路线坡度对路面径流悬浮物浓度聚集性影响分析

何浩明

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410014）

路线坡度对路面径流悬浮物浓度聚集性影响分析

何浩明

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410014）

本文通过对典型公路降雨路面径流水悬浮物的浓度检测，旨在研究典型公路非点源污染的悬浮物聚集性与路线坡度的关系。通过重量法检测悬浮物浓度，滤膜过滤，精密天平称重，烘干箱烘干，烘干前后滤膜重量的差值，得出悬浮物的重量，并建立散点图趋势线分析数据。结果表明，不同的路线坡度，悬浮物浓度不同，即悬浮物聚集性不同，路线坡度越低，悬浮物浓度越高，悬浮物聚集性越强；同一坡度路段，坡底悬浮物聚集性大于坡顶悬浮物聚集性，上坡悬浮物聚集性强于下坡悬浮物聚集性。

路面径流 悬浮物污染 聚集性 坡度

伴随公路交通的快速发展，公路路域的环境问题日益突显[1-3]。公路路面径流是指流淌于公路路面、污染特征受交通作用明显的径流。公路路面径流悬浮物是指在降雨形成径流的冲刷作用下，轮胎的磨损颗粒、运输物品的泄漏物、车体部件产生的颗粒等物质对路面径流水产生的混合污染，形成不溶于水的环境水体颗粒物。该类物质通常随路面径流水进入江河、湖泊等水体，造成路域水体污染。在降雨的影响下，在路面径流水中，悬浮物的扩散、迁移和降解都是非常复杂的过程,但是显而易见该类物质的浓度聚集受路面坡度影响明显。

公路路面径流污染早期研究的内容，主要是确定路面径流污染物成分、污染物产生的途径、影响范围等方面[4-6]；近些年研究重点转向研究公路交通对水体环境污染的评价、污染物质对土壤、植物等的作用以及部分微量重金属污染的进一步分析上[7-10]。目前，尚未见到研究路线坡度对路面径流悬浮物聚集作用分析的相关文献，路线坡度是否对悬浮物聚集有影响尚未有定论。此研究选取典型公路为实验地点，典型公路是指无工业、生活污水污染的公路路面，避免其它污染源对路面径流的影响。本文研究路线坡度对路面径流悬浮物聚集性的影响。

1 径流试样收集与实验检测

湖南省岳阳市平伍公路(S308)平江段作为实验地点，选择不同坡度的路段作为不同的径流试样收集的实验地点，实验假定以S308公路的平江方向正为向方向。实验共取20个采样段，每一个采样点选取4个试样，取样点为公路路段两边的上坡、下坡、坡顶与坡底；总共80个样品，选择当天的风速，气温、降雨量作为实验的差异性选择。

试验设备：100个聚乙烯瓶(125ml)，4根橡胶吸管，温度计，JS-2型虹吸式雨量计(天津气象仪器厂)，坡度测量仪，0.45µm滤膜，玻璃量杯，铝盒，针管，镊子，精密电子天平（FA2004B），烘箱（DHG9055A），铝托盘。

实验取样，在路面径流形成的前30min，用橡胶吸管每隔5min采水样1次，注入聚乙烯瓶(125ml)；在形成径流的0～60min,每10min采水样1次，注入聚乙烯瓶，在形成径流后，每隔30～ 60min采水样1次,直至降雨事件的结束。同时,由JS-2型虹吸式雨量计(天津气象仪器厂)同步记录降雨特征。

样品用聚乙烯瓶(125ml)置于阴凉处，避免水样放置时间过长，导致水质成分发生变化，影响悬浮物浓度，24小时内完成试样的悬浮物浓度检测实验。

2 悬浮物测定方法

公路径流的悬浮物浓度检测，国内外有成熟的实验方法，即重量法。从样品中采集20ml体积的污水或混合液，用0.45µm滤膜过滤截留悬浮固体，滤膜截留悬浮固体前后的质量差作为悬浮固体的重量，由固体重量转化为悬浮物浓度（GB11901-089）。

实验按照上述国家标准方法试验，在路段的上坡、下坡、坡顶、坡底取样，通过实验获得80个有效数据，相关数据表示为1L径流水中的悬浮物浓度。

3 悬浮物含量检测结果

根据试验结果，典型公路路线坡度不同，悬浮物浓度值不同，公路上坡、下坡、坡顶、坡底悬浮物浓度值存在差异性。部分实验结果如表1所示：

表1 坡度悬浮物浓度情况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显示：在假定交通量及其交通特征相同的情况下，路线坡度不同，上坡与下坡，坡顶、坡底，悬浮物浓度值不同；在同一取样地点，坡顶与坡底、上坡与下坡比对，悬浮物浓度不同。通过数值拟合推导，建立悬浮物浓度与路线坡度之间的相关性，以及悬浮物浓度的差别研究。同一坡度，坡底悬浮物浓度高于坡顶悬浮物浓度，上坡的悬浮物浓度大于下坡的悬浮物浓度。不同坡度路段，坡度小的路段悬浮物浓度高于坡度大的路段的悬浮物浓度。

4 建立悬浮物相关性耦合方程

通过表1，建立典型公路悬浮物浓度与路线坡度之间的相关性函数及图表，即悬浮物聚集性与路线坡度的相关性。利用office软件，数值分析，确立悬浮物浓度与坡度之间的一一对应关系，建立坡顶、坡底、上坡、下坡与悬浮物浓度之间的散点图及趋势线。

设置悬浮物浓度为Y轴，路线坡度为X轴，通过散点图，选择合适的参数，散点图连成趋势线；由趋势线自动拟合成相关性耦合方程。通过表1，不同的路线坡度对应不同的悬浮物浓度，即路线坡度对悬浮物聚集性的影响，且为一一对应的关系。通过散点图及趋势线，建立路线坡度与悬浮物浓度之间的相关性，如图1、图2、图3、图4所示。

图1 上坡悬浮物浓度相关性（多项式性）Fig1 Correlation between the concentration of suspended matter anduphill悬浮物浓度相关性多项式耦合方程（上坡）：(1) R = 0.982

图3 坡顶悬浮物浓度相关性（多项式性）Fig3 Correlation between the concentration of suspended matter andtophill悬浮物浓度的相关性多项式耦合方程（坡顶）：（3）R = 0.990

图4 坡底悬浮物浓度相关性（多项式性）Fig4 Correlation between the concentration of suspended matter andThe bottom of the slope悬浮物浓度的相关性多项式耦合方程（坡底）：（4）R = 0.98

R平方值是趋势线拟合程度的指标，它的数值大小可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度，拟合程度越高，趋势线的可靠性就越高。R平方值是取值范围在0～1之间的数值，当趋势线的R平方值等于1或接近1时，其可靠性最高，反之则可靠性较低。R平方值也称为决定系数[14]。

上坡与悬浮物浓度的耦合方程中公式（1），R2=0.982，下坡与悬浮物浓度的耦合方程中公式（2），R2= 0.9912，坡顶公式（3）中，R2=0.990，坡底公式（4）中，R2=0.98，表示不同情况坡度下，4个方程的拟合度比对。这些趋势图，表明路面上坡与路面下坡、路面坡顶与路面坡底，悬浮物浓度不同，悬浮物聚集性不同。4条不同走势的趋势线，对应4个不同的曲线方程，表示坡度与悬浮物浓度之间的具有一定的相关性下，且具有一定的差异性。

如图1、图2、图3、图4所示，横轴x轴表示路线坡度，纵轴y轴表示在只考虑路线坡度的情况下，试验中的悬浮物浓度，下坡悬浮物浓度最高值为185mg/L，下坡悬浮物浓度的最低值为10.0 mg/L。上坡浓度最高值为230mg/L，最低浓度为15.0 mg/L；坡顶悬浮物浓度最高值195 mg/L，最低值为5 mg/L，坡底悬浮物浓度最高值为235 mg/L，最低值为30 mg/L；浓度最高值时的对应坡度为0，浓度最低值对应的坡度是21.4度。

根据相关性曲线呈现的一定规律性的走向，同一条件下，坡度越小，悬浮物浓度越高，即悬浮物聚集性越强；同一坡度下，上坡悬浮物浓度高于下坡悬浮物浓度，即上坡悬浮物聚集性强于下坡悬浮物聚集性。坡顶与坡底悬浮物浓度不同[13]，坡底悬浮物浓度大于坡顶悬浮物浓度，即坡底悬浮物聚集性强于坡顶悬浮物聚集性。坡度越低，聚集性越强，反之，越弱。

5 结论与展望

本文通过实验论证，讨论典型公路路面径流的悬浮物聚集性与路线坡度的相关性。结果表明:在假定交通量及其它交通特征相同的情况下，坡度大小影响悬浮物浓度，悬浮物聚集性与路线坡度之间具有一定的规律性，即两者具有相关性，坡度越低，悬浮物浓度越大，悬浮物聚集性越强。

本文通过实验，分析了典型公路路面径流悬浮物浓度与路线坡度的相关性问题，在公路的建设和运营期，该文可以为如何控制悬浮物污染，保护公路周边水环境等提供基础的技术支持。通过该论文的进一步研究也可以为如何降低悬浮物浓度、如何处理悬浮物以及公路抗磨损问题提供相关的建议。

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G322

B

1007-6344（2015）05-0341-02

本论文受湖南省自然科学基金资助（2015JJ2004）；长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心开放基金资助（kfj120301）

何浩明，男，1986年8月，硕士研究生，单位：长沙理工大学交通运输工程学院。