城市路面室內(nèi)沖刷實(shí)驗(yàn)的意義

　　摘要：本文采用室內(nèi)模擬方法，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：由于沉積作用的影響，路面輸出量可能不會(huì)因降雨強(qiáng)度的增加而增加，相反，由于沉積作用的加強(qiáng)路面輸出量反而減小。在實(shí)驗(yàn)中還存在很多不能控制的變量，所得到的結(jié)論可能摻雜了很多因素的影響，因此需要在室內(nèi)條件下有控制地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，才能得到準(zhǔn)確結(jié)論。

　　關(guān)鍵詞：模擬實(shí)驗(yàn)；路面輸出量；室內(nèi)條件下

　　一、城市路面室內(nèi)沖刷研究現(xiàn)狀

　　城市路面灰塵中積聚了相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)物、氮磷物質(zhì)、重金屬、PCB等污染物質(zhì)，在雨水的沖刷下，進(jìn)入河、湖水域，這種突發(fā)性的輸入往往具有短期、爆發(fā)性特點(diǎn)，會(huì)對水生態(tài)系統(tǒng)以及水環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。地表灰塵累積主要通過大氣沉降、地表吹蝕物沉降、路面及交通工具的磨損等形式進(jìn)行，同時(shí)還受到風(fēng)力的重懸浮影響以及人為清掃效率的影響，灰塵累積在這些影響的共同作用下達(dá)到平衡。

　　城市路面沖刷過程的研究起始于上世紀(jì)70-80年代，研究的對象主要為徑流中的TSS，營養(yǎng)鹽、重金屬等物質(zhì)的流失特征，而路面物質(zhì)的沖刷量則受到路面物質(zhì)存量、徑流量以及雨強(qiáng)等因素的影響。近些年的研究進(jìn)一步深化了人們對路面沖刷機(jī)制的理解，通過野外和室內(nèi)試驗(yàn)探討了雨強(qiáng)、降雨持續(xù)時(shí)間、雨前晴天時(shí)長對路面物質(zhì)輸出量的影響。對雨強(qiáng)因素的深入討論表明，雨滴的沖擊能量能有效的剝離吸附在路面上的灰塵，但隨著道路表面水層的形成，雨滴的作用會(huì)大為降低，這也造成路面污染物在徑流初期會(huì)急劇輸出的特點(diǎn)。

　　二、研究方法

　　本研究以某市人行道路面作為參考對象構(gòu)建室內(nèi)路面，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用25塊人行道地面磚在室內(nèi)構(gòu)建1.51.5米的路面，坡度1.6%，路面最底端高度30cm，路面兩側(cè)用不透水的PVC板阻隔路面徑流流出路面，以保證降雨徑流能全部流向下方，路面底部設(shè)有集水管收集路面匯流的徑流量。

　　路面灰塵則參考2010.3-1020.9監(jiān)測得到的6個(gè)月的人行道路面灰塵進(jìn)行粒級配制，灰塵各粒級重量百分比固定為：>300um、占10%；150-300um、占10%；48-150um、占15%；、占65%。每次實(shí)驗(yàn)前稱量上述粒級灰塵，得到混合灰塵樣15克，用藥匙均勻分配到每塊地面磚上，每塊約分得0.6g，并人工掃勻。降雨由降雨模擬器（TSOY-102）模擬不同雨強(qiáng)，分別模擬4個(gè)不同雨強(qiáng)下的降雨沖刷。雨強(qiáng)測定時(shí)，不改變模擬器的位置、距離、方向，只通過改變壓力表壓力進(jìn)行修改，但考慮到模擬器所降雨水可能分布不均，因此每次實(shí)驗(yàn)時(shí)在實(shí)驗(yàn)路面的四角及中心各放置一口徑10.5cm燒杯，最終雨強(qiáng)通過匯集五個(gè)燒杯降雨并取平均值獲得。（實(shí)驗(yàn)表明即使在同一壓力值，設(shè)備的雨強(qiáng)也有變化）每天取一固定壓力值（希望能獲得同一雨強(qiáng)值），再按降雨3、5、7、9分鐘等4個(gè)時(shí)段進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，每次試驗(yàn)間隔1小時(shí)，并使用加熱燈烘烤路面半小時(shí)，等待路面完全干后，用改制的大功率吸塵器（FC8260）收集雨后殘留樣，樣品分別通過50目、100目、300目、500目篩，稱重，總的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為16次。每次降雨過程的沖刷量使用總投放量減去路面存留量獲得。

　　三、研究結(jié)果

　　（一）路面沖刷前后特征。

　　在室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)中，樣品采用固定粒級比重的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次樣品重15g，共進(jìn)行16次不同雨強(qiáng)的降雨實(shí)驗(yàn)。雨強(qiáng)范圍0.291-0.762mm/min，由于本文收集的樣品屬于vaze定義的“自由載荷”，所以上述實(shí)驗(yàn)主要反映自由載荷的沖刷規(guī)律。通過雨前樣粒徑分布和雨后樣粒徑分布的比較，可明顯看出，在多次的沖刷試驗(yàn)中，>300um，150-300um，48-300um等三個(gè)粒徑組在降雨沖刷后的比例比原樣明顯有所提高，而較細(xì)的粒徑組比例則比原樣比重有所下降。這表明整個(gè)樣品經(jīng)降雨沖刷后，粒徑有粗化的趨勢，而在不同雨強(qiáng)的沖刷中，>300um，150-300um，48-300um三個(gè)粒徑組灰塵比重的增加表明這些塵土顆粒具有相同的水力學(xué)特征，因而具有相同的沖刷特點(diǎn)。這和粒徑組的物質(zhì)沖刷形成對比，該組比重下降，說明該粒級組在所有的降雨事件中都表現(xiàn)出更強(qiáng)的可蝕性。一些研究認(rèn)為細(xì)�；覊m在沖刷中更易被沖刷掉，但究竟哪個(gè)粒級物質(zhì)易于沖刷尚不明確，這在本實(shí)驗(yàn)中得到回答。各粒級組16次實(shí)驗(yàn)平均沖刷損失比例分別為：>300um，占39.12%；150-300um，占36.03%；48-300um，占30.16%；，占53.27%；可見細(xì)粒物質(zhì)主要是的灰塵損失較多，略多于50%。

　　從攜帶氮磷成分的粒級分配看，很多的研究表明氮磷物質(zhì)主要附著于48-300um和兩個(gè)粒級組，在該市其他路面采樣也證實(shí)了這一點(diǎn)，日常監(jiān)測從2010年3月――9月，灰塵樣品的TN測定采用半微量凱式法，TP的測定采用鉬銻抗分光光度法，可發(fā)現(xiàn)氮磷物質(zhì)的主要集中在48-300um和兩個(gè)粒級組中，且一般灰塵粒級組的重量百分比可占50%以上，所以，可以推測在降雨初期的一段時(shí)間中，一半以上的細(xì)粒物質(zhì)被沖刷，同時(shí)也伴隨著大量氮磷物質(zhì)的流失。

　　（二）雨強(qiáng)對路面沖刷和沉積的影響

　　目前很多研究論證了降雨雨強(qiáng)對沖刷有著極其重要的影響，一般沖刷量會(huì)隨著雨強(qiáng)的增大而增大，但本室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果似乎并不支持這一結(jié)論，如前所述，采用室內(nèi)模擬的方法獲得16次沖刷數(shù)據(jù)，將每次投放的總量減去沖刷后的路面殘留量獲得每次輸出量，并計(jì)算殘留量比例，很明顯，雨強(qiáng)增大而相應(yīng)的沖刷比例卻在減小。試驗(yàn)中的目視觀察可以發(fā)現(xiàn)，在雨強(qiáng)較大的幾次試驗(yàn)中路面底部位置都會(huì)發(fā)現(xiàn)有較大量的物質(zhì)沉積，底部沉積區(qū)域由路面最底部的5快地面磚構(gòu)成，約占全部路面的1/5，灰塵投放量為3g，沖刷實(shí)驗(yàn)后，將路面最底部與路面其他部分殘留物質(zhì)分開收集，稱重并計(jì)算殘留物占總投放量的.比重，5次實(shí)驗(yàn)中有4次底部收集到的物質(zhì)量大于3g，明顯路面底部發(fā)生了堆積作用�？梢妼�(shí)驗(yàn)中最終路面沖刷出的物質(zhì)量應(yīng)是沖刷和堆積共同作用的結(jié)果。這就揭示了路面物質(zhì)沖刷量不隨雨強(qiáng)增大而增大的原因。另外，路面底部是坡度相對較小區(qū)域，水流流速降低，徑流中的攜帶物易發(fā)生沉積，這和日常在城市道路觀察到的現(xiàn)象非常一致，雨后灰塵往往會(huì)集中在路肩與路面的結(jié)合處。

　　除路面底部以外的其他4/5面積（投放了12g灰塵）發(fā)生了凈沖刷，路面殘留比重從38%到53%，物質(zhì)沖刷量從4.05g-6.3g，大部分實(shí)驗(yàn)中上部路面損失超過50%，隨著雨強(qiáng)的增大，這一部分路面的殘留量所占比重變小，物質(zhì)損失量增大，沖刷掉的物質(zhì)有可能在路面底部發(fā)生堆積，路面物質(zhì)的沉積量隨雨強(qiáng)的增大而增大。

　　四、室內(nèi)沖刷實(shí)驗(yàn)的意義

　　目前很多監(jiān)測都表明，在徑流形成初始階段會(huì)有大量氮磷、重金屬、有毒有害物質(zhì)呈爆發(fā)性的進(jìn)入水域，由于污染物濃度較高，往往會(huì)對水體內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)造成損害。

　　綜上所述，在重金屬和其他一些污染物的降雨沖刷中，水流的物理攜帶是主導(dǎo)作用。這一結(jié)論表明，降雨初期，在雨水進(jìn)入污水廠或直排入河前處理掉其中的TSS是一件非常重要的工作，同時(shí)表明在日常的掃街工作中，使用更有效率的清掃工具也是大幅減少暴雨輸出的有效方法。