城市路面室内冲刷实验的意义

城市路面室内冲刷实验的意义

摘要：本文采用室内模拟方法，在实验中发现：由于沉积作用的影响，路面输出量可能不会因降雨强度的增加而增加，相反，由于沉积作用的加强路面输出量反而减小。在实验中还存在很多不能控制的变量，所得到的结论可能掺杂了很多因素的影响，因此需要在室内条件下有控制地进行实验，才能得到准确结论。

关键词：模拟实验；路面输出量；室内条件下

一、城市路面室内冲刷研究现状

城市路面灰尘中积聚了相当数量的有机物、氮磷物质、重金属、PCB等污染物质，在雨水的冲刷下，进入河、湖水域，这种突发性的输入往往具有短期、爆发性特点，会对水生态系统以及水环境产生严重危害。地表灰尘累积主要通过大气沉降、地表吹蚀物沉降、路面及交通工具的磨损等形式进行，同时还受到风力的重悬浮影响以及人为清扫效率的影响，灰尘累积在这些影响的共同作用下达到平衡。

城市路面冲刷过程的研究起始于上世纪70-80年代，研究的对象主要为径流中的TSS，营养盐、重金属等物质的流失特征，而路面物质的冲刷量则受到路面物质存量、径流量以及雨强等因素的影响。近些年的研究进一步深化了人们对路面冲刷机制的理解，通过野外和室内试验探讨了雨强、降雨持续时间、雨前晴天时长对路面物质输出量的影响。对雨强因素的深入讨论表明，雨滴的冲击能量能有效的剥离吸附在路面上的灰尘，但随着道路表面水层的形成，雨滴的作用会大为降低，这也造成路面污染物在径流初期会急剧输出的特点。

二、研究方法

本研究以某市人行道路面作为参考对象构建室内路面，在实验室内用25块人行道地面砖在室内构建1.51.5米的路面，坡度1.6%，路面最底端高度30cm，路面两侧用不透水的PVC板阻隔路面径流流出路面，以保证降雨径流能全部流向下方，路面底部设有集水管收集路面汇流的径流量。

路面灰尘则参考2010.3-1020.9监测得到的6个月的人行道路面灰尘进行粒级配制，灰尘各粒级重量百分比固定为：>300um、占10%；150-300um、占10%；48-150um、占15%；、占65%。每次实验前称量上述粒级灰尘，得到混合灰尘样15克，用药匙均匀分配到每块地面砖上，每块约分得0.6g，并人工扫匀。降雨由降雨模拟器（TSOY-102）模拟不同雨强，分别模拟4个不同雨强下的降雨冲刷。雨强测定时，不改变模拟器的位置、距离、方向，只通过改变压力表压力进行修改，但考虑到模拟器所降雨水可能分布不均，因此每次实验时在实验路面的四角及中心各放置一口径10.5cm烧杯，最终雨强通过汇集五个烧杯降雨并取平均值获得。（实验表明即使在同一压力值，设备的雨强也有变化）每天取一固定压力值（希望能获得同一雨强值），再按降雨3、5、7、9分钟等4个时段进行4次实验，每次试验间隔1小时，并使用加热灯烘烤路面半小时，等待路面完全干后，用改制的大功率吸尘器（FC8260）收集雨后残留样，样品分别通过50目、100目、300目、500目筛，称重，总的实验次数为16次。每次降雨过程的冲刷量使用总投放量减去路面存留量获得。

三、研究结果

（一）路面冲刷前后特征。

在室内的实验中，样品采用固定粒级比重的样品进行实验，每次样品重15g，共进行16次不同雨强的降雨实验。雨强范围0.291-0.762mm/min，由于本文收集的样品属于vaze定义的“自由载荷”，所以上述实验主要反映自由载荷的冲刷规律。通过雨前样粒径分布和雨后样粒径分布的比较，可明显看出，在多次的冲刷试验中，>300um，150-300um，48-300um等三个粒径组在降雨冲刷后的比例比原样明显有所提高，而较细的粒径组比例则比原样比重有所下降。这表明整个样品经降雨冲刷后，粒径有粗化的趋势，而在不同雨强的冲刷中，>300um，150-300um，48-300um三个粒径组灰尘比重的增加表明这些尘土颗粒具有相同的水力学特征，因而具有相同的冲刷特点。这和粒径组的物质冲刷形成对比，该组比重下降，说明该粒级组在所有的"降雨事件中都表现出更强的可蚀性。一些研究认为细粒灰尘在冲刷中更易被冲刷掉，但究竟哪个粒级物质易于冲刷尚不明确，这在本实验中得到回答。各粒级组16次实验平均冲刷损失比例分别为：>300um，占39.12%；150-300um，占36.03%；48-300um，占30.16%；，占53.27%；可见细粒物质主要是的灰尘损失较多，略多于50%。

从携带氮磷成分的粒级分配看，很多的研究表明氮磷物质主要附着于48-300um和两个粒级组，在该市其他路面采样也证实了这一点，日常监测从2010年3月――9月，灰尘样品的TN测定采用半微量凯式法，TP的测定采用钼锑抗分光光度法，可发现氮磷物质的主要集中在48-300um和两个粒级组中，且一般灰尘粒级组的重量百分比可占50%以上，所以，可以推测在降雨初期的一段时间中，一半以上的细粒物质被冲刷，同时也伴随着大量氮磷物质的流失。

（二）雨强对路面冲刷和沉积的影响

目前很多研究论证了降雨雨强对冲刷有着极其重要的影响，一般冲刷量会随着雨强的增大而增大，但本室内实验的结果似乎并不支持这一结论，如前所述，采用室内模拟的方法获得16次冲刷数据，将每次投放的总量减去冲刷后的路面残留量获得每次输出量，并计算残留量比例，很明显，雨强增大而相应的冲刷比例却在减小。试验中的目视观察可以发现，在雨强较大的几次试验中路面底部位置都会发现有较大量的物质沉积，底部沉积区域由路面最底部的5快地面砖构成，约占全部路面的1/5，灰尘投放量为3g，冲刷实验后，将路面最底部与路面其他部分残留物质分开收集，称重并计算残留物占总投放量的比重，5次实验中有4次底部收集到的物质量大于3g，明显路面底部发生了堆积作用。可见实验中最终路面冲刷出的物质量应是冲刷和堆积共同作用的结果。这就揭示了路面物质冲刷量不随雨强增大而增大的原因。另外，路面底部是坡度相对较小区域，水流流速降低，径流中的携带物易发生沉积，这和日常在城市道路观察到的现象非常一致，雨后灰尘往往会集中在路肩与路面的结合处。

除路面底部以外的其他4/5面积（投放了12g灰尘）发生了净冲刷，路面残留比重从38%到53%，物质冲刷量从4.05g-6.3g，大部分实验中上部路面损失超过50%，随着雨强的增大，这一部分路面的残留量所占比重变小，物质损失量增大，冲刷掉的物质有可能在路面底部发生堆积，路面物质的沉积量随雨强的增大而增大。

四、室内冲刷实验的意义

目前很多监测都表明，在径流形成初始阶段会有大量氮磷、重金属、有毒有害物质呈爆发性的进入水域，由于污染物浓度较高，往往会对水体内的生态系统造成损害。

综上所述，在重金属和其他一些污染物的降雨冲刷中，水流的物理携带是主导作用。这一结论表明，降雨初期，在雨水进入污水厂或直排入河前处理掉其中的TSS是一件非常重要的工作，同时表明在日常的扫街工作中，使用更有效率的清扫工具也是大幅减少暴雨输出的有效方法。