种植土-碎石绿化带雨水入渗的数值分析

为分析理论解析法求解种植土-碎石绿化带雨水入渗问题的合理性,建立了非饱和种植土-碎石绿化带雨水入渗的有限元模型,模型上边界设置储水表皮,模拟雨水入渗和积蓄,下边界为饱和排水,模型两侧不透水。首先,利用有限元模型模拟了均匀降雨条件下的雨水入渗特征,与理论解析解对比,验证了模型的正确性。然后,利用有限元模型计算石家庄市2年重现期3h设计暴雨雨型条件下种植土的雨水入渗,地表开始积水时间、降雨结束后积水深度、雨量径流系数分别为0.75h,13.6cm和0.24,均匀降雨理论解析解计算结果分别为0.72h,14.4cm和0.17,两种方法计算结果相差不多。再次,利用有限元模型计算了下边界孔压变化、上边界孔压变化条件下的种植土地表开始积水时间,结果表明随着下边界孔压降低,地表开始积水时间延长,随着上边界孔压降低,地表开始积水时间延长,当下边界孔压为0kPa时,初始上边界孔压分别为-6kPa和-12kPa,地表开始积水时间分别为45 min和50 min,地表开始积水时间有一定差异;当初始上边界为-6kPa,下边界分别为0kPa,-1kPa,-2kPa和-3kPa时,地表开始积水时间分别为45min,45min,46min和47min,下边界条件对地表开始积水时间影响较小。地基土渗透系数为6.5×10~(-9) m/s,地基土孔隙水压力分别为0kPa,-4.5kPa,-9kPa,-13.5kPa和-18kPa,利用有限元模型求解获得种植土地表开始积水时间分别为54min,54min,55min,55min和56min,地表积水深度分别为11.9cm,11.7cm,11.5cm,11.4cm和11.3cm,随着地基土孔隙水压力降低,种植土地表开始积水时间略有延长,种植土地表积水深度略有降低,总体上地基土孔隙水压力对种植土地表积水时间和积水深度影响不大。地基土孔隙水压力0kPa,渗透系数分别为6.5×10~(-9) m/s和6.5×10-7 m/s,利用有限元模型计算获得种植土地表开始积水时间均为54 min,积水深度均为11.9cm,地基土渗透系数对种植土地表积水时间和积水深度基本无影响。从上述研究结果可以看出,可以使用平均降雨强度和理论解析法计算地表开始积水时间和积水深度;下边界条件对地表开始积水时间和积水深度影响不大;地基土的饱水渗透系数、地基土的初始含水率对地表积水开始时间和地表积水深度影响不大;使用理论解析解求解种植土-碎石绿化带雨水入渗问题是合理的。     

石家庄市区道路径流雨水污染特征调查

为保护地下水和城市生态环境,中国已经开始大规模建设海绵城市。海绵道路是海绵城市建设的重要组成部分。近些年,石家庄市政设计研究院提出了种植土碎石绿化带新型海绵道路结构,并已在石家庄市推广使用。入渗雨水水质是否符合标准,是否会污染地下水是这种道路结构设计中亟待解决的关键问题。为此,弄清石家庄市道路雨水径流污染情况对于石家庄市海绵道路结构设计及海绵城市建设都极为必要。为获得石家庄市道路雨水径流污染特征,在石家庄市南二环与裕翔街口、河北科技大学东门口、西二环与中山路口高架桥下和路边雨水井设置了4个采样点。这些采样点位于石家庄市区主干路上,涵盖了石家庄市区的东部和西部,基本代表了石家庄市区道路雨水径流的污染状况。从2017年3月到6月一共收集了6场雨水,选取典型、可代表石家庄市中小雨道路雨水径流污染物平均状况特征的5月3日的调查结果进行分析。用重铬酸钾法测试了道路径流雨水COD浓度;用钼酸铵分光光度法测试了TP浓度;用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测试了TN浓度;用纳氏试剂分光光度法测试了NH3-N浓度;用滤纸过滤法测试了SS浓度;用电感耦合等离子体法测试了Zn离子和Pb离子浓度。根据测试结果,研究了降雨过程中道路径流雨水COD,TP,TN,NH3-N,SS,Zn离子和Pb离子浓度的演化规律。结果表明:石家庄市道路雨水径流污染物大致随降雨历时而衰减,降雨90min后渐趋稳定;污染物浓度与降雨历时之间近似呈负指数函数关系。基于调查结果,分别利用时间加权平均和雨量加权平均方法提出了石家庄市道路初期雨水径流和长历时道路雨水径流的污染物浓度特征值。石家庄市初期雨水径流设计质量浓度的时间加权平均法建议值:TN为14.49mg/L,NH3-N为10.93mg/L,TP为0.45mg/L,SS为651.00mg/L,COD为437.73mg/L;长历时道路雨水径流的污染物质量浓度值建议值:90min以内,TN为8.05 mg/L,NH3-N为5.60 mg/L,TP为0.59 mg/L,SS为559.22 mg/L,COD为237.96mg/L;90 min以后,TN为5.13 mg/L,NH3-N为4.11 mg/L,TP为0.58 mg/L,SS为422.67mg/L,COD为97.35mg/L。石家庄市初期雨水径流设计质量浓度的雨量加权平均法建议值:TN为14.40 mg/L,NH3-N为10.86 mg/L,TP为0.50 mg/L,SS为684.10 mg/L,COD为440.08mg/L;长历时道路雨水径流的污染物质量浓度值建议值:90min以内,TN为12.46mg/L,NH3-N为9.19mg/L,TP为0.52mg/L,SS为642.80mg/L,COD为363.92mg/L;90min以后,TN为5.13 mg/L,NH3-N为4.11 mg/L,TP为0.58 mg/L,SS为423.30 mg/L,COD为97.35mg/L。总体来看,雨量加权平均法获得的设计浓度值比时间加权平均法获得的结果略大。Zn离子和Pb离子在土壤中极难降解,且危害大,建议取30min时间加权质量浓度值作为初期径流雨水和长历时降雨道路径流雨水的设计浓度,Zn离子设计质量浓度建议值为0.67mg/L,Pb离子设计浓度建议值为0.11mg/L。