路線坡度對路面徑流懸浮物濃度聚集性影響分析

何浩明

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410014）

路線坡度對路面徑流懸浮物濃度聚集性影響分析

何浩明

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410014）

本文通過對典型公路降雨路面徑流水懸浮物的濃度檢測，旨在研究典型公路非點(diǎn)源污染的懸浮物聚集性與路線坡度的關(guān)系。通過重量法檢測懸浮物濃度，濾膜過濾，精密天平稱重，烘干箱烘干，烘干前后濾膜重量的差值，得出懸浮物的重量，并建立散點(diǎn)圖趨勢線分析數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，不同的路線坡度，懸浮物濃度不同，即懸浮物聚集性不同，路線坡度越低，懸浮物濃度越高，懸浮物聚集性越強(qiáng)；同一坡度路段，坡底懸浮物聚集性大于坡頂懸浮物聚集性，上坡懸浮物聚集性強(qiáng)于下坡懸浮物聚集性。

路面徑流 懸浮物污染 聚集性 坡度

伴隨公路交通的快速發(fā)展，公路路域的環(huán)境問題日益突顯[1-3]。公路路面徑流是指流淌于公路路面、污染特征受交通作用明顯的徑流。公路路面徑流懸浮物是指在降雨形成徑流的沖刷作用下，輪胎的磨損顆粒、運(yùn)輸物品的泄漏物、車體部件產(chǎn)生的顆粒等物質(zhì)對路面徑流水產(chǎn)生的混合污染，形成不溶于水的環(huán)境水體顆粒物。該類物質(zhì)通常隨路面徑流水進(jìn)入江河、湖泊等水體，造成路域水體污染。在降雨的影響下，在路面徑流水中，懸浮物的擴(kuò)散、遷移和降解都是非常復(fù)雜的過程,但是顯而易見該類物質(zhì)的濃度聚集受路面坡度影響明顯。

公路路面徑流污染早期研究的內(nèi)容，主要是確定路面徑流污染物成分、污染物產(chǎn)生的途徑、影響范圍等方面[4-6]；近些年研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向研究公路交通對水體環(huán)境污染的評價(jià)、污染物質(zhì)對土壤、植物等的作用以及部分微量重金屬污染的進(jìn)一步分析上[7-10]。目前，尚未見到研究路線坡度對路面徑流懸浮物聚集作用分析的相關(guān)文獻(xiàn)，路線坡度是否對懸浮物聚集有影響尚未有定論。此研究選取典型公路為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，典型公路是指無工業(yè)、生活污水污染的公路路面，避免其它污染源對路面徑流的影響。本文研究路線坡度對路面徑流懸浮物聚集性的影響。

1 徑流試樣收集與實(shí)驗(yàn)檢測

湖南省岳陽市平伍公路(S308)平江段作為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，選擇不同坡度的路段作為不同的徑流試樣收集的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)假定以S308公路的平江方向正為向方向。實(shí)驗(yàn)共取20個(gè)采樣段，每一個(gè)采樣點(diǎn)選取4個(gè)試樣，取樣點(diǎn)為公路路段兩邊的上坡、下坡、坡頂與坡底；總共80個(gè)樣品，選擇當(dāng)天的風(fēng)速，氣溫、降雨量作為實(shí)驗(yàn)的差異性選擇。

試驗(yàn)設(shè)備：100個(gè)聚乙烯瓶(125ml)，4根橡膠吸管，溫度計(jì)，JS-2型虹吸式雨量計(jì)(天津氣象儀器廠)，坡度測量儀，0.45μm濾膜，玻璃量杯，鋁盒，針管，鑷子，精密電子天平（FA2004B），烘箱（DHG9055A），鋁托盤。

實(shí)驗(yàn)取樣，在路面徑流形成的前30min，用橡膠吸管每隔5min采水樣1次，注入聚乙烯瓶(125ml)；在形成徑流的0～60min,每10min采水樣1次，注入聚乙烯瓶，在形成徑流后，每隔30～ 60min采水樣1次,直至降雨事件的結(jié)束。同時(shí),由JS-2型虹吸式雨量計(jì)(天津氣象儀器廠)同步記錄降雨特征。

樣品用聚乙烯瓶(125ml)置于陰涼處，避免水樣放置時(shí)間過長，導(dǎo)致水質(zhì)成分發(fā)生變化，影響懸浮物濃度，24小時(shí)內(nèi)完成試樣的懸浮物濃度檢測實(shí)驗(yàn)。

2 懸浮物測定方法

公路徑流的懸浮物濃度檢測，國內(nèi)外有成熟的實(shí)驗(yàn)方法，即重量法。從樣品中采集20ml體積的污水或混合液，用0.45μm濾膜過濾截留懸浮固體，濾膜截留懸浮固體前后的質(zhì)量差作為懸浮固體的重量，由固體重量轉(zhuǎn)化為懸浮物濃度（GB11901-089）。

實(shí)驗(yàn)按照上述國家標(biāo)準(zhǔn)方法試驗(yàn)，在路段的上坡、下坡、坡頂、坡底取樣，通過實(shí)驗(yàn)獲得80個(gè)有效數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)表示為1L徑流水中的懸浮物濃度。

3 懸浮物含量檢測結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，典型公路路線坡度不同，懸浮物濃度值不同，公路上坡、下坡、坡頂、坡底懸浮物濃度值存在差異性。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 坡度懸浮物濃度情況Tab1 The concentration of suspended solids

4 5.611517513018055.012018013518567.19516511516579.77512580135818.910251040915.235552575 108.890140951451101852301952351217.125402055 1312.550855090 148.395145100160 152.8160200165210 1621.41015530 173.5145190155200 1810.86010565120 196.2110175130180 206.4105170125170

表1顯示：在假定交通量及其交通特征相同的情況下，路線坡度不同，上坡與下坡，坡頂、坡底，懸浮物濃度值不同；在同一取樣地點(diǎn)，坡頂與坡底、上坡與下坡比對，懸浮物濃度不同。通過數(shù)值擬合推導(dǎo)，建立懸浮物濃度與路線坡度之間的相關(guān)性，以及懸浮物濃度的差別研究。同一坡度，坡底懸浮物濃度高于坡頂懸浮物濃度，上坡的懸浮物濃度大于下坡的懸浮物濃度。不同坡度路段，坡度小的路段懸浮物濃度高于坡度大的路段的懸浮物濃度。

4 建立懸浮物相關(guān)性耦合方程

通過表1，建立典型公路懸浮物濃度與路線坡度之間的相關(guān)性函數(shù)及圖表，即懸浮物聚集性與路線坡度的相關(guān)性。利用office軟件，數(shù)值分析，確立懸浮物濃度與坡度之間的一一對應(yīng)關(guān)系，建立坡頂、坡底、上坡、下坡與懸浮物濃度之間的散點(diǎn)圖及趨勢線。

設(shè)置懸浮物濃度為Y軸，路線坡度為X軸，通過散點(diǎn)圖，選擇合適的參數(shù)，散點(diǎn)圖連成趨勢線；由趨勢線自動(dòng)擬合成相關(guān)性耦合方程。通過表1，不同的路線坡度對應(yīng)不同的懸浮物濃度，即路線坡度對懸浮物聚集性的影響，且為一一對應(yīng)的關(guān)系。通過散點(diǎn)圖及趨勢線，建立路線坡度與懸浮物濃度之間的相關(guān)性，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。

圖1 上坡懸浮物濃度相關(guān)性（多項(xiàng)式性）Fig1 Correlation between the concentration of suspended matter anduphill懸浮物濃度相關(guān)性多項(xiàng)式耦合方程（上坡）：(1) R = 0.982

圖3 坡頂懸浮物濃度相關(guān)性（多項(xiàng)式性）Fig3 Correlation between the concentration of suspended matter andtophill懸浮物濃度的相關(guān)性多項(xiàng)式耦合方程（坡頂）：（3）R = 0.990

圖4 坡底懸浮物濃度相關(guān)性（多項(xiàng)式性）Fig4 Correlation between the concentration of suspended matter andThe bottom of the slope懸浮物濃度的相關(guān)性多項(xiàng)式耦合方程（坡底）：（4）R = 0.98

R平方值是趨勢線擬合程度的指標(biāo)，它的數(shù)值大小可以反映趨勢線的估計(jì)值與對應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高，趨勢線的可靠性就越高。R平方值是取值范圍在0～1之間的數(shù)值，當(dāng)趨勢線的R平方值等于1或接近1時(shí)，其可靠性最高，反之則可靠性較低。R平方值也稱為決定系數(shù)[14]。

上坡與懸浮物濃度的耦合方程中公式（1），R2=0.982，下坡與懸浮物濃度的耦合方程中公式（2），R2= 0.9912，坡頂公式（3）中，R2=0.990，坡底公式（4）中，R2=0.98，表示不同情況坡度下，4個(gè)方程的擬合度比對。這些趨勢圖，表明路面上坡與路面下坡、路面坡頂與路面坡底，懸浮物濃度不同，懸浮物聚集性不同。4條不同走勢的趨勢線，對應(yīng)4個(gè)不同的曲線方程，表示坡度與懸浮物濃度之間的具有一定的相關(guān)性下，且具有一定的差異性。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，橫軸x軸表示路線坡度，縱軸y軸表示在只考慮路線坡度的情況下，試驗(yàn)中的懸浮物濃度，下坡懸浮物濃度最高值為185mg/L，下坡懸浮物濃度的最低值為10.0 mg/L。上坡濃度最高值為230mg/L，最低濃度為15.0 mg/L；坡頂懸浮物濃度最高值195 mg/L，最低值為5 mg/L，坡底懸浮物濃度最高值為235 mg/L，最低值為30 mg/L；濃度最高值時(shí)的對應(yīng)坡度為0，濃度最低值對應(yīng)的坡度是21.4度。

根據(jù)相關(guān)性曲線呈現(xiàn)的一定規(guī)律性的走向，同一條件下，坡度越小，懸浮物濃度越高，即懸浮物聚集性越強(qiáng)；同一坡度下，上坡懸浮物濃度高于下坡懸浮物濃度，即上坡懸浮物聚集性強(qiáng)于下坡懸浮物聚集性。坡頂與坡底懸浮物濃度不同[13]，坡底懸浮物濃度大于坡頂懸浮物濃度，即坡底懸浮物聚集性強(qiáng)于坡頂懸浮物聚集性。坡度越低，聚集性越強(qiáng)，反之，越弱。

5 結(jié)論與展望

本文通過實(shí)驗(yàn)論證，討論典型公路路面徑流的懸浮物聚集性與路線坡度的相關(guān)性。結(jié)果表明:在假定交通量及其它交通特征相同的情況下，坡度大小影響懸浮物濃度，懸浮物聚集性與路線坡度之間具有一定的規(guī)律性，即兩者具有相關(guān)性，坡度越低，懸浮物濃度越大，懸浮物聚集性越強(qiáng)。

本文通過實(shí)驗(yàn)，分析了典型公路路面徑流懸浮物濃度與路線坡度的相關(guān)性問題，在公路的建設(shè)和運(yùn)營期，該文可以為如何控制懸浮物污染，保護(hù)公路周邊水環(huán)境等提供基礎(chǔ)的技術(shù)支持。通過該論文的進(jìn)一步研究也可以為如何降低懸浮物濃度、如何處理懸浮物以及公路抗磨損問題提供相關(guān)的建議。

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G322

B

1007-6344（2015）05-0341-02

本論文受湖南省自然科學(xué)基金資助（2015JJ2004）；長沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心開放基金資助（kfj120301）

何浩明，男，1986年8月，碩士研究生，單位：長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院。