评估透水路面对雨水径流的数量和质量的潜在好处

背景

景观的城市化对进入我们的湖泊和溪流的径流水的数量和质量产生了明显的负面影响（戴维斯，2005； Wang等，2001；威廉姆森，1993）。通过用不透水的表面（如停车场和街道）代替自然的土地覆盖物（如草地和森林），我们失去了土壤和植被的保水作用。不透水地表径流的增加会导致危险的洪水，对我们的河道的严重侵蚀破坏，地下水补给的减少以及我们渔业的栖息地退化。这些不透水的表面可以运输沉积在城市地区的许多污染物，例如养分，沉积物，细菌，农药和氯化物。在最坏的情况下

减少城市径流影响的努力已经在联邦，州和地方各级进行了一段时间。《清洁水法》（CWA）是规范国家水体质量的主要联邦法律。CWA通过国家污染物排放消除系统（NPDES）计划，为任何排入河流和湖泊（包括城市）的人建立了污染限值。在威斯康星州，威斯康星州自然资源部（WDNR）颁发了NPDES许可证，该许可证确定了峰值流量，径流量，磷和总悬浮固体等性能标准和限值。作为许可证的一部分，每个城市都必须通过实施好的管理规范（BMP）来制定管理计划，以达到规定的限额。BMP是实践，治疗，以及可以减轻一个或多个负面影响的技术。透水路面是这些BMP中的一种，据信可以改善水质并减少城市径流的影响。

什么是透水路面？
透水路面是一种多孔的城市表面，由开孔的摊铺机，混凝土或沥青以及下面的石材储层组成。渗透性路面捕获降水和地表径流，将其存储在储层中，同时使其缓慢渗入下面的土壤中或通过排水瓦排放。透水路面最常见的用途是停车场，低人流量的道路，人行道和车道。

图1.三种测试路面类型的安装：可渗透的摊铺机，可渗透的混凝土和可渗透的沥青。

透水路面的潜在好处是什么？
一般水文效益

• 渗透性路面通过将降水截留并缓慢释放到地面中而不是使其流入雨水渠并作为污水流出而帮助重新建立更自然的水文平衡，并减少径流量。通过防止通过雨水系统的大而快速的降水脉冲，该相同的过程还降低了峰值排放速率。

• 渗透的路面可以物理地（通过将其捕获在路面或土壤中），化学地（细菌和其他微生物可以分解并利用某些污染物）或生物地（在某些类型的摊铺机之间生长的植物）降低某些污染物的浓度。可以捕获和储存污染物）。

• 通过减慢该过程，可渗透的人行道可以降低城市径流的温度，从而减少压力和对河流或湖泊环境的影响。

• 通过控制源头（如停车场）的径流，可渗透的人行道还可以减少对区域性BMP（例如湿式滞留池）的需求或所需的大小，从而节省了金钱和精力。

寒冷天气的好处

• 渗透性路面的另一个好处是在冬季减少了使用路盐除冰的需要。新罕布什尔大学的研究人员观察到，渗透性沥青仅需要常规施用到普通沥青中的盐的0％到25％（Houle等，2009）。 

• 其他研究人员发现，被困在人行道中的空气可以储存热量并将其释放到地面，从而促进雪和冰的融化和解冻（Roseen等人，2012）。

人们对使用渗透性路面
的担忧以下是有关渗透性路面的一些担忧和问题：

耐久性–渗透性路面的使用寿命与传统路面一样长吗？

保养和维护–渗透性路面会堵塞沉积物和污染物，降低其渗透性并提高生产率。

• 要保持渗透性路面功能需要付出多少努力？

• 维持人行道设计寿命所需的维护频率是多少？

水质 – 可以减少多少污染物？特别令人感兴趣的是，已观察到养分（磷和氮）的减少量很低。这种担忧有两个含义：

• 通过渗透渗透性路面处理过的水而对地下水造成污染的可能性是什么？

• 从透水路面排水砖排出的水的质量如何？

温度 – 渗透性路面可以降低哪些温度？

停留时间–径流需要在存储层中停留多长时间才能充分处理径流？

模型的准确性 – 现有的城市径流模型如何很好地预测透水路面的水质优势？

学习规划

研究目的

我们希望通过测试三种不同类型的路面来确定通透性路面所能达到的体积和减少污染物的水平（图2）。以下是具体目标：

• 确定随着时间的流逝，渗透性路面被细小颗粒堵塞的速度有多快，从而减慢了渗透速度。

• 计算在不同降水事件期间在存储层中收集的径流的停留时间。

• 在夏季，测试渗透性路面如何冷却加热的径流。

• 测试渗透性路面如何减少对道路盐的需求。

• 使用从研究中收集的数据，在“源负荷和管理模型（WinSLAMM *）”中改善可渗透路面的例程。

• 提供的结果将有助于威斯康星州自然资源部修订其WDNR透水路面养护实践标准1008。

图2. 三种测试路面类型的安装：可渗透的摊铺机，可渗透的混凝土和可渗透的沥青。

图3。研究区域的位置（用红色圆圈表示）；麦迪逊街区东部办公室，威斯康星州麦迪逊市的超载停车场。

学习地点

位于威斯康星州麦迪逊市麦迪逊街分部东办公室的溢流停车场旁的一小部分绿地已被指定为研究地点（图3和图4）。图4中所示的白色研究区域被平均分为三个较小的研究区域，每个研究区域都从相邻的停车场接收相似数量的径流。这些地块将测试三种类型的路面：可渗透的摊铺机，可渗透的混凝土和可渗透的沥青（图5）。每个小区都配备了测量径流量（水量）和污染物（水质）减少量的仪器。

图4. 研究区域的鸟瞰图，显示了设备和测试图安装的位置。

图5。测试区的完整安装：可渗透的摊铺机（前景），可渗透的混凝土（中层地面）和可渗透的沥青（背景）。

测量水量

停车场的径流流向现有的路缘石切口，该路缘石配备了经过校准的水槽。径流进入水槽并排入混凝土结构，该结构将径流分成三个相等的部分，每个部分都排至三个试验区之一（图5）。径流要么渗入可渗透地下层，要么作为溢流径流离开样区。每个试验区都衬有不透水的膜，该膜可捕获渗入的径流并通过埋入的排水瓦排走（图6）。没有渗入可渗透表面的径流被溢流的表面炉排捕获。为了防止相邻测试区和周围土壤的交叉污染，应构建测试区。

排水瓦和地表炉排都被送入一个监控设施，在那里渗透和溢流径流的量被分别捕获（图7）。监控设施使用校准的水槽准确测量所有水的输入和输出。

图6. 测试图的横截面图显示了可渗透的地下物质和径流流动路径。（插图由县物资公司创建。）

图7。监测设施，用于测量渗入每个测试区并从每个测试区流出的水。

测量水质

水质样本将从以下七个地点收集：

• 停车场排出的原始径流（1）

• 渗入每个试验区的径流（3）

• 作为溢流径流绕过每个测试图的径流（3）

水质样品将在经过认证的USGS分析实验室威斯康星州卫生学州实验室进行测试。将对样品进行以下污染物浓度的测试：

营养素

• 总磷

• 溶解磷

索利DS

• 悬浮固体总量

• 悬浮泥沙

• 粒度分布

其他

• 温度

• 氯化物

还将收集辅助数据，包括但不限于：降水，冬季使用的沙/盐，深处的径流温度以及维护记录。

这个渗透性路面测试站点将在2018年之前运行和维护。