跨水源地桥梁应急排水系统的研究

赵文仪 ，方诗圣 （合肥工业大学宣城校区，安徽 宣城 242000）

1 引言

在高速公路运输过程中，一旦装载有危险化学药品的运输车辆在跨水源地桥梁上发生侧翻事故，危险化学药品极有可能发生泄漏，从而导致严重的水源污染事件。根据《公路环境保护设计规范》（JTG B04-2010）[1]，公路桥梁跨越饮用水水源地保护区，桥面排水宜排至桥梁两段并设置沉淀池（及应急池）处理。《关于加强公路规划和建设坏境影响评价工作的通知》（环发[2007]184号）[2]要求，对跨越敏感水体的桥梁，应在桥梁上设置桥面径流水收集系统，并在桥梁两侧设置沉淀池对事故后的桥面径流进行处理。

现有桥面排水通常利用横坡及纵坡将雨水汇集于雨水口，之后利用排水短立管和排水横干管等将雨水排除[3]。存在的问题如下：①现有应急池在收集事故水的同时兼具汇聚雨水的作用，雨水与事故水混合储存和排放，造成洁净雨水浪费；②目前应急池是靠自然蒸发(一般需要10～15天)清空池内积水。但是在降雨量大且频繁的雨季，如果遇到危化品泄漏事故，池体不能提供有效的存储空间，失去应急功能；③大多应急池缺乏远程控制、水位报警等信息传输功能与人工配合，因而无法做到及时排空，水源地管理存在问题[4]。

现有研究多致力于桥面排水管道的改进及应急池的容积设计计算，缺乏对排水系统的整体设计，对污染物和雨水的分类处理不够全面。

2 智能应急排水系统设计

桥面径流作为一种具有较大污染潜力的污染源已经得到了各发达国家的广泛关注。其中通过收集相关数据发现，危险化学药品（污染物）可分为3类：不溶于水且密度小于的水的有机污染物（41%），导致pH等常规指标发生明显改变的可溶性污染物(30%)及其他类污染物（29%）,详见表1[5]。

污染物占比 表1

针对现有应急池，进行相应改造。利用部分有机物污染物与水互不相溶导致溶液分层，自动分离该部分有机物，然后由速测探头对余下的液体进行检测，最后由数据库反馈系统进行可排放置信度的判别。安全高效地判断污染水和清洁水，及时报警处理或排空，避免洁净水的浪费和污染物过多造成的溢流，最大限度降低事故水对水源地造成不利影响。

2 系统组成

2.1 自动分离系统

利用有机污染物与水互不相溶导致溶液分层，通过浮子位置控制有机物排污阀的启闭，自动分离不溶于水的有机污染物。

自动分离区出水口处为凹形构造，以提供一个稳定的水位高度，即液封高度，该高度是浮子控制有机物排污阀启闭的临界高度，同时凹型构造为探头检测提供稳定区域。

特定浮子设计成密度稍小于水，可浮于水和有机物的分液面，通过浮子位置控制有机物排污阀的启闭。当浮子高于临界高度时，有机物排污阀门关闭，来水经由探头检测后流入收集池；当浮子位置低于临界高度时，有机物排污阀开启，来水进入有机物收集池。

2.2 检测系统

采用相关速测探头，对分离后的来水的部分水质指标进行检测，确定是否可以排放。若水质不达标，则收集池阀门关闭；若达标，则由数据库反馈系统进行进一步判别。

2.3 数据库反馈系统

采用模式识别理论[6]，基于机器学算法，让计算机自动判断当前水体是否可排放。并将所有水质检测信号，进行数据集成，同时发送水位信号，做到远程控制，便于后续计算机的学习和应急池管理。

2.3.1 检验识别模型的训练与建立

创建训练数据集。根据水体的物理化学属性，将可能出现的污染物归类。再通过设计分类算法，训练分类模型。针对水质识别，可采用循环神经网络(RNN)来进行识别[7]。将数据集分为训练集和测试集两部分，将训练集中的各指标特征值和对应的样本标签输入RNN，RNN会建立二者的映射关系。样本容量越大，对应的映射关系就会越准确。最后检验识别模型，训练完成之后，使用测试训练集进行验证，仅输入样本特征值，RNN会给出相应的样本标签，与真实的样本标签进行比对，可以求出RNN模型分类的精度。

当模型检验精度达到要求以后，可将这样一套装置用于识别可排放液体。模型每次给出当前液体可排放的置信度，当置信度符合期望时，就可以排放液体。

2.3.2 水位计报警装置

有机物收集池与另一收集池用混凝土墙隔开，墙底部安装联通阀。若单一池体存储污水量过大，水位达到预警水位，连通阀开启，可以有效扩容，充分利用池体。

2.4 工作原理

正常状态下，液封段储有一定水量，当无桥面径流进入时，浮子位于液封水面处。当有桥面径流进入过滤池时，分为以下3种情况，过程图如图1所示。

①来水中含有不溶于水且密度比水小的有机物。浮子位于水与有机物的分液面处，当分液面低于液封高度时，有机物排污阀开启，有机物由途径1进入有机物收集池。

②来水中含有可溶性污染物。过滤池内水位上升，浮子位置高于液封高度，有机物排污阀关闭，来水进入检测区域，由途经2经速测探头对水质进行检测。若水质检测不达标，收集池排水阀关闭，来水储存于池内，并发出报警信号；若水质检测达标，则启用数据库反馈系统分析该来水可排放的置信度，置信度不符合期望，收集池排水阀关闭，来水储存于收集池内，并发出报警信号。

③来水为普通降雨。过滤池内水位上升，浮子位置高于液封高度，有机物排污阀关闭，探头检测达标，可排放置信度符合期望，来水由途径2经过滤池、收集池排入河流。为解决单一池体容量不足问题，在收集池及有机物收集池侧壁设置水位计。若污染物量过大，水位超标，则水位计报警，连通阀开启，收集池和有机物收集池联通。

图1 进水过程示意图

3 结论

本作品可针对现有桥梁排水系统中应急池进行改造，结合数据集成和远程操控技术，为未来水源地突发污染事件的应急管理提供参考，具有以下优点：

①利用特定密度浮子的位置变化，高效分离有机物，解决速测探头无法检测有机物的问题；

②可以实现天然降水自动排放，保证池体有足够空间储存污染物，高效拦截，保护水源地；

③数据集成云端，可由中央统一监测控制，方便管理。