一种高速公路路面降雨径流污染的监测方法和装置 【技术领域】
本发明属于非点源污染和水质污染监测技术领域，具体涉及一种高速公路路面降雨径流污染的监测方法和装置。
背景技术
高速公路路面降雨径流污染属非点源污染范畴。非点源污染监测是开展非点源污染研究和治理的基础工作。但是，由于非点源污染没有固定的排放口，监测工作一直是颇为费时、费力的事情。
对于河流、明渠、湖泊和管道等水系的污染监测，目前国内外均可实现实时监测或自动监测，有较规范的监测方法，只要在水流出口处安装相应的流量计、水位计或流速仪和水质传感器等，即可连续监测水量和水质。
高速公路路面径流，一般通过路缘拦水带汇集后由泄水口和急流槽排出，或采用在路堤边坡横向漫流的方式排走。研究路面径流污染，需要在泄水口对排水量和污染物浓度进行监测。监测方法常需采用定时采样法，记录降雨过程中的径流量变化并定时采样测定径流水质，其中最理想的方法是应该能够连续测定和记录降雨过程的降雨径流时间、流量及其对应的污染物瞬时浓度，即实时连续监测系统或自动监测装置。
由于高速公路路面径流经泄水口后与河流或明渠的水流情况不一样，难以实现自动监测。即使是人工监测，往往也需要根据具体情况采用不同的方法或装置，操作很难统一规范，也比较繁琐，还存在流量数据不能自动存储、采样间隔不能精确控制等不足。国外关于采用自动监测设备研究公路路面径流的报道，局限于地域、国情和高速公路的差异，很难在国内参照、推广和应用。
目前缺乏一种适应面广、操作规范简单的方法和设备进行高速公路路面降雨径流污染的实时连续监测和自动监测。
【发明内容】
本发明的目的是针对路面降雨径流污染的实时连续监测和自动监测技术的不足，提供一种用于高速公路路面径流泄水口连续监测记录径流量并能定时采样的方法，通过本发明方法可以获得相应的流量数据和水质数据，用于研究路面径流污染的产生、迁移、汇集过程及其排污规律等。
本发明的另一个目的是提供实现所述方法的装置。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
提供一种高速公路路面降雨径流污染的监测方法，包括以下步骤：
(1)利用量水堰槽，在高速公路路面径流泄水口将路面浅层水流引入量水堰槽，形成稳定的明渠水流；
(2)量水堰槽上方安装超声波流量传感器，利用超声波，以非接触方式测量量水堰槽内的水位高度；
(3)流量传感器发出堰槽水位高度信号至自动水质采样器，由水质采样器实现堰槽水位信号转换、流量计算及其显示和储存；
(4)自动水质采样器按采样程序完成径流的定时采样。
本发明同时提供了一种实现上述方法的装置，包括量水堰槽、固定支架、超声波流量传感器和自动水质采样器，所述量水堰槽安装于高速公路路面径流泄水口，所述固定支架固定于量水堰槽并于量水堰槽上方设有供安装超声波流量传感器的顶部；超声波流量传感器安装于固定支架顶部，超声波流量传感器的连接导线与自动水质采样器接口相接，自动水质采样器置于量水堰槽附近平坦的地方。
所述量水堰槽为立方体，向上的一面敞口，包括槽体和设置于槽体内的堰板；槽体一端为上游槽口，与公路泄水口接触；另一端为出水口，水流由上游槽口流入经堰板和出水口流出；所述堰板为三角堰板。
所述量水堰槽的选型主要以现场流量范围的大小和尽量减小施工量、减少成本为原则。本发明根据高速公路地表水的排水设计和具体路况，优选三角堰，尤其是60°三角堰。
所述60°三角堰用不锈钢板制作，规格按《堰槽测流规范》(SL24-91)，并根据高速公路路面径流泄水口形式设计。
所述槽体优选长方体。本发明包括2种设计，一种是槽体的上游槽口为开口式，另一种是堰槽槽体加长且上游槽口为封口式。
将三角堰槽安装在高速公路路面径流泄水口。根据泄水口形式，有两种安装方式，一种是直接安装在开口式泄水口，采用上游槽口为开口式的三角堰槽；另一种是安装在落水管(竖向排水管)出水管口，采用槽长加长且上游槽口为封口式的三角堰槽。在开口式泄水口，将三角堰槽水平置于排水沟，堰槽进水口与泄水口垂直相接。若排水沟有坡度，可采用砖块或钢材修整成一个水平支架平台，用于放置堰槽。堰槽进水口紧贴泄水口，并与泄水口侧壁紧密相接。为保证径流全部汇入堰槽，堰槽进水口与泄水口接缝处采用密封材料塞紧，以防漏水；在落水管排水口，将三角堰槽水平置于落水管口下方，管口位于堰槽上游端口，并稍伸入堰槽内，以保证落水管排水全部进入堰槽并形成较平稳的水流。
所述固定支架用不锈钢板制作，本发明优选设有两个支撑脚和由两个支撑脚支撑的一根顶部横梁的固定支架。支架的支撑脚底部两端各钻2个小孔，用螺丝固定在量水堰槽两侧槽壁，孔径稍大于固定用螺丝，以便在校正传感器液位值零点时可调节支架的高度。支架顶部安装固定超声波流量传感器。
所述超声波流量传感器选用自动水质采样器专用配套的超声波流量传感器，与自动水质采样器组合成超声波流量测量系统。
所述自动水质采样器：选用便携式自动水质采样器。目前市场上有多种型号可选，采样器的基本功能要求如下：
(1)内置蠕动泵：用于采集水样。
(2)流量测量处理系统：可接收处理超声波流量传感器传送的堰槽水位信息，与配备的专用超声波流量传感器一起，组合成流量测量系统。
(3)软件功能：具备采样程序、流量计量程序和数据显示/存储功能。其中采样程序设置采样方式控制，自由选取自动采样(按预先编制的采样程序自动完成采样动作)、手动采样(临时设置完成一个采样动作)或随机采样(不设置直接采样)，按需选取等时混合水样(即时间控制采样)或等比例混合采样(即流量控制采样)，以及一次采样量和样品数。流量计量程序设置流量计算，将堰槽水位按流量计算公式换算成流量数据。根据堰槽测流规范(SL24-9)，三角堰流量计算公式为：
Q=CD815tgθ22ghe5/2]]>
式中，Q为流量，m3/s；CD为流量系数；he为有效水头，he＝h+Kh，m；Kh为考虑粘滞力和表面张力综合影响的校正值，m。根据CD和Kh与堰口角的关系图，计算60°三角堰分别取0.577和0.0012m。因此，上式可简化为：
Q＝786.578(h-0.0012)2.5
用通用公式表示：
Q＝Ch2.5
式中，Q为流量，L/s；C为流量系数，h为水头高度，m。
(4)显示/存储和输入/输出功能：分别自动记录并存储每次采样时间、瞬时流量和累积流量数据，并通过显示屏查看，或通过专用接口打印输出。
(5)电源：内置蓄电池，以便于携带。
本发明根据明渠流量测定的原理，利用量水堰槽，在高速公路路面径流泄水口将路面浅层水流引入量水堰槽，形成稳定地明渠水流。然后在量水堰槽上方安装超声波流量传感器，利用超声波，以非接触方式测量量水堰槽内的水位高度(水头高度)。由于流过堰槽的流量与该堰槽上的水位(或水头)呈单值关系，通过相应的流量公式可将测出的水位(或水头)值换算为流量值。因此，通过目前常用的自动水质采样器，将流量传感器发出的堰槽水位信号传送到自动水质采样器，最后由水质采样器实现堰槽水位信号转换、流量计算及其显示和储存。同时利用水质采样器内置的蠕动泵及程序控制功能，完成径流的自动采样。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用恰当的方法，将高速公路路面径流泄水口的浅层水流形成稳定的明渠水流，实现高速公路路面降雨径流污染的实时连续监测和自动监测。
(2)本发明设计的量水堰槽结构简单，适应性强。量水堰槽与超声波流量传感器和自动水质采样器形成的组合装置，利用量水堰槽的测流原理、超声波流量传感器的测流功能和自动水质采样器内置程序的处理功能，集三者之优势，解决了不同于明渠水流的高速公路路面浅层水流流量的连续测定和径流水样的定时采集。
(3)本发明可用于测定高速公路路面径流出水口一场降雨-径流全过程的径流量和径流水质浓度，实现一场降雨-径流全过程路面径流排水量的连续测定和记录、任一时间径流水质样品的采集。
(4)应用本发明获得的一场降雨-径流全过程径流量数据，结合采集的不同时段径流水质样品实验室分析数据，可用于绘制该场降雨-径流全过程径流量与水质浓度随时间的变化曲线。一场降雨-径流全过程的径流量和水质浓度数据，是研究路面径流污染的产生、迁移、汇集过程及其排污规律等的重要基础数据。
【附图说明】
图1三角堰测量原理图
图2三角堰测量原理图
图3发明装置工作原理示意图
图4 60°三角堰板平面图
图5槽口开口式60°三角堰槽立体图
图6槽口封口式60°三角堰槽立体图
图760°三角堰槽俯视图
图8超声波流量传感器固定支架设计规格示意图
图9在开口式泄水口的安装示意图
图10在落水管排水口的安装示意图
图11路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年5月6日19:53-22:08，降雨历时120min，降雨量37.9mm)
图12路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年5月10日17:01-18:00，降雨历时61min，降雨量47mm)
图13路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年5月27日12:37-15:28，降雨历时163min，降雨量17.3mm)
图14路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年3月22日10:53-12:28，降雨历时95min，降雨量6.7mm)
图15路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年7月15日9:19-11:08，降雨历时110min，降雨量28.6mm)
图16路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年7月26日23:03-0:50，降雨历时120min，降雨量27.2mm)
图17路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年4月6日10:27-12:37，降雨历时70min，降雨量18.5mm)
图18路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年5月2日13:15-13:55，降雨历时59min，降雨量8.5mm)
图19路面径流与COD的输出曲线(监测时间2006年5月31日18:06-20:32，降雨历时145min，降雨量16.3mm)
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。在本发明实施例中，按5年一遇10min降雨强度150mm/h、广深高速公路某路段泄水口为例计算路面径流量设计量水堰槽的尺寸，根据本发明技术方案和《堰槽测流规范》(SL24-91)，可以针对不同高速公路降雨情况进行量水堰槽的设计。本发明实施例重点在于借助实施例说明本发明在高速公路路面径流泄水口利用三角堰槽将浅层水流形成稳定的明渠水流，实现高速公路路面降雨径流污染的实时连续监测和自动监测方法和装置及装置的设计方法，并不因实施例所述的尺寸限定本发明的范围。
(1)设计量水堰槽
按5年一遇10min降雨强度150mm/h，并以广深高速公路某路段泄水口为例计算路面径流量，汇水面积约为110m2，径流系数取0.95，则路面径流量为15.6m3/h。在各种堰槽中，60°三角形薄壁堰的测流范围为1.08～15.6m3/h。因此，确定采用60°三角形薄壁堰，见附图1和附图2所示三角堰测量原理图。堰体可采用不锈钢板制作，其中堰槽宽(B)0.3m，堰顶高(P)0.1m，堰口高(最大水头高hmax)0.12m，堰口角(θ)60°，堰口顶部宽(b)0.14m。根据堰槽测流规范，在B/b＜3，hmax/P＞1时，堰槽应为平滑的矩形。因此，本装置三角堰槽设计为矩形，槽宽(B)0.3m，槽高(H)0.22m，槽长(L)及上游槽口形式根据路面径流泄水口而定，若泄水口为开口式，则堰槽长取0.7m，上游槽口为开口式，见附图5和附图9所示；若泄水口为落水管口，则堰槽长取1.2m，上游槽口为封口式，见附图6和附图10所示。将三角堰板直接焊接在堰槽上，三角堰板距堰槽出水口0.1m。三角堰槽结构及规格见附图4～附图7所示。附图5和附图6中15为堰槽壁，16为三角堰板，17为上游槽口，18为进水口，19为出水口。
(2)三角堰槽安装：将三角堰槽安装在高速公路路面径流泄水口。根据泄水口形式，有两种安装方式，一种是直接安装在开口式泄水口，采用槽长0.7m、上游槽口为开口式的三角堰槽；另一种是安装在落水管(竖向排水管)出水管口，采用槽长1.2m、上游槽口为封口式的三角堰槽。在开口式泄水口，将三角堰槽水平置于排水沟，堰槽进水口与泄水口垂直相接。若排水沟有坡度，应用砖块或钢材修整成一个水平支架平台，用于放置堰槽。堰槽进水口紧贴泄水口，并与泄水口侧壁紧密相接。为保证径流全部汇入堰槽，堰槽进水口与泄水口接缝处应适当采用一些密封材料塞紧，以防漏水。在落水管排水口，将三角堰槽水平置于落水管口下方，管口位于堰槽上游槽口，并稍伸入堰槽内，以保证落水管排水全部进入堰槽并形成较平稳的水流。
(3)仪器选型：监测装置中的自动水质采样器选用BC-9600(北京市格雷斯普Grasp科技开发公司)，超声波流量传感器为其配套部件。其主要技术参数如下：蠕动泵泵管直径10mm，吸程7.2m，流量1.5～2.4L/min，采样精度±10ml。采样时间间隔可选范围3～9999min，流量控制采样1～9999个脉冲，采样量50～1000ml，混合水样个数1～100。可自动记录并存储每次采样时间和256组流量数据。带专用接口外接专用超声波流量传感器。电源为内置DC12V蓄电池。流量计算公式为Q＝820h2.5(L/s)，由仪器厂家校准。
(4)仪器安装：用固定支架将超声波流量传感器安装在三角堰槽中央的上方(水头测量断面与三角堰板距离应满足3～5倍最大水头)，并将连接导线与采样器接口相接。自动水质采样器置于三角堰槽附近平坦的地方。
所述固定支架用不锈钢板制作，本发明优选设有两个支撑脚和由两个支撑脚支撑的一根顶部横梁的固定支架，其结构如附图8所示。支架的两个支撑脚20底部两端各钻2个小孔24，用螺丝固定在量水堰槽两侧槽壁，孔径稍大于固定用螺丝，以便在校正传感器液位值零点时可调节支架的高度。支架顶部21设置有安装固定超声波流量传感器位置22，固定安装超声波流量传感器23。
本发明装置工作原理示意图见附图3所示，安装使用示意图见附图9和附图10。附图3中1为量水堰槽，2为超声波流量传感器，3为自动水质采样器，4表示超声波，5代表输出信号的传送，6为固定支架，7为蠕动泵，8为电源和信号线，9为接口，10表示流量数据控制采样，11表示内置程序，12为控制面板，13为采样瓶，采接水样送实验室，14接径流泄水口；附图9中，25为高速公路，26为排水沟，27为采样管；附图10中28为高架路面，29为路面径流泄水口，30为落水管，
(5)路面径流监测：在降雨前夕，开启自动水质采样器，按程序指令要求，输入60°三角堰所对应的流量计算公式参数，并校正流量计的液位零点(微调固定支架高度)；根据研究计划，设定采样方式和采样间隔。在降雨开始后，保持自动水质采样器开启状态，监测整场降雨过程路面径流流经三角堰槽的流量直至降雨结束。期间，按预定的采样程序采集径流水样送实验室测定水质。
(6)试点实验：应用本发明装置，在广州市域内选择高速公路代表性路段进行现场监测试点实验。
1)试点实验1
监测点选于广州市环城高速公路北环段与广深高速公路相接处、由东向西行车道，路面径流排水口为开口式泄水口，排水沟宽0.4m，长10m，坡度约40°，汇水面积约110m2。
监测时间：2006年5月6日，2006年5月10日，2006年5月27日。
将三角堰安装在泄水口，依次安装与连接超声波流量传感器和自动水质采样器，并输入流量公式参数(C为820，n为2.5)和校正流量测量零点。
设定工作程序参数，各参数选择见表1。
表1
程序参数 采样方式 采样时间间 隔(min) 采样量 (ml) 采样次数 采样管长 (m) 输入值 时间控制 5～20 1000 6～8 0.2
在降雨开始后，开启自动水质采样器进行监测，持续至径流结束。采样器按0.5～1min的间隔自动记录流经三角堰的径流量，并按一定时间间隔(5～20min)采集径流水样。水样实验室分析项目包括悬浮物、有机污染物、重金属、石油类和氮磷等。用流量数据和水样分析数据绘制一场降雨路面径流及污染物的输出过程线。附图11～附图13分别为所述3场降雨路面径流及其污染物的输出曲线(污染物以COD为例)。
2)试点实验2
监测点位于广州市内环路广汕放射线与燕岭路相接处路段，汇水区为高架桥由西南向东北车道，路面径流泄水口为落水管形式，落水管从桥面垂直引向桥底接市政排水管道，汇水面积约135m2。
监测时间：2006年3月22日，2006年7月15日，2006年7月26日
将三角堰安装在高架路桥底落水管出水口，依次安装与连接超声波流量传感器和自动水质采样器，并输入流量公式参数(C为820，n为2.5)和校正流量测量零点。设定工作程序参数，各参数选择见表2。
表2
程序参数 采样方式 采样时间间隔 (min) 采样量 (ml) 采样次数 采样管长 (m) 输入值 时间控制 5～20 1000 6～8 0.2
在降雨开始后，开启自动水质采样器监测，至径流结束。采样器按0.5～1min的间隔自动记录流经三角堰的径流量，并按一定时间间隔(5～20min)采集径流水样。水样实验室分析项目包括悬浮物、有机污染物、重金属、石油类和氮磷等15项。用流量数据和水样分析数据绘制一场降雨路面径流及污染物的输出过程。附图14～附图16分别为所述3场降雨路面径流及其污染物的输出曲线(污染物以COD为例)。
3)试点实验3
监测点位于广州市华南快速干线二期与京珠高速公路相接路段。汇水区为陆地高架桥由南向北行车道，路面径流排水口为落水管形式，路面径流经落水管直排高架桥下荒草坡地，汇水面积约115m2。
监测时间：2006年4月6日，2006年5月2日，2006年5月31日。
将三角堰安装在高架路桥底落水管管口，依次安装与连接超声波流量传感器和自动水质采样器，并输入流量公式参数(C为820，n为2.5)和校正流量测量零点。设定工作程序参数，各参数选择见表3。
表3
程序参数 采样方式 采样时间间隔 (min) 采样量 (ml) 采样次数 采样管长 (m) 输入值 时间控制 5～20 1000 6～8 0.2
在降雨开始后，开启自动水质采样器监测，至径流结束。采样器按0.5～1min的间隔自动记录流经三角堰的径流量，并按一定时间间隔(5～20min)采集径流水样。水样实验室分析项目包括悬浮物、有机污染物、重金属、石油类和氮磷等15项。用流量数据和水样分析数据绘制一场降雨路面径流及污染物的输出过程。附图17～附图19分别为所述3场降雨路面径流及其污染物的输出曲线(污染物以COD为例)。