城市路面室內沖刷實驗的意義

摘要：本文采用室內模擬方法，在實驗中發現：由於沉積作用的影響，路面輸出量可能不會因降雨強度的增加而增加，相反，由於沉積作用的加強路面輸出量反而減小。在實驗中還存在很多不能控制的變量，所得到的結論可能摻雜了很多因素的影響，因此需要在室內條件下有控制地進行實驗，才能得到準確結論。

關鍵詞：模擬實驗；路面輸出量；室內條件下

一、城市路面室內沖刷研究現狀

城市路面灰塵中積聚了相當數量的有機物、氮磷物質、重金屬、PCB等污染物質，在雨水的沖刷下，進入河、湖水域，這種突發性的輸入往往具有短期、爆發性特點，會對水生態系統以及水環境產生嚴重危害。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行，同時還受到風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到平衡。

城市路面沖刷過程的研究起始於上世紀70-80年代，研究的對象主要為徑流中的TSS，營養鹽、重金屬等物質的流失特徵，而路面物質的沖刷量則受到路面物質存量、徑流量以及雨強等因素的影響。近些年的研究進一步深化了人們對路面沖刷機制的理解，通過野外和室內試驗探討了雨強、降雨持續時間、雨前晴天時長對路面物質輸出量的影響。對雨強因素的深入討論表明，雨滴的衝擊能量能有效的剝離吸附在路面上的灰塵，但隨着道路表面水層的形成，雨滴的作用會大為降低，這也造成路面污染物在徑流初期會急劇輸出的特點。

二、研究方法

本研究以某市人行道路面作為參考對象構建室內路面，在實驗室內用25塊人行道地面磚在室內構建1.51.5米的路面，坡度1.6%，路面最底端高度30cm，路面兩側用不透水的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監測得到的6個月的人行道路面灰塵進行粒級配製，灰塵各粒級重量百分比固定為：>300um、佔10%；150-300um、佔10%；48-150um、佔15%；、佔65%。每次實驗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，並人工掃勻。降雨由降雨模擬器（TSOY-102）模擬不同雨強，分別模擬4個不同雨強下的降雨沖刷。雨強測定時，不改變模擬器的位置、距離、方向，只通過改變壓力錶壓力進行修改，但考慮到模擬器所降雨水可能分佈不均，因此每次實驗時在實驗路面的四角及中心各放置一口徑10.5cm燒杯，最終雨強通過彙集五個燒杯降雨並取平均值獲得。（實驗表明即使在同一壓力值，設備的雨強也有變化）每天取一固定壓力值（希望能獲得同一雨強值），再按降雨3、5、7、9分鐘等4個時段進行4次實驗，每次試驗間隔1小時，並使用加熱燈烘烤路面半小時，等待路面完全乾後，用改制的大功率吸塵器（FC8260）收集雨後殘留樣，樣品分別通過50目、100目、300目、500目篩，稱重，總的實驗次數為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、研究結果

（一）路面沖刷前後特徵。

在室內的實驗中，樣品採用固定粒級比重的樣品進行實驗，每次樣品重15g，共進行16次不同雨強的降雨實驗。雨強範圍0.291-0.762mm/min，由於本文收集的樣品屬於vaze定義的“自由載荷”，所以上述實驗主要反映自由載荷的沖刷規律。通過雨前樣粒徑分佈和雨後樣粒徑分佈的比較，可明顯看出，在多次的沖刷試驗中，>300um，150-300um，48-300um等三個粒徑組在降雨沖刷後的比例比原樣明顯有所提高，而較細的粒徑組比例則比原樣比重有所下降。這表明整個樣品經降雨沖刷後，粒徑有粗化的趨勢，而在不同雨強的沖刷中，>300um，150-300um，48-300um三個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特徵，因而具有相同的沖刷特點。這和粒徑組的物質沖刷形成對比，該組比重下降，説明該粒級組在所有的'降雨事件中都表現出更強的可蝕性。一些研究認為細粒灰塵在沖刷中更易被沖刷掉，但究竟哪個粒級物質易於沖刷尚不明確，這在本實驗中得到回答。各粒級組16次實驗平均沖刷損失比例分別為：>300um，佔39.12%；150-300um，佔36.03%；48-300um，佔30.16%；，佔53.27%；可見細粒物質主要是的灰塵損失較多，略多於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主要附着於48-300um和兩個粒級組，在該市其他路面採樣也證實了這一點，日常監測從2010年3月――9月，灰塵樣品的TN測定採用半微量凱式法，TP的測定採用鉬銻抗分光光度法，可發現氮磷物質的主要集中在48-300um和兩個粒級組中，且一般灰塵粒級組的重量百分比可佔50%以上，所以，可以推測在降雨初期的一段時間中，一半以上的細粒物質被沖刷，同時也伴隨着大量氮磷物質的流失。

（二）雨強對路面沖刷和沉積的影響

目前很多研究論證了降雨雨強對衝刷有着極其重要的影響，一般沖刷量會隨着雨強的增大而增大，但本室內實驗的結果似乎並不支持這一結論，如前所述，採用室內模擬的方法獲得16次沖刷數據，將每次投放的總量減去沖刷後的路面殘留量獲得每次輸出量，並計算殘留量比例，很明顯，雨強增大而相應的沖刷比例卻在減小。試驗中的目視觀察可以發現，在雨強較大的幾次試驗中路面底部位置都會發現有較大量的物質沉積，底部沉積區域由路面最底部的5快地面磚構成，約佔全部路面的1/5，灰塵投放量為3g，沖刷實驗後，將路面最底部與路面其他部分殘留物質分開收集，稱重並計算殘留物佔總投放量的比重，5次實驗中有4次底部收集到的物質量大於3g，明顯路面底部發生了堆積作用。可見實驗中最終路面沖刷出的物質量應是沖刷和堆積共同作用的結果。這就揭示了路面物質沖刷量不隨雨強增大而增大的原因。另外，路面底部是坡度相對較小區域，水流流速降低，徑流中的攜帶物易發生沉積，這和日常在城市道路觀察到的現象非常一致，雨後灰塵往往會集中在路肩與路面的結合處。

除路面底部以外的其他4/5面積（投放了12g灰塵）發生了淨沖刷，路面殘留比重從38%到53%，物質沖刷量從4.05g-6.3g，大部分實驗中上部路面損失超過50%，隨着雨強的增大，這一部分路面的殘留量所佔比重變小，物質損失量增大，沖刷掉的物質有可能在路面底部發生堆積，路面物質的沉積量隨雨強的增大而增大。

四、室內沖刷實驗的意義

目前很多監測都表明，在徑流形成初始階段會有大量氮磷、重金屬、有毒有害物質呈爆發性的進入水域，由於污染物濃度較高，往往會對水體內的生態系統造成損害。

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作用。這一結論表明，降雨初期，在雨水進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。