CN113237813A - 一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置及方法，包括人工降雨系统、模拟透水道路结构主体和流量计；人工降雨系统包括喷淋装置和雨强控制系统，喷淋装置能通过调节高度以模拟降雨面积，雨强控制系统能控制模拟降雨的大小和雨型；模拟透水道路结构主体包括若干层测试槽，若干层测试槽由上至下依次连接，每个测试槽内填充不同厚度及不同种类的待测试透水道路路基填料；模拟透水道路结构主体的底部连接有排水管；流量计设置在排水管上，用于实时显示出流流量，输出模拟雨水的出流曲线。本发明可用于对不同的透水路面结构雨水径流量和径流污染控制效果进行测试，可为透水路面结构设计提供指导，具有测量方法简单，操作性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及海绵城市建设，特别涉及一种测试不同透水路面结构海绵城市效果的装置及方法。
背景技术
面对城市开发建设过程中日益严重的城市内涝和水体污染问题，我国提出要建设“自然积存、自然渗透，自然净化”的海绵城市。在构建海绵城市的“海绵体”过程中，城市水系和绿地面积不可能无限扩大，而城市硬化路面转化为透水性道路成为海绵城市建设的重要技术途径。由于透水道路同时具备“道路”功能和“海绵”功能，其被广泛应用在新城市建设、老旧城区改造等项目中，在不同地域海绵城市建设的项目占比中均处于较高的比例。
透水道路的主要“海绵城市”性能包含两个方面：一是可以滞蓄雨水，减少地表径流，缓解城市内涝，二是可以削减初期雨水中的污染物，对雨水起到过滤净化作用，改善城市水环境。透水道路控制雨水径流量和径流污染的效果，主要受项目地域水文气象条件和透水路面结构影响。水文气象条件主要包括降雨量、降雨雨型等，透水路面结构主要包括结构层组合、基质特性和厚度、孔隙率、面层铺装材料、堵塞情况等。
项目所在地域自然本底条件不同，与之对应的透水道路结构也应该有所差别。目前我国透水道路结构比较单一，仅在标准图集中列出典型做法，无法满足不同地域条件的透水道路设施设计，不合理的透水道路结构设计可能不能实现预期的雨水径流量和径流污染控制效果、透水道路耐久性不足、后期养护困难等问题。有必要设计一种可以测试特定水文条件下不同透水路面结构海绵城市效果的装置和方法，为透水道路工程项目的设计提供最佳方案。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于测定不同城市水文条件下不同透水路面结构海绵城市效果的装置及方法，可用于对不同的透水路面结构雨水径流量和径流污染控制效果进行测试，可为透水路面结构设计提供指导，具有测量方法简单，操作性强的优点。
本发明所采用的技术方案是：一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，包括：
人工降雨系统，所述人工降雨系统包括喷淋装置和雨强控制系统，所述喷淋装置能通过上下调节高度以模拟降雨面积，所述雨强控制系统能控制模拟降雨的大小和雨型；
模拟透水道路结构主体，所述模拟透水道路结构主体包括若干层测试槽，所述若干层测试槽由上至下依次连接，每个所述测试槽内填充不同厚度及不同种类的待测试透水道路路基填料；所述模拟透水道路结构主体的底部连接有排水管；以及，
流量计，所述流量计设置在所述排水管上，用于实时显示出流流量，输出模拟雨水的出流曲线。
进一步地，所述喷淋装置为多孔喷头，所述喷淋装置的每个喷孔的喷射方向与竖直向上方向呈一钝角布置，并且，所述喷射方向指向所述喷淋装置的外部，从而使得能通过调节所述喷淋装置的高度调节模拟降雨的面积。
进一步地，所述雨强控制系统包括雨强控制器和数据采集存储器，
其中，所述雨强控制器的控制雨强连续变化范围包含20mm/h～100mm/h，所述数据采集存储器用于实时记录和存储雨水的出流量曲线。
进一步地，所述测试槽包括槽壁和不锈钢网底，
其中，所述槽壁的顶部和底部分别设置有用于连接相邻所述测试槽的连接卡槽；所述不锈钢网底连接在所述槽壁的内部并靠近所述槽壁的底部。
进一步地，相邻所述测试槽的连接处设置有密封防水胶垫。
进一步地，所述不锈钢网底的孔间距为1cm～2cm。
进一步地，所述不锈钢网底的上表面铺设一层不锈钢纱层。
进一步地，所述不锈钢网底与所述槽壁之间采用固定螺栓连接。
进一步地，所述模拟透水道路结构主体还包括底座，所述底座连接在最下层所述测试槽的底部；
其中，所述底座包括底座壁和底板，所述底座壁的顶部设置有用于连接所述测试槽的连接卡槽；
所述底板呈“V”形结构，以保证出流顺畅；所述底板的中心开设有用于连接所述排水管的排水口，所述排水口为模拟雨水经过模拟透水道路结构主体后的出流口。
本发明所采用的另一技术方案是：一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的方法，采用上述测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1，通过城市道路路面收集的灰尘，在人工降雨系统配水桶中模拟配置道路径流雨水；
步骤2，按照选定的降雨雨型调节人工降雨系统，并调节喷淋装置高度，以使降雨覆盖面积等于测试槽面积；
步骤3，将待测试的透水道路路基填料放入有测试槽中，并按照设定的顺序将盛放有不同透水道路路基填料的测试槽竖向罗列，组合成不同的透水路面结构；
步骤4，检查测试槽连接处的密封和防水情况，根据需要设置密封防水胶垫；
步骤5，用排水管将排水口和流量计连接起来，并开启流量计工作状态；
步骤6，将人工降雨系统的吸水泵放置于配水桶中，并开启人工降雨系统；
步骤7，观察降雨过程和出流过程，排除测试过程的干扰因素；
步骤8，按照实验需要的时间间隔，在出水口采集出流水样，直至降雨结束后，出水口不再出流为止，以备水质分析检测；
步骤9，计算透水路面结构对雨水的“削峰”、“滞蓄”、“污染物去除”效果，并且，通过入流曲线和出流曲线计算出模拟透水道路结构主体累计滞蓄的雨水量以及模拟透水道路结构主体对降雨洪峰的延迟和消减效果，此外，通过出口水质检测，计算模拟透水道路结构主体对道路雨水径流污染的去除过程。
本发明的有益效果是：
本发明一种用于测试透水道路结构海绵城市效果的装置及方法包括人工降雨系统、模拟透水道路结构主体、流量计部分，与现有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步，主要表现在：本发明解决了不同城市水文条件下透水道路结构和填料选择的技术难题，测试的透水道路系统海绵城市效果可以真实地反映透水道路对雨水径流量和径流污染物的控制能力，可为海绵城市透水道路设施设计提供基础参数。易于维护和安装、操作性和实用性强。
附图说明
图1：本发明测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置结构示意图；
图2：本发明的测试槽结构示意图；
图3：本发明的底座结构示意图；
附图标注：
Ⅰ——透水道路路基填料；
1——人工降雨系统； 2——测试槽；
3——排水管； 4——流量计；
5——槽壁； 6——不锈钢网底；
7——连接卡槽； 8——密封防水胶垫；
9——底座； 10——底座壁；
11——底板； 12——排水口；
13——固定螺栓。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1至图3所示，一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，用于海绵城市建设中测定不同透水路面结构雨水径流量和径流污染控制效果，装置包括人工降雨系统1、模拟透水道路结构主体和流量计4。
所述人工降雨系统1包括喷淋装置和雨强控制系统。所述喷淋装置能通过上下调节高度以模拟降雨面积，所述喷淋装置为方形结构，并且为多孔喷头，所述喷淋装置的每个喷孔的喷射方向与竖直向上方向呈一钝角布置，并且，所述喷射方向指向所述喷淋装置的外部，保证可以通过调节所述喷淋装置高度调节模拟降雨的面积。所述雨强控制系统能控制模拟降雨的大小和雨型，包括雨强控制器和数据采集存储器，所述雨强控制器的控制雨强连续变化范围应包含20mm/h～100mm/h，所述数据采集存储器应可以用于实时记录和存储雨水的出流量曲线。
所述模拟透水道路结构主体包括若干层测试槽2和底座9，用于模拟不同透水道路路基填料Ⅰ选择和结构组合。所述若干层测试槽2由上至下依次连接，每个所述测试槽2内填充不同厚度及不同种类的待测试透水道路路基填料Ⅰ。每个所述测试槽2包括槽壁5和不锈钢网底6。所述槽壁5为方形结构，由厚度3cm、高度10cm或5cm的有机玻璃板拼接而成，为后续透水道路路基填料Ⅰ提供挡板作用；所述槽壁5的顶部和底部分别设置有用于连接相邻所述测试槽2的连接卡槽7，所述连接卡槽7为倒L形设计，沿所述测试槽2四周上下布置；相邻所述测试槽2的连接处设置有密封防水胶垫8。所述不锈钢网底6连接在所述槽壁5的内部并靠近所述槽壁5的底部，作为所述测试槽2的托底，所述不锈钢网底6的孔间距为1cm～2cm，如果透水道路路基填料Ⅰ直径较小，可再在所述不锈钢网底6的上表面铺设一层不锈钢纱层，以不影响水流在透水道路路基填料Ⅰ中过流速度为准。所述不锈钢网底6与所述槽壁5之间采用固定螺栓13连接，保证所述不锈钢网底6和所述槽壁5牢固连接。所述底座9为所述模拟透水道路结构主体的底部支撑，连接在最下层所述测试槽2的底部，所述底座9包括底座壁10和底板11。所述底座壁10的顶部设置有用于连接所述测试槽2的连接卡槽7。所述底板11为底部的雨水收集板，呈“V”形结构，坡向出流口有3％的坡度，以保证出流顺畅；所述底板11的中心开设有排水口12，所述排水口12为模拟雨水经过模拟透水道路结构主体后的出流口。
所述排水口12连接有排水管3，所述流量计4设置在所述排水管3上，模拟降雨经过模拟透水道路结构主体后由所述流量计4测定出流曲线。
其中，所述透水道路路基填料Ⅰ为试验选取的用于透水道路基层的材料，可以是粒径大小不一的石子、陶粒、粗砂等透水道路常用的基层材料。
如图1所示，依据所述模拟透水道路结构主体的面积调节所述人工降雨系统1的喷淋装置高度，降雨落到由有机玻璃槽壁5合围的测试透水道路路基填料Ⅰ上，每一层透水道路路基填料Ⅰ对应一个有机玻璃槽壁5，底部由不锈钢网底6作为托底，并通过固定螺栓13固定在有机玻璃槽壁5上，上下相邻两个测试槽2通过连接卡槽7相连。雨水自上而下流经各透水道路路基填料层后到达底座9，在具有3％坡度的底板11处汇集后，经排水管3流出，并通过流量计4计量出流瞬时流量并记录。
如图2所示，每一透水道路路基填料层包括透水道路路基填料Ⅰ、测试槽2(包括槽壁5、不锈钢网底6和固定螺栓13)和密封防水胶垫8。透水道路路基填料Ⅰ是滞蓄和净化雨水的主要部分，其盛放在由有机玻璃槽壁5合围而成的方槽中，并由不锈钢网底6作为每一层透水道路路基填料Ⅰ的托底。不锈钢网底6通过固定螺栓13固定在槽壁5上。测试槽2通过加装密封防水胶垫8避免相邻透水道路路基填料层实验过程中的雨水外渗。
如图3所示，经过各个测试透水道路路基填料层的雨水留到底座9，经过底板11汇集后从排水口12流出，通过在出口处监控流量和水质来判断透水道路结构系统的海绵城市效果。
一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的方法，采用上述测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1，通过城市道路路面收集的灰尘，在人工降雨系统1的配水桶中模拟配置道路径流雨水，如果缺少当地道路雨水水质数据，可采用SS 300～400mg/L，COD 100～200mg/L，TN 10～20mg/L配制，约200L左右；
步骤2，按照选定的降雨雨型调节人工降雨系统1，并调节喷淋装置高度，以使降雨覆盖面积等于测试槽2面积；
步骤3，将待测试的透水道路路基填料Ⅰ放入有测试槽2中，并按照设定的顺序将盛放有不同透水道路路基填料Ⅰ的测试槽2竖向罗列，放置于底座9上，组合成不同的透水路面结构；
步骤4，检查测试槽2连接处的密封和防水情况，根据需要设置密封防水胶垫8；
步骤5，用排水管3将排水口12和流量计4连接起来，并开启流量计4工作状态；
步骤6，将人工降雨系统1的吸水泵放置于配水桶中，并开启人工降雨系统1；
步骤7，观察降雨过程和出流过程，排除测试过程的干扰因素；
步骤8，按照实验需要的时间间隔，在出水口采集出流水样，直至降雨结束后，出水口不再出流为止，以备水质分析检测；
步骤9，计算透水路面结构对雨水的“削峰”、“滞蓄”、“污染物去除”效果，并且，通过入流曲线和出流曲线计算出模拟透水道路结构主体累计滞蓄的雨水量以及模拟透水道路结构主体对降雨洪峰的延迟和消减效果，此外，通过出口水质检测，计算模拟透水道路结构主体对道路雨水径流污染的去除过程。
本发明通过调查获得项目目标区域降雨雨型，采用人工降雨系统1模拟降雨量和雨型分配，提供装置的入流水量，水流自上而下流过模拟透水道路结构主体，在底部汇集后由出水口排出，出口流量计4可检测出口瞬时流量数据，并获得出口流量曲线。人工降雨系统1的入流流量曲线和出口流量计4测出的出流曲线之间的差值，即可测算出该透水路面结构对该雨型降雨的滞蓄作用、降雨峰值削减作用。通过进出水水质的检测，还可计算出相应的污染物去除率。
在测定模拟透水道路结构主体对雨水水质的去除效果时，入流雨水可人工配置，道路初期雨水水质按照实测平均值SS 200～400mg/L，COD 100～200mg/L，TN 10～20mg/L配制。当有几种不同的透水道路结构可供选择时，为加快方案确定的进度，可按照初步确定的透水道路结构做成几组装置，同时开展试验，比较不同透水道路结构的效果。
本发明装置及方法可用于特定城市水文条件下透水道路结构形式的选择。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，包括：
人工降雨系统(1)，所述人工降雨系统(1)包括喷淋装置和雨强控制系统，所述喷淋装置能通过上下调节高度以模拟降雨面积，所述雨强控制系统能控制模拟降雨的大小和雨型；
模拟透水道路结构主体，所述模拟透水道路结构主体包括若干层测试槽(2)，所述若干层测试槽(2)由上至下依次连接，每个所述测试槽(2)内填充不同厚度及不同种类的待测试透水道路路基填料(Ⅰ)；所述模拟透水道路结构主体的底部连接有排水管(3)；以及，
流量计(4)，所述流量计(4)设置在所述排水管(3)上，用于实时显示出流流量，输出模拟雨水的出流曲线。
2.根据权利要求1所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述喷淋装置为多孔喷头，所述喷淋装置的每个喷孔的喷射方向与竖直向上方向呈一钝角布置，并且，所述喷射方向指向所述喷淋装置的外部，从而使得能通过调节所述喷淋装置的高度调节模拟降雨的面积。
3.根据权利要求1所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述雨强控制系统包括雨强控制器和数据采集存储器，
其中，所述雨强控制器的控制雨强连续变化范围包含20mm/h～100mm/h，所述数据采集存储器用于实时记录和存储雨水的出流量曲线。
4.根据权利要求1所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述测试槽(2)包括槽壁(5)和不锈钢网底(6)，
其中，所述槽壁(5)的顶部和底部分别设置有用于连接相邻所述测试槽(2)的连接卡槽(7)；所述不锈钢网底(6)连接在所述槽壁(5)的内部并靠近所述槽壁(5)的底部。
5.根据权利要求4所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，相邻所述测试槽(2)的连接处设置有密封防水胶垫(8)。
6.根据权利要求4所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述不锈钢网底(6)的孔间距为1cm～2cm。
7.根据权利要求6所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述不锈钢网底(6)的上表面铺设一层不锈钢纱层。
8.根据权利要求4所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述不锈钢网底(6)与所述槽壁(5)之间采用固定螺栓(13)连接。
9.根据权利要求1所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，其特征在于，所述模拟透水道路结构主体还包括底座(9)，所述底座(9)连接在最下层所述测试槽(2)的底部；
其中，所述底座(9)包括底座壁(10)和底板(11)，所述底座壁(10)的顶部设置有用于连接所述测试槽(2)的连接卡槽(7)；
所述底板(11)呈“V”形结构，以保证出流顺畅；所述底板(11)的中心开设有用于连接所述排水管(3)的排水口(12)，所述排水口(12)为模拟雨水经过模拟透水道路结构主体后的出流口。
10.一种测试不同透水道路结构海绵城市效果的方法，其特征在于，采用权利要求1至9任意所述的测试不同透水道路结构海绵城市效果的装置，所述方法包括以下步骤：
步骤1，通过城市道路路面收集的灰尘，在人工降雨系统(1)配水桶中模拟配置道路径流雨水；
步骤2，按照选定的降雨雨型调节人工降雨系统(1)，并调节喷淋装置高度，以使降雨覆盖面积等于测试槽(2)面积；
步骤3，将待测试的透水道路路基填料(Ⅰ)放入有测试槽(2)中，并按照设定的顺序将盛放有不同透水道路路基填料(Ⅰ)的测试槽(2)竖向罗列，组合成不同的透水路面结构；
步骤4，检查测试槽(2)连接处的密封和防水情况，根据需要设置密封防水胶垫(8)；
步骤5，用排水管(3)将排水口(12)和流量计(4)连接起来，并开启流量计(4)工作状态；
步骤6，将人工降雨系统(1)的吸水泵放置于配水桶中，并开启人工降雨系统(1)；
步骤7，观察降雨过程和出流过程，排除测试过程的干扰因素；
步骤8，按照实验需要的时间间隔，在出水口采集出流水样，直至降雨结束后，出水口不再出流为止，以备水质分析检测；
步骤9，计算透水路面结构对雨水的“削峰”、“滞蓄”、“污染物去除”效果，并且，通过入流曲线和出流曲线计算出模拟透水道路结构主体累计滞蓄的雨水量以及模拟透水道路结构主体对降雨洪峰的延迟和消减效果，此外，通过出口水质检测，计算模拟透水道路结构主体对道路雨水径流污染的去除过程。
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