跨水源地橋梁應(yīng)急排水系統(tǒng)的研究

趙文儀 ，方詩(shī)圣 （合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)，安徽 宣城 242000）

1 引言

在高速公路運(yùn)輸過(guò)程中，一旦裝載有危險(xiǎn)化學(xué)藥品的運(yùn)輸車(chē)輛在跨水源地橋梁上發(fā)生側(cè)翻事故，危險(xiǎn)化學(xué)藥品極有可能發(fā)生泄漏，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的水源污染事件。根據(jù)《公路環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG B04-2010）[1]，公路橋梁跨越飲用水水源地保護(hù)區(qū)，橋面排水宜排至橋梁兩段并設(shè)置沉淀池（及應(yīng)急池）處理。《關(guān)于加強(qiáng)公路規(guī)劃和建設(shè)壞境影響評(píng)價(jià)工作的通知》（環(huán)發(fā)[2007]184號(hào)）[2]要求，對(duì)跨越敏感水體的橋梁，應(yīng)在橋梁上設(shè)置橋面徑流水收集系統(tǒng)，并在橋梁兩側(cè)設(shè)置沉淀池對(duì)事故后的橋面徑流進(jìn)行處理。

現(xiàn)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(wèn)題如下：①現(xiàn)有應(yīng)急池在收集事故水的同時(shí)兼具匯聚雨水的作用，雨水與事故水混合儲(chǔ)存和排放，造成潔凈雨水浪費(fèi)；②目前應(yīng)急池是靠自然蒸發(fā)(一般需要10～15天)清空池內(nèi)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(chǔ)空間，失去應(yīng)急功能；③大多應(yīng)急池缺乏遠(yuǎn)程控制、水位報(bào)警等信息傳輸功能與人工配合，因而無(wú)法做到及時(shí)排空，水源地管理存在問(wèn)題[4]。

現(xiàn)有研究多致力于橋面排水管道的改進(jìn)及應(yīng)急池的容積設(shè)計(jì)計(jì)算，缺乏對(duì)排水系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，對(duì)污染物和雨水的分類處理不夠全面。

2 智能應(yīng)急排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋面徑流作為一種具有較大污染潛力的污染源已經(jīng)得到了各發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛關(guān)注。其中通過(guò)收集相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，危險(xiǎn)化學(xué)藥品（污染物）可分為3類：不溶于水且密度小于的水的有機(jī)污染物（41%），導(dǎo)致pH等常規(guī)指標(biāo)發(fā)生明顯改變的可溶性污染物(30%)及其他類污染物（29%）,詳見(jiàn)表1[5]。

污染物占比 表1

針對(duì)現(xiàn)有應(yīng)急池，進(jìn)行相應(yīng)改造。利用部分有機(jī)物污染物與水互不相溶導(dǎo)致溶液分層，自動(dòng)分離該部分有機(jī)物，然后由速測(cè)探頭對(duì)余下的液體進(jìn)行檢測(cè)，最后由數(shù)據(jù)庫(kù)反饋系統(tǒng)進(jìn)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(shí)報(bào)警處理或排空，避免潔凈水的浪費(fèi)和污染物過(guò)多造成的溢流，最大限度降低事故水對(duì)水源地造成不利影響。

2 系統(tǒng)組成

2.1 自動(dòng)分離系統(tǒng)

利用有機(jī)污染物與水互不相溶導(dǎo)致溶液分層，通過(guò)浮子位置控制有機(jī)物排污閥的啟閉，自動(dòng)分離不溶于水的有機(jī)污染物。

自動(dòng)分離區(qū)出水口處為凹形構(gòu)造，以提供一個(gè)穩(wěn)定的水位高度，即液封高度，該高度是浮子控制有機(jī)物排污閥啟閉的臨界高度，同時(shí)凹型構(gòu)造為探頭檢測(cè)提供穩(wěn)定區(qū)域。

特定浮子設(shè)計(jì)成密度稍小于水，可浮于水和有機(jī)物的分液面，通過(guò)浮子位置控制有機(jī)物排污閥的啟閉。當(dāng)浮子高于臨界高度時(shí)，有機(jī)物排污閥門(mén)關(guān)閉，來(lái)水經(jīng)由探頭檢測(cè)后流入收集池；當(dāng)浮子位置低于臨界高度時(shí)，有機(jī)物排污閥開(kāi)啟，來(lái)水進(jìn)入有機(jī)物收集池。

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)

采用相關(guān)速測(cè)探頭，對(duì)分離后的來(lái)水的部分水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，確定是否可以排放。若水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，則收集池閥門(mén)關(guān)閉；若達(dá)標(biāo)，則由數(shù)據(jù)庫(kù)反饋系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步判別。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)反饋系統(tǒng)

采用模式識(shí)別理論[6]，基于機(jī)器學(xué)算法，讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷當(dāng)前水體是否可排放。并將所有水質(zhì)檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，同時(shí)發(fā)送水位信號(hào)，做到遠(yuǎn)程控制，便于后續(xù)計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)和應(yīng)急池管理。

2.3.1 檢驗(yàn)識(shí)別模型的訓(xùn)練與建立

創(chuàng)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。根據(jù)水體的物理化學(xué)屬性，將可能出現(xiàn)的污染物歸類。再通過(guò)設(shè)計(jì)分類算法，訓(xùn)練分類模型。針對(duì)水質(zhì)識(shí)別，可采用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)來(lái)進(jìn)行識(shí)別[7]。將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測(cè)試集兩部分，將訓(xùn)練集中的各指標(biāo)特征值和對(duì)應(yīng)的樣本標(biāo)簽輸入RNN，RNN會(huì)建立二者的映射關(guān)系。樣本容量越大，對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系就會(huì)越準(zhǔn)確。最后檢驗(yàn)識(shí)別模型，訓(xùn)練完成之后，使用測(cè)試訓(xùn)練集進(jìn)行驗(yàn)證，僅輸入樣本特征值，RNN會(huì)給出相應(yīng)的樣本標(biāo)簽，與真實(shí)的樣本標(biāo)簽進(jìn)行比對(duì)，可以求出RNN模型分類的精度。

當(dāng)模型檢驗(yàn)精度達(dá)到要求以后，可將這樣一套裝置用于識(shí)別可排放液體。模型每次給出當(dāng)前液體可排放的置信度，當(dāng)置信度符合期望時(shí)，就可以排放液體。

2.3.2 水位計(jì)報(bào)警裝置

有機(jī)物收集池與另一收集池用混凝土墻隔開(kāi)，墻底部安裝聯(lián)通閥。若單一池體存儲(chǔ)污水量過(guò)大，水位達(dá)到預(yù)警水位，連通閥開(kāi)啟，可以有效擴(kuò)容，充分利用池體。

2.4 工作原理

正常狀態(tài)下，液封段儲(chǔ)有一定水量，當(dāng)無(wú)橋面徑流進(jìn)入時(shí)，浮子位于液封水面處。當(dāng)有橋面徑流進(jìn)入過(guò)濾池時(shí)，分為以下3種情況，過(guò)程圖如圖1所示。

①來(lái)水中含有不溶于水且密度比水小的有機(jī)物。浮子位于水與有機(jī)物的分液面處，當(dāng)分液面低于液封高度時(shí)，有機(jī)物排污閥開(kāi)啟，有機(jī)物由途徑1進(jìn)入有機(jī)物收集池。

②來(lái)水中含有可溶性污染物。過(guò)濾池內(nèi)水位上升，浮子位置高于液封高度，有機(jī)物排污閥關(guān)閉，來(lái)水進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，由途經(jīng)2經(jīng)速測(cè)探頭對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。若水質(zhì)檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，收集池排水閥關(guān)閉，來(lái)水儲(chǔ)存于池內(nèi)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；若水質(zhì)檢測(cè)達(dá)標(biāo)，則啟用數(shù)據(jù)庫(kù)反饋系統(tǒng)分析該來(lái)水可排放的置信度，置信度不符合期望，收集池排水閥關(guān)閉，來(lái)水儲(chǔ)存于收集池內(nèi)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

③來(lái)水為普通降雨。過(guò)濾池內(nèi)水位上升，浮子位置高于液封高度，有機(jī)物排污閥關(guān)閉，探頭檢測(cè)達(dá)標(biāo)，可排放置信度符合期望，來(lái)水由途徑2經(jīng)過(guò)濾池、收集池排入河流。為解決單一池體容量不足問(wèn)題，在收集池及有機(jī)物收集池側(cè)壁設(shè)置水位計(jì)。若污染物量過(guò)大，水位超標(biāo)，則水位計(jì)報(bào)警，連通閥開(kāi)啟，收集池和有機(jī)物收集池聯(lián)通。

圖1 進(jìn)水過(guò)程示意圖

3 結(jié)論

本作品可針對(duì)現(xiàn)有橋梁排水系統(tǒng)中應(yīng)急池進(jìn)行改造，結(jié)合數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)程操控技術(shù)，為未來(lái)水源地突發(fā)污染事件的應(yīng)急管理提供參考，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①利用特定密度浮子的位置變化，高效分離有機(jī)物，解決速測(cè)探頭無(wú)法檢測(cè)有機(jī)物的問(wèn)題；

②可以實(shí)現(xiàn)天然降水自動(dòng)排放，保證池體有足夠空間儲(chǔ)存污染物，高效攔截，保護(hù)水源地；

③數(shù)據(jù)集成云端，可由中央統(tǒng)一監(jiān)測(cè)控制，方便管理。