跨水源地橋梁應急排水系統的研究

趙文儀 ，方詩圣 （合肥工業大學宣城校區，安徽 宣城 242000）

1 引言

在高速公路運輸過程中，一旦裝載有危險化學藥品的運輸車輛在跨水源地橋梁上發生側翻事故，危險化學藥品極有可能發生泄漏，從而導致嚴重的水源污染事件。根據《公路環境保護設計規范》（JTG B04-2010）[1]，公路橋梁跨越飲用水水源地保護區，橋面排水宜排至橋梁兩段并設置沉淀池（及應急池）處理。《關于加強公路規劃和建設壞境影響評價工作的通知》（環發[2007]184號）[2]要求，對跨越敏感水體的橋梁，應在橋梁上設置橋面徑流水收集系統，并在橋梁兩側設置沉淀池對事故后的橋面徑流進行處理。

現有橋面排水通常利用橫坡及縱坡將雨水匯集于雨水口，之后利用排水短立管和排水橫干管等將雨水排除[3]。存在的問題如下：①現有應急池在收集事故水的同時兼具匯聚雨水的作用，雨水與事故水混合儲存和排放，造成潔凈雨水浪費；②目前應急池是靠自然蒸發(一般需要10～15天)清空池內積水。但是在降雨量大且頻繁的雨季，如果遇到危化品泄漏事故，池體不能提供有效的存儲空間，失去應急功能；③大多應急池缺乏遠程控制、水位報警等信息傳輸功能與人工配合，因而無法做到及時排空，水源地管理存在問題[4]。

現有研究多致力于橋面排水管道的改進及應急池的容積設計計算，缺乏對排水系統的整體設計，對污染物和雨水的分類處理不夠全面。

2 智能應急排水系統設計

橋面徑流作為一種具有較大污染潛力的污染源已經得到了各發達國家的廣泛關注。其中通過收集相關數據發現，危險化學藥品（污染物）可分為3類：不溶于水且密度小于的水的有機污染物（41%），導致pH等常規指標發生明顯改變的可溶性污染物(30%)及其他類污染物（29%）,詳見表1[5]。

污染物占比 表1

針對現有應急池，進行相應改造。利用部分有機物污染物與水互不相溶導致溶液分層，自動分離該部分有機物，然后由速測探頭對余下的液體進行檢測，最后由數據庫反饋系統進行可排放置信度的判別。安全高效地判斷污染水和清潔水，及時報警處理或排空，避免潔凈水的浪費和污染物過多造成的溢流，最大限度降低事故水對水源地造成不利影響。

2 系統組成

2.1 自動分離系統

利用有機污染物與水互不相溶導致溶液分層，通過浮子位置控制有機物排污閥的啟閉，自動分離不溶于水的有機污染物。

自動分離區出水口處為凹形構造，以提供一個穩定的水位高度，即液封高度，該高度是浮子控制有機物排污閥啟閉的臨界高度，同時凹型構造為探頭檢測提供穩定區域。

特定浮子設計成密度稍小于水，可浮于水和有機物的分液面，通過浮子位置控制有機物排污閥的啟閉。當浮子高于臨界高度時，有機物排污閥門關閉，來水經由探頭檢測后流入收集池；當浮子位置低于臨界高度時，有機物排污閥開啟，來水進入有機物收集池。

2.2 檢測系統

采用相關速測探頭，對分離后的來水的部分水質指標進行檢測，確定是否可以排放。若水質不達標，則收集池閥門關閉；若達標，則由數據庫反饋系統進行進一步判別。

2.3 數據庫反饋系統

采用模式識別理論[6]，基于機器學算法，讓計算機自動判斷當前水體是否可排放。并將所有水質檢測信號，進行數據集成，同時發送水位信號，做到遠程控制，便于后續計算機的學習和應急池管理。

2.3.1 檢驗識別模型的訓練與建立

創建訓練數據集。根據水體的物理化學屬性，將可能出現的污染物歸類。再通過設計分類算法，訓練分類模型。針對水質識別，可采用循環神經網絡(RNN)來進行識別[7]。將數據集分為訓練集和測試集兩部分，將訓練集中的各指標特征值和對應的樣本標簽輸入RNN，RNN會建立二者的映射關系。樣本容量越大，對應的映射關系就會越準確。最后檢驗識別模型，訓練完成之后，使用測試訓練集進行驗證，僅輸入樣本特征值，RNN會給出相應的樣本標簽，與真實的樣本標簽進行比對，可以求出RNN模型分類的精度。

當模型檢驗精度達到要求以后，可將這樣一套裝置用于識別可排放液體。模型每次給出當前液體可排放的置信度，當置信度符合期望時，就可以排放液體。

2.3.2 水位計報警裝置

有機物收集池與另一收集池用混凝土墻隔開，墻底部安裝聯通閥。若單一池體存儲污水量過大，水位達到預警水位，連通閥開啟，可以有效擴容，充分利用池體。

2.4 工作原理

正常狀態下，液封段儲有一定水量，當無橋面徑流進入時，浮子位于液封水面處。當有橋面徑流進入過濾池時，分為以下3種情況，過程圖如圖1所示。

①來水中含有不溶于水且密度比水小的有機物。浮子位于水與有機物的分液面處，當分液面低于液封高度時，有機物排污閥開啟，有機物由途徑1進入有機物收集池。

②來水中含有可溶性污染物。過濾池內水位上升，浮子位置高于液封高度，有機物排污閥關閉，來水進入檢測區域，由途經2經速測探頭對水質進行檢測。若水質檢測不達標，收集池排水閥關閉，來水儲存于池內，并發出報警信號；若水質檢測達標，則啟用數據庫反饋系統分析該來水可排放的置信度，置信度不符合期望，收集池排水閥關閉，來水儲存于收集池內，并發出報警信號。

③來水為普通降雨。過濾池內水位上升，浮子位置高于液封高度，有機物排污閥關閉，探頭檢測達標，可排放置信度符合期望，來水由途徑2經過濾池、收集池排入河流。為解決單一池體容量不足問題，在收集池及有機物收集池側壁設置水位計。若污染物量過大，水位超標，則水位計報警，連通閥開啟，收集池和有機物收集池聯通。

圖1 進水過程示意圖

3 結論

本作品可針對現有橋梁排水系統中應急池進行改造，結合數據集成和遠程操控技術，為未來水源地突發污染事件的應急管理提供參考，具有以下優點：

①利用特定密度浮子的位置變化，高效分離有機物，解決速測探頭無法檢測有機物的問題；

②可以實現天然降水自動排放，保證池體有足夠空間儲存污染物，高效攔截，保護水源地；

③數據集成云端，可由中央統一監測控制，方便管理。