光纤传感技术在径流污染监测中的应用研究

汪诗超

（中铁建设集团有限公司 北京 100040）

1 引言

随着我国城市化进程的快速发展，开发建设造成大面积的地面硬化，不仅影响了原地面水文特性，还干预了自然水文循环。由于忽略了两侧用地开发所带来的雨水渗透量，传统雨水管网暴雨重现期取值较低，因而管网管径较小，无法满足实际雨水排放量要求，造成雨水在大城市积压，易引起积水内涝等灾害，严重威胁着人民生命和财产安全。另外，由于城市路面径流雨水无法及时排除，各种情况如汽车排放的废气等使雨水中含有SS、COD、TN、TP等污染物质，增加了对环境的污染[1]，甚至对城市生活环境和居民身体健康带来严重威胁[2]。

在国家提出积极建设 “海绵城市”和国务院下发各种建设指导意见的背景下，“海绵城市”建设在国内掀起一股热潮。健康的城市水环境，可提升城市功能和竞争力[3]。

随着海绵城市建设项目不断完工，海绵设施的运行维护成为海绵城市工作的重要内容，但是目前对各类海绵设施建设效益的精确评估和定期检测一直是一个突出的难题，许多传统的检测系统无法满足传输稳定、抗干扰强、精度高等要求。

针对传统监测手段存在的各种问题、海绵城市建设中对海绵设施建设效能监测要求、暴雨来临时对海绵建设区域预警控制功能的要求，提出研究《基于光纤传感控制的海绵城市设施在线监测系统研发》。本文论证了相较于各种传统监测手段，光纤监测系统在监测海绵体对径流污染物SS控制方案的可行性。

2 试验材料与方法

2．1 试验降雨条件模拟方法

不同地区的降雨条件差别较大，本文选取某地区的降雨条件作为试验中的雨水模拟条件。根据该地区暴雨强度公式，对不同重现期、不同降雨历时下的地区降雨强度进行计算。

式中：i为暴雨强度（mm／min）；P 为重现期（a）；t为降雨历时（min）；A1为雨力参数，即假设重现期为1 a时的1 min设计降雨量（mm）；C为雨力变动参数（无量纲）；b为降雨历时修正参数，即对暴雨强度公式两边求对数后能使曲线化为直线所加的一个时间常数（min）；n为暴雨衰减指数，与重现期有关。

根据暴雨强度公式，当降雨历时为30 min、60 min、120 min时，不同重现期及不同降雨历时下的暴雨强度见表1。

表1 暴雨强度

利用人工模拟降雨装置，根据暴雨重现期确定相对应地区的暴雨强度，再通过模拟海绵设施面积计算出暴雨流量，将雨水流量置于储水罐中。通过真空泵及花洒向装置表面均匀洒水，通过流量计和阀门开关控制出水流量。设计暴雨重现期分别为1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a，每次降雨历时设计为120 min。当启动人工模拟降雨装置时记录启动时间及装置开始产流时间，确定不同重现期下不同透水砖及海绵体土层对产流的延缓时间；对产生的雨水径流进行收集，每隔5 min记录收集的雨水径流量；对收集的雨水径流量进行记录，分析洪峰削减，绘制不同重现期不同下垫面类型下的下渗速度与径流量控制指标的对应关系曲线，通过数学模型拟合建立对应关系。

由于降雨具有不可预见性及难重复性，为保证试验对比条件相对一致，采用人工配制的雨水进行替代。雨水径流中污染物较多，按污染物存在形式可将其划分为颗粒态及溶解态的污染物。其中，悬浮物（SS）在雨水径流污染中是较为重要的水质指标，SS数值越高，则表示水质污染越严重。因此，在本文中，选取悬浮物（SS）作为径流污染中的主要研究对象。在试验过程中，通过常规检测手段对雨水径流中的污染物进行检测，以此验证光纤监测系统在监测海绵体对径流污染控制方案的可行性。

2．2 应用于透水铺装的光纤监测系统布置

对于应用于透水铺装的光纤监测系统布置，以光纤温度传感器为基础、压力传感器为辅助，构造光纤监测系统[4]。当降雨开始发生，雨水慢慢渗透入海绵体时，海绵体上层与内部的温度会出现一个相对值，可通过温度传感器所处环境的温度变化来反映该系统的监测结果，以此定量化反映透水铺装的透水能力。在降雨过程中，通过测量雨水渗透砖体所需时间即可推算出雨水在该透水面层的渗透速度。光纤系统监测不仅操作简单，而且监测结果也更为精确，同时也省去常规分析手段所耗费的人力物力资源。

3 试验结果与讨论

3．1 监测系统试验

按布置方式铺设好光纤光栅温度传感器、光纤光栅信号解调仪、输出光缆及计算机处理装置，选取透水混凝土砖的透水面层，进行相关试验。

通过人工模拟降雨装置分别以降雨重现期为1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a 雨量对透水面层进行试验，利用铺设在透水面层下侧面的光纤光栅温度传感器记录雨水从透水砖表面渗透至透水砖下侧面所需的渗透时间，见图1。

图1 透水面层在多种重现期下的渗透时间

由图1可知，在1～10 a重现期内，单个透水面层的渗透时间波动幅度较小，在10～100 a中，随着雨量增加渗透时间在减少，但减少的量较小，幅度变化在24 s以内。从整体上看，透水面层在多个重现期下其渗透时间相对稳定且有规律可循。

3．2 光纤传感信号与径流污染控制指标试验

根据雨水径流中污染物的存在形式，可分为颗粒态污染物和溶解态污染物，雨水径流中的污染物主要来源于大气沉积物[5－6]、路面污染物[7－8]等。随着降雨及地表径流的形成，雨水径流中的污染物通常有两种去处，一是形成表面径流或通过渗透导管汇集并排放至水体或蓄水设施中，二是在汇流及渗透过程中被海绵设施表面或结构内部截留并保存在海绵设施内部。

根据相关研究，污染物的冲刷速度与降雨强度有密切关系，污染物的冲刷效应对径流污染物的控制具有较大的影响，而降雨强度也会影响透水面层中的渗透速度[9]。因此，在不同重现期下建立海绵体渗透速度及其相应的雨水径流污染物控制效果的对应关系，是利用光纤监测系统实现对海绵体径流污染控制的监测基础。

人工配制雨水中SS污染物浓度为50 mg／L，使用透水混凝土作为试验对象并安置于透水铺装中，将配制好的雨水径流通过模拟降雨装置打至透水铺装上，分别在 1 a、2 a、5 a、10 a、20 a、50 a、100 a降雨条件下进行测试，将透水铺装产生的雨水径流进行收集并测得径流中的SS浓度，见图2。

图2 不同重现期下的SS削减率

由图2可知，在1 a、2 a、5 a重现期下，透水铺装对雨水径流中 SS削减率较好，削减效果均在55%以上；随着重现期的增加，当降雨强度达到10 a时，削减率降到30%以下；而在20 a、50 a、100 a重现期下，SS浓度甚至超过配制的雨水污染物中的浓度，出现这种现象，可能是因为在较大降雨条件下，雨水冲刷速度较快，携带出储存在透水面层结构内部的污染物所致[10]。

因为透水面层中的雨水下渗速度与当前的降雨量有关，且对污染物有一定的冲刷效应[11]，现将不同重现期下的渗透速度与相对应的SS削减率进行分析，见图3。

图3 不同渗透速度下的SS削减率

由图3可知，透水面层的渗透速度与SS削减率变化趋势和不同重现期对应的SS削减率变化趋势相类似，在低重现期下，海绵设施对雨水径流中的SS污染物削减率较好，此时透水面层渗透速度也较低；而随着重现期的增加，海绵设施对雨水径流中SS污染物削减率降低的同时，透水面层的渗透速度也在稳定增加。以此为依据建立光纤传感信号，渗透速度与雨水径流污染SS削减率的对应关系，对两者进行拟合，见表2。

表2 两种参数拟合结果

由表2可知，透水面层的渗透速度与对雨水径流污染物SS的削减率相关性较好，其中两种拟合的R2都在0.87以上，说明通过监测雨水渗过砖体时的渗透速度，可推算该透水面层对雨水径流中的SS削减率，通过光纤传感信号可反映海绵设施对雨水径流中污染物SS削减率。

4 结论与讨论

采用现场调查、试验检测和现场实践相结合的方法，对径流污染进行监测采样分析。

（1）通过监测雨水渗过砖体时的渗透速度，可以推算该透水面层对雨水径流中SS削减率，可通过光纤传感信号反映海绵设施对雨水径流中污染物SS削减率。

（2）在透水面层的渗透速度与SS削减率的变化趋势和不同重现期对应的SS削减率的变化趋势相类似，在低重现期下，海绵设施对雨水径流中的SS污染物削减率较好，此时透水面层渗透速度也较低；而随着重现期增加，海绵设施对雨水径流中的SS污染物削减率降低的同时，透水面层的渗透速度也在稳定增加。

随着城市化进程的不断发展，水资源被过多利用，水环境遭到破坏，水生态不断恶化，水安全令人堪忧。建设海绵城市的目的是提高水质、修复水生态、解决局部积水等问题。

通过光纤监测系统对径流污染物质SS等数据监测，充分了解不同地区的海绵城市对不同径流污染物的削减率，再通过相应的绿化过滤措施，可将排入河道雨水中的悬浮物削减40%以上，COD、氨氮、总氮、总磷均削减30%以上，使水质得到极大改善。