城市路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)研究

□郭文顥

我國(guó)城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，城市建設(shè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。由于城市下墊面主要由透水區(qū)（如綠地、裸土等)及不透水區(qū)（如瀝青、水泥混凝土、花崗巖、水泥磚等材質(zhì)的路面、屋面及廣場(chǎng)等）構(gòu)成，城市下墊面的變化使水文循環(huán)產(chǎn)生了新特征。研究城市不透水區(qū)降雨產(chǎn)流規(guī)律及徑流水質(zhì)變化規(guī)律，準(zhǔn)確獲取不透水下墊面的徑流初損量、徑流系數(shù)、雨水徑流各類污染物濃度等水文參數(shù)，是水文發(fā)展、研究的新方向，也是國(guó)家推進(jìn)海綿城市建設(shè)，提高城市防洪排澇減災(zāi)能力，提升城市生態(tài)系統(tǒng)功能，科學(xué)利用雨水資源等對(duì)水文試驗(yàn)研究的迫切要求。作者對(duì)城市路面降雨徑流規(guī)律研究所需的監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作并應(yīng)用于試驗(yàn)監(jiān)測(cè)研究。與高成本的模擬場(chǎng)地試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)市政管道徑流試驗(yàn)相比，本項(xiàng)城市路面徑流配套監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性、實(shí)用性、成本低等特點(diǎn)，可在不同材質(zhì)的路面上快速安裝，對(duì)城市路面降雨產(chǎn)流過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

1.設(shè)計(jì)內(nèi)容

保定水文部門自2010 年開(kāi)始立項(xiàng)，對(duì)城市路面降雨產(chǎn)流規(guī)律進(jìn)行研究。項(xiàng)目要求同步監(jiān)測(cè)降雨量、不同路面產(chǎn)流量、降雨及產(chǎn)流歷時(shí)等，以取得相關(guān)水文參數(shù)。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)試驗(yàn)區(qū)選取位于保定市的河北農(nóng)業(yè)大學(xué)東校區(qū)。校區(qū)道路按鋪設(shè)材料劃分，主要有混凝土路面、瀝青路面、水泥磚人行路面、花崗巖廣場(chǎng)路面等幾種類型。在水文監(jiān)測(cè)工作中，某流域降雨產(chǎn)流規(guī)律是通過(guò)對(duì)水文站網(wǎng)的系列降雨、徑流資料進(jìn)行分析后得出的。進(jìn)行城市路面降雨產(chǎn)流規(guī)律研究，同樣需要設(shè)定監(jiān)測(cè)區(qū)域，選擇降雨徑流量的監(jiān)測(cè)方法。本項(xiàng)研究針對(duì)大學(xué)校區(qū)道路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置，模擬流域邊界，對(duì)產(chǎn)流監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的徑流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。

2.裝置設(shè)計(jì)及使用方法

路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)場(chǎng)地應(yīng)選取有代表性的路段，不能有樹(shù)木冠層或其它雨水遮擋物。為便于產(chǎn)流量收集、監(jiān)測(cè)，選擇附近有雨水排放口的場(chǎng)地。打開(kāi)雨水排放口設(shè)置的雨篦子，察看雨水排放井，井坑應(yīng)完好、無(wú)雜物，其深度應(yīng)能安置雨水收集刻度桶。

為了模擬流域的形狀及方便觀測(cè)，將監(jiān)測(cè)場(chǎng)地設(shè)計(jì)成梯形或三角形，斷面開(kāi)口指向雨水排放口。監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的邊界采用高100mm、厚15mm、長(zhǎng)2000mm的PVC 板，圍成等腰梯形的產(chǎn)流區(qū)域，預(yù)留200mm 寬斷面開(kāi)口。PVC 板底部墊一層膩?zhàn)樱怪c路面密封不漏水。將導(dǎo)流器安裝在斷面開(kāi)口處，使監(jiān)測(cè)場(chǎng)地產(chǎn)流全部導(dǎo)入刻度桶。路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖1。

為了將監(jiān)測(cè)場(chǎng)地產(chǎn)流全部收集到刻度桶，設(shè)計(jì)了一種帶有羽翼和出流板的導(dǎo)流器。羽翼的作用是連接并固定到PVC 板，出流板的作用是使雨水徑流受重力作用自然流入刻度桶。導(dǎo)流裝置采用1mm 厚的不銹鋼皮制成。導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2，導(dǎo)流器制作圖紙示意圖見(jiàn)圖3。

安裝導(dǎo)流器時(shí)，先把斷面處清理干凈，將導(dǎo)流器貼著路面塞進(jìn)PVC 板膩?zhàn)訉拥南旅?，縫隙用膩?zhàn)尤麑?shí)，導(dǎo)流器的羽翼貼在兩塊豎立的PVC 板的兩側(cè)，用防水膠布將PVC 板和導(dǎo)流器的羽翼粘貼牢固。在斷面開(kāi)口處，用寬透明膠帶將導(dǎo)流器的邊緣粘貼在監(jiān)測(cè)場(chǎng)地上，再用玻璃膠（防水密封材料）將透明膠帶與地面連接處涂抹嚴(yán)實(shí)，確保不漏水。路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置透明膠涂層說(shuō)明見(jiàn)圖4。如此，整個(gè)產(chǎn)流監(jiān)測(cè)區(qū)域封閉，其間產(chǎn)生的降雨徑流通過(guò)導(dǎo)流器全部匯入雨水收集刻度桶。

雨水收集刻度桶的設(shè)計(jì)及安裝。徑流量的觀測(cè)要求折合成徑流深，即徑流總量除以產(chǎn)流面積所得。因此設(shè)計(jì)以0.1mm 徑流深對(duì)應(yīng)的容積為刻度單位。選擇總?cè)莘e25L 的水桶，用量筒取水，每倒入0.1mm 徑流深對(duì)應(yīng)的容積標(biāo)記一刻度。刻度桶安置在雨水排放井內(nèi)，用來(lái)收集測(cè)量監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)的雨水產(chǎn)流量。安裝刻度桶時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)平，桶口接近于路面高度。若雨水排放井較深，可用混凝土塊墊底，將刻度桶調(diào)整到便于觀測(cè)的合理高度。

圖1 路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)示意圖

在實(shí)際監(jiān)測(cè)降雨徑流試驗(yàn)中，應(yīng)密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)。降雨前在不同下墊面（水泥路面、瀝青路面、水泥磚路面、花崗巖路面等）搭建好觀測(cè)場(chǎng)，用路障標(biāo)志提示過(guò)往車輛繞行。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)用擋雨木板遮住導(dǎo)流器與集水桶，避免雨水直接降落到導(dǎo)流器及觀測(cè)刻度桶內(nèi)。應(yīng)避免雨具遮擋觀測(cè)場(chǎng)，即不可截流本應(yīng)降落到觀測(cè)場(chǎng)的雨水。應(yīng)設(shè)置備用桶，一用一備，交替使用。在實(shí)測(cè)產(chǎn)流過(guò)程中，刻度桶收集的雨水徑流會(huì)隨著產(chǎn)流過(guò)程而增加，當(dāng)收集的雨水到達(dá)最高刻度時(shí)應(yīng)及時(shí)替換刻度桶。在夜晚觀測(cè)時(shí)，應(yīng)提前準(zhǔn)備好防水應(yīng)急照明燈。試驗(yàn)前所有觀測(cè)人員應(yīng)對(duì)時(shí)間進(jìn)行校核，與翻斗式自計(jì)雨量計(jì)的時(shí)間保持一致。實(shí)測(cè)降雨產(chǎn)流過(guò)程時(shí)，觀測(cè)人員應(yīng)將產(chǎn)流量變化數(shù)據(jù)和發(fā)生時(shí)間準(zhǔn)確記錄在原始數(shù)據(jù)記載表上。

在無(wú)雨時(shí)也可利用路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行模擬降雨產(chǎn)流試驗(yàn)，即人工在觀測(cè)場(chǎng)均勻噴水，模擬設(shè)計(jì)雨強(qiáng)條件下的路面降雨產(chǎn)流過(guò)程，實(shí)時(shí)觀測(cè)產(chǎn)流量變化。

圖2 導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 導(dǎo)流器制作圖紙示意圖

3.結(jié)論

保定水文勘測(cè)研究中心自2010 年起開(kāi)展城市水文監(jiān)測(cè)工作，對(duì)城市不同下墊面的產(chǎn)流特征，進(jìn)行了基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，并且申請(qǐng)了城市水文與雨水資源利用研究方向的市廳級(jí)科研項(xiàng)目，其路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)裝置作為項(xiàng)目中的一項(xiàng)發(fā)明設(shè)計(jì)，發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：能夠用于不同材質(zhì)路面產(chǎn)流監(jiān)測(cè)，組裝拆卸便捷、成本低，能夠準(zhǔn)確高效實(shí)測(cè)等。裝置在項(xiàng)目完成期間應(yīng)用情況良好，在保定市政府水資源管理辦公室2020 年度雨水資源利用工作中得到應(yīng)用，并且在保定市利源水務(wù)技術(shù)開(kāi)發(fā)中心設(shè)計(jì)城市雨水收集水箱和水池的蓄水能力時(shí)借鑒效果明顯。