关于雨滴撞击对城市道路表面颗粒物传输影响的实验研究

《Journal of Hydrology》：Experimental study on the effects of raindrop impact on particle transport across urban road surface

城市道路颗粒物迁移中雨滴冲击与径流剪切耦合机制研究。通过实验室实验系统分离降雨强度、坡度、颗粒粒径及初始负载对颗粒迁移的影响，发现雨滴冲击显著降低径流启动临界水深（尤其在低雨强缓坡条件下），增强颗粒初始脱落并导致峰值浓度和迁移速率提前出现，且与初始负载呈线性关系。粗颗粒（d50≥100.3μm）最终洗脱率提升明显，而径流剪切作用随雨强和坡度增加而增强。研究成果为物理成因型城市径流污染模型优化提供理论支撑。

　　

栾斌|张涛涛|张驰|肖阳|杨杰|陈旭

中国苏州科技大学环境科学与工程学院，苏州

摘要

城市道路表面的颗粒物是雨水污染的主要来源，其迁移受到雨滴冲击和径流剪切的共同影响。然而，这些耦合机制及其相对贡献仍不明确，这限制了基于物理原理的模型的发展。本研究通过实验室实验，分离了不同降雨强度、坡度、颗粒大小和初始负荷条件下雨滴冲击对颗粒迁移的影响。测量了颗粒浓度和迁移速率以及最终的冲刷比例。结果表明，雨滴冲击显著降低了径流开始的临界水深，尤其是在降雨强度较低和坡度较缓的情况下。它显著增强了颗粒的初始脱落，导致更高的峰值浓度和更早出现的迁移速率。在雨滴冲击下，峰值浓度和迁移速率与初始负荷呈线性关系。相比之下，在没有雨滴冲击的情况下，这种线性关系仅限于初始负荷低于50克/平方米的情况，超过这个阈值后，这两个值保持不变。本研究还发现，雨滴冲击显著提高了粗颗粒（d₅₀ ≥ 100.3微米）的最终冲刷比例，而对于这些颗粒，径流剪切作用较弱。径流剪切的影响随着降雨强度和坡度的增加而增强，从而降低了雨滴冲击的相对贡献。本研究加深了对城市道路上颗粒迁移机制的理解，并为优化基于物理原理的模型提供了理论基础。

引言

城市雨水污染与降雨-径流过程密切相关，已成为全球快速城市化地区的一个关键环境问题（Zhao等人，2011年；Muthusamy等人，2018年）。在降雨期间，积累在道路上的污染物被输送到附近的河流和湖泊中，导致水质显著恶化（Gorgoglione等人，2019年；Dadi等人，2023年）。颗粒物被广泛认为是这种污染的主要载体，既作为主要污染物，也作为吸附化学物质的载体（Fletcher等人，2013年）。大量雨水污染物附着在固体颗粒上，其中细颗粒由于其高吸附能力和移动性而起着特别重要的作用（Sartor等人，1974年；Sheng等人，2008年）。因此，了解城市道路表面颗粒的迁移动态对于制定有效的雨水污染管理策略至关重要。

许多研究致力于阐明控制颗粒迁移的机制。鉴于这些过程的复杂性，受控降雨模拟实验在识别关键影响因素方面发挥了重要作用。研究一致表明，细颗粒更容易被迁移，并且具有更高的冲刷效率（Sartor等人，1974年；Zhao和Li，2013年）。除了颗粒大小之外，Egodawatta等人（2007年、2009年）还发现了颗粒冲刷与降雨强度之间的三阶段关系。Zhao等人（2018a）进一步报告称，降雨强度对冲刷效率的影响随着颗粒大小的增加而减弱，尽管更高的强度和更小的颗粒会协同增强迁移。表面特性也显著影响迁移动态；具体来说，沥青路面的凹陷深度和粗糙度大于混凝土路面，因此会保留更多的颗粒，尤其是粗颗粒，从而导致整体冲刷效率较低（Zhao等人，2018b）。此外，Muthusamy等人（2018年）观察到，在更陡的坡度和更高的降雨强度下，颗粒迁移遵循明显的负指数趋势，临界阈值取决于颗粒大小分布。

已经开发了雨水质量模型来量化总悬浮固体（TSS）并支持缓解策略。许多现有模型基于颗粒冲刷速率与剩余颗粒质量成正比的假设（Sartor等人，1974年；Egodawatta等人，2007年；Muthusamy等人，2018年），这导致早期研究中广泛采用指数冲刷模型。雨滴冲击指的是雨滴撞击表面时的动能传递，在颗粒迁移中起着双重作用：使颗粒脱落并增强径流的颗粒迁移能力（Shen等人，2024年）。颗粒迁移过程主要由径流剪切应力和雨滴冲击之间的相互作用驱动，涉及复杂的耦合机制。某些基于物理的模型，如Hairsine-Rose（H-R）模型（Hairsine和Rose，1992年），明确考虑了这些力量。该模型最初是为土壤侵蚀预测而开发的，通过整合降雨、径流和颗粒沉积来预测侵蚀，后来Hong等人（2016a、2016b）将其与FullSWOF水动力框架结合，用于模拟城市道路表面的颗粒迁移。

然而，尽管这些模型考虑了雨滴冲击和径流剪切应力，但对这些机制的描述往往依赖于数值拟合，而不是基于物理原理。由于缺乏直接的实验证据，对其耦合效应的机制理解仍然有限。大多数关于雨滴冲击效应的实验研究集中在土壤坡度上（An等人，2012年；Vaezi等人，2017年；Zhang，2023年；Wang等人，2025年），这些与城市道路表面在渗透性、颗粒组成和来源特性方面存在根本差异。关键的是，缺乏系统地分离雨滴冲击和表面径流对城市道路上颗粒迁移贡献的实验研究。因此，雨滴冲击在城市环境中的具体作用和定量贡献仍然了解不足。

为了解决这一研究空白，本研究旨在量化不同降雨条件下雨滴冲击对颗粒迁移的影响。为此，进行了一系列受控实验室实验，比较了有雨滴冲击和没有雨滴冲击的情况，包括颗粒大小、颗粒总质量、降雨强度和坡度的变化。研究结果预计将为改进预测模型和提高城市雨水管理实践提供重要的机制洞察。

实验设置

实验装置

实验使用了喷嘴喷雾型降雨模拟器。这种实验室规模的降雨模拟系统具有几个优点，包括稳定且均匀分布的降雨强度，以及对降雨强度和持续时间的精确控制。模拟器的高度为10米，确保雨滴在撞击前有足够的形成距离，以达到接近终端速度，从而模拟自然降雨条件。

有雨滴冲击和无雨滴冲击下的径流过程

实验观察到降雨开始和径流产生之间存在时间滞后，定义为产生时间（t₀）。粗糙的混凝土表面具有有限的凹陷储存能力。在这个初始阶段，降雨逐渐湿润不透水的表面和附着的颗粒。当积水体积超过表面凹陷储存量时，表面径流开始。径流开始时的水深h₀表示为：$h_0=I\times t_0$

雨滴冲击在颗粒脱落和迁移中的机制

降雨径流期间的地表土壤侵蚀主要涉及两个关键过程：脱落和迁移（Ellison，1947年）。通常认为，脱落过程主要由雨滴冲击和表面流动剪切驱动，而迁移过程则受到雨滴飞溅和表面流动的影响。根据侵蚀形态和演变过程，坡面土壤侵蚀进一步分为沟蚀和沟间侵蚀（Meyer等人，1975年）。

结论

本研究通过一系列实验室实验研究了雨滴冲击对城市道路表面颗粒迁移的影响。可以得出以下结论：

(1)

雨滴冲击通过减少表面凹陷储存量显著促进了径流的产生，这一点通过临界水深（h₀）的降低得到了证实。在本研究的实验条件下，这种效应在较低的降雨强度（20–80毫米/小时）和较缓的坡度（2%-6%）下更为明显。

作者贡献声明

栾斌：撰写——原始草稿、验证、方法论、数据整理。张涛涛：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。张驰：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。肖阳：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。杨杰：撰写——审阅与编辑。陈旭：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52309102和52379075）、国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3208601和2022YFC3202600）以及江苏省水利科学技术项目（项目编号：2025018）的财政支持。