城市路面产流监测装置设计研究

□郭文颢

我国城市化进程发展迅速，城市建设规模持续扩大。由于城市下垫面主要由透水区（如绿地、裸土等)及不透水区（如沥青、水泥混凝土、花岗岩、水泥砖等材质的路面、屋面及广场等）构成，城市下垫面的变化使水文循环产生了新特征。研究城市不透水区降雨产流规律及径流水质变化规律，准确获取不透水下垫面的径流初损量、径流系数、雨水径流各类污染物浓度等水文参数，是水文发展、研究的新方向，也是国家推进海绵城市建设，提高城市防洪排涝减灾能力，提升城市生态系统功能，科学利用雨水资源等对水文试验研究的迫切要求。作者对城市路面降雨径流规律研究所需的监测装置，进行设计、制作并应用于试验监测研究。与高成本的模拟场地试验及监测市政管道径流试验相比，本项城市路面径流配套监测装置的设计具有创新性、实用性、成本低等特点，可在不同材质的路面上快速安装，对城市路面降雨产流过程进行监测研究。

1.设计内容

保定水文部门自2010 年开始立项，对城市路面降雨产流规律进行研究。项目要求同步监测降雨量、不同路面产流量、降雨及产流历时等，以取得相关水文参数。项目监测试验区选取位于保定市的河北农业大学东校区。校区道路按铺设材料划分，主要有混凝土路面、沥青路面、水泥砖人行路面、花岗岩广场路面等几种类型。在水文监测工作中，某流域降雨产流规律是通过对水文站网的系列降雨、径流资料进行分析后得出的。进行城市路面降雨产流规律研究，同样需要设定监测区域，选择降雨径流量的监测方法。本项研究针对大学校区道路特点，设计路面产流监测装置，模拟流域边界，对产流监测区内产生的径流量进行监测研究。

2.装置设计及使用方法

路面产流监测场地应选取有代表性的路段，不能有树木冠层或其它雨水遮挡物。为便于产流量收集、监测，选择附近有雨水排放口的场地。打开雨水排放口设置的雨篦子，察看雨水排放井，井坑应完好、无杂物，其深度应能安置雨水收集刻度桶。

为了模拟流域的形状及方便观测，将监测场地设计成梯形或三角形，断面开口指向雨水排放口。监测场地的边界采用高100mm、厚15mm、长2000mm的PVC 板，围成等腰梯形的产流区域，预留200mm 宽断面开口。PVC 板底部垫一层腻子，使之与路面密封不漏水。将导流器安装在断面开口处，使监测场地产流全部导入刻度桶。路面产流监测装置设计示意图见图1。

为了将监测场地产流全部收集到刻度桶，设计了一种带有羽翼和出流板的导流器。羽翼的作用是连接并固定到PVC 板，出流板的作用是使雨水径流受重力作用自然流入刻度桶。导流装置采用1mm 厚的不锈钢皮制成。导流器结构示意图见图2，导流器制作图纸示意图见图3。

安装导流器时，先把断面处清理干净，将导流器贴着路面塞进PVC 板腻子层的下面，缝隙用腻子塞实，导流器的羽翼贴在两块竖立的PVC 板的两侧，用防水胶布将PVC 板和导流器的羽翼粘贴牢固。在断面开口处，用宽透明胶带将导流器的边缘粘贴在监测场地上，再用玻璃胶（防水密封材料）将透明胶带与地面连接处涂抹严实，确保不漏水。路面产流监测装置透明胶涂层说明见图4。如此，整个产流监测区域封闭，其间产生的降雨径流通过导流器全部汇入雨水收集刻度桶。

雨水收集刻度桶的设计及安装。径流量的观测要求折合成径流深，即径流总量除以产流面积所得。因此设计以0.1mm 径流深对应的容积为刻度单位。选择总容积25L 的水桶，用量筒取水，每倒入0.1mm 径流深对应的容积标记一刻度。刻度桶安置在雨水排放井内，用来收集测量监测区内的雨水产流量。安装刻度桶时应进行调平，桶口接近于路面高度。若雨水排放井较深，可用混凝土块垫底，将刻度桶调整到便于观测的合理高度。

图1 路面产流监测装置设计示意图

在实际监测降雨径流试验中，应密切关注天气预报。降雨前在不同下垫面（水泥路面、沥青路面、水泥砖路面、花岗岩路面等）搭建好观测场，用路障标志提示过往车辆绕行。在监测过程中，应用挡雨木板遮住导流器与集水桶，避免雨水直接降落到导流器及观测刻度桶内。应避免雨具遮挡观测场，即不可截流本应降落到观测场的雨水。应设置备用桶，一用一备，交替使用。在实测产流过程中，刻度桶收集的雨水径流会随着产流过程而增加，当收集的雨水到达最高刻度时应及时替换刻度桶。在夜晚观测时，应提前准备好防水应急照明灯。试验前所有观测人员应对时间进行校核，与翻斗式自计雨量计的时间保持一致。实测降雨产流过程时，观测人员应将产流量变化数据和发生时间准确记录在原始数据记载表上。

在无雨时也可利用路面产流监测装置进行模拟降雨产流试验，即人工在观测场均匀喷水，模拟设计雨强条件下的路面降雨产流过程，实时观测产流量变化。

图2 导流器结构示意图

图3 导流器制作图纸示意图

3.结论

保定水文勘测研究中心自2010 年起开展城市水文监测工作，对城市不同下垫面的产流特征，进行了基础性试验研究，并且申请了城市水文与雨水资源利用研究方向的市厅级科研项目，其路面产流监测装置作为项目中的一项发明设计，发挥了独特的优势：能够用于不同材质路面产流监测，组装拆卸便捷、成本低，能够准确高效实测等。装置在项目完成期间应用情况良好，在保定市政府水资源管理办公室2020 年度雨水资源利用工作中得到应用，并且在保定市利源水务技术开发中心设计城市雨水收集水箱和水池的蓄水能力时借鉴效果明显。