漂浮物對城市道路雨水口致堵規律研究

Abstract：Toinvestigatetheimpactofdiferentfloatingdebrisonthedrainageperformanceofurbanpipenetworksystemsystems，this studyconductedaseriesofphysical modeltestsbasedonslope experiments byconsidering thedrainageprocessofthe pipenetwork. Theeffectsofvaryingsurfaceslopes，storm-waterinletclogging，andtypicalfloatingdebriscloggingontheperformanceofthepipe network system were examined. The results show that： ① Under four clogging conditions on a flat slope，the drainage capacity of the storm-water inlet decreases by 21.45 % ～27.43 % ，37.59 % ～65.25 % ，10.69 % ～24.61 % ，and25.66 % ～58.96 % compared to the clogging-free condition. ② At lower flow rates，even though theclogging area offloating debris is small，the flow rate of the drainage pipenetwork during clogging of the storm-water inlet by typical floating debris decreases by 5.64 % ，16.38 % ，13.67%，and 37.48 % （204號 comparedtothcloggingfreecondition.Thisindicatesthatthereductionindrainagecapacityiselatedtotheobstructioncausedby floating debris upstream of the storm-water inlet. ③ When the storm-water inlet has 60% clogging at three different slopes，the flow rates of the drainage pipe network decrease by 15.86 % ，12.33 % ，and 29.61% ，respectively. The slope of the road also has a significant impact on the discharge capacity of the storm-water inlet. ④ The degree of impact of different floating debris on the drainagesystemvariessignificantlyunderdiferentslopes.Theresearch findingsprovideanempiricalbasisforthedesignand evaluationofurbandrainagesystems，whichisofgreatsignificanceforenhancingthefloodpreventioncapabilitiesofurbandrainage systems and responding to extreme weather events.

eyWords：storm-waterinlet;storm-waterinletclogging;typicalfloatingdebris;simulateddrainage test;flooddisaste

近年來，中國城市內澇的頻發，極端降雨事件日益常見，不僅加劇了地表水徑流的排放壓力，更對人民的生命財產安全構成了嚴重威脅[1-2]。與自然排水過程不同，城市排水過程主要依靠地下排水管網系統，而雨水口作為雨水徑流流入地下排水管網的關鍵節點，在城市排水和防澇系統設計中，雨水口過流能力對地表徑流的及時排除具有決定性影響[3-5]。若該連接節點的過流能力不足，將可能導致局部區域積水無法有效排除，進而導致局部內澇現象，對城市功能和居民生活造成不利影響[6-8]。

關于雨水口過流能力對管網排水能力的影響引起了廣泛的關注[9-10]。陳倩等[1]開展了不同來流水深及流速下的雨水口泄流能力試驗，對較大來流水深下雨水口泄流能力進行研究。于森等12]開展了偏溝式雨水口和聯合式雨水口物理模型試驗，研究了雨算子形式、道路積水深度等因素對雨水口收水率和泄水能力的影響。張迪等[13]針對雨水口的布局進行了研究，利用數值模擬的方法，分析了不同雨水口體型及布設方式、道路縱坡、數量等因素對泄流效率的影響。趙建坤[14]對平算式雨水口的2種雨水算形（順格條形和橫格條形）進行了恒定流試驗；同時采用數學模型精細模擬了連接管位置對雨水口泄流量的影響。而還有一些學者在此基礎上對影響雨水口泄流能力的因素進行了深入研究，Butler等[15]在試驗中用石英砂表征堵塞物，發現堵塞導致的雨水口泄流能力下降與來流量和堵塞物尺寸相關;Russo等[16]基于試驗和數值模擬提出了一種評估雨水口泄流能力的方法，用以計算不同形式和狀態下的雨水口泄流能力； G6mez 等[17]通過現場調查和試驗確定了雨水口的3種主要堵塞模式，并采用堵塞系數表示雨水口的堵塞情況。何京蓮[18]探究了不同特征尺度的漂浮物隨雨水徑流輸移至雨水算的過程，揭示了漂浮物輸移對不同徑流量的響應規律，但所采用的漂浮物較為單一；Hou等[19]開展了浮粒對道路雨水算堵塞規律的研究，揭示了不同徑流流速對漂浮物阻塞機制的影響。夏軍強等[20]基于原型尺寸物理模型研究了不同進水算堵塞面積下的排水能力，但僅將雨水口堵塞情況簡化為雨水口堵塞面積，也未考慮不同的漂浮物類型和堵塞形態。然而在下雨時漂浮物堵塞雨水口的現象十分常見，雨水口泄流不暢將直接導致局部內澇，顯著影響排水系統的整體性能。以上研究均未深入典型漂浮物堵塞與雨水口泄流之間的關系。

鑒于此，本研究以西安灃西新城某典型路段雨水口收排水過程為背景，采用1：3的幾何相似比搭建包括路面和地下排水管網系統在內的坡度可調試驗平臺，計算分析了不同地形坡度、不同雨算子堵塞程度和典型漂浮物堵塞程度對排水管網系統性能的影響。研究成果對于排水系統合理規劃及城市防洪排澇計算具有參考價值。

1雨水口堵塞試驗概況

洋西新城作為現代化城市建設的示范區，其道路設計普遍采用了輕微的坡度。這種輕微坡度的道路在城市中較為常見，既反映現實條件，又具前瞻性，對優化城市排水設計、提升現代化城市建設標準具有重要價值。因此，本文選取灃西新城中一個具有典型性的路段，并依照1：3的幾何相似比搭建試驗平臺以該路段雨水口的收集與排水過程作為研究對象。試驗平臺由消力池、城市路板、支撐鋼架、雨水管網系統、水箱組成。城市人行道長4m ，寬 3m ，雨水管網系統布置在人行道下。平臺上游設置長 3m 寬 0.6m 深 0.6m 的穩定水箱，為路面提供穩定的流動邊界。實際城市地面的坡度一般較小[20]，因此試驗平臺的縱向坡度可以在 0～6^° 進行調整，以下簡稱坡度一 （0^°） ，坡度二 （3^°） 和坡度三（6^°） ，可以近似表征城市地區實際路面的坡度。試驗平臺中間有3個直徑為 20cm 的檢修井。檢修井下部連接內徑 10cm 的雨水總管。平臺左右兩側分布3個相同長度為 30cm 、寬度為 18cm 的雨水算子，雨水算子下方連接內徑為 5cm 的雨水支管。試驗平臺上展示的路面和雨水算子由亞克力板制成，地下雨水管網由PVC管制成。每個雨柵和檢修井底部都有一個管塞，可以拆卸，以測量進入每個節點的水量。在平臺下游端設置直徑為 20cm 的等腰梯形集水段，用于收集地表水流。試驗裝置的路面放置在支撐鋼架上，支撐鋼架位于循環水箱上方，路面下的雨水管網系統位于支撐鋼架與底部循環水箱上表面之間。試驗平臺側方設置一個帶閥門的混凝土水箱，水箱長 0.95m 寬 0.65m. 深 0.5m 通過測量水箱的水位變化得到管道排水。試驗裝置三維圖見圖1，具體尺寸見圖2。

圖1城市徑流試驗平臺

Fig.1Urbanrunofftestplatform

圖2城市徑流試驗平臺尺寸 （mm 0

Fig.2Sizeofurbanrunoff testplatform

由于實際城市路面多為不透水材料，其入滲率很小，與道路兩側雨水算子等排水設施的排水能力相比，因入滲造成的失水可以忽略不計。因此，試驗平臺由不透水的丙烯酸板制成。采用上游給定流量 0.007.0.0139m³/s ，研究了典型漂浮物堵塞雨水口對排水管網系統性能的影響。

2 測量與分析方法

在本試驗中，通過抽水和穩定水池穩定水流量，在模擬城市路面上形成穩定的地表徑流。地表徑流在路面上演變，要么進入雨水管網系統，要么繼續向下游流動。其中收集研究雨水口水流的水箱內的壓力變化由設置在管道水箱底部的2個高精度數字壓力傳感器測量。通過式（1）的換算，可以得到水箱的流量。從試驗數據可以得到管網排水流量的變化。高精度數字式壓力傳感器采集頻率設置為0.1s。

式中：D（t）為壓力傳感器測得的原始數據，kPa;Ywater為水的單位重量， N/m³;S_tank 為水箱底部面積， m² V（t） 為水箱內水體積， m³ ;在時間 χ_t 處， V（t） 關于時間Φ_t 的導數即為排人水箱中的流量 Q（t），m³/s 。

本試驗以管道流量作為評價外部因素影響的關鍵指標。本試驗所用泵的正常工作流量為0.0139m³/s 。由于水泵的運行功率受到電壓等外界因素的影響，為了消除這種干擾對試驗的影響，在試驗前對水泵在雨水口處的2種不同流量進行3次測量，取平均值作為試驗過程中雨水口的過流量。

由圖3、4可以看出，實測水量過程隨時間的變化曲線可以很好地與一條斜直線線性擬合（經計算， R² 值均大于0.99），由式（1）可知，斜直線的斜率即為該時間段的平均流量。在試驗過程中，泵的實測流量在正常工作范圍內，流量值相對穩定。經在灃西新城實地調研，發現塑料袋是城市生活中最常見的垃圾之一，特別是在降雨時，塑料袋很容易被沖入排水系統；樹葉在季節變化中極為常見，樹葉不僅會在降雨時被沖入排水系統，還可能在枯萎后積聚，導致排水口堵塞，影響排水能力。泡沫板作為包裝材料在城市中廣泛應用，尤其在建筑和食品配送中。它們易漂浮，并且在雨水沖刷下常常被帶入排水系統。因此選用塑料袋、樹葉、泡沫板等典型漂浮物作為研究對象。不同材料的漂浮物具有不同的物理特性（如密度、形狀、浮力等），能夠表現出多樣的堵塞行為。例如，塑料袋可能形成一個較大的浮動團塊，而樹葉則可能形成一個密集的堵塞層，泡沫板則可能在雨水中漂浮并聚集在一起，造成局部的堵塞。這些典型特性為研究不同類型堵塞的影響提供了豐富的試驗基礎。在此前提下，開展了道路排水系統的排水過程試驗（對應表1中的A1、B1等案例），探討了不同漂浮物堵塞雨水口對道路排水過程的影響。

圖3雨水口流量測量值 ）

圖4雨水口流量測量值 （0.0139m³/s ）

Fig.4Measuredvalueofflowrateatstorm-water inlet （0.0139m³/s）

表1試驗工況

Tab.1Testconditions

試驗平臺共有6個雨水算子，為了漂浮物能夠按照實際情況隨徑流流向雨水算子，本文將取上游的1個雨水算子為研究對象，不同堵塞程度的雨算子見圖5。本試驗放置典型漂浮物的方案見表1，不同漂浮物圖片見圖6，為了證明試驗的準確性，每種工況進行10～20次，去除試驗結果中差異較大的結果，取差異在 10% 以內的結果的均值；測量管網系統的流量，考察不同漂浮物堵塞雨水算子對管網排水能力的影響。

圖5不同堵塞程度的雨算子

圖6典型漂浮物圖片 Fig.6Typicalfloatingdebris

3 分析與討論

3.1平坡下不同漂浮物堵塞雨水算子對排水系統的影響

不同漂浮物堵塞情況見圖7。根據圖8的數據分析，不同漂浮物對排水系統的影響程度存在顯著差異。其中塑料袋單獨堵塞時對排水效率的影響最為嚴重;其次是組合情況下的堵塞，相比之下，組合情況雖然堵塞物總量較多，但塑料袋這樣容易貼附并形成密封效果的物質并沒有貼附在雨水算子上；而泡沫板的堵塞程度相對最輕。4種堵塞工況下的泄流能力相比于未堵塞的情況泄流能力分別下降了21. 45% ～27. 43% 、37. 59% ～65. 25% 、 10.69% ）24.61% 和 25.66%～58.96% ，這一數據明確展示了不同堵塞物對排水效率的具體影響。

圖7不同漂浮物堵塞情況

3.2平坡不同流量下漂浮物堵塞雨水算子對排水系統的影響

2種流量下不同漂浮物堵塞情況見圖9。圖10、

11所展示的折線顯示了試驗中2種流量下的管網平

均流量與水箱水量，在本試驗較小流量下，由于平臺地表徑流較小，街道上的漂浮物，如樹葉、塑料袋和泡沫板，可能僅堵塞算子的邊緣部分。典型漂浮物堵塞雨水算子排水管網的流量相比于未堵塞情況下降了 5.64%.16.38%.13.67%.37.48% 。隨著流量的增加，漂浮物會被帶到算子周圍，甚至覆蓋算子上方，從而造成了更大的阻礙，典型漂浮物堵塞雨水算子排水管網的流量相比于未堵塞情況下降了 10.62%.24.23%.48.17%.56.32% ，堵塞所引起的流量下降幅度最高可達 56.32% ，這表明漂浮物堵塞雨水算子會嚴重降低道路上排水系統的性能。

圖8平坡不同漂浮物堵塞下的泄流能力

Fig.8Discharge capacity under clogging bydifferent floating debris ona flat slope

試驗數據顯示即使是小流量下的堵塞也會對排水能力產生顯著影響，堵塞所引起的流量下降幅度最高可達 37.84% 。這種情況下，漂浮物可能在雨水算子上游聚集，實際堵塞程度較小，但是其對流量的影響極大。由圖9小流量組合堵塞情況，大部分漂浮物堆積在雨水算子上游側，可見排水能力降低的一部分原因是雨水算子上游側有漂浮物的阻擋造成了較大的流量阻力。

圖92種流量下不同漂浮物堵塞情況

圖10小流量下雨水口排水流量

Fig.10Drainageflowrateof storm-waterinletunderlow flowratecondition

圖11大流量下雨水口排水流量

Fig.11Drainageflowrateofstorm-waterinletunderhigh flowratecondition

3.3不同坡度下雨水算子堵塞對排水系統的影響

圖12為3種坡度下雨水算子不同堵塞程度對排水系統的影響。顯示了試驗中測量的雨水算子堵塞不同程度的管網的平均流量。顯然，在不同坡度下，排水系統的流量排放量明顯降低，道路坡度會顯著降低道路上排水系統的性能，此外，從圖12可以看出，雨水算子堵塞 30% 時，3種坡度排水管網流量分別比未堵塞情況下減小了 9%.2.74% 和13.39% ，雨水算子堵塞 60% 時，3種坡度排水管網流量分別比未堵塞情況下減小了 15.86%.12.33% 和 29.61% ，雨水算子堵塞 90% 時，3種坡度排水管網流量分別比未堵塞情況下減小了 72.58% 、58.47% 和 76.03% 。相同坡度下堵塞程度較大的雨算子與未堵塞雨算子之間的過流量差異變得愈發顯著。由此可見，在道路排水系統中，坡度對排水效率的影響也非常明顯，道路上的垃圾和雜物更容易匯聚雨水口，造成雨水算子堵塞。

3.4不同坡度下典型漂浮物堵塞對排水系統的影響

不同坡度下漂浮物堵塞情況見圖13。圖13為3種坡度下不同漂浮物堵塞雨水算子的影響。顯然，在不同坡度下，漂浮物堵塞雨水算子時排水管網的流量明顯降低，從圖14可以看出，在3種坡度下泡沫板、樹葉、塑料袋、組合情況堵塞雨水算子時對排水管網流量減少幅度分別為 10.62%.6.82% 和20.61% ： 24.22% 、 6.72% 和 34.96% ；48. 17% 、14.70% 和 46.72%;56.32%.47.16% 和 62.95% ；在不同坡度下，不同漂浮物對排水系統的影響程度存在顯著差異，顯然，組合情況對排水性能的影響最明顯，其次是塑料袋，再次是樹葉，最后是泡沫板。因此，排水系統的設計和維護需要特別注意防止這些漂浮物的堵塞。此外，由于坡度和漂浮物類型對流量影響的顯著性，應該考慮在不同坡度的路面采用不同設計或維護策略，以確保排水系統的有效性。

圖12不同坡度下雨水算子堵塞對管網流量的影響Fig.12 Impactofstorm-water inletcloggingonpipenetworkflowrateatdifferentslopes

圖13不同坡度下漂浮物堵塞雨水口情況

Fig.13Cloggingofstorm-waterinletbyfloatingdebrisat different slopes

4結論

在考慮管網排水過程的坡面試驗的基礎上，進行了一系列物理模型試驗，通過精確的數字壓力傳感器在水箱內記錄管網流量的水文曲線，以提供管網排水性能特征的全面信息。在給定流量下研究了不同地表坡度、雨水算子堵塞和典型漂浮物堵塞對排水管網系統性能的影響。通過對試驗結果的分析，對城市道路排水系統的性能得出以下結論。

a）不同漂浮物堵塞情況下的泄流能力相比于未堵塞的情況分別泄流能力分別下降了21. 45% 227. 43% 、 37.59%～65.25% 、 10.69%～24.61% 和25.66%～58.96% ，明確展示了在平坡情況下不同漂浮物對排水效率的具體影響。

b）在較小流量下，從圖中可以看出來漂浮物雖 然堵塞面積較小，但是典型漂浮物堵塞雨水算子時 排水管網的流量相比于未堵塞情況下降了 5.64% 、 16.38%.13.67%.37.48% 。表明排水能力的降低 跟雨水算子上游側漂浮物阻擋有關。

c）在3種坡度下，雨水算子堵塞 30% 時排水管網流量分別減小了 9.29%.2.74% 和 13.39% ，雨水算子堵塞 60% 時排水管網流量分別減小了15.86%.12.33% 和 29.61% ，雨水算子堵塞 90% 時排水管網流量分別減小了 72.58%.58.47% 和76.03% 。道路坡度對雨水口泄流能力也具有較大的影響。

d）在3種坡度下泡沫板、樹葉、塑料袋、組合情況堵塞雨水算子時對排水管網流量減少幅度分別為 10.62%.6.82% 和 20.61%;24.22%.6.72% 和34.96% 48.17% 、 14.70% 和 46.72% ： 56.32% 、47.16% 和 62.95% 。在不同坡度下，不同漂浮物對排水系統的影響程度存在顯著差異，顯然，組合情況對排水性能的影響最明顯，其次是塑料袋，再次是樹葉，最后是泡沫板。因此，排水系統的設計和維護需要特別注意防止漂浮物的堵塞，保證雨水順暢排人管網系統，提高管網系統的利用率。

在實際應用中，路面直接降雨和下墊面條件等因素在道路排水系統的排水過程中明顯起著關鍵作用。因此，本試驗的設計存在一定的局限性，僅考慮一種材料，忽略了地面的入滲量和直接降雨量。但在本次試驗設置的幾種邊界條件下，試驗結果仍能反映道路排水系統的排水過程。不同下墊面條件和綜合影響仍需要進一步研究，這超出了本次試驗的范圍。這一內容需要在后續工作中進一步研究，以充分反映整個城市道路排水系統的工作過程。

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（責任編輯：程茜）