光纖傳感技術在徑流污染監測中的應用研究

汪詩超

（中鐵建設集團有限公司 北京 100040）

1 引言

隨著我國城市化進程的快速發展，開發建設造成大面積的地面硬化，不僅影響了原地面水文特性，還干預了自然水文循環。由于忽略了兩側用地開發所帶來的雨水滲透量，傳統雨水管網暴雨重現期取值較低，因而管網管徑較小，無法滿足實際雨水排放量要求，造成雨水在大城市積壓，易引起積水內澇等災害，嚴重威脅著人民生命和財產安全。另外，由于城市路面徑流雨水無法及時排除，各種情況如汽車排放的廢氣等使雨水中含有SS、COD、TN、TP等污染物質，增加了對環境的污染[1]，甚至對城市生活環境和居民身體健康帶來嚴重威脅[2]。

在國家提出積極建設 “海綿城市”和國務院下發各種建設指導意見的背景下，“海綿城市”建設在國內掀起一股熱潮。健康的城市水環境，可提升城市功能和競爭力[3]。

隨著海綿城市建設項目不斷完工，海綿設施的運行維護成為海綿城市工作的重要內容，但是目前對各類海綿設施建設效益的精確評估和定期檢測一直是一個突出的難題，許多傳統的檢測系統無法滿足傳輸穩定、抗干擾強、精度高等要求。

針對傳統監測手段存在的各種問題、海綿城市建設中對海綿設施建設效能監測要求、暴雨來臨時對海綿建設區域預警控制功能的要求，提出研究《基于光纖傳感控制的海綿城市設施在線監測系統研發》。本文論證了相較于各種傳統監測手段，光纖監測系統在監測海綿體對徑流污染物SS控制方案的可行性。

2 試驗材料與方法

2．1 試驗降雨條件模擬方法

不同地區的降雨條件差別較大，本文選取某地區的降雨條件作為試驗中的雨水模擬條件。根據該地區暴雨強度公式，對不同重現期、不同降雨歷時下的地區降雨強度進行計算。

式中：i為暴雨強度（mm／min）；P 為重現期（a）；t為降雨歷時（min）；A1為雨力參數，即假設重現期為1 a時的1 min設計降雨量（mm）；C為雨力變動參數（無量綱）；b為降雨歷時修正參數，即對暴雨強度公式兩邊求對數后能使曲線化為直線所加的一個時間常數（min）；n為暴雨衰減指數，與重現期有關。

根據暴雨強度公式，當降雨歷時為30 min、60 min、120 min時，不同重現期及不同降雨歷時下的暴雨強度見表1。

表1 暴雨強度

利用人工模擬降雨裝置，根據暴雨重現期確定相對應地區的暴雨強度，再通過模擬海綿設施面積計算出暴雨流量，將雨水流量置于儲水罐中。通過真空泵及花灑向裝置表面均勻灑水，通過流量計和閥門開關控制出水流量。設計暴雨重現期分別為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a，每次降雨歷時設計為120 min。當啟動人工模擬降雨裝置時記錄啟動時間及裝置開始產流時間，確定不同重現期下不同透水磚及海綿體土層對產流的延緩時間；對產生的雨水徑流進行收集，每隔5 min記錄收集的雨水徑流量；對收集的雨水徑流量進行記錄，分析洪峰削減，繪制不同重現期不同下墊面類型下的下滲速度與徑流量控制指標的對應關系曲線，通過數學模型擬合建立對應關系。

由于降雨具有不可預見性及難重復性，為保證試驗對比條件相對一致，采用人工配制的雨水進行替代。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及溶解態的污染物。其中，懸浮物（SS）在雨水徑流污染中是較為重要的水質指標，SS數值越高，則表示水質污染越嚴重。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象。在試驗過程中，通過常規檢測手段對雨水徑流中的污染物進行檢測，以此驗證光纖監測系統在監測海綿體對徑流污染控制方案的可行性。

2．2 應用于透水鋪裝的光纖監測系統布置

對于應用于透水鋪裝的光纖監測系統布置，以光纖溫度傳感器為基礎、壓力傳感器為輔助，構造光纖監測系統[4]。當降雨開始發生，雨水慢慢滲透入海綿體時，海綿體上層與內部的溫度會出現一個相對值，可通過溫度傳感器所處環境的溫度變化來反映該系統的監測結果，以此定量化反映透水鋪裝的透水能力。在降雨過程中，通過測量雨水滲透磚體所需時間即可推算出雨水在該透水面層的滲透速度。光纖系統監測不僅操作簡單，而且監測結果也更為精確，同時也省去常規分析手段所耗費的人力物力資源。

3 試驗結果與討論

3．1 監測系統試驗

按布置方式鋪設好光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵信號解調儀、輸出光纜及計算機處理裝置，選取透水混凝土磚的透水面層，進行相關試驗。

通過人工模擬降雨裝置分別以降雨重現期為1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a 雨量對透水面層進行試驗，利用鋪設在透水面層下側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面所需的滲透時間，見圖1。

圖1 透水面層在多種重現期下的滲透時間

由圖1可知，在1～10 a重現期內，單個透水面層的滲透時間波動幅度較小，在10～100 a中，隨著雨量增加滲透時間在減少，但減少的量較小，幅度變化在24 s以內。從整體上看，透水面層在多個重現期下其滲透時間相對穩定且有規律可循。

3．2 光纖傳感信號與徑流污染控制指標試驗

根據雨水徑流中污染物的存在形式，可分為顆粒態污染物和溶解態污染物，雨水徑流中的污染物主要來源于大氣沉積物[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滲透導管匯集并排放至水體或蓄水設施中，二是在匯流及滲透過程中被海綿設施表面或結構內部截留并保存在海綿設施內部。

根據相關研究，污染物的沖刷速度與降雨強度有密切關系，污染物的沖刷效應對徑流污染物的控制具有較大的影響，而降雨強度也會影響透水面層中的滲透速度[9]。因此，在不同重現期下建立海綿體滲透速度及其相應的雨水徑流污染物控制效果的對應關系，是利用光纖監測系統實現對海綿體徑流污染控制的監測基礎。

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對象并安置于透水鋪裝中，將配制好的雨水徑流通過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降雨條件下進行測試，將透水鋪裝產生的雨水徑流進行收集并測得徑流中的SS濃度，見圖2。

圖2 不同重現期下的SS削減率

由圖2可知，在1 a、2 a、5 a重現期下，透水鋪裝對雨水徑流中 SS削減率較好，削減效果均在55%以上；隨著重現期的增加，當降雨強度達到10 a時，削減率降到30%以下；而在20 a、50 a、100 a重現期下，SS濃度甚至超過配制的雨水污染物中的濃度，出現這種現象，可能是因為在較大降雨條件下，雨水沖刷速度較快，攜帶出儲存在透水面層結構內部的污染物所致[10]。

因為透水面層中的雨水下滲速度與當前的降雨量有關，且對污染物有一定的沖刷效應[11]，現將不同重現期下的滲透速度與相對應的SS削減率進行分析，見圖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削減率變化趨勢和不同重現期對應的SS削減率變化趨勢相類似，在低重現期下，海綿設施對雨水徑流中的SS污染物削減率較好，此時透水面層滲透速度也較低；而隨著重現期的增加，海綿設施對雨水徑流中SS污染物削減率降低的同時，透水面層的滲透速度也在穩定增加。以此為依據建立光纖傳感信號，滲透速度與雨水徑流污染SS削減率的對應關系，對兩者進行擬合，見表2。

表2 兩種參數擬合結果

由表2可知，透水面層的滲透速度與對雨水徑流污染物SS的削減率相關性較好，其中兩種擬合的R2都在0.87以上，說明通過監測雨水滲過磚體時的滲透速度，可推算該透水面層對雨水徑流中的SS削減率，通過光纖傳感信號可反映海綿設施對雨水徑流中污染物SS削減率。

4 結論與討論

采用現場調查、試驗檢測和現場實踐相結合的方法，對徑流污染進行監測采樣分析。

（1）通過監測雨水滲過磚體時的滲透速度，可以推算該透水面層對雨水徑流中SS削減率，可通過光纖傳感信號反映海綿設施對雨水徑流中污染物SS削減率。

（2）在透水面層的滲透速度與SS削減率的變化趨勢和不同重現期對應的SS削減率的變化趨勢相類似，在低重現期下，海綿設施對雨水徑流中的SS污染物削減率較好，此時透水面層滲透速度也較低；而隨著重現期增加，海綿設施對雨水徑流中的SS污染物削減率降低的同時，透水面層的滲透速度也在穩定增加。

隨著城市化進程的不斷發展，水資源被過多利用，水環境遭到破壞，水生態不斷惡化，水安全令人堪憂。建設海綿城市的目的是提高水質、修復水生態、解決局部積水等問題。

通過光纖監測系統對徑流污染物質SS等數據監測，充分了解不同地區的海綿城市對不同徑流污染物的削減率，再通過相應的綠化過濾措施，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，使水質得到極大改善。