光纖傳感技術(shù)在徑流污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

汪詩(shī)超

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040）

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，開(kāi)發(fā)建設(shè)造成大面積的地面硬化，不僅影響了原地面水文特性，還干預(yù)了自然水文循環(huán)。由于忽略了兩側(cè)用地開(kāi)發(fā)所帶來(lái)的雨水滲透量，傳統(tǒng)雨水管網(wǎng)暴雨重現(xiàn)期取值較低，因而管網(wǎng)管徑較小，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際雨水排放量要求，造成雨水在大城市積壓，易引起積水內(nèi)澇等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。另外，由于城市路面徑流雨水無(wú)法及時(shí)排除，各種情況如汽車(chē)排放的廢氣等使雨水中含有SS、COD、TN、TP等污染物質(zhì)，增加了對(duì)環(huán)境的污染[1]，甚至對(duì)城市生活環(huán)境和居民身體健康帶來(lái)嚴(yán)重威脅[2]。

在國(guó)家提出積極建設(shè) “海綿城市”和國(guó)務(wù)院下發(fā)各種建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)的背景下，“海綿城市”建設(shè)在國(guó)內(nèi)掀起一股熱潮。健康的城市水環(huán)境，可提升城市功能和競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

隨著海綿城市建設(shè)項(xiàng)目不斷完工，海綿設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)成為海綿城市工作的重要內(nèi)容，但是目前對(duì)各類(lèi)海綿設(shè)施建設(shè)效益的精確評(píng)估和定期檢測(cè)一直是一個(gè)突出的難題，許多傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足傳輸穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)、精度高等要求。

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在的各種問(wèn)題、海綿城市建設(shè)中對(duì)海綿設(shè)施建設(shè)效能監(jiān)測(cè)要求、暴雨來(lái)臨時(shí)對(duì)海綿建設(shè)區(qū)域預(yù)警控制功能的要求，提出研究《基于光纖傳感控制的海綿城市設(shè)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)》。本文論證了相較于各種傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)海綿體對(duì)徑流污染物SS控制方案的可行性。

2 試驗(yàn)材料與方法

2．1 試驗(yàn)降雨條件模擬方法

不同地區(qū)的降雨條件差別較大，本文選取某地區(qū)的降雨條件作為試驗(yàn)中的雨水模擬條件。根據(jù)該地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，對(duì)不同重現(xiàn)期、不同降雨歷時(shí)下的地區(qū)降雨強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

式中：i為暴雨強(qiáng)度（mm／min）；P 為重現(xiàn)期（a）；t為降雨歷時(shí)（min）；A1為雨力參數(shù)，即假設(shè)重現(xiàn)期為1 a時(shí)的1 min設(shè)計(jì)降雨量（mm）；C為雨力變動(dòng)參數(shù)（無(wú)量綱）；b為降雨歷時(shí)修正參數(shù)，即對(duì)暴雨強(qiáng)度公式兩邊求對(duì)數(shù)后能使曲線(xiàn)化為直線(xiàn)所加的一個(gè)時(shí)間常數(shù)（min）；n為暴雨衰減指數(shù)，與重現(xiàn)期有關(guān)。

根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式，當(dāng)降雨歷時(shí)為30 min、60 min、120 min時(shí)，不同重現(xiàn)期及不同降雨歷時(shí)下的暴雨強(qiáng)度見(jiàn)表1。

表1 暴雨強(qiáng)度

利用人工模擬降雨裝置，根據(jù)暴雨重現(xiàn)期確定相對(duì)應(yīng)地區(qū)的暴雨強(qiáng)度，再通過(guò)模擬海綿設(shè)施面積計(jì)算出暴雨流量，將雨水流量置于儲(chǔ)水罐中。通過(guò)真空泵及花灑向裝置表面均勻?yàn)⑺ㄟ^(guò)流量計(jì)和閥門(mén)開(kāi)關(guān)控制出水流量。設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期分別為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a，每次降雨歷時(shí)設(shè)計(jì)為120 min。當(dāng)啟動(dòng)人工模擬降雨裝置時(shí)記錄啟動(dòng)時(shí)間及裝置開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間，確定不同重現(xiàn)期下不同透水磚及海綿體土層對(duì)產(chǎn)流的延緩時(shí)間；對(duì)產(chǎn)生的雨水徑流進(jìn)行收集，每隔5 min記錄收集的雨水徑流量；對(duì)收集的雨水徑流量進(jìn)行記錄，分析洪峰削減，繪制不同重現(xiàn)期不同下墊面類(lèi)型下的下滲速度與徑流量控制指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型擬合建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于降雨具有不可預(yù)見(jiàn)性及難重復(fù)性，為保證試驗(yàn)對(duì)比條件相對(duì)一致，采用人工配制的雨水進(jìn)行替代。雨水徑流中污染物較多，按污染物存在形式可將其劃分為顆粒態(tài)及溶解態(tài)的污染物。其中，懸浮物（SS）在雨水徑流污染中是較為重要的水質(zhì)指標(biāo)，SS數(shù)值越高，則表示水質(zhì)污染越嚴(yán)重。因此，在本文中，選取懸浮物（SS）作為徑流污染中的主要研究對(duì)象。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)常規(guī)檢測(cè)手段對(duì)雨水徑流中的污染物進(jìn)行檢測(cè)，以此驗(yàn)證光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)海綿體對(duì)徑流污染控制方案的可行性。

2．2 應(yīng)用于透水鋪裝的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

對(duì)于應(yīng)用于透水鋪裝的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置，以光纖溫度傳感器為基礎(chǔ)、壓力傳感器為輔助，構(gòu)造光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。當(dāng)降雨開(kāi)始發(fā)生，雨水慢慢滲透入海綿體時(shí)，海綿體上層與內(nèi)部的溫度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)值，可通過(guò)溫度傳感器所處環(huán)境的溫度變化來(lái)反映該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，以此定量化反映透水鋪裝的透水能力。在降雨過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量雨水滲透磚體所需時(shí)間即可推算出雨水在該透水面層的滲透速度。光纖系統(tǒng)監(jiān)測(cè)不僅操作簡(jiǎn)單，而且監(jiān)測(cè)結(jié)果也更為精確，同時(shí)也省去常規(guī)分析手段所耗費(fèi)的人力物力資源。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3．1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)

按布置方式鋪設(shè)好光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀、輸出光纜及計(jì)算機(jī)處理裝置，選取透水混凝土磚的透水面層，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

通過(guò)人工模擬降雨裝置分別以降雨重現(xiàn)期為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a 雨量對(duì)透水面層進(jìn)行試驗(yàn)，利用鋪設(shè)在透水面層下側(cè)面的光纖光柵溫度傳感器記錄雨水從透水磚表面滲透至透水磚下側(cè)面所需的滲透時(shí)間，見(jiàn)圖1。

圖1 透水面層在多種重現(xiàn)期下的滲透時(shí)間

由圖1可知，在1～10 a重現(xiàn)期內(nèi)，單個(gè)透水面層的滲透時(shí)間波動(dòng)幅度較小，在10～100 a中，隨著雨量增加滲透時(shí)間在減少，但減少的量較小，幅度變化在24 s以?xún)?nèi)。從整體上看，透水面層在多個(gè)重現(xiàn)期下其滲透時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定且有規(guī)律可循。

3．2 光纖傳感信號(hào)與徑流污染控制指標(biāo)試驗(yàn)

根據(jù)雨水徑流中污染物的存在形式，可分為顆粒態(tài)污染物和溶解態(tài)污染物，雨水徑流中的污染物主要來(lái)源于大氣沉積物[5－6]、路面污染物[7－8]等。隨著降雨及地表徑流的形成，雨水徑流中的污染物通常有兩種去處，一是形成表面徑流或通過(guò)滲透導(dǎo)管匯集并排放至水體或蓄水設(shè)施中，二是在匯流及滲透過(guò)程中被海綿設(shè)施表面或結(jié)構(gòu)內(nèi)部截留并保存在海綿設(shè)施內(nèi)部。

根據(jù)相關(guān)研究，污染物的沖刷速度與降雨強(qiáng)度有密切關(guān)系，污染物的沖刷效應(yīng)對(duì)徑流污染物的控制具有較大的影響，而降雨強(qiáng)度也會(huì)影響透水面層中的滲透速度[9]。因此，在不同重現(xiàn)期下建立海綿體滲透速度及其相應(yīng)的雨水徑流污染物控制效果的對(duì)應(yīng)關(guān)系，是利用光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)海綿體徑流污染控制的監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)。

人工配制雨水中SS污染物濃度為50 mg／L，使用透水混凝土作為試驗(yàn)對(duì)象并安置于透水鋪裝中，將配制好的雨水徑流通過(guò)模擬降雨裝置打至透水鋪裝上，分別在 1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a降雨條件下進(jìn)行測(cè)試，將透水鋪裝產(chǎn)生的雨水徑流進(jìn)行收集并測(cè)得徑流中的SS濃度，見(jiàn)圖2。

圖2 不同重現(xiàn)期下的SS削減率

由圖2可知，在1 a、2 a、5 a重現(xiàn)期下，透水鋪裝對(duì)雨水徑流中 SS削減率較好，削減效果均在55%以上；隨著重現(xiàn)期的增加，當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到10 a時(shí)，削減率降到30%以下；而在20 a、50 a、100 a重現(xiàn)期下，SS濃度甚至超過(guò)配制的雨水污染物中的濃度，出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能是因?yàn)樵谳^大降雨條件下，雨水沖刷速度較快，攜帶出儲(chǔ)存在透水面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的污染物所致[10]。

因?yàn)橥杆鎸又械挠晁聺B速度與當(dāng)前的降雨量有關(guān)，且對(duì)污染物有一定的沖刷效應(yīng)[11]，現(xiàn)將不同重現(xiàn)期下的滲透速度與相對(duì)應(yīng)的SS削減率進(jìn)行分析，見(jiàn)圖3。

圖3 不同滲透速度下的SS削減率

由圖3可知，透水面層的滲透速度與SS削減率變化趨勢(shì)和不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的SS削減率變化趨勢(shì)相類(lèi)似，在低重現(xiàn)期下，海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流中的SS污染物削減率較好，此時(shí)透水面層滲透速度也較低；而隨著重現(xiàn)期的增加，海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流中SS污染物削減率降低的同時(shí)，透水面層的滲透速度也在穩(wěn)定增加。以此為依據(jù)建立光纖傳感信號(hào)，滲透速度與雨水徑流污染SS削減率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)兩者進(jìn)行擬合，見(jiàn)表2。

表2 兩種參數(shù)擬合結(jié)果

由表2可知，透水面層的滲透速度與對(duì)雨水徑流污染物SS的削減率相關(guān)性較好，其中兩種擬合的R2都在0.87以上，說(shuō)明通過(guò)監(jiān)測(cè)雨水滲過(guò)磚體時(shí)的滲透速度，可推算該透水面層對(duì)雨水徑流中的SS削減率，通過(guò)光纖傳感信號(hào)可反映海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流中污染物SS削減率。

4 結(jié)論與討論

采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，對(duì)徑流污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)采樣分析。

（1）通過(guò)監(jiān)測(cè)雨水滲過(guò)磚體時(shí)的滲透速度，可以推算該透水面層對(duì)雨水徑流中SS削減率，可通過(guò)光纖傳感信號(hào)反映海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流中污染物SS削減率。

（2）在透水面層的滲透速度與SS削減率的變化趨勢(shì)和不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的SS削減率的變化趨勢(shì)相類(lèi)似，在低重現(xiàn)期下，海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流中的SS污染物削減率較好，此時(shí)透水面層滲透速度也較低；而隨著重現(xiàn)期增加，海綿設(shè)施對(duì)雨水徑流中的SS污染物削減率降低的同時(shí)，透水面層的滲透速度也在穩(wěn)定增加。

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，水資源被過(guò)多利用，水環(huán)境遭到破壞，水生態(tài)不斷惡化，水安全令人堪憂(yōu)。建設(shè)海綿城市的目的是提高水質(zhì)、修復(fù)水生態(tài)、解決局部積水等問(wèn)題。

通過(guò)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)徑流污染物質(zhì)SS等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，充分了解不同地區(qū)的海綿城市對(duì)不同徑流污染物的削減率，再通過(guò)相應(yīng)的綠化過(guò)濾措施，可將排入河道雨水中的懸浮物削減40%以上，COD、氨氮、總氮、總磷均削減30%以上，使水質(zhì)得到極大改善。