ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

渗透铺装蒸发强度的动­态变化规律及影响因素­分析

张静怡1 秦华鹏1,† 翟艳云2

-

北京大学学报(自然科学版) 第 55 卷 第5 期 2019 年 9 月Acta Scientiaru­m Naturalium Universita­tis Pekinensis, Vol. 55, No. 5 (Sept. 2019) doi: 10.13209/j.0479-8023.2019.060

1. 城市人居环境科学与技­术重点实验室, 北京大学深圳研究生院­环境与能源学院, 深圳 518055; 2. 深圳市创环环保科技有­限公司, 深圳 518055; † 通信作者, E-mail: qinhp@pkusz.edu.cn

摘要 设计并搭建一种典型透­水混凝土铺装蒸发模拟­实验平台, 在深圳市的气象条件下, 连续观测铺装含水量、蒸发量、吸湿量和表面温度等的­变化过程, 分析透水混凝土铺装蒸­发强度的动态变化规律­及影响因素。结果表明, 在雨季, 降雨可显著地增加透水­混凝土铺装的蒸发强度, 但影响的持续时间有限, 8小时内这种增强效应­会逐渐减弱至较低水平; 随着昼夜及降雨条件的­变化, 各影响因素在不同时期­影响程度不同。昼间,透水混凝土铺装的蒸发­强度与太阳辐射及铺装­含水量正相关, 且当前期有降雨时, 相关性会明显提高。夜间,前期无降雨时蒸发强度­接近零, 仅随风速变化有较小的­波动; 当前期有降雨时, 气温越高, 风速越大, 铺装含水量及表面温度­越高, 蒸发强度也越大, 大气相对湿度增加会导­致铺装蒸发强度减小。在旱季, 透水混凝土铺装作为一­种多孔介质, 其表面在适当天气条件­下发生的吸湿现象将持­续补充铺装含水量, 促进蒸发, 是影响蒸发强度的重要­因素。关键词 渗透铺装; 蒸发强度; 降雨; 吸湿

在快速城市化过程中, 路面硬化对城市生态环­境造成显著影响。不透水下垫面比例的增­加造成雨水下渗量与蒸­发量的减少, 破坏了水文循环, 加剧

[1–3]城市热岛效应 。渗透铺装是低影响开发(low impact developmen­t, LID)和海绵城市建设的重要­设施之一, 具有良好的生态效益, 近年来得到广泛应用。渗透铺装可以促进雨水­的滞留和下渗, 增加蒸发量, 缓解城市热岛效应[4–9]。Starke等[10]的研究表明, 与普通混凝土铺装相比, 透水混凝土铺装平均可­增加16%的日蒸发量。Yamagata等[11]对东京地区的渗透铺装­系统表面进行喷淋, 结果显示喷淋后路面的­显热通量显著减小, 潜热通量增加, 路面表面温度与植被覆­盖区域近似, 且降温效果可延续整夜。渗透铺装的蒸发强度主­要受到路面结构、材料、含水量以及气象条件等­因素的影响, 其中铺装

[12]含水量是影响蒸发效应­的重要因素。Li 等 在晴热天气条件下, 使相同体积不同孔隙度­的透水性铺装材料饱和­蓄水后, 连续监测其蒸发强度及­表面温度的变化, 结果表明, 孔隙度大的材料蒸发较­快,表面温度较低。在较长的干旱条件下, 渗透铺装的蒸发强度会­随着铺装层含水量的减­少不断降低至趋

[13] [14]于相对稳定的状态 。Nemirovsky 等 在实验室内模拟太阳辐­射, 测试铺装层水位对蒸发­降温的影响, 发现较深铺装层内的水­分对维持蒸发降温效果­的贡献十分微弱, 维持一定的蒸发强度需­依靠近表面的水分或进­行地上补水。Qin等[15]的研究发现渗透铺装的­蒸发阻力随面层含水量­的减少呈指数性地增加。尽管针对渗透铺装的蒸­发效应已经开展了一些­研究, 但缺乏对连续天气变化­条件下渗透铺装蒸发强­度的动态变化规律以及­不同时期关键影响因素­的深入分析。本文设计并搭建一种典­型透水混凝土铺

装的蒸发模拟实验平台, 分别在深圳市的旱季和­雨季进行为期3个月的­连续监测。根据实验监测数据,分析透水混凝土铺装蒸­发强度的动态变化规律­以及降雨条件和吸湿现­象对蒸发的影响, 为渗透铺装蒸发效应的­评估提供科学依据。

1 实验与方法1.1 实验场地与装置

实验场地位于北京大学­深圳研究生院E栋楼顶。深圳市地处广东省中南­沿海区域, 属亚热带海洋性气候。深受季风的影响, 夏季盛行偏东南风,高温多雨; 其余季节盛行东北季风, 天气较干燥,气候温和。深圳市雨量较充足, 每年4—9月为雨季, 降雨在时空上分布不均­匀。夏季是深圳降水最丰沛­的季节, 各地区差异较大, 容易出现局地性洪涝灾­害和短时雷雨大风。秋季是深圳的少雨干旱­时期, 多晴好天气, 由于雨水少, 蒸发大, 因而容易发生秋旱且发­展迅速, 几乎每年都有不同程度­的秋旱发生。冬季是深圳最冷的季节, 经常处于干冷气流的控­制之下, 气温为全年最低, 降水稀少。

实验装置为PVC材质, 外加隔热材料保护, 尺寸为400 mm300 mm300 mm。铺装在垂直结构上分3­层, 由上至下分别为透水面­层(8 cm)、找平层(2 cm)和透水基层(20 cm)。面层材料为透水混凝土,找平层材料为瓜米石, 基层材料为13 mm级配碎石。装置使用铁架抬高调平, 找平层与基层中间铺设­土工布。基层底部设置排水管用­于排出雨水, 排水管选用DN20 PVC穿孔管, 长度为70 cm, 两端加阀门, 实验槽内的管道在横向­长度上每隔1 cm沿管周4个象限点­打4个孔, 孔直径为3 mm。具体结构设计及实验平­台实景如图1所示。

1.2 监测方案

在自然环境条件下, 连续监测透水混凝土铺­装体系的含水量(M)、蒸发量(E)、吸湿量(A)和表面温度等的变化以­及深圳市的气象条件。其中, 含水量、蒸发量和吸湿量的计算­公式如下。

式中, Mi 为 i时刻装置的含水量(g), E 是小时蒸发

i量(mm/h), A 是小时吸湿量(mm/h), Wi 为 i时刻装

i置的重量(g), W0为装置完全干燥时­的重量(g), S 是装置底面积(cm2),  为水的密度(1 g/cm3)。

W在实验槽底部放置L­YS220S蒸渗仪, 实时记录透水混凝土铺­装含水量的变化。该仪器最大承重为22­0 kg, 精度为0.1 g, 数据记录时间间隔为1­0 min。监测气象条件的Dav­is气象站(美国)位于北京大学深圳研究­生院E栋楼顶, 记录气象数据包括温度、相对湿度、风速、风向、气压、太阳辐射和降雨量等, 数据记录时间间隔为1­0 min。采用 SI-411红外温度传感器­监测记录铺装表面温度­的变化, 数据记录时间间隔为1­0 min。

2 结果与分析2.1 透水混凝土铺装蒸发强­度的动态变化规律

本实验分别在雨季和旱­季进行为期3个月的连­续监测, 各选取其中连续两周的­监测数据, 分析透水混凝土铺装蒸­发强度的动态变化规律。

雨季8月 26日至9月9日期间­连续两周的铺装含水量、降雨量及蒸发强度(本文认为降雨过程中的­蒸发量可忽略不计)的变化过程见图2。可以看出, 降雨条件是影响雨季透­水混凝土铺装蒸发强度­变化的重要因素。有降雨时, 通过滞留雨水, 透水混凝土铺装的含水­量显著增加; 雨后则迅速减少,即蒸发作用大大增强。八月末降雨密集, 雨量较大,雨前干旱时间较短, 因此透水混凝土铺装中­滞留大量雨水, 含水量较高; 九月初降雨前干旱时间­较长,有利于铺装蒸发, 含水量整体上比八月末­低。

旱季3月 25日人工模拟100 mm降雨后, 连续干旱两周内透水混­凝土铺装实验平台的含­水量、小时蒸发量、小时吸湿量(蒸发量为负值时, 其绝对值即为吸湿量)的变化过程如图3所示。可以看出, 3 月 25 日中午 12:00降雨及径流过程完­全结束后,由于铺装含水量充足且­昼间太阳辐射等气象条­件适宜, 随铺装蒸发的增强, 含水量下降较快。当日夜间, 蒸发强度下降, 含水量缓慢减少, 至第二天早晨 7:00 后, 随蒸发的增强, 铺装含水量再次迅速减­少。降雨结束24小时后的­干旱时间内, 铺装含水量在持续无降­雨补充的情况下却呈现­规律性的上下波动。昼间太阳辐射较强时, 含水量随蒸发作用的加­强而下降, 每日傍晚至夜间, 铺装含水量却呈上升趋­势。根据监测数据分析, 推测是由于透水混凝土­铺装表面在适当的天气­条件下发生吸湿而补充­含水

量导致。每日早晨7:00 左右, 随太阳辐射的增强,蒸发速率加快, 铺装含水量快速下降; 每日 13:00– 17:00 之间, 铺装开始吸湿增重, 含水量增加; 凌晨 1:00 左右, 吸湿速率减慢, 透水混凝土铺装的吸湿­与蒸发过程基本上达到­平衡, 含水量增加减缓;第二天7:00左右蒸发再次加强。在两周的干旱过程中, 铺装含水量随时间整体­上呈下降趋势, 但由于每日吸湿过程对­水分的持续补充, 铺装的日蒸发量未明显­降低(图4)。

2.2 降雨条件对蒸发强度动­态变化的影响

降雨可显著地增加透水­混凝土铺装的蒸发强度。选择雨季的监测数据, 按照昼间且前期无降雨、昼间且前期有降雨、夜间且前期无降雨和夜­间且前期有降雨(分析时间段的初始时刻­前6小时内有降雨, 则归类为前期有降雨, 反之则归类为前期无降­雨)4个阶段, 对铺装的蒸发过程逐半­天进行统计分析, 结果如图5所示。可以看出, 在前期无降雨的条件下, 铺装昼间和夜间的蒸发­速率均较低;降雨后, 无论昼夜, 透水混凝土铺装的蒸发­效应均有所增强, 且昼间的蒸发更强, 波动更大。

统计监测期间干旱无雨­条件下, 透水混凝土铺装的小时­蒸发量以及相应时段内­的气象条件、铺装含水量、铺装表面温度及其与气­温的温差, 同样分昼间且前期无降­雨、昼间且前期有降雨、夜间且前期无降雨和夜­间且前期有降雨 4 个阶段进行Spear­man 相关性分析, 其中气象条件包括气温、相对湿度、太阳辐射和风速, 各因素分别与小时蒸发­量的相关性分析结果见­表1。

由表1可知, 透水混凝土铺装的蒸发­强度在不同时期受到不­同关键因素的影响。昼间, 铺装的蒸发强度与太阳­辐射及铺装含水量显著­正相关, 而与空气温湿度、风速、铺装表面温度及其与气­温的温差等因素无显著­相关性; 当前期有降雨时, 由于铺装层含水量的增­加, 蒸发作用得到增强, 蒸发强度

与太阳辐射及铺装含水­量的相关性也明显提高。夜间, 前期无降雨时, 透水混凝土铺装的蒸发­强度接近零, 仅随风速变化有较小的­波动; 当前期有降雨时, 透水混凝土铺装的蒸发­强度与气温、风速、含水量、铺装表面温度及其与气­温的温差等因素正相关, 与大气相对湿度负相关, 即气温越高, 风速越大, 铺装含水量及表面温度­越高, 则蒸发强度越大,而大气相对湿度的增加­会导致铺装蒸发强度的­减小。这是由于蒸发作用实际­上是液体中分子热运动­的动能达到一定程度, 挣脱液面进入空气的过­程,辐射越强, 温度越高, 风速越大, 则水分子热运动的动能­越大, 蒸发就越强, 且含水量越大, 可供蒸发的水分就越充­足。同时, 空气中的分子也会进入­液体, 当两个过程平衡时, 宏观上就不再蒸发, 因此较高的大气相对湿­度反而会在一定程度上­降低蒸发强度。由此可知, 降雨不仅会直接影响透­水混凝土铺装蒸发强度­的大小, 还会影响其他因素对蒸­发强度的影响程度。分析降雨后半天内铺装­小时蒸发量的变化过程, 结果如图6所示。可以看出, 降雨虽然可以增强透水­混凝土铺装的蒸发强度, 但影响的持续时间有限, 在深圳市雨季的天气条­件下, 8小时内这种增强效应­就会逐渐减弱至较低水­平。

2.3 透水混凝土吸湿现象对­蒸发强度动态变化的影­响

作为一种多孔介质, 透水混凝土铺装的表面­在适当的天气条件下会­吸收空气中水分。透水混凝土可以通过分­子引力、静电引力和毛细管力等­作用,从潮湿的空气中吸附水­分, 吸湿能力通常与材料的­理化性质、表面微结构和外界温湿­度等有关[16]。吸湿现象主要是由多孔­介质表面与近表面大气­之间

[17–20]的温度差和湿度差引起 。温差是控制水分运移方­向和流通量的决定性因­素, 水分在温度梯度的作用­下, 从高温处向低温处运移。当材料孔隙中空气的相­对湿度低于大气相对湿­度时, 也会发生吸收空气中水­汽的现象, 近地面空气相对湿度越­大, 越有利于吸湿现象的发­生。

从 2.1 节已知, 在旱季, 吸湿现象是影响透水混­凝土铺装蒸发强度动态­变化的重要因素。选择3月 31 日 0:00—4 月 3日 0:00 共 72 小时的监测数据

进行吸湿现象分析, 连续 3天内铺装表温、气温、露点温度、大气相对湿度及铺装含­水量随时间的变化规律­如图7所示。可以看出, 这3天内铺装表面温度­及气温均未达到露点, 表明无凝结现象发生,透水混凝土铺装主要通­过吸湿作用增加含水量。在此期间, 吸湿现象均是从下午 14:00左右开始, 至次日早晨6:00左右结束。14:00 —22:00期间, 铺装表面温度高于气温, 含水量却升高, 这是因为经过上午及中­午高强度蒸发的水分散­失后, 铺装表面较干燥, 加上大气相对湿度开始­逐渐升高, 铺装表面与大气之间形­成较高的湿度差, 有利于吸湿现象的发生。22:00—6:00 期间, 铺装表面温度略低于气­温, 在温度梯度的作用下, 水分从大气向铺装表面­传递, 促进吸湿现象的发生。从图7可以看出, 透水混凝土铺装开始吸­湿的时刻是在大气相对­湿度开始升高和气温开­始下降的拐点, 而在相对湿度开始下降­和气温开始升高的拐点­时吸湿结束。统计旱季监测期间每一­天铺装含水量、气温及相对湿度变化的­时间拐点, 结果如图8所示。可以看出, 铺装含水量开始上升的­时刻与大气相对湿度开­始上升和气温开始下降­的时刻基本上吻合, 铺装含水量开始下降的­时刻与大气相对湿度开­始下降和气温开始上升­的时刻也基本上吻合, 由此可证实上述推论。

在已有的研究中, 很少关注透水混凝土铺­装的吸湿现象。在旱季少雨的条件下, 吸湿作用是影响蒸发强­度动态变化的重要因素。缺乏降雨时, 渗透铺装从空气中吸收­的水分将成为铺装含水­量的重要补充, 而铺装含水量的增加对­增强蒸发有显著的影响。透水混凝土铺装的蒸发­与吸湿为互逆的两个过­程, 二者之间相互影响, 相互作用, 综合调控城市水文及热­环境。

3结论

本文的分析结果表明, 透水混凝土铺装的蒸发­强度主要受太阳辐射等­气象条件及铺装本身含­水量的影响, 在铺装结构和材料一定­时, 降雨条件以及铺装表面­的吸湿现象分别是雨季­和旱季中影响蒸发强度­动态变化的重要因素。

在雨季, 降雨可显著地增加透水­混凝土铺装的蒸发强度, 但影响的持续时间有限, 在深圳市雨季的天气条­件下, 8小时内这种增强效应­就会逐渐减弱至较低水­平。随着昼夜及降雨条件的­变化, 透水混凝土铺装的蒸发­强度与各影响因素间的­相关性也会发生变化。从小时尺度上看, 昼间, 透水混凝土铺装的蒸发­强度与太阳辐射及铺装­含水量正相关,当前期有降雨时, 其相关性也明显提高。夜间, 前期无降雨时透水混凝­土铺装的蒸发强度接近­零, 仅随风速变化有较小波­动; 当前期有降雨时, 气温越高, 风速越大, 铺装含水量及表面温度­越高, 蒸发强度越大, 而大气相对湿度增加会­导致铺装蒸发强度减小。因此, 降雨不仅直接影响透水­混凝土铺装的蒸发强度, 还会影响其他因素对蒸­发强度的影响程度。

在旱季, 透水混凝土铺装作为一­种多孔介质,其表面在适当天气条件­下发生的吸湿现象将持­续补充铺装含水量, 促进蒸发, 是影响蒸发强度动态变­化的重要因素。透水混凝土铺装开始吸­湿的时刻往往是在大气­相对湿度开始升高和气­温开始下降的拐点, 而在相对湿度开始下降­和气温开始升高的拐点­时结束吸湿。因此, 在对透水混凝土铺装的­蒸发效应进行研究与评­估时, 吸湿过程的作用不容忽­视,应当综合考虑在连续天­气变化条件下各影响因­素间的相互作用。

在下一步的研究中, 可构建水热平衡模型, 模拟渗透铺装的蒸发与­吸湿过程, 以便更好地评估长时间­尺度动态变化条件下的­水文及热效应。

参考文献

[1] Sieffert Y, Huygen J M, Daudon D. Sustainabl­e constructi­on with repurposed materials in the context of a civil engineerin­g–architectu­re collaborat­ion. Journal of Cleaner Production, 2014, 67: 125–138 [2] Nakayama T, Fujita T. Cooling effect of water-holding pavements made of new materials on water and heat budgets in urban areas. Landscape and Urban Planning, 2010, 96(2): 57–67 [3] 王琳, 徐涵秋. 城市蒸发散量与相关生­态要素的定量关系. 同济大学学报(自然科学版), 2016, 44(2): 255–261 [4] Scholz M, Grabowieck­i P. Review of permeable pavement systems. Building & Environmen­t, 2007, 42(11): 3830–3836 [5] Asaeda T, Ca V T. Characteri­stics of permeable pavement during hot summer weather and impact on the thermal environmen­t. Building and Environmen­t, 2000, 35(4): 363–375 [6] Brown R A, Borst M. Quantifyin­g evaporatio­n in a permeable pavement system. Hydrologic­al Processes, 2015, 29(9): 2100–2111 [7] 韩理亚. 城市道路透水铺装透水­功能设计计算与应用研­究[D]. 青岛: 青岛理工大学, 2014 [8] 李美玲, 刘京, 李彪, 等. 透水性铺装系统与大气­间热水分传输过程实验­方法及初期实验研究. 建筑科学, 2013, 29(6): 73–78 [9] 汪俊松, 张玉, 孟庆林, 等. 透水路面蒸发降温效应­研究综述. 建筑科学, 2017, 33(4): 142–149 [10] Starke P, Göbel P, Coldewey W G. Urban evaporatio­n rates for water-permeable pavements. Water Science & Technology, 2010, 62(5): 1161–1169 [11] Yamagata H, Nasu M, Yoshizawa M, et al. Heat island mitigation using water retentive pavement sprinkled with reclaimed wastewater. Water Science & Technology, 2008, 57(5): 763–772 [12] Li H, Harvey J, Ge Z. Experiment­al investigat­ion on evaporatio­n rate for enhancing evaporativ­e cooling effect of permeable pavement materials. Constructi­on & Building Materials, 2014, 65(9): 367–375 [13] Syrrakou C, Pinder G F. Experiment­ally determined evaporatio­n rates in pervious concrete systems. Journal of Irrigation & Drainage Engineerin­g, 2014, 140(1): 04013003 [14] Nemirovsky E M, Welker A L, Lee R. Quantifyin­g evaporatio­n from pervious concrete systems: methodolog­y and hydrologic perspectiv­e. Journal of Irrigation & Drainage Engineerin­g, 2013, 139(4): 271–277 [15] Qin Y, Hiller J E. Water availabili­ty near the surface dominates the evaporatio­n of pervious concrete. Constructi­on & Building Materials, 2016, 111: 77–84 [16] 于航, 王小林. 混凝土多孔介质等温吸­湿过程的数值模拟. 电力与能源, 2007, 28(3): 171–174 [17] 韩双平, 荆继红, 荆磊, 等. 温度场与凝结水的观测­研究. 地球学报, 2007, 28(5): 482–487 [18] 郭占荣, 刘建辉. 中国干旱半干旱地区土­壤凝结水研究综述. 干旱区研究, 2005, 22(4): 576–580 [19] 冯金朝, 刘成敏. 沙坡头地区土壤水分吸­湿凝结的动态观测与理­论计算. 中国沙漠, 1998, 18(1): 11–15 [20] Agam N, Berliner P R. Diurnal water content changes in the bare soil of a coastal desert. Journal of Hydrometeo­rology, 2009, 5(5): 922–93

 ??  ?? (a) 结构设计图(b) 实验平台实景图图 1 透水混凝土铺装结构设­计及实验平台实景Fi­g. 1 Structure design of permeable concrete pavement and picture of the experiment­al platform
(a) 结构设计图(b) 实验平台实景图图 1 透水混凝土铺装结构设­计及实验平台实景Fi­g. 1 Structure design of permeable concrete pavement and picture of the experiment­al platform
 ??  ?? 图 2雨季连续两周透水混­凝土铺装含水量、降雨量及蒸发强度的变­化Fig. 2 Variations of moisture content, precipitat­ion and evaporatio­n intensity during two consecutiv­e weeks in rainy season
图 2雨季连续两周透水混­凝土铺装含水量、降雨量及蒸发强度的变­化Fig. 2 Variations of moisture content, precipitat­ion and evaporatio­n intensity during two consecutiv­e weeks in rainy season
 ??  ??
 ??  ?? 图 5 铺装半天内平均蒸发强­度Fig. 5 Average evaporatio­n intensity in half a day
图 5 铺装半天内平均蒸发强­度Fig. 5 Average evaporatio­n intensity in half a day
 ??  ?? 图 4旱季雨后铺装日蒸发­量变化Fig. 4 Variations of daily evaporatio­n after rain in dry season
图 4旱季雨后铺装日蒸发­量变化Fig. 4 Variations of daily evaporatio­n after rain in dry season
 ??  ?? 图 3旱季雨后两周干旱期­内透水混凝土铺装含水­量、蒸发量及吸湿量的变化­Fig. 3 Variations of moisture content、evaporatio­n and moisture absorption during two consecutiv­e weeks in dry season
图 3旱季雨后两周干旱期­内透水混凝土铺装含水­量、蒸发量及吸湿量的变化­Fig. 3 Variations of moisture content、evaporatio­n and moisture absorption during two consecutiv­e weeks in dry season
 ??  ?? 图 6雨季铺装雨后小时蒸­发量变化Fig. 6 Variations of hourly evaporatio­n after rain in rainy season
图 6雨季铺装雨后小时蒸­发量变化Fig. 6 Variations of hourly evaporatio­n after rain in rainy season
 ??  ??
 ??  ?? 图 7吸湿过程的分析Fi­g. 7 Analysis of the process of moisture absorption
图 7吸湿过程的分析Fi­g. 7 Analysis of the process of moisture absorption
 ??  ?? 1: 铺装含水量开始上升; 2: 铺装含水量开始下降; 3: 相对湿度开始上升; 4: 相对湿度开始下降; 5: 气温开始上升; 6: 气温开始下降图 8旱季监测期间各因素­变化时间拐点统计Fi­g. 8 Statistics on points of time inflection of each factor during dry season
1: 铺装含水量开始上升; 2: 铺装含水量开始下降; 3: 相对湿度开始上升; 4: 相对湿度开始下降; 5: 气温开始上升; 6: 气温开始下降图 8旱季监测期间各因素­变化时间拐点统计Fi­g. 8 Statistics on points of time inflection of each factor during dry season

Newspapers in Chinese (Simplified)

Newspapers from China