留[16]。此后，Huang等在2016年的研究发现，透水沥青铺装（PA）对于TSS的去除率可达89.6%～93.2%，透水混凝土铺装（PC）及混凝土砖缝隙透水铺装（PICP）的去除率亦可达90.6%～94.6%与86.9%～94.3%，并且在整个试验周期中去除率始终稳定。

Niu等分别对透水铺装粗砂找平层及碎石基层对COD及TSS的去除效果进行了研究。其中，在对找平层的研究中，分别对厚度为2cm、3.5cm及5cm的找平层进行了检测，结果发现，找平层厚度越大，COD及TSS的去除率越高[17]。并且作者认为TSS的去除率与渗透速率有关，越厚的找平层具有越低的渗透速率，从而导致较高的TSS的去除率；而COD的去除则是由于降雨初期砂中的吸附空间充足，能够去除较多COD，而随着使用时间延续，COD在找平层中的削减效果会缓慢下降。

3.3透水铺装对重金属的去除

Brattebo等对透水铺装的长期现场监测发现透水铺装对Cu与Zn具有显著的去除效果，在不透水对照径流中Cu与Zn的含量达到12.1μg/L与34μg/L，然而在透水铺装的出流中72%的Cu与22%的Zn低于1.0μg/L与5.0μg/L的最低检测限[18]。Bean等对美国North Carolina的透水铺装监测也发现透水铺装对于Cu与Zn存在不同程度的削减作用，对Zn的削减效果较显著，而对Cu则不存在显著削减作用。

3.4透水铺装对石油的影响

Newman等的研究发现透水铺装能够有效削减径流中的石油类含量，最高削减率可达98.7%。作者认为对石油类的削减主要是由于透水铺装中找平层与基层间的土工布产生的效果，并且对土工布进行了降油微生物接种实验，结果显示，微生物菌落能够完全存活，甚至在实际应用时并不需要接种即能够产生该种菌落。此外，Newman等对不同土工布对石油类的去除效果做了研究，发现无纺土工布相比有纺土工布对石油类具有更好的去除效果[19]。

3.5透水铺装对p H的影响

Kuang等对透水混凝土对出流p H的影响进行研究发现，透水混凝土能够有效提升出流p H值，并且Kuang等对普通透水混凝土试块以及在2mol/L的Al(NO3)3溶液中浸泡过的混凝土试块的对比试验中发现，普通混凝土试块能够使得进出水的p H值由7.4提升至7.8～8.5，而在2mol/L的Al (NO3)3溶液中浸泡过的混凝土试块则使得p H由7.4上升至8.5～10.6[20]。

4、透水铺装运行维护

研究表明，由于缺乏清理维护而造成的堵塞是影响透水铺装能效能否长期有效发挥的主要因素，堵塞不仅会影响透水铺装渗透性持久性，还会影响其水质净化、径流调控、地下水补给等生态环境效益的发挥[21,22]。透水铺装的堵塞主要由沉积物进入孔隙造成，一是与积物的质量、类型和孔隙结构、沉积物粒径与铺装表面孔隙的比值等有关，二是与使用年数、大气沉降、汇水面积比、降雨场次、车流量等自然和人为因素有关[23]。Sandoval等模拟研究发现面层渗透率随沉积物质量及使用年限的增加呈指数下降趋势[24]。亓雪颖等实验研究发现透水砖铺装系统的透水率呈指数衰减趋势，其堵塞进程随颗粒物粒径范围的增大而加快[25]。Nicholsc等也发现粒径为251-550μm的沉积物造成的堵塞最严重[26]。

透水铺装维护效能与其面层结构、维护措施类型、维护周期、维护参数等有关。国内外普遍采用机械清扫，再生式空气清扫，真空抽吸式清扫，压力水冲洗、手持真空吸尘机等方法清理维护透水铺装。由于透水铺装类型、堵塞物类型与堵塞程度、实施参数与使用环境等存在一定差异，即使同一种清洗措施恢复效果差异较大[27]。Tong研究总结了压力冲洗、真空清扫和两者结合式清理对透水混凝土维护效果，发现压力冲洗的清理效果优于真空清扫，而两者结合式清理的清理效率最高[21]。Drake等研究表明，相较于透水混凝土和透水沥青，真空抽吸式清理对透水砖表面渗透速率的恢复效果更优[28]。Zhao等人发现维护透水沥青混凝土铺装时高压水洗和低压抽吸的维护效能无明显区别[29]。

5、结语

(1)透水铺装能有效地减少径流峰值和延长径流排放时间，并使蒸发和表面水溅显著减少，可结合不同土壤类型针对性选择差异性透水铺装。

(2)对各类污染物具有较好去除效果，其中TSS去除率可达90%,TSS的去除率与渗透速率有关，越厚的找平层具有越低的渗透速率，从而导致较高的TSS的去除率。

(3)透水铺装“净”效果由大到小依次为全透水型铺装>半透水型铺装>不透型铺装，但净化效果随重现期的增大逐渐下降[13]。

(4)应根据维护机理和铺装面层结构灵活选用维护措施；合理的维护措施可有效缓解透水铺装的渗透性能，平均恢复率可达40%，相较于单项维护措施，组合维护措施效能更佳[23]。

(5)未来的研究应重点分析径流污染物逐层经过透水铺装系统的浓度变化，污染物的垂直迁移问题有待探索[1]。

参考文献:

[1]王俊岭,王雪明,张安,等.基于“海绵城市”理念的透水铺装系统的研究进展[J].环境工程,2015,33(12):1-4,110.

[12]孟莹莹,李田,王溯,等.上海市区透水性路面渗透性能的实测与应用分析[J].中国给水排水,2009,25(06):29-33.

[13]龚兆祥,李翠梅.基于StormDesk的不同因素对透水铺装“净”效果的影响[J].水电能源科学,2024,42(01):45-49.

[14]王哲,谢杰,谢强,等.透水铺装地面滞蓄净化城镇雨水径流研究进展[J].环境科学与技术,2013,36(S2):138-143.

[22]亓雪颖.北京城区不同类型透水铺装入渗性能及清理维护效果研究[D].北京林业大学,2020.

[23]吴允红,李俊奇,张哲,等.渗排型透水铺装运行维护研究进展[J].给水排水,2022,58(08):151-159.

[25]亓雪颖,张守红,王玉杰,等.颗粒物粒径和维护方式对透水砖铺装透水率衰减过程影响[J].环境科学与技术,2020,43(08):28-35.

[27]杨海.透水砖铺装雨水净化效果的系统性研究[D].南京林业大学,2020.

文章来源:吴健.透水铺装水文效应及径流污染控制进展研究[J].价值工程,2024,43(17):162-165.