城市路面產流監測裝置設計研究

□郭文顥

我國城市化進程發展迅速，城市建設規模持續擴大。由于城市下墊面主要由透水區（如綠地、裸土等)及不透水區（如瀝青、水泥混凝土、花崗巖、水泥磚等材質的路面、屋面及廣場等）構成，城市下墊面的變化使水文循環產生了新特征。研究城市不透水區降雨產流規律及徑流水質變化規律，準確獲取不透水下墊面的徑流初損量、徑流系數、雨水徑流各類污染物濃度等水文參數，是水文發展、研究的新方向，也是國家推進海綿城市建設，提高城市防洪排澇減災能力，提升城市生態系統功能，科學利用雨水資源等對水文試驗研究的迫切要求。作者對城市路面降雨徑流規律研究所需的監測裝置，進行設計、制作并應用于試驗監測研究。與高成本的模擬場地試驗及監測市政管道徑流試驗相比，本項城市路面徑流配套監測裝置的設計具有創新性、實用性、成本低等特點，可在不同材質的路面上快速安裝，對城市路面降雨產流過程進行監測研究。

1.設計內容

保定水文部門自2010 年開始立項，對城市路面降雨產流規律進行研究。項目要求同步監測降雨量、不同路面產流量、降雨及產流歷時等，以取得相關水文參數。項目監測試驗區選取位于保定市的河北農業大學東校區。校區道路按鋪設材料劃分，主要有混凝土路面、瀝青路面、水泥磚人行路面、花崗巖廣場路面等幾種類型。在水文監測工作中，某流域降雨產流規律是通過對水文站網的系列降雨、徑流資料進行分析后得出的。進行城市路面降雨產流規律研究，同樣需要設定監測區域，選擇降雨徑流量的監測方法。本項研究針對大學校區道路特點，設計路面產流監測裝置，模擬流域邊界，對產流監測區內產生的徑流量進行監測研究。

2.裝置設計及使用方法

路面產流監測場地應選取有代表性的路段，不能有樹木冠層或其它雨水遮擋物。為便于產流量收集、監測，選擇附近有雨水排放口的場地。打開雨水排放口設置的雨篦子，察看雨水排放井，井坑應完好、無雜物，其深度應能安置雨水收集刻度桶。

為了模擬流域的形狀及方便觀測，將監測場地設計成梯形或三角形，斷面開口指向雨水排放口。監測場地的邊界采用高100mm、厚15mm、長2000mm的PVC 板，圍成等腰梯形的產流區域，預留200mm 寬斷面開口。PVC 板底部墊一層膩子，使之與路面密封不漏水。將導流器安裝在斷面開口處，使監測場地產流全部導入刻度桶。路面產流監測裝置設計示意圖見圖1。

為了將監測場地產流全部收集到刻度桶，設計了一種帶有羽翼和出流板的導流器。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。導流裝置采用1mm 厚的不銹鋼皮制成。導流器結構示意圖見圖2，導流器制作圖紙示意圖見圖3。

安裝導流器時，先把斷面處清理干凈，將導流器貼著路面塞進PVC 板膩子層的下面，縫隙用膩子塞實，導流器的羽翼貼在兩塊豎立的PVC 板的兩側，用防水膠布將PVC 板和導流器的羽翼粘貼牢固。在斷面開口處，用寬透明膠帶將導流器的邊緣粘貼在監測場地上，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實，確保不漏水。路面產流監測裝置透明膠涂層說明見圖4。如此，整個產流監測區域封閉，其間產生的降雨徑流通過導流器全部匯入雨水收集刻度桶。

雨水收集刻度桶的設計及安裝。徑流量的觀測要求折合成徑流深，即徑流總量除以產流面積所得。因此設計以0.1mm 徑流深對應的容積為刻度單位。選擇總容積25L 的水桶，用量筒取水，每倒入0.1mm 徑流深對應的容積標記一刻度。刻度桶安置在雨水排放井內，用來收集測量監測區內的雨水產流量。安裝刻度桶時應進行調平，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，將刻度桶調整到便于觀測的合理高度。

圖1 路面產流監測裝置設計示意圖

在實際監測降雨徑流試驗中，應密切關注天氣預報。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）搭建好觀測場，用路障標志提示過往車輛繞行。在監測過程中，應用擋雨木板遮住導流器與集水桶，避免雨水直接降落到導流器及觀測刻度桶內。應避免雨具遮擋觀測場，即不可截流本應降落到觀測場的雨水。應設置備用桶，一用一備，交替使用。在實測產流過程中，刻度桶收集的雨水徑流會隨著產流過程而增加，當收集的雨水到達最高刻度時應及時替換刻度桶。在夜晚觀測時，應提前準備好防水應急照明燈。試驗前所有觀測人員應對時間進行校核，與翻斗式自計雨量計的時間保持一致。實測降雨產流過程時，觀測人員應將產流量變化數據和發生時間準確記錄在原始數據記載表上。

在無雨時也可利用路面產流監測裝置進行模擬降雨產流試驗，即人工在觀測場均勻噴水，模擬設計雨強條件下的路面降雨產流過程，實時觀測產流量變化。

圖2 導流器結構示意圖

圖3 導流器制作圖紙示意圖

3.結論

保定水文勘測研究中心自2010 年起開展城市水文監測工作，對城市不同下墊面的產流特征，進行了基礎性試驗研究，并且申請了城市水文與雨水資源利用研究方向的市廳級科研項目，其路面產流監測裝置作為項目中的一項發明設計，發揮了獨特的優勢：能夠用于不同材質路面產流監測，組裝拆卸便捷、成本低，能夠準確高效實測等。裝置在項目完成期間應用情況良好，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用，并且在保定市利源水務技術開發中心設計城市雨水收集水箱和水池的蓄水能力時借鑒效果明顯。