（道路与铁道工程专业论文）大孔隙透水沥青路面对城市热岛效应的影响分析.pdf

生塞趟璺 中文摘要 随着社会的发展，我国的道路交通已经进入了高速发展时期，城市作为经济 发展的桥头堡，城市不论从面积还是人口、从车辆还是人们活动的频率都有显著 的提高，因此城市道路建设的越来越大，同时这个给城市内部的热力环境、自然 环境，生态环境及生活环境带来影响，并引发热岛效应。其中热岛效应的危害已 经影响到了诸多方面：致使城乡用电紧张；城市污染气体难以扩散：影响人们的 休息和工作：引起心情烦躁、中暑、精神紊乱。 由于城市道路对城市下垫面热性能改变的影响，本文首先结合相关试验数据 分析、确定城市下垫面对城市气温影响的主要方式。通过多孔介质特性，分析大 空隙沥青混合料的孔隙特点和热性能。其次，理论分析多孔介质内部的蒸发特征， 对比相关的大孔隙材料的蒸发性能的研究实例。分析路面的所处的热环境，分析 研究各相关条件。 建立大孔隙透水性沥青路面温度与含湿量数值模型，确定边界条件。通过假 定北京市道路均采用同一大孔隙材料，分析降雨之后的数天之内路表气温的变化 情况。同时，粗略的估计城市气温变化情况。 此外，引入人体舒适度模型，在国内外已经成型的舒适度模型中，从权威性、 地域性和针对性三个角度，对由大孔隙透水性沥青路面引起成是缓解城市热岛的 效果进行综合评价。 本文为大孔隙透水性沥青路面温湿模型的进一步研究提供的一种思路和方 法，同时在应用计算机语言进行了程序的简单编制。由于实验室设备及其现实情 况的约束，本研究成果还需要进一步的提高，并需要在实践中不断完善。 关键词：城市热岛：大孔隙透水沥青路面：蒸发性能；温湿模型；城市气温。 分类号：u 4 1 6 2 1 7 j e 基变塑盔堂亟堂位论塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e ty r o a d s p a v i i l gh a sb e e nc o m i n gi n t oab o o ma st h e h e a do fe n o m yp r o 掣e s s t h ec i t yi sb e c o m i n gm o r eb i ga i l dc r o w d e d p e o p l ei nc j t y i sm o v i n gm o r ef r e q u e n t t h e r e f o r e ，r o a d si nc i t ya r ed e m a n d e d b u tb r i n gl o t so fr o a d h a sa l t e rt h e m o d y n a m i cs u r r o u n d j n g sa n de n v i r o n m e n ti nc i t y c o n s e q u e n t l y ，f o rt h i s h e a ti s l a n di sb e c o m i n gm u c hs t r o n g e rt h e ne v e lh e a ti s l a n d sh a mi ss p r e a d i n gi n m a n yw a y s s u c ha s ：l e a d i n gp o w e rs u p p l y se m b a r r a s s m e n t ，i n t e r l e r i n gp e o p l e sw o r k a n dr e p o s e ，c a u s i n gf i d g e ta di u n e s s e s f o rp a v e m e n t se x j s t e n c eh a sc h a n g e d t h eh e a tb a l a i l c eo f h ee a n h ss u r f a c e ，i n t e x tm a n n e ro ft h ee a r t hs u r f a c ec h a n g i n ga i rt e m p e r a t u r ci nc n yi sc o n f i r m e db yt e s ti n p o i n tf i r s t ly r e s e a r c hh a sb e e nd o n ea b o u th e a tc a p a b i l j t ya n dp o r et r a i to fp o m u s m a t e f i a l i nm en e x tp l a c e ，c o n 协l s t i n gt e s t so fp o r o u sm a t e r i a l e x h a l a t i o n ，t h e o r e t i c s t u d ya n dc o i t e l a t i o np a r a m e t e rh a sb e e nd o n e m a t r i xf o 珊u l a t i o na b o u tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fp a v e m e n ti sb e e nf 0 珊e d ， b o r d e r l i n ei se n s u r e dt o o i ti sa n a l y z e dt h a ts u a c e t e l n p c t a t u r co fp a v e m e n tc h a n g ei n af e wd a y sa f t e rr a i n f a l l s i m u l t a n e i t y t h el a p s er a t eo fc i t yi sc o m p u t e d m o d e lo fc o m f o r ti n d e xi si n t r o d u c c dt oe v a l u a t ee f f e c tw h i c hp o r o u sa s p h a l t p a v e m e n tb r j n g st oh e a ti s l a n ds y n t h e t i c a l l y t h em o d e li sm a d eu pb yt h r e ep o i n t so f v i e w sw h i c hi sa u t h o r i t a t i v e ，r e 酉o n a l l ya n dc o n t r a p u n t a l n i sp a p e rp r o v i d e sav i e wo fs t u d yw h i c hi sb e i n gd o n eo np o r o u sa s p h a l t p a v e m e n t st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i ty t 1 l em o d e li sc a l c u l a t e db yp m g r a mu s i n gv c + + f o rl i m i t i n gj ne q u i p m e n ta n dt i m e ，t h ep r e c i s i o no ft h i sp a p e rn e e dt ob ee n h a n c e d f l l n h e f k e y w o r d s ：h e a ti s l a n d ；m a c r o s p o r ep o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ；e x h a l a t i o nc a p a b i l i t y m o d e lo ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ；l a p s er a t eo fc i t y c l a s s n 0 ：u 4 16 2 1 7 致谢 本论文的工作是在我的导师孔永健教授的悉心指导下完成的，孔永健教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 孑l 永健老师对我的关心和指导。 孔永健教授悉心指导我们完成了实验寰的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向孔永健老师表示衷心的谢意。 孔永健教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在日常学习中，得到交通与环境科学研究所诸位老师的指导和关怀，得到同 门师兄弟、师妹的关心和协助；其中特别感谢关彦斌师兄，在我论文撰写阶段给 予大量的支持和帮助，并为我的沦文提供了部分的理论依据 在实验室工作及撰写论文期间，张希庆、姚小平、梁晨、 ； = | 爱军、刘浩杰等 同学对我论文中的阶段的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 另外感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 近年来随着人类活动对气候的影响的加剧，热岛现象在城市气候中表现最为 突出。由于城市人口密集，高楼密集，高速公路密集，工厂、汽车、空调及家庭 炉灶和饭店等大量消耗能源，造成在温度的空间分布上，城市犹如一个温暖的岛 屿。热岛现象已经开始对城市的能源供应，城市地表大气的热扩散，人们的身体 健康产生了负面影响。在引起热岛效应的诸多因素中，以城市下垫面的热力结构 对城市热平衡影响最为突出。其中沥青路面结构在其蓄热和升温方面较其他下垫 面形式更容易导致城市热岛效应。在城市中采用沥青路面结构形式具有施工便利， 良好的行驶舒适度和有利于维护等方面优势，因此城市道路大都为沥青路面。同 时由于沥青混合料的热容量和其不透水性成为导致城市热岛效应的一个主因【1 】1 2 1 。 为了改善这一状况，8 0 年代以来，国际上研究和发展了一种多孑l 性透水路面， 该种路面具有较小的热容量和利于蒸发散热的功能，可以改变城市蒸发量少，热 量存储方式以显热为格局。它是属于骨架孔隙结构型沥青混合料路面，它的孔隙 率比普通沥青碎石要高，一般在2 0 左右【2 】【3 1 。 国内外已有试验研究证明透水性路面是一种行之有效的降低路面温度途径。 当路面结构被水充分浸泡后，在假定太阳辐射强度条件下，其温度在持续1 1 个小 时不超过4 5 摄氏度。当路面的孔隙率在2 0 左右时，其温度维持在3 5 摄氏度 4 0 摄氏度之问。 相对于水泥混凝土路面，沥青混凝土路面具有行使舒适度高，施工方便，维 护简单。所以城市内采用沥青路面也较水泥混凝土路面常见。文章主要是研究沥 青混凝土路面结构，当强调大孔隙沥青混凝土路面透水性能时，称为透水性沥青 路面。它的最大特点就是大孔隙率。由于孔隙率大，使得混合料内部的孔隙呈连 通状态，从而在有坡降、遇雨水时，水可沿连通的孔隙流走，最后排走。在雨天 大家都知道，普通路面上高速行车会产生水滑现象，汽车有失去控制的感觉，使 行驶的车辆处于危险状态。而对于这种大孔隙路面来说，由于它极好的排水性能 可提高雨天的抗滑性和雨天车辆的行驶速度。另外，由于孔隙率相对较大，可以 增强路面透气性。 所以，这种大孔隙路面一方面具有较好的透气性，可以将路面和路基中的水 分蒸发到空气中。即降低了路面温度，同时对城市有增湿的效果。使得道路两侧 居民及其行人少受燥热干扰，提供优良的生活环境，同时又达到了调节整个城市 热环境的目的；另一方面可以完全排除或减少雨天路表积水，大大减少行驶车轮 引起的水雾及溅水，使得雨天行车的能见度提高，并避免雨天夜间行车车灯造成 l e 裹童逗盍堂亟堂焦途塞 眩光，即提高雨天行车的速度和安全性。 这种大孔隙沥青路面在具有许多优点的同时也具有相应的天然缺陷。对其高 温稳定性而言要比一般沥青混凝土高，但是其耐久性要比一般沥青混凝土低。耐 久性是指：在自然气候因素及频繁的行车荷载作用下，路面自身特有使用性能保 持时间长短的能力。保持时间长，耐久性高；否则，耐久性差。有关研究表明， 这种路面在使用一段时问后，其孔隙会由于灰尘、污物堵塞而减少，排水、蒸发 强度降低，降噪效果减弱，产生老化、剥落的现象会较早。因此，为了尽量避免 或延缓这些缺陷的产生，在选料、设计、养护方面采取专门措施。比如，聚合物 改性沥青透水路面的耐久性比不改性的要高，因为改性沥青可以增加沥青薄膜的 厚度，延缓沥青的老化，同时也可改善沥青与矿料的粘结力；高压注水吸出法或 双氧水发泡清洗污染等工艺可消除孔隙堵塞，保持路面排水、透气等性能。 1 1国内外大孔隙透水沥青路面的研究现状 2 0 世纪六七十年代，德国的一些小镇为了恢复古代文化风貌，将道路改为石 块路，发现这对环境和补给地下水的效果都非常好。在意识到这一点后，德国开 始在8 0 年代强调路面的透水性，为了适应现代化的交通要求，透水性沥青路面的 研究从此展开。2 0 世纪8 0 年代起欧洲的比利时、荷兰、德国、法国和奥地利等国， 开始研究并采用透水路面：( 1 ) 欧洲一些国家铺筑这种路面，主要注重其排水、 抗滑、降低噪声功能。美国称这种路面为开极配沥青混凝土( 0 g f c ) ，主要注重 改善路面抗裂能力，增加抗车辙能力，提高抗滑性能；( 2 ) 日本则除考虑以上各 方面使用性能的改善提高外，还注意考虑用在城市道路时对生态环境的保护，即 以人行为主、供市民活动的道路、通行轻型交通的车道和停车场等内部路面，修 筑成全透水性路面使雨水还原于地下或在路面中贮留一段时间，从而使路标面的 雨水流走量减少，这样，可改善植物生物等的地下生长状态，减轻下水管道压力， 蓄养地下水源，增大抗滑性，改善步行条件等；( 3 ) 新加坡的透水路面修筑之后， 由于其自然条件关系的缘故使用状况良好。那里年温差较小且属于海洋性气候， 因此无需考虑材料低温性能；同时由于经常性的中，大雨对透水性路面有经常性 的冲洗作用，所以也无需考虑孔隙的堵塞问题【1 】【2 】【3 【。 但国内外对大孔隙透水沥青路面的研究主要集中在透水性能和降噪方面。然 而对于透水沥青路面的主要应用空间城市，热岛效应是全球大多数城市面临 的日趋严重的城市气候，虽然透水路面的缓解路面高温效果已经的存在试验，但 是，具体多空的路面结构的蒸发原理和降温效果的理论研究却较少。 1 2 本论文的研究内容 通过对多孔介质传热、传质和城市气候学的学习，结合已有的大孔隙沥青路 面的研究成果，本论文主要着手于以下几个方面的研究： ( 1 ) 多孔介质基础知识和已有研究实例，分析研究了蓄水能力和日照条件与 路面产生的水蒸气蒸发强度之间的关系； ( 2 ) 分析研究了不同材料的城市下垫面对空气辐射的能力； ( 3 ) 针对大孔隙降噪路面的透气特性；结合上诉两个研究的成果，构建不同 时段路面近地大气温度湿度问的关系。 ( 4 ) 在构建的城市路面与大气温度湿度问关系的基础上，利用人体舒适度模 型方法对路城市居民造成的影响进行适度评价并利用v c 语言进行程序编制。 塞童适态堂亟堂僮迨塞 2 热岛效应的基础知识 城市热岛是现在都是人体舒适度研究中一个重要的课题，生活在都市内的居 民四季处于城市热岛的影确之中，但由于季节的不同，热岛的强度有所不同。城 市之间也有的差别。一般随着人口的增加，城市道路网密度的加大，热岛效应将 随之较强。 2 1 什么是城市热岛 “城市尚余三伏热，秋光先到野人家”，这句古诗说明早在陆游那个时代，人 们就已察觉城市暖于郊区。城市热岛效应是一种城市化的发展导致城市中的气温 高于外围郊区的现象。随着城市规模的迅速扩大，城市的热岛效应越来越明显。 而它的形成，一方面是在现代化的大城市中，除了数百万人日常生活所发出的热 量，还有工业生产、交通工具散发的大量热量。另一方而，城市的建筑群和柏油 路面热容量大，反射率小，能有效地储存太阳辐射热。 2 1 1城市热岛在温度场上特征 在气象学近地面大气等温线图上，郊外的广阔地区气温变化很小，如同一个 平静的海面，而城区则是一个明显的高温区，如同突出海面的岛屿。由于这种岛 屿城市区域，所以被形象地称为“城市热岛”( 见图2 1 ) 。 2 1 2城市热岛在时间上的分布特点 城市热岛反映的是一个温差的概念，只要城市与郊区有明显的温差，就可以 说存在了城市热岛。因此，一年四季都可能出现城市热岛。但是，对于居民生活 的影响来说，主要是夏季高温天气的热岛效应。 在一天中，热岛强度在时间上的分布为在日落之后。城市白天吸收储存的太 阳能比乡村多8 0 。到了晚上，城市降温缓慢，因此夏季前半夜便仍感闷热。还 有，晴天的夜间城市上空常有逆温层存在，它阻碍了热量向高空扩散【l j 。 4 垫量筮应曲基础翅堡 2 2热岛形成的原因 2 2 1热源的分类【5 】 图2 1 热岛效应示意图 f i g 2 一le 疵c to 仆e a ti s i a n d ( 1 ) 城市下垫面( 大气底部与地表的接触面) 特性的影响 城市内大量人工构筑物如铺装地面、各种建筑墙面等，改变了下垫面的热属 性，这些人工构筑物吸热快而热容量小，在相同的太阳辐射条件下，它们比自然 下垫面( 绿地、水面等) 升温快，因而其表面的温度明显高于自然下垫面。比如 夏天里，草坪温度3 2 、树冠温度3 0 的时候，水泥地面的温度可以达到5 7 ， 柏油马路的温度更高达6 3 ，这些高温物体形成巨大的热源，烘烤着周围的大气 和我们的生活环境，怎么能不热呢? 是城市里的自然下垫面减少了。城市的建筑、 广场、道路等等大量增加，绿地、水体等自然因素相应减少，放热的多了，吸热 的少了，缓解热岛效应的能力就被削弱了。水泥化建材能吸收大量的太阳辐射热， 在夏季的阳光下，混凝土平台的温度可比气温高8 ，屋顶和沥青路面高1 7 。 但由于这些的材料降温较慢，在傍晚时，在地表覆盖层开始成为造成城市热岛效 应的主要因素。 ( 2 ) 人工热源的影响 工厂、机动车、居民生活等，燃烧各种燃料、消耗大量能源，无数个火炉在 燃烧，都在排放热量。下垫面的复杂形式，增到了城市表面的受热面积和影响到 空气了流动，抑制了空气流动。 5 j 立变通盍堂亟堂焦监塞 在夏季由于气温和日照时长的问题，城市的能耗将加剧，这为热岛效应强度 的提高提供了条件。 2 2 2 热量的平衡改变和城市水体的破坏【6 j ( 1 ) 地表水循环的破坏 从古至今，人类为了满足生产、生活和交通方便的基本生括需要，在选择安 置自己的家园时，往往将家园安置在土壤肥沃、植被茂盛、水源和动植物资源丰 富的平原、低洼谷地和靠近水畔的地域，而这些地域本属于动植物繁衍生息的乐 上。自从人类闯入并定居下来以后，为了满足农业、畜牧业、工业、服务业等人 类不断增长的物质和精神的需要，将本是生态平衡的茂盛绿地和湿地，移为平地。 建造起向生命的不毛之地一岩石一样的钢筋混凝土楼房；或平整成为用来季节耕 作的泥土外露的土地；或将其变成放牧的牧场，使植被茂盛的草原绿地，被家畜啃 食的根须外露，成为黄沙遍地的荒漠。这些被人类变成的不毛之地，失去了原有 的生机，也切断了大自然的降水向地下输送水源的途径和渠道，使土地干旱缺水， 荒漠化严重。失去水源的土地，就失去对温度的调节力，使得其冬季寒冷干燥， 夏季炎热干旱，气候的恶劣成为生命的荒漠。光秃的地表，使得本亦稀少的降水， 很快地流失待尽，同时还加重了地表土壤的流失，破坏了生态系统赖以栖生和发 展的土壤。这种情形随着人类经济和生产力的发展不断加剧。世界各国为了吸引 投资者，都将较好的宝贵的土地用来搞城建和经济园区开发。 这些绿地被用来大搞楼堂馆舍、广场公园、厂房和基础设施建设等人造建筑 设施。或变绿地为牧场、农场、饲养场和仓储设施等。这些行为在占用绿地和湿 地的同时也破坏了生态环境，改变了自然气候变化的初始条件。使自然气候朝着 不利于生态系统循环规律和发展的方向发展，最终导致今天全球气候的不断恶化。 失去了绿地和湿地的蒸散作用，大地就失去了温度的调节能力。地球的温室环境 不光是靠大气圈中温室气体的保温作用而得以维持，更主要的是有地球水圈中水 的调节作用，没有水对地球四季温度变化的调节，就没有生物圈的存在，也就没 有今天适宜人类生存的生态环境。由于城市土地资源的过渡开发，使城市建筑物 和公共设施的覆盖面积已超过城市土地总面积的8 0 以上，大大增加城市下垫面 的密度，阻断了城市降水和自然迁流向地下输送水的通道，使城市地下水储量日 益减少。仅存的城市绿地也变成人工浇灌和培植的花坛盆景，己失去了自然绿地 本来所具备的生态调节的功能。从而就失去了大地靠水蒸发和蒸腾作用散热，来 调节城市气温和地温的能力，失去了生念环境中水的调节作用，是今天城市热岛 效应现象不断产生和加重的主要原因之一。 垫岛筮应趋基础翅遐 ( 2 ) 城市下垫面的作用【2 】 城市下垫面( 地面、屋顶面等) 多为水泥、柏油路面、混泥土等硬质铺砌，所占 的面积约在7 0 8 0 以上，绿地和水面相对较少，而郊区则农田密布，城乡下 垫面性质的差异十分明显。城市下垫面颜色较深，对太阳辐射的反射率比郊区绿 地小( 即吸收率比郊区绿地大) ，加上其热容量和导热率也要比郊区绿地大，所以在 相同的太阳辐射条件下，城市下垫面能吸收更多的热量。另外，城市由于参差不 齐的建筑物，使城市的墙壁与墙壁、墙壁与地面之间进行多次反复吸收，这为城 市“热岛”的形成奠定了能量基础。城市下垫面由于贮热多、温度高，以长波辐 射的形式供给大气的热量也多。加上城市近地面大气中的温室气体多，绝大部分 吸收了地面的长波辐射，同时又以长波辐射的形式向地面逆辐射，从而使地面及 地表空气保持较高的温度。城市下垫面性质改变导致下垫面物理和生物学特性改 变，对城市、地区甚至是全球范围内的气候有十分显著的影响。 ( 3 ) 城市能量平衡的改变 今天我们城市乃至整个生态环境，气候温度赖以起调节作用的蒸发和蒸腾面 积。失去了若大的水源面积，这就是我们今天城市环境异常干燥缺水的原因，也 是全国性的城市热岛效应严重的原因之一。因为没有大面积的水源，就没有足够 的水汽蒸发量，也就不能及时地带走地表的热量，大气环境中就不能产生足够的 积雨云，陆地上就不会有足够的降雨发生。没有了足够的降水，整个生态系统就 上去了能量循环的基本介质，地球温室环境的能量平衡条件也就受到破坏和影响。 因此没有足够的降水循环和输导作用，城市下垫面的热量也很难在短时间内释放 掉。降水形成的地面积水和迁流的扩散渗透，是水通过传输和蒸发作用，削弱城 市热岛效应发生强调的最有效途径，也是对城市地区环境温度起调节作用的最有 效的环节和方式。然而，城市下垫面的密闭不透水性，使得即使有了降水，城 市下垫面上也没有足够用来蒸发和径流的积水，也是无法对长期维持在高温环境 中的城市热岛，起到任何调节作用的。所以城市水地和绿地面积的大小，与城市 热岛效应的发生强度有着密切的关系。要消除或减弱城市热岛效应的发生，就应 合理地利用水源。 2 3 热岛影响的确定 2 3 1 人体温感对热岛效应的反映【6 】 医学研究表明，环境温度与人体的生理活动密切相关，环境温度高于2 8 时， 人们就会有不舒适感；温度再高就易导致烦躁、中暑、精神紊乱；气温高于3 4 度， 7 j b 塞变通太堂亟堂僮论塞 并且频繁的热浪冲击，还可引发一系列疾病，特别是使心脏、脑血管和呼吸系统 疾病的发病率上升，死亡率明显增加。此外，高温还加快光化学反应速率，从而 使大气中0 3 浓度上升，加剧大气污染，进一步伤害人体健康。 气温就是空气的温度。一般生活中所说的气温，是指气象观测所用的百叶箱 中离地面1 5 米高处的温度。所测量的地点一般位于城市周边郊区的开阔地带。由 于夏季平均气温高，当城市热岛强度较大时，城市的温度环境将增加居民生理和 心理上的不舒适度。 2 3 2城市热岛强度的确定 城市热岛强度的划分是根据城乡温度差来确定的。城市热岛强度通常是以热 岛中心气温减去同时间同高度近郊的气温差值t 来表示的，t 值越大，表示热 岛效应愈强。严格地讲，热岛强度的计算应以逐次城市温度场中的最高值与当时 郊区气温值之差为准。 城市热岛强度等级划分如果按照o 5 一级来划分：偏高0 o 5 定为1 级， 偏高0 5 1 o 为2 级，偏高1 0 1 5 为3 级，偏高1 5 2 o 定为4 级，当偏高 超过2 0 时定为5 级c 5 j 。 2 4解决热岛效应的基本方法 城市规划需要增加气候论证，立体绿化更是治本之策。既然城市中人工构筑 物的增加、自然下垫面的减少是引起热岛效应的主要原因，那么，在城市中通过 各种途径增加自然下垫面的比例，是缓解城市热岛效应的有效途径之一。 2 4 1城市道路改造 “热岛效应”的作用下，城市中每个地方的温度并不一样，而是呈现出一个 个闭合的高温中心。由道路对城市天然的分割特性，采用透水路面可以将高温区 分割改变空气城市温度和流动方式，同时增加空气湿度，减缓热岛效应的副作用。 2 4 2城市水体和绿化 研究表明：城市绿化覆盖率与热岛强度成反比，绿化覆盖率越高，则热岛强 度越低，当覆盖率大于3 0 后，热岛效应得到明显的削弱；覆盖率大于5 0 ，绿 8 垫璺筮廑的基亘 ! ! 翅遐 地对热岛的削减作用极其明显。规模大于3 公顷且绿化覆盖率达到6 0 以上的集 中绿地，基本上与郊区自然下垫面的温度相当，即消除了热岛现象，在城市中形 成了以绿地为中心的低温区域，成为人们户外游憩活动的优良环境。所以，增加 绿地覆盖率是解决热岛效应的有效手段。 水的热容量大，在吸收相同热量的情况下，升温值最小，表现出比其他下垫 面的温度低；水面蒸发吸热，也可降低水体的温度。从人体舒适度的角度来看， 水体的存在，提高了城市热量分布合理性。 2 4 3城市整体规划角度出发 风、水面等自然因素也可有效缓解城市的热岛效应。风是热岛效应的“天敌”， 当风刮起来的时候，热岛就失去了存在的理由，通过大气环流，热岛与周围地区 的空气进行交换，以此降低自身的温度。水面不仅构成了城市美丽的景观，当温 度升高时，它的蒸发作用能冷却空气，使环境温度降低。因此，使建筑低层化和 合理分散化、市内道路宽敞，从而畅通城市的“通风道”，并尽可能扩大城市水面， 是改善热岛效应的有效途径。 2 5小结 根掘各种减缓城市热岛效应的方法可以分析得出： 增大城市的绿化和水体面积是最好的解决途径，但需要在城市规划建设时需 要考虑。由于城市交通和地产等方面的要求，绿化和增加水体的经济代价过大。 城市道路改造是一个符合城市日常道路改造并具有相对经济的优势。另外可 以在不增加占地的情况下，改善水循环和增加城市居住舒适度。 9 j e 夏銮坦厶堂亟堂僮迨塞 3 普通沥青路面对城市大气受热的影响 城市气温较郊区温度偏高，这一现象主要是城市下垫面与郊区下垫面的热力 性能差异造成的。城市道路作为城市下垫面的重要组成部分，其影响较为显著。 由于道路的空间位置低，其对地表空气气温的影响相对于建筑物更为明显( 见图 3 1 ) 。 3 1近地大气受热分析川 3 1 1气体受热机理 由于气体的分子性质决定了气体在进行热交换过程中重要是通过辐射、对流 两种形式。在宏观领域，大气整体的温度改变主要是通过辐射的形式，而对流是 大气内部热分配的主要形式。 3 1 2近地大气受热状况 对大气温度改变起主导作用的是长波辐射。太阳的辐射能主要集中在短波辐 射，地外长波辐射相对很小，并且大部分被高层大气吸收，对近地大气而言，由 于城市卜垫面则能较好的接受短波辐射，并且在温度升高的同时，其自身的长波 辐射成四次方加强，故决定近地大气温度的关键是地面长波辐射的强弱。 高层 勰 图3 1 近地大气热平衡 f i g 3 - 1 1 1 1 eh e a tb a l 卸c eo fa t i i ，o s p h e r en e a re a n h 1 0 监选逝壹监厘盟撼直左氩墅垫趁髭蛔 3 2沥青路面的辐射理论【8 】【9 】 所有介质都会发出一种与它温度以及发射能力有关的固有辐射： ，。气c ，阢1 0 0 ) 4 陟卅2j ( 3 1 ) 地面有效辐射的大小要决定于地面温度、空气温度、以及天空状况等，地面 有效辐射是地表环境辐射与大气逆辐射之差，通常，夏季一天中大部时间地面温 度高于大气温度。 地面温度越高，地面辐射越强，有效辐射也越大；地面的热损失就越多。而 当空气的温度越高，水蒸气含量越大，云层越低，云量越大时，则大气逆辐射越 强，地面的有效辐射就会越小，地面的热损失就越少。 3 2 1 大气逆辐射q 大气逆辐射( 恩克斯娄姆公式) e = c ，。( 乃1 0 0 ) ( 3 2 ) 其中。是大气辐射系数，一般大气辐射系数可取o 7 4 ：c l 是黑体的辐射系 数( 瑶表示辐射体表面的温度，单位为绝对温度k ) ，c i = 5 7 7 5 ( 肌2 k 4 ) 。 由于通常路表温度高于气温，路表温度不易确定，所以可以通过修正大气逆 辐射( 恩克斯娄姆公式) 朱得到路表面大气逆辐射的实际情况，舒尔茨曾经对此 进行过研究，提出以下公式： e = o 8 2 0 e ( l 1 0 0 ) 4晴天无云( 疋被瓦替代) ( 3 3 ) g 4 = o 9 4 0 c j ( 瓦1 0 0 ) 4天空完全被云层覆盖( 瓦被瓦备代) ( 3 4 ) 3 2 2路面辐射【8 1 采用灰体特征的连续辐射理论来解决斯坦范鲍茨曼公式u = 。c i ( 耳1 0 0 ) 4 其中。是介质的辐射系数，且0 。s 1 大气逆辐射引起的反射尼，其中 兄= ( 1 一巳) c ，巳( 矗1 0 0 ) 4 由于气象测量所得到的辐射是地表辐射是地表辐射 u 加大气逆辐射引起的反射见即： u + 兄= e ( 乏1 0 0 ) 4 l + 气( 1 一巳) 1 2 1 ( 3 5 ) 气是路表辐射系数( 沥青路面的辐射系数约为。= o 9 2 ) ，。是大气辐射系数。 3 2 3路面有效辐射f 【8 1 【9 】 e 立套i 垦太堂亟堂鱼篮塞 路面有效辐射f 如f 式： f u + r q 一( e ( 瓦1 0 0 ) 4 乞+ 毛( 1 一厶) 一e 阢，1 0 0 r ) 历2 ( 3 6 ) 皈= e ( 己1 0 0 ) ( 3 7 ) 修正过的皈中的与云层有关的系数采用线形内插法解决。式中：瓦为路面温 度： l 为大气温度；e 为黑体的辐射系数；气为路表辐射系数( 沥青路面的辐 射系数约为气= o 9 2 ) ；。为大气辐射系数；：为大气逆辐射修正系数，取值见 表3 一】。 表3 1g ：取值表 t a b l e l1 1 i e v a l u e o f ： 3 3 有效辐射f 对比 路面有效辐射( f ) 与草地有效辐射( f ) 的对比( 草地的辐射系数气约为o 9 4 ) ： 根据2 0 0 5 年8 月2 5 号天津大学北五村实测数据，采用e x c e l 拟合得到沥青路面、 草地和空气的温度曲线方程( 见表3 2 ) ： 表3 。2温度曲线方程表 ! ! ! ! ! ；曼业! ! i 2 曼! ! ! 鲢! ! 曼望! 懋! 堡 时辐射 温度方程 段类型 0 ： 洳青路陋y = 一0 o o o 5 + o 0 1 8 皴4 0 。0 7 2 强3 一o 1 4 5 2 0 4 9 9 蚧+ 3 8 9 + k o 竺草地y o r 0 0 0 钒5 + o 0 2 6 4 一o 2 6 8 断。+ 1 1 1 8 戤2 1 9 7 缸+ 2 5 - 2 + 置。 i 。 1 4 ： 大气 y = 一0 0 0 0 缸5 + 0 0 1 7 吼4 0 1 8 6 5 戈3 + o 8 6 2 a 2 2 0 9 3 缸+ 2 3 5 + k o 1 4 ： 沥青路面 v = 一0 0 2 0 2 x 4 + 1 6 4 3 2 x 3 4 9 1 9 7 x 2 + 6 3 8 6 2 工一2 9 6 2 + k o 簧草地v ：o 0 1 6 k 4 1 1 8 7 4 x 3 + 3 1 9 8 2 3 8 0 7 + 1 7 4 1 + k 。 王 2 4 ： _ 人气 y 皇一0 0 0 5 9 2 4 + 0 4 6 4 7 x 3 1 3 6 8 3 霄2 + 1 7 7 0 5 工一8 1 2 6 4 + k o 式中：足。表示的是由摄氏度转化为绝对温度的常数，取为2 7 3 1 5 k ( k 为绝 对温度单位) 3 4 计算结果分析 笠适逝壹路面盟撼直盔氢受垫趋毖喧 3 4 1每平方米沥青路面向大气中输出的热量 q ；，r 扛= “e ( 瓦1 0 0 ) 4 矗+ 巳( 1 一毛) 卜e 【瓦1 0 0 】4 ) 出( 3 8 ) 取当天的云层情况是1 o ，；o 8 3 2 。通过计算得到：每平米沥青路面在气 象测试当天( 即2 0 0 5 年8 月2 5 目) 向大气提供的热能为q 工= 9 5 6 6 0 3 ”，另外通 过计算得到从早上6 点到傍晚1 8 点骁= 6 3 3 7 0 4 町，从傍晚1 8 点到次日早6 点 q = 3 2 2 8 9 8 ，。 3 4 2每平米草地向大气中输出的热量 通过计算得到：每平米草地在气象测试当天( 即2 0 0 5 年8 月2 5 曰) 向大气 提供的热能为q c ；8 9 3 5 6 0 5 j ，另外通过计算得到从早上6 点到傍晚1 8 点 q c = 1 2 0 6 7 8 6 酣，从傍晚1 8 点到次日早6 点皱一3 1 3 2 2 6 u 。 3 5小结 从得到的结果可以看出沥青路面一天的辐射量是草地的1 0 7 倍。特别是晚上， 草地不但不向大气辐射热量，还从大气中得到热量；而沥青路面从傍晚1 8 点到次f 1 早6 点向大气提供的热量占其一天( 2 4 小时) 对大气辐射量的三分之一。沥青路面 的辐射作用时造成城市夜晚温度居高不下，城市热岛效应夜晚更加明显的一个主要 原因。所以降低沥青路面温度，从而减弱沥青路面辐射强度，是解决城市热岛现象 的一个关键措施。 透水性沥青路面由于其有利用路面下方的水分蒸发，所以可以降低沥青路面的 温度，进而减少路面的辐射。 j e 塞銮煎盔堂砸堂焦论塞 4 大子l 隙透水沥青路面蒸发强度研究 大孔隙透水性沥青材料是一种新型的路面材料，透水性是其一个重要的特点。 由于大量孔隙的存在，当路面有一定含水量，在路面温度升高的期间，路面内水 分的蒸发强度也随之加强。由于水分蒸发强度的加大，路面温度升温的速度和幅 度被削弱。通过对多孔介质的学习，采用研究多孔介质的方法才解决大孔隙透水 性沥青材料蒸发性能方面的问题。 4 1试件有效孔隙率叩和热容量1 0 】 路面材料的孔隙率与热容量对路面蒸发性能有着直接的影响。根据对多孔介 质和排水路面的研究，对大孔隙沥青材料的有效孔隙率分析。路面热容量是决定 路面温度变化快慢和幅度的一个重要因素，影响路面热容量的因素主要包括路面 材料和材料的孔隙率。 4 1 1排水法测定路面材料的有效孑l 隙率 在路面排水结构中，混合料的孔隙率虽然具有很高的排水性能评价作用，但 主要作用的是试件的有效孔隙。因而正确测定大孔隙试件的有效孔隙率更具有理 论和应用上二的现实意义，也更能客观真实地评价路面结构的排水性能。试件的有 效孔隙体积可用排水法测定。 测定前，要对试件进行饱和水处理，要求与改进的水中重法相同，然后将试 件放入一个可以摇动的冲水容器中，让试件的孔隙( 非封闭孔隙) 中完全充满水， 此时测定试件排开水的体积，则可以用下式计算试件的有效孔隙体积： = 圪+ k ( 4 1 ) 式中：矿，有效孔隙体积； k 试件毛体积，包括所有孔隙； k 时间排开水的体积，由测量得到。 试件的有效孔隙率印可由下式计算得出； 叩= 1 圪) x l o o ( 4 2 ) 4 1 2求解迂曲度 1 4 厶i l 匦重丞逝壹路亘蒸蕴强度班红 迂曲度，又称为迂曲因子、迂回度，其定义为：多孔介质中的“有效平均路 径长度”与沿宏观渗流方向测量的最短距离之比。引入迂曲度因子的主要目的是 为了对计算的渗透率等物性参数进行必要的修正。 水力学迂曲度因子f 被定义为多孔介质中流体通过的真实长度与宏观长度的 比值，其表达式为 f = 2 ( 4 3 ) l 己孑l 隙真实长度： l 宏观长度( 采用试件的竖向长度) ； 上式为迂曲度的定义式，但实际求解困难。在实际求解过程中常采用 f 2 ：等( 4 4 ) 。 8 k s 流体饱和度，液体流取为l ； 中多孔介质有效孔隙率； k 流体渗流率； r 孑l 隙平均半径。 4 1 3求解多子l 介质子l 隙大小分布 考虑孔隙空间每一点的孔隙直径，则孔隙大小分布可以通过一个因数定义； 这里的表示孔径在d 和d + d d 之间的孔隙所占总孑l 隙体积的百分数。对于这一分布： 多孑l 介质的孔隙平均直径是指其内部所有孑l 隙直径的平均值。它也是一个统计学 描述参数。本文根据沥青混合料己知骨料缴配和沥青膜厚度来推算孑l 隙的直径。 压“s ， 尺为筛孑l 通过率为8 0 至1 0 0 的孔径大小； 中为材料的有效孔隙率。 4 1 4计算多子l 介质的比热容 对一物体所供给的热量q 与这个物体的相应的温度升高t 之比叫做该物体 的比热容。 大孔隙透水沥青路面的比热容可以根据一般的沥青路面的情况 c k = c x p k p + 叩r 4 2 1 0 6 ( 4 6 ) c 为一般沥青混凝土的比热容( 每立方米) p 为一般沥青混凝土的密度 胀为大孔隙沥青混合料的密度 j e 塞窑垣太堂亟堂位迨塞 c 。为多孔材料的比热容( 每立方米) 设效孔隙率为叶，材料含水量茁 蔚= 1 一九，h ( 4 7 ) h 研究多孔介质的试件的高度， 吃时间内蒸发面距试件顶面的距离。 4 2大孔隙材料的蒸发性能 4 2 1大子l 隙材料内水分运动方程 ( 1 ) 多孔介质结构 多孔介质即是指“带有孔洞的固体”，如图1 所示。我们称其中的固体为多孔 介质的固体骨架，在多孔介质内部至少有一项不是固体。在多孔介质内没有固体 骨架的那一部分叫做空隙空间或称孑l 隙空间，内部充满气相或者液相( 见图4 1 ) 。 幽4 1 孔隙材料结构 f i g 4 1s t n l c t u co fp o r o u sm a t e r f a j ( 2 ) 多孔介质蒸发原理和干燥过程 蒸发是液体在任何温度下都能发生，并且只在液体表面发生的汽化现象。在 干燥过程中，蒸发是个很重要的因素。蒸发是因为孔介质中的水发生了相变，由 液态变成了汽态，然后以蒸汽扩散的方式沿着多孔介质的内部孔道排出。整个干 燥过程其实就是一个多孔介质中内部水分相及空气相的一个动态迁移过程。 干燥过程为多孔介质中的液相通过蒸发变为蒸汽，然后蒸汽以扩散的方式沿 着多孔介质的内部孔道排出多孔介质。在整个干燥过程中，多孔介质中与外部环 境相通的尺寸最大的孔道优先被空气所占据而成为不含有液相的空隙，然后从表 面向多孔介质内部延伸，直到多孔介质内部所有液体被排到介质外部，干燥过程 结束。整个干燥过程其实就是一个多孔介质中内部液相及空气相的一个动态迁移 过程。整个干燥过程可以这样来描述：多孔介质从完全是湿区，到湿区被空气所 割裂、包围然后出现干区，随后干区向介质内部延伸直至整个多孔介质完全 干燥。 厶i l 隧适盛洒壹路面蒸发强廑硒塞 也可以将多孔介质的干燥过程简单看成是四种状态的动态过程：第一种状态 为一个远场体系是多孑l 介质的初始状态；第二种状态是指干燥已经开始，但多 孑l 介质内部的液相仍然宏观相连，气相与液相宏观上是连续的；第三种状态是指 干燥进行到多孔介质内部的液相被分成尺寸大小不一的单个液体团这些液体团 被侵人的空气包围着；第四种状态是指液相附着在多孑l 介质壁面。而且液体膜的 厚度越来越薄直至完全干燥。 多孔介质分为三类：一是孔隙空间充满液体的湿饱和多孔介质；二是湿分以 液体和蒸汽形式存在于多孑l 骨架孔隙内的非饱和多孔介质；三是湿分以纯蒸汽的 形式出现于孑l 隙空间中( 见图4 2 ) 。 干燥状态多孔介质1 f 湿饱和多孔介质湿饱和多孔介质 图4 2 多孔介质含湿状态 f i g 4 - 2m o i s i u r es t a t eo fp o r o u sm a t e r i a l 多孔介质内水分蒸发过程中伴随着水分迁移，其中水分迁移包括气态水迁移 和液态水迁移两种方式。一般多孔介质的在孔隙半径较小，所以以往研究中只注 重液态水迁移，忽略气态水迁移引起含水量的变化，因此，对于大孔隙材料理论 计算结果与实测结果有很大的差异，为了更好的解释路面结构内水分蒸发过程中 水分迁移的实际情况，本文建立考虑气态水迁移的水分场模型。 ( 3 ) 多孑l 介质的研究状况 要在这样复杂的内部结构上直接建立数学模型进行干燥机理研究是非常困难 的。因此一百多年来，多孔介质干燥机理的理论研究如液态扩散理论、毛细流动 理论、蒸发一凝结理论、l u i k o v 理论、p h i l i p d e v r i e s 理论、k r i s c h e r b e r g e r p e