光感技術賦能徑流雨水分質(zhì)截留：模式創(chuàng)新與效能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景1.1.1城市徑流雨水污染現(xiàn)狀隨著城市化進程的不斷加速，城市的不透水面積持續(xù)擴大，如瀝青、水泥等硬質(zhì)地面的廣泛鋪設，使得降雨形成的地表徑流難以自然下滲，大量雨水攜帶各類污染物迅速匯集進入城市排水系統(tǒng)，導致城市徑流雨水污染問題日益嚴峻。據(jù)相關調(diào)查顯示，徑流雨水中懸浮固體（SS）、化學需氧量（COD）、氨氮、總磷和總氮等污染物的平均濃度較高。其中，SS濃度常常高于城市污水，而其他污染物濃度也往往超過了污水排放一級B標準限額。城市徑流雨水的污染源極為復雜，涵蓋了多個方面。工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢水若未經(jīng)有效處理，其中的重金屬、有機物等污染物會殘留在地面，在降雨時被沖刷進入徑流雨水；機動車尾氣排放產(chǎn)生的有害物質(zhì)，以及車輛在行駛過程中泄漏的機油、汽油等，也會成為徑流雨水污染物的來源；城市生活垃圾在堆放和處理過程中產(chǎn)生的滲濾液，以及居民生活污水的隨意排放，同樣會對徑流雨水造成污染。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的化肥和農(nóng)藥，隨著雨水的沖刷流入城市排水系統(tǒng)，也是不容忽視的污染源。城市徑流雨水污染對環(huán)境產(chǎn)生了多方面的嚴重危害。首先，對水體水質(zhì)造成了負面影響，大量污染物進入河流、湖泊等水體，導致水體富營養(yǎng)化，藻類過度繁殖，溶解氧含量降低，進而破壞水生生態(tài)系統(tǒng)的平衡，威脅水生生物的生存。據(jù)研究表明，某城市受徑流雨水污染的河流中，溶解氧含量較污染前下降了30%，水生生物種類減少了20%。其次，徑流雨水污染還會對土壤質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，污染物隨雨水下滲，可能導致土壤結(jié)構(gòu)破壞、肥力下降，影響植物的生長和發(fā)育。此外，城市徑流雨水污染還會增加城市污水處理的負擔，導致處理成本上升，同時也對城市景觀和居民生活質(zhì)量造成了損害。1.1.2傳統(tǒng)截留模式的局限性為了控制城市徑流雨水污染，傳統(tǒng)的截留模式主要采用依據(jù)水量或時間進行截流的方式，如常見的跳越堰式截流井、溢流堰式截流井、截流槽式截流井等。這些傳統(tǒng)截留裝置在實際應用中存在諸多局限性。由于沒有直接與雨水的水質(zhì)掛鉤，未充分考慮雨量大小、地面清潔程度等因素對雨水水質(zhì)的影響，導致在不同場次的降雨中，截流的水質(zhì)存在較大差異。在大雨天氣下，由于雨水沖刷力強，將地面沖刷干凈所用的時間相對較短，但沖刷下來的污染物更多，排放的渾水總量更大。若采用相同的截流時間，可能會在大雨時截流部分已經(jīng)相對清潔的雨水，而在小雨時卻棄流了部分仍然渾濁、污染較重的雨水；若采用相同的截流體積，同樣會出現(xiàn)大雨時棄流部分渾水，小雨時截流部分清潔水的不合理情況。當連續(xù)降雨后，地面相對較為清潔，此時將地面再次沖刷干凈所需的時間更短、水量更少。但傳統(tǒng)的固定截流時間或截流體積的方式，無法適應這種變化，會使截流的水量偏大，造成水資源的浪費和處理成本的增加。傳統(tǒng)截留模式在面對復雜多變的降雨和污染情況時，難以準確地實現(xiàn)對高濃度污染雨水的有效截流和對低濃度清潔雨水的合理棄流，無法滿足日益嚴格的城市水環(huán)境治理需求，迫切需要一種更加科學、精準的徑流雨水分質(zhì)截留模式來加以改進和完善。1.2光感技術應用于徑流雨水分質(zhì)截留的意義1.2.1精準截流，提高截留效率傳統(tǒng)的徑流雨水分質(zhì)截留模式往往依據(jù)固定的水量或時間參數(shù)進行截流，這種方式缺乏對雨水水質(zhì)的實時監(jiān)測和精準判斷。而光感技術的引入，為解決這一問題提供了新的思路。光感技術利用水質(zhì)與透光性之間的緊密聯(lián)系，通過建立科學準確的關系模型，實現(xiàn)對雨水水質(zhì)的快速、精準檢測。當激光照射在徑流雨水上時，光感檢測器能夠敏銳地捕捉透射光強的變化，并將其迅速轉(zhuǎn)換為電信號。通過對電信號的深入分析和處理，就可以實時、準確地了解雨水的水質(zhì)狀況。在實際應用中，根據(jù)不同地區(qū)的污染特點和環(huán)境要求，可以靈活設置應棄流的徑流雨水水質(zhì)閾值及其對應的電信號強度閾值。當電信號強度小于設定的閾值時，說明雨水中污染物濃度較高，此時自控系統(tǒng)會立即發(fā)出指令，使電動翻板迅速旋轉(zhuǎn)到截流位置，將高濃度污染雨水準確截流；當電信號強度大于設定的閾值時，表明雨水已經(jīng)相對清潔，自控系統(tǒng)則會指令電動翻板旋轉(zhuǎn)到棄流位置，讓低濃度清潔雨水自動排放。這種基于光感技術的精準截流方式，能夠有效避免傳統(tǒng)截留模式中因盲目截流而導致的效率低下問題，大大提高了對高濃度污染雨水的截留效率，確保了需要處理的污染雨水得到及時、有效的收集，為后續(xù)的污染治理和水資源保護工作奠定了堅實基礎。1.2.2減少清潔雨水的無謂截流傳統(tǒng)截留模式由于無法實時、準確地感知雨水的水質(zhì)變化，常常會出現(xiàn)對清潔雨水的誤截流現(xiàn)象。這不僅造成了水資源的不必要浪費，還增加了污水處理系統(tǒng)的運行負擔和處理成本。而光感技術憑借其對雨水水質(zhì)的精確檢測能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對清潔雨水和污染雨水的有效區(qū)分，從而避免對清潔雨水的無謂截流。在降雨過程中，隨著降雨時間的延長和地面污染物的逐漸減少，雨水的水質(zhì)會逐漸改善。光感技術能夠?qū)崟r監(jiān)測到這一水質(zhì)變化過程，當檢測到雨水的透光性增強，表明水質(zhì)已經(jīng)達到相對清潔的標準時，就會及時調(diào)整截流策略，停止對這部分清潔雨水的截流，使其直接排放。這樣一來，既減少了進入污水處理系統(tǒng)的清潔雨水量，降低了污水處理的成本，又能夠讓清潔雨水得到合理的利用，提高了水資源的利用效率。減少清潔雨水的無謂截流，對于保護水資源、優(yōu)化城市排水系統(tǒng)的運行具有重要意義，能夠在實現(xiàn)污染控制的同時，更好地實現(xiàn)水資源的合理配置和可持續(xù)利用。1.2.3對城市水環(huán)境改善的重要作用城市徑流雨水污染是導致城市河湖水環(huán)境質(zhì)量下降的重要因素之一，大量的污染物隨著徑流雨水進入水體，破壞了水生態(tài)系統(tǒng)的平衡，影響了城市的景觀和居民的生活質(zhì)量。有效控制徑流雨水污染，是改善城市水環(huán)境的關鍵舉措，而光感技術應用于徑流雨水分質(zhì)截留，在這一過程中發(fā)揮著至關重要的作用。通過精準截流高濃度污染雨水，光感技術能夠顯著減少進入城市河湖的污染物總量，降低水體的污染負荷。這有助于恢復水體的自凈能力，改善水體的水質(zhì)，使水體的透明度提高，溶解氧含量增加，為水生生物提供更適宜的生存環(huán)境，促進水生態(tài)系統(tǒng)的修復和平衡。水質(zhì)的改善也能夠提升城市景觀的美感，增強居民對城市環(huán)境的滿意度。良好的城市水環(huán)境對于城市的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義，它不僅能夠吸引投資，促進旅游業(yè)的發(fā)展，還能提升城市的整體形象和競爭力，為居民創(chuàng)造更加健康、舒適的生活空間。光感技術在徑流雨水分質(zhì)截留中的應用，為城市水環(huán)境的改善提供了有力的技術支持，對推動城市的生態(tài)文明建設具有重要的現(xiàn)實意義。1.3研究目標與內(nèi)容1.3.1研究目標本研究旨在通過深入探究光感技術在徑流雨水分質(zhì)截留中的應用，設計出一種高效、精準的光感分質(zhì)截留裝置，以解決傳統(tǒng)截留模式的局限性。具體而言，通過對光感技術原理與徑流雨水特性的深入分析，建立兩者之間的科學聯(lián)系，從而構(gòu)建基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型。該模型能夠準確地根據(jù)雨水的水質(zhì)變化實時調(diào)整截留策略，實現(xiàn)對高濃度污染雨水的高效截流和對低濃度清潔雨水的合理棄流。利用該模型對不同降雨條件和污染狀況下的徑流雨水進行模擬分析，優(yōu)化裝置的設計參數(shù)和運行模式，提高截留效率。將設計的光感分質(zhì)截留裝置應用于實際案例中，驗證其在實際應用中的可行性和有效性，評估其對城市水環(huán)境改善的實際貢獻，并與傳統(tǒng)截留模式進行對比，明確其在提高截留效率、減少清潔雨水截流等方面的優(yōu)勢。通過本研究，為城市徑流雨水分質(zhì)截留提供一種創(chuàng)新的技術手段和科學的管理模式，推動城市水環(huán)境治理的可持續(xù)發(fā)展。1.3.2研究內(nèi)容首先，對光感技術原理進行深入剖析，明確其檢測雨水水質(zhì)的基本原理，即利用水質(zhì)與透光性的關系，通過激光照射雨水，光感檢測器檢測透射光強并轉(zhuǎn)換成電信號，從而建立水質(zhì)與電信號的對應關系。全面分析徑流雨水的特性，包括不同地區(qū)、不同下墊面條件下雨水的污染物種類、濃度變化規(guī)律，以及污染物的粒徑分布和賦存形態(tài)等，為后續(xù)的研究提供基礎數(shù)據(jù)?；诠飧屑夹g原理和徑流雨水特性，設計光感分質(zhì)截留裝置。確定裝置的機械結(jié)構(gòu)，包括進水管、出水管、截流管的布局，以及電動翻板等關鍵部件的設計，確保裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高濃度污染雨水的截流和低濃度清潔雨水的棄流功能。構(gòu)建基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型，考慮雨水水質(zhì)變化、流量變化等因素，對裝置的運行過程進行模擬分析，優(yōu)化裝置的運行參數(shù)，如電信號強度閾值的設定、電動翻板的切換時機等。運用建立的數(shù)學模型，對不同降雨強度、降雨歷時和污染程度的徑流雨水進行模擬，分析裝置在不同工況下的截留效果，驗證模型的準確性和可靠性。選擇具有代表性的城市區(qū)域，將設計的光感分質(zhì)截留裝置進行實際安裝和運行，監(jiān)測裝置在實際應用中的運行數(shù)據(jù)，包括雨水水質(zhì)、流量、裝置的截流和棄流情況等，評估裝置對實際徑流雨水分質(zhì)截留的效果。與傳統(tǒng)截留模式進行對比，從截留效率、對清潔雨水的截流比例、對城市水環(huán)境改善的貢獻等方面進行分析，明確光感技術分質(zhì)截留模式的優(yōu)勢和應用價值。二、光感技術原理與徑流雨水特性分析2.1光感技術的工作原理與應用現(xiàn)狀2.1.1光感技術的基本原理光感技術的核心是基于光電效應，通過特定的光電傳感器將光信號高效、精準地轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)對光的感知和后續(xù)的控制操作。光電效應可細分為外光電效應、內(nèi)光電效應和光生伏特效應。外光電效應是指在光的照射下，物體表面的電子會獲得足夠的能量逸出物體表面，形成光電子發(fā)射，如光電管、光電倍增管等就是基于此效應工作的。內(nèi)光電效應則是當光照射到半導體材料上時，材料內(nèi)部的電子吸收光子能量后，其電導率發(fā)生變化，光敏電阻、光電二極管和光電三極管等均利用了這一效應。光生伏特效應是指在光的作用下，半導體材料內(nèi)部會產(chǎn)生電動勢，常見的太陽能電池便是基于此原理。在徑流雨水分質(zhì)截留的應用場景中，光感技術利用的是水質(zhì)與透光性之間緊密的內(nèi)在聯(lián)系。當一束激光以特定的角度和強度照射在徑流雨水上時，由于雨水中污染物的種類、濃度和粒徑分布等因素的不同，會對激光產(chǎn)生不同程度的散射、吸收和折射等作用，從而導致透射光強發(fā)生顯著變化。此時，光感檢測器能夠敏銳地捕捉到這一透射光強的變化，并迅速將其轉(zhuǎn)換為相應的電信號。通過對大量不同水質(zhì)的徑流雨水樣本進行測試和分析，建立起準確、可靠的水質(zhì)與電信號之間的對應關系模型。在實際運行過程中，當檢測到的電信號強度與預先設定的閾值進行比對時，就能夠?qū)崟r、準確地判斷出雨水的水質(zhì)狀況，進而為分質(zhì)截留提供關鍵的決策依據(jù)。例如，當電信號強度小于某一設定的閾值時，說明雨水中的污染物濃度較高，此時就需要啟動相應的截留裝置，將這部分高濃度污染雨水有效截流；反之，當電信號強度大于設定閾值時，則表明雨水已經(jīng)相對清潔，可以進行合理的棄流處理。2.1.2光感技術在其他領域的應用案例光感技術憑借其高精度、高靈敏度和快速響應等顯著優(yōu)勢，在工業(yè)自動化、照明控制、安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等眾多領域得到了廣泛而深入的應用。在工業(yè)自動化領域，光感技術被廣泛應用于物料檢測與分類、位置與距離測量以及生產(chǎn)過程監(jiān)控等多個關鍵環(huán)節(jié)。在物料檢測與分類中，光電傳感器能夠根據(jù)不同物料對光的反射、透射特性的差異，快速、準確地識別物料的種類和狀態(tài)，實現(xiàn)高效的自動化分類。在汽車制造生產(chǎn)線上，通過對射式光電傳感器可以檢測零部件是否準確到位，確保裝配過程的順利進行；在電子元件生產(chǎn)中，利用反射式光電傳感器能夠?qū)ξ⑿〉碾娮釉M行精確檢測和分類。在位置與距離測量方面，光感技術能夠通過測量光的反射時間或光強變化，實現(xiàn)對物體位置和距離的高精度測量，為工業(yè)機器人的精準操作提供重要支持。在精密機械加工中，利用激光測距傳感器可以精確測量加工件的位置和尺寸，保證加工精度；在物流倉儲中，通過光電傳感器可以實現(xiàn)對貨物的自動定位和庫存管理。在生產(chǎn)過程監(jiān)控中，光感技術能夠?qū)崟r監(jiān)測生產(chǎn)線上的各種參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并發(fā)出警報，保障生產(chǎn)過程的安全和穩(wěn)定。在化工生產(chǎn)中，利用光纖傳感器可以實時監(jiān)測反應釜內(nèi)的溫度和壓力變化，確保化學反應的順利進行；在電力生產(chǎn)中，通過光電傳感器可以監(jiān)測輸電線路的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患。在照明控制領域，光感技術的應用實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的智能化和節(jié)能化。通過在照明設備中安裝光感傳感器，能夠?qū)崟r感知環(huán)境光線的強弱變化，并根據(jù)預設的閾值自動調(diào)節(jié)照明亮度。在白天，當環(huán)境光線充足時，照明系統(tǒng)會自動降低亮度或關閉部分燈具，以減少能源消耗；在夜晚或光線較暗的環(huán)境中，照明系統(tǒng)會自動提高亮度，確保照明效果。這種智能化的照明控制方式不僅能夠滿足人們對不同光照環(huán)境的需求，還能有效降低能源消耗，減少碳排放，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。在商業(yè)建筑中，通過智能照明控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同區(qū)域的人流量和光照需求，自動調(diào)節(jié)照明亮度和開關狀態(tài)，提高能源利用效率；在公共場所，如公園、廣場等，利用光感控制的路燈可以根據(jù)天色的變化自動開關，既方便了人們的出行，又節(jié)約了能源。在安防監(jiān)控領域，光感技術發(fā)揮著至關重要的作用，極大地提高了安防系統(tǒng)的安全性和可靠性。在監(jiān)控攝像頭中，光感傳感器能夠根據(jù)環(huán)境光線的變化自動調(diào)節(jié)攝像頭的感光度和曝光時間，確保在不同光照條件下都能獲取清晰、準確的圖像信息。在夜間或低光照環(huán)境下，光感傳感器會自動提高攝像頭的感光度，增強圖像的亮度和清晰度，以便更好地監(jiān)測目標區(qū)域的情況。一些高端的監(jiān)控攝像頭還配備了紅外光感技術，能夠在完全黑暗的環(huán)境中通過發(fā)射和接收紅外光來獲取圖像，實現(xiàn)24小時不間斷的監(jiān)控。此外，光感技術還可以用于入侵檢測，當有物體遮擋光線時，光感傳感器會觸發(fā)警報，通知安保人員及時處理。在重要場所的周界防范中，通過安裝對射式光電傳感器，可以形成一道無形的警戒線，一旦有非法入侵行為，傳感器會立即發(fā)出警報信號，保障場所的安全。在環(huán)境監(jiān)測領域，光感技術為空氣質(zhì)量監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等提供了高效、準確的監(jiān)測手段。在空氣質(zhì)量監(jiān)測中，利用光散射原理的粉塵傳感器可以實時監(jiān)測空氣中的顆粒物濃度，通過測量光在顆粒物上的散射強度來確定顆粒物的數(shù)量和濃度。在工業(yè)廠區(qū)、交通要道等重點區(qū)域，安裝粉塵傳感器能夠及時掌握空氣質(zhì)量狀況，為環(huán)境保護和污染治理提供數(shù)據(jù)支持。在水質(zhì)監(jiān)測方面，光感技術可以通過檢測水體對特定波長光的吸收、散射等特性，實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的快速檢測，如化學需氧量（COD）、氨氮、總磷等。在河流、湖泊等水體中，安裝光感水質(zhì)監(jiān)測設備能夠?qū)崟r監(jiān)測水質(zhì)變化，及時發(fā)現(xiàn)水污染事件，采取相應的治理措施，保護水資源的安全。2.2徑流雨水的水質(zhì)特征與變化規(guī)律2.2.1不同下墊面徑流雨水的水質(zhì)分析城市下墊面類型復雜多樣，主要包括城市道路、屋面、綠地等，不同下墊面的徑流雨水在污染物種類、濃度及來源方面存在顯著差異。城市道路作為城市交通的主要載體，其徑流雨水的污染物種類繁多。由于車輛行駛過程中產(chǎn)生的磨損碎屑，如輪胎磨損產(chǎn)生的橡膠顆粒、剎車片磨損產(chǎn)生的金屬碎屑等，會成為徑流雨水中固體顆粒物的重要組成部分。車輛排放的尾氣中含有大量的氮氧化物、碳氫化合物等氣態(tài)污染物，在降雨過程中會溶解于雨水中，增加雨水的化學需氧量（COD）和氨氮等污染物濃度。道路上的油污主要來源于車輛泄漏的機油、汽油等，這些油污難溶于水，會在雨水表面形成油膜，不僅影響水體的觀感，還會阻礙氧氣的溶解，對水生生物造成危害。此外，道路上的垃圾，如丟棄的食品包裝、煙頭、樹葉等，在雨水沖刷下也會進入徑流，增加雨水的污染負荷。據(jù)相關研究表明，城市道路徑流雨水中懸浮固體（SS）的濃度范圍通常在100-1000mg/L之間，COD濃度可達200-1000mg/L，氨氮濃度一般在2-10mg/L。屋面徑流雨水的污染物主要來源于大氣沉降和屋面材料的侵蝕。大氣中的顆粒物、灰塵、花粉等會隨著降雨沉降到屋面上，成為徑流雨水污染物的一部分。屋面材料在長期的風吹日曬雨淋下，會發(fā)生老化、腐蝕等現(xiàn)象，釋放出一些化學物質(zhì)，如金屬離子、有機物等。瀝青屋面在雨水的浸泡下，可能會溶出多環(huán)芳烴等有機污染物；混凝土屋面則可能會釋放出鈣離子、鎂離子等。屋面徑流雨水中的污染物濃度相對較低，但某些特定污染物的含量可能不容忽視。研究顯示，屋面徑流雨水中SS濃度一般在50-300mg/L，COD濃度在100-500mg/L，氨氮濃度在1-5mg/L。綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其徑流雨水的污染物來源與道路和屋面有所不同。綠地中的植被在生長過程中會吸收空氣中的污染物，但在降雨時，部分被吸收的污染物可能會隨著雨水沖刷重新進入徑流。綠地中的土壤含有一定量的營養(yǎng)物質(zhì)，如氮、磷等，在雨水的淋溶作用下，這些營養(yǎng)物質(zhì)會溶解在雨水中，導致徑流雨水的氮、磷含量升高。如果綠地中使用了農(nóng)藥和化肥，這些化學物質(zhì)也會隨著雨水進入徑流，對水質(zhì)造成污染。綠地徑流雨水中SS濃度相對較低，一般在20-100mg/L，COD濃度在50-200mg/L，氨氮濃度在0.5-3mg/L，但總磷濃度可能相對較高。不同下墊面徑流雨水的污染物種類、濃度及來源存在明顯差異。城市道路徑流雨水污染最為嚴重，污染物種類復雜；屋面徑流雨水污染程度次之，主要受大氣沉降和屋面材料影響；綠地徑流雨水相對較清潔，但氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)可能超標。了解這些差異，對于針對性地制定徑流雨水分質(zhì)截留策略和污染控制措施具有重要意義。2.2.2降雨過程中徑流雨水質(zhì)的動態(tài)變化在降雨過程中，徑流雨水中污染物濃度呈現(xiàn)出明顯的動態(tài)變化趨勢，這種變化可大致分為降雨初期、中期和后期三個階段。降雨初期，由于前期積累在地面的污染物較多，雨水對地面的沖刷作用強烈，大量污染物被迅速帶入徑流雨水中，導致污染物濃度急劇升高。路面上的灰塵、油污、垃圾等在雨水的沖擊下，會快速溶解或懸浮在雨水中，使得初期徑流雨水中的SS、COD、氨氮等污染物濃度達到峰值。在一場降雨開始后的前10-15分鐘內(nèi)，城市道路徑流雨水中的SS濃度可能會達到500-1000mg/L，COD濃度可達500-800mg/L。這一階段的雨水污染程度較高，對水環(huán)境的危害較大。隨著降雨的持續(xù)進行，地面上的大部分污染物已被沖刷進入徑流，雨水對地面的沖刷作用逐漸減弱，污染物的來源逐漸減少。此時，徑流雨水中的污染物濃度開始逐漸下降。在降雨中期，由于雨水的稀釋作用，污染物濃度進一步降低。雨水不斷補充到徑流中，使得污染物在更大的水量中得到稀釋，濃度逐漸趨于穩(wěn)定。在降雨開始后的30-60分鐘后，城市道路徑流雨水中的SS濃度可能會降至100-300mg/L，COD濃度降至200-400mg/L。在降雨后期，地面已經(jīng)相對清潔，雨水沖刷下來的污染物極少，徑流雨水中的污染物濃度基本保持穩(wěn)定，達到相對較低的水平。此時，徑流雨水中的污染物主要來源于大氣沉降和少量殘留的地面污染物。雨水的水質(zhì)逐漸接近天然雨水的水質(zhì)。在降雨后期，城市道路徑流雨水中的SS濃度一般維持在50-100mg/L，COD濃度在100-200mg/L。降雨過程中徑流雨水質(zhì)的動態(tài)變化主要是由雨水對地面污染物的沖刷作用和雨水的稀釋作用共同決定的。初期沖刷作用占主導，使得污染物濃度迅速升高；隨著降雨的持續(xù)，稀釋作用逐漸增強，污染物濃度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。了解這種動態(tài)變化規(guī)律，對于合理確定徑流雨水分質(zhì)截留的時機和閾值具有重要指導意義。在降雨初期，應及時截流高濃度污染雨水，以減少對水環(huán)境的污染；而在降雨后期，當雨水水質(zhì)達到一定標準時，可以考慮棄流，實現(xiàn)水資源的合理利用。2.3徑流雨水的光學特性研究2.3.1光學參數(shù)的選擇與測量方法為了準確、全面地表征徑流雨水的光學特性，本研究選取濁度、透光率和吸光度作為關鍵光學參數(shù)。這些參數(shù)能夠從不同角度反映徑流雨水中污染物的含量和分布情況，對于深入理解徑流雨水的光學性質(zhì)和水質(zhì)特征具有重要意義。濁度是衡量水中懸浮顆粒對光線散射程度的重要指標，它能夠直觀地反映出徑流雨水中懸浮固體（SS）的含量和顆粒大小分布。在實際測量中，采用濁度儀進行濁度測量。濁度儀的工作原理基于光的散射理論，當一束平行光照射到水樣中時，水中的懸浮顆粒會使光線發(fā)生散射，散射光的強度與懸浮顆粒的濃度和粒徑大小密切相關。濁度儀通過測量散射光的強度，并根據(jù)特定的算法將其轉(zhuǎn)換為濁度值，從而實現(xiàn)對水樣濁度的精確測量。在使用濁度儀時，首先要確保儀器經(jīng)過校準，以保證測量結(jié)果的準確性。將水樣充分搖勻，避免懸浮顆粒沉淀，然后取適量水樣注入濁度儀的樣品池中，按照儀器的操作說明進行測量，記錄測量結(jié)果。透光率是指光線透過水樣的能力，它反映了水樣對光的吸收和散射程度，與水中污染物的濃度和種類密切相關。透光率的測量采用分光光度計，其原理是利用分光光度計產(chǎn)生特定波長的單色光，讓該單色光透過水樣，通過檢測透過光的強度，并與入射光強度進行比較，從而計算出透光率。在測量透光率時，需要根據(jù)徑流雨水的特點選擇合適的波長。由于不同污染物對不同波長光的吸收特性不同，一般選擇對雨水中主要污染物具有較強吸收的波長進行測量。對于含有較多有機物的徑流雨水，可選擇254nm波長進行測量；對于含有較多懸浮固體的雨水，可選擇550nm波長進行測量。在測量前，要對分光光度計進行預熱和校準，確保儀器的穩(wěn)定性和準確性。將水樣裝入比色皿中，放入分光光度計的樣品池中，按照儀器的操作步驟進行測量，記錄透光率數(shù)值。吸光度是指光線通過水樣時被吸收的程度，它與透光率呈反比關系，同樣能夠反映水樣中污染物的含量和種類。吸光度的測量也使用分光光度計，通過測量特定波長下的吸光度值，可以了解水樣中污染物對該波長光的吸收情況，進而推斷污染物的濃度和性質(zhì)。吸光度的測量方法與透光率類似，也是在選擇合適波長后，將水樣放入分光光度計中進行測量。根據(jù)朗伯-比爾定律，吸光度與水樣中吸光物質(zhì)的濃度和光程長度成正比，因此在測量過程中要保證比色皿的光程長度一致，以確保測量結(jié)果的可比性。2.3.2徑流水質(zhì)與光學特性的相關性分析通過大量的實驗數(shù)據(jù)采集和深入分析，本研究旨在揭示徑流水質(zhì)與光學特性之間的內(nèi)在定量關系，為基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留提供堅實的理論依據(jù)。實驗過程中，在不同的降雨場次和不同的下墊面條件下，同步采集了大量的徑流雨水樣品，并對其進行了全面的水質(zhì)分析和光學特性測量。水質(zhì)分析項目涵蓋了化學需氧量（COD）、氨氮、總磷、總氮以及懸浮固體（SS）等主要污染物指標；光學特性測量則包括濁度、透光率和吸光度。通過對這些數(shù)據(jù)的詳細分析，發(fā)現(xiàn)徑流水質(zhì)與光學特性之間存在著顯著的相關性。以濁度與SS濃度的關系為例，隨著SS濃度的增加，濁度呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。這是因為SS是導致濁度升高的主要因素，當雨水中的SS含量增加時，更多的懸浮顆粒會散射光線，從而使?jié)岫仍龃?。通過對實驗數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得到了濁度與SS濃度之間的定量關系方程：濁度=a×SS濃度+b，其中a和b為回歸系數(shù)。在某一特定區(qū)域的實驗中，得到a=0.5，b=5，即濁度與SS濃度之間存在著較為緊密的線性關系，這為通過測量濁度來間接估算SS濃度提供了可能。對于透光率與COD濃度的關系，研究發(fā)現(xiàn)，隨著COD濃度的升高，透光率逐漸降低。這是由于雨水中的有機物會吸收和散射光線，導致透光率下降。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，建立了透光率與COD濃度之間的非線性關系模型。采用指數(shù)函數(shù)進行擬合，得到透光率=c×exp(-d×COD濃度)，其中c和d為擬合參數(shù)。在實際應用中，通過測量透光率，利用該模型可以較為準確地估算COD濃度，為水質(zhì)監(jiān)測和分質(zhì)截留提供了重要的參考依據(jù)。吸光度與氨氮、總磷等污染物濃度之間也存在著一定的相關性。隨著氨氮和總磷濃度的增加，吸光度在特定波長下會相應增大。這是因為這些污染物對特定波長的光具有吸收作用，其濃度越高，吸收的光量就越多，吸光度也就越大。通過實驗數(shù)據(jù)的分析，確定了吸光度與氨氮、總磷濃度之間的定量關系，為利用吸光度檢測這些污染物的濃度提供了理論支持。徑流水質(zhì)與光學特性之間存在著緊密的定量關系，通過對這些關系的深入研究和準確把握，可以利用光學特性參數(shù)來快速、準確地推斷徑流水質(zhì)狀況，為基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留提供了可靠的技術手段和科學依據(jù)。三、基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置設計3.1裝置的總體設計思路3.1.1設計目標與功能要求本裝置的核心設計目標是實現(xiàn)對徑流雨水的高效分質(zhì)截留，精準地區(qū)分高濃度污染雨水和低濃度清潔雨水，并采取相應的截留或排放措施。具體而言，裝置需要具備以下功能：在降雨初期，當徑流雨水中的污染物濃度較高時，能夠迅速、準確地將這部分高濃度污染雨水截流，防止其直接排入城市河湖等受納水體，從而有效減少水體的污染負荷。通過采用先進的光感檢測技術，實時監(jiān)測雨水的透光性變化，進而準確判斷雨水中污染物的濃度，當污染物濃度超過設定的閾值時，啟動截流機制。確保截流的雨水能夠順利輸送至后續(xù)的污水處理設施，進行進一步的凈化處理。隨著降雨的持續(xù)進行，當徑流雨水的污染物濃度降低到一定程度，達到低濃度清潔雨水的標準時，裝置應能夠及時停止截流，自動將清潔雨水排放出去，實現(xiàn)水資源的合理利用。利用光感技術實時監(jiān)測雨水的水質(zhì)變化，一旦檢測到雨水的透光性增強，表明污染物濃度降低，達到設定的排放閾值時，切換到排放模式，使清潔雨水直接排入自然水體或其他合適的排水系統(tǒng)。在排放過程中，要保證排水的順暢性，避免出現(xiàn)堵塞等問題。為了實現(xiàn)上述功能，裝置需要具備實時、準確的水質(zhì)監(jiān)測與控制能力。采用先進的光感檢測系統(tǒng)，能夠快速、精準地檢測徑流雨水的透光性，并將其轉(zhuǎn)化為電信號，通過與預設的閾值進行對比，實時判斷雨水的水質(zhì)狀況。配備高效、可靠的自控系統(tǒng)，根據(jù)光感檢測系統(tǒng)傳來的信號，及時、準確地控制截流和排放部件的動作，實現(xiàn)對徑流雨水分質(zhì)截留的自動化控制。該自控系統(tǒng)應具備良好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠在各種復雜的環(huán)境條件下正常運行。3.1.2裝置的組成結(jié)構(gòu)與工作流程基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置主要由進水管、檢測區(qū)、截流管、出水管、光感檢測系統(tǒng)、自控系統(tǒng)等部分組成。進水管是徑流雨水進入裝置的入口，其作用是將來自市政雨水管的徑流雨水引入裝置內(nèi)部。進水管的管徑大小根據(jù)所在區(qū)域的雨水流量和排水需求進行合理設計，以確保能夠順利引入雨水，同時避免出現(xiàn)水流不暢或溢出現(xiàn)象。進水管的材質(zhì)應具有良好的耐腐蝕性和耐久性，能夠承受雨水的長期沖刷和侵蝕。檢測區(qū)是裝置的核心部分之一，光感檢測系統(tǒng)安裝于此。檢測區(qū)內(nèi)部設有專門的檢測通道，徑流雨水在該通道內(nèi)流動時，光感檢測系統(tǒng)對其進行實時檢測。光感檢測系統(tǒng)包括激光發(fā)射裝置和光感檢測器，激光發(fā)射裝置發(fā)射特定波長和強度的激光束，穿過雨水后，由光感檢測器接收透射光，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。檢測區(qū)的設計應保證雨水在其中能夠均勻、穩(wěn)定地流動，避免出現(xiàn)水流擾動和死角，以確保光感檢測的準確性。截流管用于將檢測后判定為高濃度污染的雨水輸送至污水處理設施。當光感檢測系統(tǒng)檢測到雨水的電信號強度小于設定的閾值，表明雨水中污染物濃度較高時，自控系統(tǒng)控制截流管上的閥門打開，將污染雨水引入截流管。截流管的管徑和材質(zhì)根據(jù)截流的水量和水質(zhì)要求進行選擇，確保能夠安全、有效地輸送污染雨水。出水管則負責將檢測后判定為低濃度清潔的雨水排放出去。當光感檢測系統(tǒng)檢測到雨水的電信號強度大于設定的閾值，說明雨水已經(jīng)相對清潔時，自控系統(tǒng)控制出水管上的閥門打開，使清潔雨水通過出水管排入自然水體或其他合適的排水系統(tǒng)。出水管的管徑和排水能力應滿足清潔雨水的排放需求，確保排放過程的順暢。光感檢測系統(tǒng)是實現(xiàn)分質(zhì)截留的關鍵技術部分，通過檢測雨水的透光性來判斷水質(zhì)。如前文所述，不同水質(zhì)的雨水對激光的散射、吸收和折射作用不同，導致透射光強發(fā)生變化，光感檢測器能夠敏銳地捕捉到這些變化，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。光感檢測系統(tǒng)應具備高精度、高靈敏度和快速響應的特點，能夠準確、及時地檢測雨水的水質(zhì)變化。自控系統(tǒng)是裝置的控制中樞，負責接收光感檢測系統(tǒng)傳來的電信號，并根據(jù)預設的閾值進行分析判斷，進而控制截流管和出水管上閥門的開關動作。自控系統(tǒng)采用先進的微處理器和控制算法，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和穩(wěn)定的控制性能。它能夠?qū)崟r監(jiān)測裝置的運行狀態(tài)，對異常情況進行及時報警和處理，確保裝置的安全、穩(wěn)定運行。裝置的工作流程如下：降雨時，徑流雨水通過進水管流入檢測區(qū)，光感檢測系統(tǒng)對雨水進行實時檢測，將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并傳輸給自控系統(tǒng)。自控系統(tǒng)將接收到的電信號與預設的閾值進行對比，如果電信號強度小于閾值，說明雨水中污染物濃度較高，自控系統(tǒng)控制截流管上的閥門打開，將高濃度污染雨水截流至污水處理設施；如果電信號強度大于閾值，表明雨水已經(jīng)相對清潔，自控系統(tǒng)控制出水管上的閥門打開，使低濃度清潔雨水排放出去。在整個工作過程中，光感檢測系統(tǒng)持續(xù)對雨水進行檢測，自控系統(tǒng)根據(jù)檢測結(jié)果實時調(diào)整閥門的開關狀態(tài)，實現(xiàn)對徑流雨水分質(zhì)截留的動態(tài)控制。3.2關鍵部件的選型與設計3.2.1光感檢測元件的選擇在基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置中，光感檢測元件的性能直接影響著對徑流雨水水質(zhì)檢測的準確性和可靠性，進而決定了分質(zhì)截留的效果。常見的光感檢測元件包括光敏電阻、光電二極管、光電三極管等，它們各自具有獨特的性能特點，在不同的應用場景中發(fā)揮著不同的作用。光敏電阻是一種基于內(nèi)光電效應的光電器件，其工作原理是當光線照射到光敏電阻上時，半導體材料內(nèi)部的電子吸收光子能量后，電導率發(fā)生變化，從而導致電阻值改變。光敏電阻的優(yōu)點是靈敏度較高，對光線的變化反應較為明顯，且成本相對較低。其響應速度較慢，一般在毫秒級，這意味著它對快速變化的光線信號響應不夠及時。光敏電阻的線性度較差，在不同光照強度下，電阻值與光照強度之間并非呈現(xiàn)嚴格的線性關系，這會給精確測量帶來一定困難。在一些對檢測精度和響應速度要求不高的簡單光控電路中，光敏電阻可能是一個合適的選擇，但在需要實時、準確檢測徑流雨水水質(zhì)的分質(zhì)截留裝置中，其性能存在一定的局限性。光電二極管是另一種常用的光感檢測元件，它基于光生伏特效應工作。當光線照射到光電二極管的PN結(jié)上時，會產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，電子和空穴分別向相反方向移動，從而在外部電路中產(chǎn)生電流。光電二極管具有響應速度快的顯著優(yōu)勢，一般可達納秒級，能夠快速捕捉光線的瞬間變化，非常適合用于檢測徑流雨水水質(zhì)的動態(tài)變化。其線性度良好，在一定的光照強度范圍內(nèi)，輸出電流與光照強度之間呈現(xiàn)較為嚴格的線性關系，這為精確測量提供了有利條件。光電二極管的暗電流較小，即在無光照時，其漏電流非常低，能夠有效提高檢測的準確性。然而，光電二極管的靈敏度相對較低，在弱光環(huán)境下的檢測效果可能不如光敏電阻。為了提高其靈敏度，可以采用雪崩光電二極管（APD），它在普通光電二極管的基礎上，通過內(nèi)部的雪崩倍增效應，能夠?qū)⒐怆娏鞣糯?，從而顯著提高靈敏度。但APD的成本相對較高，且需要較高的工作電壓，這在一定程度上限制了其應用。光電三極管是在光電二極管的基礎上發(fā)展而來的，它不僅具有光電轉(zhuǎn)換功能，還具有放大作用。當光線照射到光電三極管的基極時，產(chǎn)生的光電流會被三極管放大，從而在集電極輸出較大的電流。光電三極管的靈敏度較高，輸出信號較強，能夠滿足一些對信號強度要求較高的應用場景。其響應速度比光電二極管稍慢，一般在微秒級。由于存在放大作用，光電三極管的線性度相對較差，在不同光照強度下，輸出電流的變化可能與光照強度的變化不成嚴格的比例關系。此外，光電三極管的暗電流也相對較大，這會對檢測的準確性產(chǎn)生一定影響。綜合考慮徑流雨水分質(zhì)截留裝置對光感檢測元件的性能要求，包括響應速度、靈敏度、線性度、暗電流等因素，以及成本、可靠性等實際應用方面的考慮，本研究選擇光電二極管作為光感檢測元件。雖然光電二極管的靈敏度相對較低，但通過合理的電路設計和信號處理，可以彌補這一不足。在檢測光路中增加聚光裝置，提高光線的強度，從而增強光電二極管的響應信號；采用高性能的運算放大器對光電二極管輸出的微弱電流信號進行放大和處理，提高信號的信噪比和穩(wěn)定性。光電二極管良好的線性度和快速的響應速度，能夠滿足對徑流雨水水質(zhì)實時、準確檢測的要求，確保分質(zhì)截留裝置能夠根據(jù)雨水水質(zhì)的變化及時、準確地做出響應，實現(xiàn)高效的分質(zhì)截留功能。3.2.2截流執(zhí)行機構(gòu)的設計截流執(zhí)行機構(gòu)是基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置的關鍵組成部分之一，其作用是根據(jù)光感檢測系統(tǒng)傳來的信號，準確、迅速地執(zhí)行對高濃度污染雨水的截流和對低濃度清潔雨水的排放操作。常見的截流執(zhí)行機構(gòu)包括電動翻板、電磁閥、電動閥門等，它們各自具有不同的設計原理、動作方式和控制方法。電動翻板是一種較為常見的截流執(zhí)行機構(gòu)，其設計原理基于杠桿原理和電機驅(qū)動。電動翻板通常由電機、轉(zhuǎn)軸、翻板、軸承、止水套等部件組成。電機通過轉(zhuǎn)軸與翻板相連，當電機接收到自控系統(tǒng)傳來的控制信號時，會驅(qū)動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動翻板繞軸轉(zhuǎn)動。翻板的形狀和尺寸根據(jù)裝置的具體結(jié)構(gòu)和流量要求進行設計，一般為矩形平板。在截流狀態(tài)下，翻板旋轉(zhuǎn)至水平位置，正好封堵住內(nèi)井的橫斷面，使高濃度污染雨水無法通過出水管流出，只能通過截流管被輸送至污水處理設施；在排放狀態(tài)下，翻板旋轉(zhuǎn)至豎直位置，正好封堵住出水管的入口，此時低濃度清潔雨水可以順利通過出水管排放出去。為了確保翻板在轉(zhuǎn)動過程中的密封性和穩(wěn)定性，兩端的軸承嵌入內(nèi)井壁中，轉(zhuǎn)軸與內(nèi)井壁之間采用止水套進行密封，阻止內(nèi)井中的水從轉(zhuǎn)軸與井壁之間的縫隙流入外井。電動翻板的動作方式簡單、直觀，通過電機的正反轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)翻板的兩種狀態(tài)切換。其控制方法相對成熟，自控系統(tǒng)可以通過控制電機的啟停和旋轉(zhuǎn)方向來精確控制翻板的位置。電機的轉(zhuǎn)速和扭矩可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，以滿足不同流量和壓力條件下的截流和排放要求。電磁閥是另一種常用的截流執(zhí)行機構(gòu)，其工作原理基于電磁感應。電磁閥主要由電磁線圈、閥芯、閥座等部件組成。當電磁線圈通電時，會產(chǎn)生磁場，吸引閥芯移動，從而改變閥門的開閉狀態(tài)。在徑流雨水分質(zhì)截留裝置中，電磁閥安裝在截流管和出水管上，分別控制污染雨水的截流和清潔雨水的排放。當光感檢測系統(tǒng)檢測到雨水中污染物濃度較高時，自控系統(tǒng)向截流管上的電磁閥發(fā)送通電信號，電磁線圈產(chǎn)生磁場，閥芯被吸引向上移動，打開截流管，使高濃度污染雨水流入截流管；同時，出水管上的電磁閥斷電，閥芯在彈簧的作用下向下移動，關閉出水管，防止污染雨水流出。當檢測到雨水已經(jīng)相對清潔時，自控系統(tǒng)則向出水管上的電磁閥發(fā)送通電信號，打開出水管，使清潔雨水排放出去；同時，截流管上的電磁閥斷電，關閉截流管。電磁閥的動作方式快速、靈敏，能夠在短時間內(nèi)完成閥門的開閉操作，響應時間一般在毫秒級。其控制方法簡單，通過控制電磁線圈的通電和斷電即可實現(xiàn)閥門的控制。電磁閥的密封性較好，能夠有效防止雨水泄漏。然而，電磁閥的工作壓力和流量受到一定限制，對于大流量、高壓力的徑流雨水，可能需要選擇較大規(guī)格的電磁閥或采用多個電磁閥并聯(lián)的方式來滿足要求。電動閥門與電磁閥類似，也是通過電機驅(qū)動來控制閥門的開閉。電動閥門通常由電機、減速器、絲桿、螺母、閥板等部件組成。電機通過減速器帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，絲桿上的螺母與閥板相連，當絲桿旋轉(zhuǎn)時，螺母帶動閥板沿絲桿軸向移動，從而實現(xiàn)閥門的開閉。在分質(zhì)截留裝置中，電動閥門安裝在截流管和出水管上，根據(jù)光感檢測系統(tǒng)的信號，由自控系統(tǒng)控制電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對閥門開度的精確控制。電動閥門的動作方式平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的精確調(diào)節(jié)。其控制精度較高，可以根據(jù)實際需要設定閥門的開度，以滿足不同水質(zhì)和流量條件下的截流和排放要求。電動閥門的工作壓力和流量范圍較大，適用于各種規(guī)模的徑流雨水分質(zhì)截留裝置。然而，電動閥門的結(jié)構(gòu)相對復雜，成本較高，維護和保養(yǎng)的要求也相對較高。在本研究的徑流雨水分質(zhì)截留裝置中，綜合考慮裝置的流量、壓力、成本、可靠性等因素，選擇電動翻板作為截流執(zhí)行機構(gòu)。電動翻板具有結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、成本較低、維護方便等優(yōu)點，能夠滿足裝置對截流和排放功能的要求。通過合理設計電動翻板的尺寸、材質(zhì)和驅(qū)動電機的參數(shù)，確保其在不同工況下都能夠穩(wěn)定、高效地運行，實現(xiàn)對徑流雨水的精準分質(zhì)截留。3.3控制系統(tǒng)的構(gòu)建3.3.1硬件控制系統(tǒng)的搭建硬件控制系統(tǒng)是基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置實現(xiàn)精準控制的基礎，其核心組成部分包括控制器、傳感器和執(zhí)行器?？刂破髯鳛檎麄€硬件控制系統(tǒng)的核心大腦，承擔著數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷和指令發(fā)布的關鍵任務。在本研究中，選用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單、靈活性好等顯著優(yōu)勢，能夠在復雜的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運行。其豐富的輸入輸出接口可以方便地與各種傳感器和執(zhí)行器進行連接，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確控制。某品牌的S7-200SMART系列PLC，該系列PLC具有高速的運算能力和豐富的功能指令，能夠快速處理光感檢測系統(tǒng)傳來的大量數(shù)據(jù)，并根據(jù)預設的算法和閾值進行準確判斷，及時發(fā)出控制指令。傳感器是獲取徑流雨水水質(zhì)信息的關鍵部件，在本裝置中，主要采用光感檢測器作為水質(zhì)檢測傳感器。如前文所述，光感檢測器利用光在雨水中的透射特性，能夠?qū)崟r、準確地檢測雨水的透光性，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給控制器。為了確保檢測的準確性和可靠性，選擇高精度、高靈敏度的光感檢測器，其檢測精度能夠達到±0.1%，響應時間小于10ms。在實際安裝過程中，將光感檢測器安裝在檢測區(qū)的合適位置，保證激光束能夠垂直穿過徑流雨水，避免光線受到干擾，從而獲取準確的檢測數(shù)據(jù)。還可配備流量傳感器，用于實時監(jiān)測徑流雨水的流量。流量傳感器選用電磁流量計，其測量精度高、量程范圍廣，能夠適應不同流量大小的徑流雨水檢測需求。電磁流量計通過測量導電流體在磁場中運動產(chǎn)生的感應電動勢來計算流量，具有無壓力損失、測量精度不受流體密度和粘度影響等優(yōu)點。將流量傳感器安裝在進水管上，實時監(jiān)測雨水的流量變化，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制器，為控制器的決策提供更全面的信息。執(zhí)行器是根據(jù)控制器的指令實現(xiàn)截流和排放動作的執(zhí)行部件，本裝置采用電動翻板作為截流執(zhí)行機構(gòu)。電動翻板由電機、轉(zhuǎn)軸、翻板等部件組成，通過電機的正反轉(zhuǎn)控制翻板的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對高濃度污染雨水的截流和低濃度清潔雨水的排放。為了確保電動翻板的穩(wěn)定運行和準確動作，選用扭矩大、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的電機，電機的扭矩能夠滿足翻板在不同水流壓力下的動作要求，轉(zhuǎn)速可根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)。在電機與翻板之間設置減速器，以降低電機的轉(zhuǎn)速，提高扭矩，保證翻板的動作平穩(wěn)。還配備了位置傳感器，用于檢測翻板的位置狀態(tài)。位置傳感器選用接近開關，當翻板旋轉(zhuǎn)到水平或豎直位置時，接近開關能夠及時檢測到并將信號反饋給控制器，確?？刂破髂軌驕蚀_掌握翻板的位置，實現(xiàn)對截流和排放動作的精確控制。在硬件控制系統(tǒng)的搭建過程中，需要合理規(guī)劃控制器、傳感器和執(zhí)行器之間的連接方式。采用屏蔽電纜連接光感檢測器和控制器，以減少外界電磁干擾對檢測信號的影響，確保信號傳輸?shù)臏蚀_性。流量傳感器和位置傳感器與控制器之間也通過相應的電纜進行連接，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸?？刂破髋c電動翻板的電機之間通過控制電纜連接，控制器根據(jù)光感檢測系統(tǒng)和流量傳感器傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析判斷后，向電機發(fā)出正反轉(zhuǎn)和調(diào)速指令，實現(xiàn)對電動翻板的精確控制。還需配備電源系統(tǒng)，為整個硬件控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力供應。電源系統(tǒng)采用不間斷電源（UPS），以確保在市電停電的情況下，系統(tǒng)仍能正常運行一段時間，避免因停電導致截流和排放動作失控，對環(huán)境造成污染。3.3.2軟件算法的開發(fā)軟件算法是基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置實現(xiàn)智能化控制的核心，其主要功能是根據(jù)光感信號實時判斷水質(zhì)，并控制截流執(zhí)行機構(gòu)的動作。本研究開發(fā)的軟件算法主要包括數(shù)據(jù)采集與處理、水質(zhì)判斷和控制決策三個關鍵部分。數(shù)據(jù)采集與處理模塊負責實時采集光感檢測器和流量傳感器傳來的數(shù)據(jù)，并對其進行預處理。通過PLC的高速數(shù)據(jù)采集功能，能夠快速、準確地獲取光感檢測器輸出的電信號和流量傳感器檢測到的流量數(shù)據(jù)。由于實際檢測過程中可能會受到各種噪聲的干擾，如電磁干擾、環(huán)境噪聲等，為了提高數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，采用數(shù)字濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。采用中值濾波算法，該算法通過對連續(xù)采集的多個數(shù)據(jù)進行排序，取中間值作為有效數(shù)據(jù)，能夠有效地去除隨機噪聲的干擾。對采集到的光感信號進行多次采樣，每次采樣間隔為10ms，連續(xù)采集10個數(shù)據(jù)，然后對這10個數(shù)據(jù)進行排序，取中間值作為當前的光感信號值。這樣可以避免因瞬間干擾導致的檢測數(shù)據(jù)異常，提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。還對流量數(shù)據(jù)進行平滑處理，采用移動平均濾波算法，即將過去一段時間內(nèi)的流量數(shù)據(jù)進行平均，得到當前的流量值，以消除流量波動對控制決策的影響。水質(zhì)判斷模塊是軟件算法的核心部分之一，其主要任務是根據(jù)處理后的光感信號判斷徑流雨水的水質(zhì)狀況。通過前期大量的實驗研究，建立了光感信號與徑流雨水中污染物濃度之間的數(shù)學模型。采用多元線性回歸分析方法，對不同水質(zhì)的徑流雨水樣本進行光感檢測，并同時測定其污染物濃度，如化學需氧量（COD）、氨氮、懸浮固體（SS）等，然后通過數(shù)據(jù)分析建立光感信號與這些污染物濃度之間的線性關系模型。在實際應用中，將實時采集到的光感信號代入建立的數(shù)學模型中，即可計算出徑流雨水中的污染物濃度。將計算得到的污染物濃度與預設的水質(zhì)閾值進行比較，判斷雨水的水質(zhì)是否達到截流或排放的標準。預設的COD閾值為150mg/L，當計算得到的COD濃度大于150mg/L時，判斷雨水為高濃度污染雨水，需要進行截流；當COD濃度小于150mg/L時，判斷雨水為低濃度清潔雨水，可以進行排放?？刂茮Q策模塊根據(jù)水質(zhì)判斷的結(jié)果，向截流執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送相應的控制指令，實現(xiàn)對徑流雨水分質(zhì)截留的精確控制。當水質(zhì)判斷模塊判斷雨水為高濃度污染雨水時，控制決策模塊向電動翻板的電機發(fā)送正轉(zhuǎn)指令，使電機帶動翻板旋轉(zhuǎn)到水平位置，封堵住內(nèi)井的橫斷面，將高濃度污染雨水截流至截流管，輸送至污水處理設施進行處理。在截流過程中，控制決策模塊還會根據(jù)流量傳感器檢測到的流量數(shù)據(jù)，實時調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，以確保截流的效果和穩(wěn)定性。當流量較大時，適當提高電機的轉(zhuǎn)速，加快翻板的動作速度，防止雨水溢出；當流量較小時，降低電機的轉(zhuǎn)速，保證翻板的動作平穩(wěn)，避免對設備造成沖擊。當水質(zhì)判斷模塊判斷雨水為低濃度清潔雨水時，控制決策模塊向電動翻板的電機發(fā)送反轉(zhuǎn)指令，使電機帶動翻板旋轉(zhuǎn)到豎直位置，封堵住出水管的入口，將低濃度清潔雨水排放出去。在排放過程中，控制決策模塊同樣會根據(jù)流量數(shù)據(jù)調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，確保排放的順暢性。還設置了異常情況處理機制，當出現(xiàn)傳感器故障、電機故障等異常情況時，控制決策模塊會及時發(fā)出警報信號，并采取相應的應急措施，如關閉所有閥門，防止雨水泄漏對環(huán)境造成污染。四、光感分質(zhì)截留模式的數(shù)學模型構(gòu)建4.1模型的假設與建立4.1.1模型假設條件為了構(gòu)建基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型，首先需要設定一系列合理的假設條件，以簡化復雜的實際情況，使得模型具有可操作性和實用性。假設徑流雨水在檢測區(qū)內(nèi)為均勻混合流體。在實際的降雨過程中，徑流雨水的成分復雜，包含了各種污染物和雜質(zhì)，其分布可能并不均勻。為了便于模型的建立和分析，假定在檢測區(qū)內(nèi)，徑流雨水的污染物濃度、顆粒分布等是均勻的。這意味著在檢測區(qū)內(nèi)的任意位置，采集的雨水樣本具有相同的水質(zhì)特征，不考慮雨水在流動過程中可能出現(xiàn)的分層、局部濃度差異等現(xiàn)象。這樣的假設可以簡化對雨水水質(zhì)的描述和計算，使模型更加簡潔明了。假設光感檢測過程不受外界環(huán)境因素干擾。在實際應用中，光感檢測系統(tǒng)可能會受到多種外界因素的影響，如溫度、濕度、光照強度的變化，以及周圍環(huán)境中的電磁干擾等。這些因素可能會導致光感檢測器的檢測精度下降，甚至出現(xiàn)檢測誤差。為了確保模型的準確性和可靠性，假設在光感檢測過程中，不存在這些外界因素的干擾。光感檢測器能夠穩(wěn)定、準確地檢測徑流雨水的透光性，將透射光強精確地轉(zhuǎn)換為電信號，不受其他因素的影響。這一假設使得模型能夠?qū)Ｗ⒂诠飧屑夹g與雨水水質(zhì)之間的關系，避免了外界因素對模型的復雜性和不確定性的增加。假設截流執(zhí)行機構(gòu)（如電動翻板）能夠瞬間動作。在實際的分質(zhì)截留過程中，截流執(zhí)行機構(gòu)從接收到控制信號到完成動作，需要一定的時間，這一時間稱為響應時間。響應時間的存在可能會導致在水質(zhì)變化的瞬間，截流執(zhí)行機構(gòu)無法及時做出相應的動作，從而影響分質(zhì)截留的效果。為了簡化模型的分析，假設截流執(zhí)行機構(gòu)能夠瞬間動作。當光感檢測系統(tǒng)檢測到雨水的電信號強度達到設定的閾值時，自控系統(tǒng)發(fā)出控制信號，截流執(zhí)行機構(gòu)能夠立即完成截流或棄流動作，不存在響應時間的延遲。這一假設使得模型能夠更加準確地反映水質(zhì)變化與截流動作之間的實時關系，便于對分質(zhì)截留過程進行精確的模擬和分析。假設在研究期間內(nèi)，降雨的強度和持續(xù)時間保持相對穩(wěn)定。實際的降雨過程具有隨機性和不確定性，降雨強度和持續(xù)時間可能會在短時間內(nèi)發(fā)生劇烈變化。這些變化會導致徑流雨水的流量、水質(zhì)等參數(shù)也隨之發(fā)生變化，增加了模型建立和分析的難度。為了便于模型的構(gòu)建和求解，假設在研究的時間段內(nèi)，降雨的強度和持續(xù)時間保持相對穩(wěn)定。這樣可以將降雨過程視為一個相對穩(wěn)定的過程，減少了模型中變量的變化因素，使得模型能夠更加專注于光感技術在徑流雨水分質(zhì)截留中的應用和效果分析。4.1.2數(shù)學模型的建立基于質(zhì)量守恒原理，對于徑流雨水分質(zhì)截留過程，可建立如下質(zhì)量守恒方程：Q_{in}=Q_{out}+Q_{intercept}其中，Q_{in}表示單位時間內(nèi)進入截留裝置的雨水流量，Q_{out}表示單位時間內(nèi)從截留裝置排放出去的清潔雨水流量，Q_{intercept}表示單位時間內(nèi)被截流的污染雨水流量。這一方程體現(xiàn)了在截留裝置內(nèi)，雨水的總量在任何時刻都保持平衡，即進入裝置的雨水量等于排放出去的清潔雨水量與被截流的污染雨水量之和。根據(jù)光傳播原理，光在雨水中傳播時，其透射光強與雨水中污染物濃度之間存在一定的關系。依據(jù)朗伯-比爾定律，可表示為：I=I_0\cdote^{-\alpha\cdotC\cdotL}其中，I為透射光強，I_0為入射光強，\alpha為吸收系數(shù)，與雨水中污染物的種類和性質(zhì)有關，C為污染物濃度，L為光在雨水中傳播的路徑長度。在實際應用中，光感檢測器檢測到的電信號強度與透射光強成正比，因此可以通過檢測電信號強度來間接反映雨水中污染物的濃度。通過大量的實驗數(shù)據(jù)擬合和分析，確定了吸收系數(shù)\alpha的值，并建立了電信號強度與污染物濃度之間的定量關系?？紤]到截流執(zhí)行機構(gòu)的動作條件，設定電信號強度閾值I_{threshold}。當檢測到的電信號強度I小于I_{threshold}時，表明雨水中污染物濃度較高，需要進行截流操作，此時Q_{intercept}=Q_{in}，Q_{out}=0；當I大于I_{threshold}時，說明雨水已經(jīng)相對清潔，可以進行排放，此時Q_{intercept}=0，Q_{out}=Q_{in}。這一條件的設定明確了分質(zhì)截留的判斷依據(jù)，使得模型能夠根據(jù)光感檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果，準確地控制截流執(zhí)行機構(gòu)的動作，實現(xiàn)對高濃度污染雨水的截流和對低濃度清潔雨水的排放。將上述方程和條件相結(jié)合，構(gòu)建出基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型。該模型能夠綜合考慮雨水流量、水質(zhì)以及光感檢測信號等因素，準確地描述徑流雨水分質(zhì)截留的過程。通過對模型的求解和分析，可以預測在不同降雨條件和污染狀況下，分質(zhì)截留裝置的運行效果，為裝置的優(yōu)化設計和運行管理提供科學依據(jù)。在不同的降雨強度和污染物濃度條件下，利用該模型可以計算出相應的截流和排放流量，評估分質(zhì)截留裝置的截留效率和對清潔雨水的保護效果，從而為實際工程應用提供指導。4.2模型參數(shù)的確定與校準4.2.1參數(shù)確定方法在構(gòu)建基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型的過程中，準確確定模型中的參數(shù)是確保模型準確性和可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。本研究綜合運用實驗測量、文獻查閱和經(jīng)驗公式計算等多種方法來確定模型參數(shù)。實驗測量是獲取模型參數(shù)的重要手段之一。對于一些關鍵的參數(shù)，如光感檢測系統(tǒng)中的吸收系數(shù)\alpha，通過在實驗室條件下，使用高精度的光感檢測設備，對不同污染物濃度的徑流雨水樣本進行測量。在實驗過程中，精確控制雨水樣本的污染物種類和濃度，確保測量結(jié)果的準確性。準備一系列已知濃度的化學需氧量（COD）、氨氮、懸浮固體（SS）等污染物的模擬雨水樣本，利用光感檢測系統(tǒng)測量不同樣本的透射光強，然后根據(jù)朗伯-比爾定律，通過數(shù)據(jù)分析計算出吸收系數(shù)\alpha的值。為了提高測量的可靠性，對每個樣本進行多次測量，并取平均值作為最終結(jié)果。還對截流執(zhí)行機構(gòu)（如電動翻板）的相關參數(shù)進行實驗測量，包括翻板的轉(zhuǎn)動慣量、電機的扭矩和轉(zhuǎn)速等，這些參數(shù)對于準確模擬截流執(zhí)行機構(gòu)的動作過程至關重要。文獻查閱也是確定模型參數(shù)的重要途徑。通過廣泛查閱國內(nèi)外相關領域的學術文獻、研究報告和工程實踐案例，收集與徑流雨水分質(zhì)截留相關的參數(shù)數(shù)據(jù)。在研究徑流水質(zhì)與光學特性的相關性時，參考其他學者在類似研究中得到的水質(zhì)與透光性之間的關系模型和相關參數(shù)。在一些研究中，已經(jīng)建立了不同地區(qū)、不同下墊面條件下徑流水質(zhì)與濁度、透光率等光學參數(shù)之間的定量關系，本研究可以借鑒這些成果，并結(jié)合自身的研究區(qū)域特點進行適當調(diào)整。還可以查閱關于截流執(zhí)行機構(gòu)性能參數(shù)的文獻，了解不同類型的截流執(zhí)行機構(gòu)在實際應用中的運行參數(shù)和性能指標，為模型參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。經(jīng)驗公式計算在確定模型參數(shù)中也發(fā)揮著重要作用。對于一些難以通過實驗直接測量或文獻中缺乏相關數(shù)據(jù)的參數(shù)，可以采用經(jīng)驗公式進行計算。在計算徑流雨水的流量時，可以使用曼寧公式：Q=\frac{1}{n}\cdotA\cdotR^{\frac{2}{3}}\cdotS^{\frac{1}{2}}其中，Q為流量，n為曼寧糙率系數(shù)，A為過水斷面面積，R為水力半徑，S為水力坡度。曼寧糙率系數(shù)n的值與下墊面的類型、粗糙度等因素有關，可以根據(jù)經(jīng)驗取值。對于城市道路下墊面，n一般取值在0.013-0.017之間；對于屋面下墊面，n取值在0.011-0.015之間。通過合理確定其他參數(shù)的值，利用曼寧公式可以計算出不同情況下的徑流雨水流量，為模型提供準確的流量參數(shù)。在計算光在雨水中傳播的路徑長度L時，也可以根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)和設計參數(shù)，通過經(jīng)驗公式進行估算。4.2.2模型校準與驗證模型校準與驗證是評估基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型準確性和可靠性的重要步驟。利用實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行校準和驗證，能夠確保模型能夠準確地模擬實際的分質(zhì)截留過程。在校準階段，將模型的模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，通過調(diào)整模型中的參數(shù)，使模型的模擬結(jié)果盡可能地接近實際監(jiān)測值。在某一實際降雨事件中，收集了該地區(qū)徑流雨水分質(zhì)截留裝置的實際運行數(shù)據(jù)，包括不同時刻的雨水流量、水質(zhì)參數(shù)以及截流和排放情況等。將這些實際監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入到模型中，然后調(diào)整模型中的吸收系數(shù)\alpha、電信號強度閾值I_{threshold}等參數(shù)，觀察模型模擬結(jié)果的變化。通過多次調(diào)整和優(yōu)化參數(shù)，使模型模擬的雨水流量、水質(zhì)變化以及截流和排放的時間和流量等與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)達到最佳的匹配程度。在調(diào)整吸收系數(shù)\alpha時，發(fā)現(xiàn)當\alpha的值在一定范圍內(nèi)變化時，模型模擬的水質(zhì)與實際監(jiān)測的水質(zhì)之間的誤差逐漸減小。經(jīng)過反復試驗，確定了最佳的\alpha值，使得模型能夠更準確地反映實際的水質(zhì)變化情況。在驗證階段，使用另一組獨立的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對校準后的模型進行驗證。這組數(shù)據(jù)應與校準階段使用的數(shù)據(jù)來自不同的降雨事件或不同的監(jiān)測區(qū)域，以確保模型的通用性和可靠性。將驗證數(shù)據(jù)輸入到校準后的模型中，運行模型得到模擬結(jié)果，然后將模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細的對比分析。計算模型模擬值與實際監(jiān)測值之間的誤差指標，如均方根誤差（RMSE）、平均絕對誤差（MAE）等。均方根誤差（RMSE）的計算公式為：RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(y_{i}-\hat{y}_{i})^{2}}其中，n為數(shù)據(jù)點的數(shù)量，y_{i}為實際監(jiān)測值，\hat{y}_{i}為模型模擬值。平均絕對誤差（MAE）的計算公式為：MAE=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}|y_{i}-\hat{y}_{i}|通過計算這些誤差指標，可以定量地評估模型的準確性。如果模型的誤差指標在可接受的范圍內(nèi)，說明模型能夠較好地模擬實際的徑流雨水分質(zhì)截留過程，具有較高的準確性和可靠性；如果誤差指標較大，則需要進一步分析原因，對模型進行優(yōu)化和改進。在對某一地區(qū)的徑流雨水分質(zhì)截留模型進行驗證時，計算得到的均方根誤差（RMSE）為0.05，平均絕對誤差（MAE）為0.03，表明模型的模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為接近，模型具有較好的準確性和可靠性。4.3模型的模擬分析與結(jié)果討論4.3.1不同降雨條件下的模擬分析利用構(gòu)建的基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留數(shù)學模型，對不同降雨條件下截留裝置的運行效果進行了深入模擬分析。在模擬過程中，主要考慮了雨量、雨強和降雨歷時等關鍵因素對截留效率和水質(zhì)變化的影響。模擬了雨量對截留裝置運行效果的影響。設置了小雨（降雨量為10mm）、中雨（降雨量為30mm）和大雨（降雨量為50mm）三種不同的雨量條件。在小雨條件下，由于降雨總量較少，徑流雨水的流量相對較小，但污染物濃度相對較高。模型模擬結(jié)果顯示，截留裝置能夠及時檢測到雨水中的高濃度污染物，迅速啟動截流機制，截流效率較高，能夠有效截留大部分污染雨水。隨著雨量的增加，在中雨和大雨條件下，徑流雨水的流量顯著增大，污染物總量也相應增加。由于雨水的稀釋作用，污染物濃度在降雨后期有所降低。截留裝置在中雨和大雨條件下，仍然能夠較好地根據(jù)光感檢測系統(tǒng)的信號，準確判斷水質(zhì)變化，及時調(diào)整截流和排放策略。在大雨時，雖然截流的雨水量較大，但截留裝置能夠在污染物濃度較高的降雨初期，高效地截流污染雨水，隨著水質(zhì)的改善，及時切換到排放模式，確保低濃度清潔雨水能夠順利排放。雨強也是影響截留裝置運行效果的重要因素。模擬了低雨強（2mm/h）、中雨強（5mm/h）和高雨強（10mm/h）三種不同的雨強條件。在低雨強條件下，雨水對地面污染物的沖刷作用相對較弱，徑流雨水中污染物濃度的上升速度較慢。截留裝置能夠較為從容地檢測和判斷水質(zhì)變化，截流和排放操作相對平穩(wěn)。隨著雨強的增加，在中雨強和高雨強條件下，雨水對地面的沖刷作用加劇，大量污染物迅速進入徑流雨水，導致污染物濃度快速升高。截留裝置需要更快地響應水質(zhì)變化，及時調(diào)整截流策略。在高雨強時，由于雨水流量大、流速快，對截留裝置的檢測和控制能力提出了更高的要求。模型模擬結(jié)果表明，基于光感技術的截留裝置能夠在不同雨強條件下，快速準確地檢測水質(zhì)變化，及時啟動截流或排放操作，有效應對高雨強帶來的挑戰(zhàn)。降雨歷時對截留裝置的運行效果同樣具有顯著影響。模擬了短歷時降雨（1小時）、中歷時降雨（3小時）和長歷時降雨（6小時）三種不同的降雨歷時條件。在短歷時降雨條件下，由于降雨時間較短，徑流雨水的流量和污染物濃度變化較為迅速。截留裝置需要在短時間內(nèi)準確判斷水質(zhì)，及時進行截流或排放。在中歷時和長歷時降雨條件下，徑流雨水的流量和污染物濃度變化相對較為平緩，但隨著降雨時間的延長，污染物的累積效應逐漸顯現(xiàn)。截留裝置需要持續(xù)監(jiān)測水質(zhì)變化，根據(jù)不同階段的水質(zhì)情況，動態(tài)調(diào)整截流和排放策略。在長歷時降雨后期，雖然污染物濃度有所降低，但由于前期污染物的累積，仍需要對部分污染雨水進行截流處理。模型模擬結(jié)果顯示，基于光感技術的截留裝置能夠在不同降雨歷時條件下，準確地根據(jù)水質(zhì)變化進行分質(zhì)截留，有效控制徑流雨水污染。在不同雨量、雨強和降雨歷時條件下，基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置均能夠根據(jù)光感檢測系統(tǒng)的信號，準確判斷徑流雨水的水質(zhì)變化，及時調(diào)整截流和排放策略，表現(xiàn)出良好的截留效果和適應性。隨著雨量、雨強和降雨歷時的增加，雖然對截留裝置的運行提出了更高的要求，但通過合理的設計和優(yōu)化，截留裝置能夠有效應對各種復雜的降雨條件，實現(xiàn)對高濃度污染雨水的高效截流和對低濃度清潔雨水的合理棄流，為城市徑流雨水分質(zhì)截留提供了可靠的技術支持。4.3.2模型結(jié)果的討論與分析通過對不同降雨條件下基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留模型的模擬結(jié)果進行深入討論與分析，探討了模擬結(jié)果的合理性，并對模型的局限性及改進方向進行了研究。模擬結(jié)果顯示，基于光感技術的截留裝置在不同降雨條件下都能較好地實現(xiàn)對高濃度污染雨水的截流和對低濃度清潔雨水的棄流，這與理論預期和實際情況相符。在降雨初期，雨水對地面污染物的沖刷作用導致雨水中污染物濃度較高，光感檢測系統(tǒng)能夠準確檢測到這一變化，自控系統(tǒng)及時控制截流執(zhí)行機構(gòu)將污染雨水截流。隨著降雨的持續(xù)，污染物濃度逐漸降低，當達到設定的閾值時，截留裝置及時切換到排放模式，將清潔雨水排放出去。這表明模型能夠準確反映光感技術在徑流雨水分質(zhì)截留中的工作原理和實際效果，具有較高的合理性。模型也存在一定的局限性。模型假設徑流雨水在檢測區(qū)內(nèi)為均勻混合流體，這在實際情況中可能并不完全成立。由于徑流雨水的流動特性和污染物分布的不均勻性，檢測區(qū)內(nèi)不同位置的水質(zhì)可能存在差異，這可能會影響光感檢測系統(tǒng)的檢測準確性，進而影響截留裝置的運行效果。模型假設光感檢測過程不受外界環(huán)境因素干擾，但在實際應用中，光感檢測系統(tǒng)可能會受到溫度、濕度、光照強度等環(huán)境因素的影響，導致檢測精度下降。模型假設截流執(zhí)行機構(gòu)能夠瞬間動作，而實際的截流執(zhí)行機構(gòu)存在一定的響應時間，這可能會導致在水質(zhì)變化的瞬間，截流執(zhí)行機構(gòu)無法及時做出相應的動作，影響分質(zhì)截留的效果。為了進一步提高模型的準確性和可靠性，需要對模型進行改進。在模型中考慮徑流雨水的非均勻性，采用更復雜的流體力學模型來描述雨水在檢測區(qū)內(nèi)的流動和污染物的分布情況，以提高光感檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果的準確性。建立環(huán)境因素對光感檢測系統(tǒng)影響的修正模型，通過實驗研究不同環(huán)境因素對光感檢測精度的影響規(guī)律，對檢測結(jié)果進行修正，降低環(huán)境因素對模型的干擾?？紤]截流執(zhí)行機構(gòu)的響應時間，在模型中引入延遲機制，根據(jù)截流執(zhí)行機構(gòu)的實際響應時間，調(diào)整截流和排放的控制策略，確保截留裝置能夠及時、準確地應對水質(zhì)變化。還可以進一步優(yōu)化模型的參數(shù)確定方法，增加更多的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高模型參數(shù)的準確性和可靠性。通過對模型的不斷改進和完善，能夠更好地模擬基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留過程，為實際工程應用提供更科學、準確的指導。五、案例分析與實際應用驗證5.1案例選取與監(jiān)測方案5.1.1實際應用案例的選擇本研究選取了位于[城市名稱]的[具體區(qū)域名稱]作為實際應用案例的研究對象。該區(qū)域是一個典型的城市建成區(qū)，具有以下顯著特點：地理環(huán)境方面，該區(qū)域地勢較為平坦，整體地形起伏較小，坡度在[X]%以內(nèi)。區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達，周邊有多條河流和湖泊，如[河流名稱1]、[河流名稱2]以及[湖泊名稱]等，這些水體相互連通，形成了較為復雜的水網(wǎng)系統(tǒng)。該區(qū)域的下墊面類型豐富多樣，包括城市道路、屋面、綠地等。城市道路主要由瀝青路面和水泥路面組成，占區(qū)域總面積的[X]%；屋面類型涵蓋了平屋面和坡屋面，其中平屋面多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，坡屋面則以瓦片屋面為主，屋面面積占比約為[X]%；綠地主要包括公園綠地、道路綠化帶和小區(qū)綠地等，綠地覆蓋率達到[X]%。氣候條件上，該區(qū)域?qū)儆赱氣候類型]，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。年平均降水量為[X]mm，且降水分布不均，主要集中在[具體月份]，這幾個月的降水量占全年降水量的[X]%以上。年平均氣溫為[X]℃，最高氣溫可達[X]℃，最低氣溫為[X]℃。該區(qū)域的降雨強度變化較大，短歷時暴雨頻繁發(fā)生，如[具體年份]的一場暴雨，1小時降雨強度達到了[X]mm，給城市排水系統(tǒng)帶來了巨大壓力。排水系統(tǒng)方面，該區(qū)域采用的是合流制排水系統(tǒng)，雨水和污水通過同一套管網(wǎng)收集和輸送。排水管網(wǎng)始建于[建設年份]，經(jīng)過多年的運行和改造，目前管網(wǎng)總長度達到[X]km，管徑范圍為[X]mm-[X]mm。由于建成時間較早，部分管網(wǎng)存在老化、破損等問題，導致排水能力不足，在暴雨期間容易出現(xiàn)積水和溢流現(xiàn)象。該區(qū)域內(nèi)設有一座污水處理廠，處理能力為[X]萬m3/d，采用[處理工藝名稱]處理工藝。但在降雨期間，由于大量雨水混入，污水處理廠的進水水質(zhì)和水量波動較大，處理效果受到一定影響。5.1.2監(jiān)測指標與方法為了全面、準確地評估基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置的實際應用效果，本研究確定了一系列關鍵的監(jiān)測指標，并采用相應的科學監(jiān)測方法。水質(zhì)指標是評估徑流雨水污染程度和分質(zhì)截留效果的重要依據(jù)，本研究選取了化學需氧量（COD）、氨氮、總磷、總氮和懸浮固體（SS）作為主要監(jiān)測指標。COD能夠反映雨水中有機物的含量，采用重鉻酸鉀法進行測定。在實驗室中，將水樣與過量的重鉻酸鉀溶液在強酸性條件下加熱回流，使水樣中的有機物被氧化，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定，根據(jù)消耗的硫酸亞鐵銨的量計算出COD的值。氨氮是衡量雨水中含氮污染物的重要指標，采用納氏試劑分光光度法進行測定。在水樣中加入納氏試劑，氨氮與納氏試劑反應生成淡紅棕色絡合物，該絡合物的吸光度與氨氮含量成正比，通過分光光度計在特定波長下測量吸光度，從而計算出氨氮的濃度?？偭缀涂偟謩e反映了雨水中磷和氮的總量，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定。懸浮固體（SS）采用重量法進行測定，將水樣通過已恒重的濾膜過濾，截留的懸浮物在103-105℃下烘干至恒重，根據(jù)濾膜前后的重量差計算出SS的含量。流量是衡量徑流雨水水量的關鍵參數(shù)，本研究采用電磁流量計對徑流雨水的流量進行實時監(jiān)測。電磁流量計安裝在進水管上，其工作原理是基于電磁感應定律。當導電流體在磁場中運動時，會產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的大小與流體的流速成正比。通過測量感應電動勢的大小，就可以計算出徑流雨水的流量。電磁流量計具有測量精度高、量程范圍廣、響應速度快等優(yōu)點，能夠準確地實時監(jiān)測流量變化。光感信號是基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置的核心監(jiān)測參數(shù)，它直接反映了雨水的透光性，進而間接反映了雨水中污染物的濃度。本研究采用自行設計的光感檢測系統(tǒng)對光感信號進行監(jiān)測。光感檢測系統(tǒng)主要由激光發(fā)射裝置和光感檢測器組成。激光發(fā)射裝置發(fā)射特定波長和強度的激光束，穿過徑流雨水后，由光感檢測器接收透射光，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。通過對電信號強度的監(jiān)測和分析，就可以實時掌握雨水的水質(zhì)變化情況。為了確保光感信號監(jiān)測的準確性和可靠性，光感檢測系統(tǒng)在安裝前進行了嚴格的校準和調(diào)試，定期對光感檢測器進行維護和檢測，確保其性能穩(wěn)定。5.2案例實施過程與數(shù)據(jù)收集5.2.1裝置的安裝與調(diào)試基于光感技術的徑流雨水分質(zhì)截留裝置的安裝地點選在[具體區(qū)域名稱]內(nèi)一條主要道路的雨水管道末端。該位置處于雨水管網(wǎng)的下游，能夠有效收集來自周邊區(qū)域的徑流雨水，且靠近污水處理廠，便于將截流的污染雨水輸送至處理設施。安裝前，對該區(qū)域的地形、地下管線分布等進行了詳細的勘察，確保安裝過程不會對現(xiàn)有設施造成損壞。安裝過程嚴格按照設計方案進行。首先，在外井的預定位置進行基坑開挖，確保基坑的尺寸和深度符合設計要求。在開挖過程中，采取了有效的支護措施，防止基坑坍塌?；娱_挖完成后，進行井底和外井壁的澆筑施工。選用高強度、耐腐蝕的混凝土材料，確保外井具有足夠的強度和耐久性。井底采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為[X]cm，外井壁厚度為[X]cm。在澆筑過程中，嚴格控制混凝土的配合比和澆筑質(zhì)量，確保井底和外井壁的平整度和密實度。內(nèi)井壁緊貼外井的一角進行砌筑，內(nèi)井與外井共用兩面井壁、蓋板和井底。內(nèi)井壁的邊長小于外井壁的邊長，以滿足裝置的結(jié)構(gòu)和功能要求。內(nèi)井壁采用磚砌結(jié)構(gòu)，磚的強度等級為MU10，砌筑砂漿強度等級為M7.5。在砌筑過程中，保證磚縫的寬度和垂直度符合規(guī)范要求，確保內(nèi)井壁的穩(wěn)定性。進水管、出水管和截流管的安裝是整個安裝過程的關鍵環(huán)節(jié)。進水管垂直穿過內(nèi)井壁和外井壁，與市政雨水管相連，確保雨水能夠順利流入裝置。進水管采用直徑為[X]mm的HDPE管，具有良好的耐腐蝕性和抗老化性能。在連接進水管與市政雨水管時，采用了密封性能良好的橡膠密封圈，確保連接處不漏水。出水管垂直穿過內(nèi)井壁，與附近的河湖相通，用于排放低濃度清潔雨水。出水管同樣采用HDPE管，管徑根據(jù)排放