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1、城市路面室内冲刷实验及探讨_初始冲刷-论文网论文摘要:城市路面的污染物质输移是目前城市水环境的一个主要威胁,很多研究者探讨了路面污染物输出的影响因素和输出机制,为了获得对路面污染输出的进一步的理解,本文采用室内模拟的方法,重构了实际的城市路面,定量投放路面灰尘,并使用降雨模拟器控制雨强。在4组雨强条件下共进行了16次冲刷实验,通过实验获得以下结论:1)实验中不透水路面径流系数变化范围在41.2-76.2%之间,且和雨强具有正相关关系。2)与冲刷前对比,冲刷后的路面物质粗化现象明显;将路面物质分成4个粒级组>300um,150-300um,48-300um,其中,粒级组物质在冲刷后所占比重
2、较冲刷前明显降低,遭受较大损失。而前三个粒级组在雨后所占比重则有所升高,表现出相同的冲刷特征。3)实验同时揭示: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。4)降雨冲刷中的前3分钟往往是路面灰尘输出峰值出现的时段,同时也是大部分污染物集中输出的主要时段,灰尘及其携带污染物输出量可能占到整个路面存有量的50%以上。论文关键词:雨强,路面冲刷特征,污染物输出,初始冲刷前言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(firstflus
3、h),因此会对水生态系统以及水环境产生严重危害,这也成为城市环境管理者重要的课题。在路面物质输出机理研究方面,路面地表灰尘的累积和冲刷规律是研究的两个主要方面。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,vaze.J通过野外和室内试验探讨了雨强、
4、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。另外,路面物质输出的机理模型也依赖路面冲刷机理的讨论而得到发展,早期冲刷模型模拟冲刷作用时,通过将冲刷作用概化为冲刷系数进行表征;近期模型模拟路面冲刷作用时,开始考虑水流的剪切作用及雨滴的冲击作用,总体看来,路面冲刷机制的研究和探讨仍处于一个深入挖掘的过程中。对很多已有的试验而言,可以发现实验时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
5、地进行实验,方可得到较为准确的结论。在此背景下,本研究进行了室内路面冲刷的模拟实验,并获得相关结论以进一步理解路面冲刷机制。2路面冲刷特征研究方法本研究以杭州西湖沿岸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。见图1,路面灰尘则参考2010.3-1020.9监测得到的6个月的西湖沿岸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、
6、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
7、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。3结果3.1人行道路面砖地面的径流系数实验路面由人工烧制的路面砖铺设,结合处的缝隙是径流下渗流失的主要部位,除此之外还有蒸发、路面截留等途径,各途径的重要性依所处季节和路面条件而定,本实验于8月进行,持续3天时间,因此不存在季节的影响,但路面及路面下垫物质的干湿条件有一定的差异,从而导致路面下渗水量的差异。8月10日是实验第一天,共进行4次
8、实验,由于反复调试降雨模拟器,因此在正式试验之前,路面砖下垫物质的湿度较大,其后固定每天一组,无任何其他干扰。径流系数见表1。从表中可以发现,不透水路面的径流系数变动范围在0.419-0.762之间,平均径流系表116次冲刷试验的径流系数Tab1Theindexesof“RC”of16wash-offexperiments 时段 雨强(mm/min) 径流系数 时段 雨强(mm/min) 径流系数 (8.10)3min 0.307 0.685 (8.12)3min 0.379 0.555 (8.10)5min 0.294 0.663 (8.12)5min 0.506 0.674 (8.10)7
9、min 0.291 0.688 (8.12)7min 0.407 0.486 (8.10)9min 0.355 0.552 (8.12)9min 0.419 0.476 (8.11)3min 0.407 0.419 (8.13)3min 0.558 0.762 (8.11)5min 0.412 0.524 (8.13)5min 0.639 0.668 (8.11)7min 0.386 0.535 (8.13)7min 0.576 0.723 (8.11)9min 0.384 0.626 (8.13)9min 0.546 0.67 数为0.61,该系数及变动范围与前人在沥青路面上的的研究结果非常
10、相似,Ragab,Ramier,ChrisS.Eckley等人的数据范围是49-66%。ChrisS.Eckley还总结出径流系数随降雨时长的增加而增加的特点,但本实验数据并不支持该结论。8月10日雨强相对较小,范围0.291-0.355mm/min,由于受到调试实验的干扰,径流系数总体较大。8月11-13 图2径流系数与雨强关系Fig2TherelationshipbetweenRCandrainfallintensity日,数据表明径流系数与降雨持续时间无关,但却随着雨强的增大有增大趋势,因此做径流系数与雨强关系图2,并计算两者的相关系数,并进行相关显著性的pearson检验(双侧),相关系数0.764,并在显著性为0.004的条件下通过检验。