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（firstflush），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、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1.5ⅹ1.5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、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。
　　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)7min	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。 说明径流系数受到雨强确定性影响，雨强越大，径流系数越大。
　　3.2路面路面冲刷前后的粒级特征
　　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”（freeload）,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
　　
　　图3冲刷前后粒级分布对比
　　Fig3Thecomparationbetweenthegrain-sizedfractionsofthedust
　　beforewashingandwhichafterwashing
　　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，这在本实验中的到回答。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，在西湖北里湖路面采样也证实了这一点（表2），日常监测从2010年3月
　　表2杭州北山路路面灰尘氮磷含量的粒级分布
　　Tab2ThecontentsofTN,TPindifferentgrainsizefractionsin
　　thedustonBeishanstreetinHanghzhou
　　

	粗颗粒(大于300目)		细颗粒（48-300um）		极细颗粒（小于48um）
	TN (g/kg)	TP (g/kg)	TN (g/kg)	TP (g/kg)	TN (g/kg)	TP (g/kg)
三月	4.151	1.339	4.145	1.405	3.356	1.44
四月	4.555	1.31	6.761	1.363	5.031	1.586
五月	1.943	1.319	2.88	1.184	1.542	1.315
六月	0.353	0.723	1.162	0.618	1.270	0.776
七月	1.493	0.783	1.834	0.929	1.996	0.717
八月	1.652	0.843	2.169	0.821	1.934	0.666
总平均	2.358	1.053	3.159	1.054	2.522	1.083

开始至2010年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。表中也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。
　　3.3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，用残留比例与雨强两个变量做图，见图4。
　　
　　图4雨强和路面残留量关系
　　Fig4Therelationshipbetweenrainfallintensityandtheresidualquantityofthedustafterrain
　　很明显，雨强增大而相应的冲刷比例却在减小。实际上，很多实验数据论证了雨强增大冲刷强度增大的结论，因此影响路面物质输出的其他因素就值得深入的探讨，一个最主要的因素是路面水流的沉积作用。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（见图1），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，获得表3
　　表3几次实验中路面不同部位物质残留
　　Tab3Theresidualondifferentpartsofroadintheseveralexperiments
　　

雨强（mm/min)	0.419	0.546	0.558	0.576	0.639
路面底部残留物重量（g）	3.4	3.896	1.45	3.719	4.37
路面底部残留物比重(%)	22%	25%	13%	24%	28%
路面其他部分残留比重(%)	48%	53%	42%	42%	38%
路面总冲刷量所占比重（%）	30%	22%	45%	34%	34%
冲刷、残留总计	100%	100%	100%	100%	100%

从表3可看到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。路面上部形成的表面径流汇集至路面底部，底部水层厚度较大，而路面上部水层相对较薄，雨点在底部的冲击力量由于受到较厚水层的削弱，因而对沉积物的扰动较小，沉积物不易被流水带走；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。
　　同时从表中也可发现，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。
　　综上，物质在路面上的输出量最终由冲刷作用和沉积作用共同决定，因而可以不随雨强的增大而增大，甚至可能由于堆积作用的影响，使输出量变化逆反于雨强变化。在实验中由于冲刷量随雨强增大而增大的结论已由多个实验证明，因此可以推断：路面物质的沉积量随雨强的增大而增大。
　　3.3冲刷实验中前3分钟路面损失量及其意义
　　目前城市暴雨径流管理中一个重要的研究问题是首次冲刷（firstflush）的比重及其意义，由于目前很多的监测表明，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。很多监测与研究侧重在首次冲刷中污染物输出量、输出浓度及损害等方面，而对首次冲刷中污染物的载体输出量的研究并不多，从机理上看，污染物的输出可能还是应以灰尘物理携带输移作用为主，化学释放流失并不占重要地位。
　　本实验设置了4组雨强条件，每一雨强条件下，按时间设置了3、5、7、9分钟各4次试验，将各雨强下的3分钟实验数据列于表4，表中仍可发现随着雨强增大，3分钟路
　　表4不同雨强下3分钟路面物质输出比例
　　Tab4Theoutputproportationofroaddustin3minutesunderdifferentrainfallintensities
　　

时段	雨强（mm/min)	路面输出比例
(8.10)3分钟	0.307	54．2%
(8.11)3分钟	0.407	62．1%
(8.12)3分钟	0.379	55．9%
(8.13)3分钟	0.558	44．2%

面输出物占总投放量比例在不断减小，前文已说明这是由于沉积作用随着雨强的增大而加强导致；同时可以发现，在短短的3分钟降雨期间内，4次实验中有3次路面输出量超过灰尘总投放量的一半左右，粒径分析表明主要损失的是细颗粒物质。这些物质往往是水体中TSS的主要来源,也是污染物质的主要载体，而TSS可以作为营养物质、重金属、化学需氧量、有机物输出量的简易衡量工具，因此可以推断在降雨的条件下，降雨初期水流的物理携带作用叠加污染物化学释放，可能会造成50%以上的污染物进入下水系统或直接进入地表水体。ChrisS.Eckley等人在校园道路上（27.8米）多次降雨冲刷实验的研究结论也表明：在降雨的1.9±1.2分钟内总汞（THg）输出可达路面总汞存留量的47±6%。
　　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。
　　4结论
　　路面污染输出是城市面临的另一个重要的环境问题，自上世纪90年代开始就不断有国内外研究者对路面污染物的输出现象和机理进行描述和探讨，作为补充，本研究在室内条件下进行冲刷实验，并获得以下的结论：1）实验中不透水路面径流系数一般范围在0.419-0.762之间，和沥青路面的径流系数的变化范围一致，且和雨强具有正相关关系，但和降雨时长没有关系。2）路面物质损失具有明显的粒级特征：细粒物质损失较大，路面残留物的粒级组成明显粗化，且物质组成中>300um,150-300um,48-300um三个粒径组灰尘比重相对冲刷前有明显增加，表明这些尘土颗粒具有相同的水力学特征，而粒径的细粒物质比重较冲刷前明显下降，表明这部分物质更易遭受冲刷。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或径流量的增加而增加，甚至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。
　　5讨论---路面冲刷机制分析
　　根据沉积学理论，降雨初期路面形成径流，路面水流呈湍流态，湍流的上升作用会将灰尘中粘土类细粒物质以“水悬浮体”形式进行搬运，粗颗粒物质则通过跳跃（salation）和表面蠕动（surfacecreep）的形式运移。只要水和灰尘的混合物比重小于2.0g/m，水流仍呈湍流性质,这个过程就会保持下去。
　　城市交通路面主要有沥青路面、水泥混凝土路面、人行道及广场路面（路面砖铺设），
　　沥青路面、水泥混凝土路面表面坑洼不平，路面砖铺设路面表面相对平坦，但仍具有一定的微地貌特征，路面砖的接缝处往往形成路面的低洼处，是路面径流及物质流失的重要部位。
　　路面径流在短时间内就可携带大量冲刷物质向低端运行，并在流速降低的地方进行“填凹”，这些流速降低的部位往往是路面低洼处，这些灰尘累积处可以在路面直接目视看到。低洼处可能会拦截大量物质，本实验的路面低洼处拦截的物质量可占冲刷后路面残余总量的15-30%，如果在更加不平的沥青路面、水泥混凝土路面，“填凹”量应高于这个比例。这些沉积下来的物质一部分会吸附于路面形成“固定”载荷（fixedload）,另一部分则会形成易被冲刷的“自由载荷”（freeload）在下一次降雨中接受再一次快速的冲刷。
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