0 引 言
随着我国社会经济的高速发展和工业化、城市化水平的不断提高，城市降雨产生的地表径流成为城市的重要污染源。海绵城市建设对于削减城市降雨径流污染具有重要作用。海绵城市建设已完成了两批国家试点，并在全国许多城市展开推广[1]。关于海绵城市建设效果的评价，国家层面发布了GB/T 51345—2018《海绵城市建设评价标准》，地方层面北京市也发布了DB11/T 1673—2019《海绵城市建设效果监测与评估规范》。进行海绵城市效果评价需要监测设施建设后的径流污染减控效果。如何监测源头减排设施及项目、排水分区的径流污染物减控效果，在国家标准中没有详细规定，在北京市的地标中提出了对流量和水质进行同步监测的要求，对于水质监测的要求是“径流水质过程的采样检测应从径流开始产生的最初时刻开始采样，前30 min内采样间隔宜为5 min，之后适当延长时间间隔，直到径流结束，且前2 h采样的数量不少于8个”。由于降雨的发生是随机的，径流产生的时刻受降雨强度、降雨量和下垫面的入渗、填洼能力等因素影响，也是难以准确预测的。市场上现有的自动采样设备基本都是在设定时间间隔后按照时钟的时间自动采样的，没有依据外界条件触发启动采样的机制。如何做到在源头减排设施及项目和排水分区的降雨径流开始产生的最初时刻开始采样，是对采样的重要要求，本文针对这一实际需求研发了一套相应的技术和设备。
1 天然降雨过程水质自动采样
降雨的水质变化过程需要采集降雨过程中不同时间的水样进行水质检测得到，其关键是能够采集到降雨全过程中不同时间的水样，包括夜间、周末和节假日。传统的方法是人工采样，但是这种方法难以采集到最初的水样，也难以保障在夜晚和周末及时采集到水样。因此，研发了一种水力驱动天然降雨自动采样装置进行天然降雨的水样的全天候采集，其结构如图1所示。
图1 天然降雨自动采样器及原理
Figure 1 Automatic rainfall sampler and its working principle
天然降雨自动采样器是利用机械原理将标准面积下的天然雨水通过一定高度的集雨斗汇入集水槽，在浮子阀的作用下，按降雨时长依次汇满12个或更多个集水瓶，从而完成采样。仪器的核心技术是水力驱动分时自动采样，基本原理是：在集雨斗下方安装有一定坡度并在下方穿孔的集水槽，雨水在重力作用下，依次通过孔下方浮子阀连接的1 L集水瓶，当集水瓶集满雨水后，瓶口的浮子沿中心轴上浮并带动阀门使其密封集水瓶，从而完成1个水样采集，之后随着降雨时长进行下一个样品采集。该设备具有不耗电、维护成本少、易于搬运等优点。
根据北京市降雨条件，每降雨2 mm即可集满1瓶集水瓶，如果采用12瓶的设备可连续收集24 mm降雨，可使北京市90%的场次降雨(含2 mm以下场次)的雨水全部收集。每个集水瓶的采样时间，可结合附近自记雨量计的降雨过程记录数据确定。如果降雨量超过24 mm，则可汇集到最后的集雨桶中，再取混合样进行分析。该研究成果已经获得了国家专利[2]。
2 源头减控设施径流自动采样
对于屋顶、铺装地面、绿地等传统下垫面和采取屋顶绿化[3，4]、透水铺装[5]、下凹式绿地[5-7]、雨水花园、生物滞留槽[8]等源头减控设施，其产生的径流过程特点有：1)流量变化范围相对较小，径流起始点易于捕捉；2)径流污染的初期效益比较明显；3)径流有相对集中的排口，采样条件相对较好。传统的采样方法为人工采集过程水样或采用常规自动水质采样器取过程水样。常规的水质自动采样器一般为利用时钟定时采集，或定间隔采集，不适应降雨随机性的特点，难以采集到径流过程从一开始产生的最初水样。因此研发了以下能够与水量监测过程同步的A、B 2种型号自动采样终端。水质采样终端通常安装在源头减控设施的出流口，在流量监测设施的上游，这样即可实现水量水质同步监测。设施的径流水量过程可根据具体情况选择容积法测流池、三角堰、巴歇尔槽、流量计等方法检测[9]。这2种采样终端能够采集源头减控设施的径流过程零起点的水样，即“零捕获”功能。
2.1 A型自动水质采样终端
A型自动水质采样终端主要用于自动采集屋面径流过程的水样，其外形和工作原理如图2所示。该自动水质采样终端主要由外桶、内杯、浮球、电磁泄水阀和采样管等构成。内杯固定于外桶内部，用于接收上方雨落管汇集的雨水。降雨通过雨落管汇入自动水样采集端内的内杯中，此时电磁泄水阀关闭，当水位达到浮球的位置时，通过采样管自动采样，采样完成后泄水阀将开启，内杯雨水被排出，直到下一个设定时刻到来再次关闭泄水阀等待水样。采样管可连接到经过改造的常规水质自动采样器上，整个采样过程电磁阀启闭的时间都记录在自动采样器内，以便进行分析。通过电磁泄水阀和浮球液位开关的设定可以保证按照设定的程序采集到所产生的第1杯径流水样。
1—外桶； 2—内杯； 3—浮球； 4—电磁泄水阀； 5—采样管。
图2 A型自动水质采样终端外观及原理
Figure 2 The type A automatic water sampler terminal and its working principle
2.2 B型自动水质采样终端
为监测透水铺装地面、生物滞留槽、植草沟等源头径流减控设施的径流水质变化过程，研发了用于测坑内监测的B型自动水质采样终端，其外观如图3a所示。该终端能够采集源头减控设施出流过程的第1个水样，并能够按照设置的时间间隔采集不同时间点的水样，其具体原理如图3b所示。
图3 B型自动水质采样终端外观及原理
Figure 3 The type B automatic water sampler terminal and its working principle
B型自动水质采样终端主要包括进水口、出水口、采样杯、液位传感器、虹吸溢流管、水质采样管等部分。进水口连接源头减控设施的出水管。当设施有雨水排出时，雨水优先进入采样杯。采样杯内安装有液位传感器，液位传感器实时对采样杯中的水位(或流量)参数进行测量，当液位到达设定的高度时，将信号传递给自动采样器主机，由主机发指令启动采样水泵，经水质采样管采集水样。为避免采样杯中的雨水滞留在采样杯中影响后续采样效果，采用虹吸溢流管，将杯内剩余水样排除，至此一个水样采集过程结束。
3 区域外排径流过程智能远程自动采样
排水分区尺度的径流过程有以下特点：1)流量变化范围大(0～10 m3/s)；2)水流状态变化大，管渠水流可从自由出流变为淹没出流，从非满流变为满流和压力流，从顺流变为逆流；3)水中泥沙污物形态复杂，漂浮物、悬浮物、推移质和溶解物等形态物质可在雨水中同时出现和不断变化；4)污染物类型与浓度变化大，除了变化多样的非溶解态物质，水中溶解态物质的成分更加复杂多变，有机、无机、有毒、有害、生物、非生物、腐蚀性、非腐蚀性的物质都可出现；5)径流发生时间不定，白天、夜间、工作日、节假日等均可发生；6)采样条件相对较差，排口往往在野外，不便采集。针对这种情况，研发了具有远传功能，能够自动识别降雨径流起始时间和结束时间，采集到径流最开始水样和全过程水样的智能型自动水质采样器，如图4所示。
该采样器具有水位(或流量)感应、现场启动和移动终端远程控制3种工作模式，能满足不同降雨情景下，不同频率、不同采样量的需求。水位(或流量)感应工作模式，通过实时测量采样终端的水位(或流量)参数，判断是否达到临界阈值指标，如果达到，则启动采样程序，按照预先设定的间隔时间进行采样。现场启动模式，即现场通过人工方式进行启动，采样间隔、采样次数等参数由现场设定。移动终端远程控制模式，即采样者在异地将启动时间、采样间隔、采样次数等参数通过手机短信，发送到采样器控制系统，对采样过程进行控制。采样器具内24个1 L的采样瓶，可以采集整个径流过程的水样。设备同时具有手机远程管理功能，可通过手机App远程控制仪器旁配套安装的摄像头远程观察周围情况。采样器可采用220 V电源供电，也可通过内置充电锂电池和太阳能电池板供电，便于在室内和野外进行自动采样。仪器的智能控制系统配备数据存储设备，可自动记录采样过程中的日志信息，便于导出和分析。
1—水位传感器； 2—流量传感器； 3—数据线； 4—雨水管； 5—采样管； 6—控制器； 7—控制线； 8—水样盒。
图4 智能型自动水质采样器及原理
Figure 4 The intelligent automatic water sampler and its working principle
4 水质监测自动采样技术的应用
水质监测自动采样技术已在北京未来科学城、门头沟新城、萧太后河、北护城河和通州紫荆花园小区等地的排水管道径流过程监测中进行了应用，设备数量已超过30台套。智能型自动水质采样设备采用了雨量、水位双传感器触发启动技术，整个降雨径流过程中完全按照自定义的条件和采样时间间隔自动采集径流过程样品，不仅避免了降雨时间、降雨量等不确定因素的干扰，还极大地减少了人力物力投入，保证了采样的精确性。
2019年汛期，为监测北京中心城区排入河道的降雨径流水量水质过程，在北京市东城区安定门东滨河路排入北护城河的DN900雨水管线上安装了流量监测设备和智能型自动水质采样设备，在2019年开展了一个汛期的监测。该雨水管的汇水范围为居民区，面积为8.34 hm2。图5为7月18日监测得到的降雨的流量过程、SS和COD的变化过程。可知：降雨从凌晨2:00开始，雨强很小，直到3:10管道排口才开始有雨水排出。此时采样器感应到有径流排出便立刻启动采样器，开始第1个水样的采集。之后间隔10 min采1个样，4:00后间隔15 min采集1个样，5:00后间隔20 minm采1个样，6:00后间隔30 min采1个样。6:30采完最后1个样于后6:40径流结束。从监测到的SS和COD变化过程看，在排水径流刚开始的初期浓度很高，分别为261，154 mg/L，随后浓度逐渐减小，后期分别稳定在11，46 mg/L。
降雨量； 
—流量； 
—悬浮物； 
—COD。
图5 北护城河排水口2019年7月18日降雨径流水质水量同步监测结果
Figure 5 Results of synchronous monitoring of water quality and quantity of rainfall runoff at North Moat Drainage Outlet on July 18th, 2019
5 结 论
城市降雨径流水质监测自动采样技术是由无电力驱动天然降雨自动采样器、“零捕获”下垫面径流过程水质监测自动采样终端、智能型自动水质采样器等设备和相应使用方法构成的成套技术。无电力驱动天然降雨自动采样器可全天候采集降雨过程中不同时段的天然降雨水样，以用于分析雨水水质特性。采样设备不耗电，具有成本低、维护少、易于搬运等特点。“零捕获”下垫面径流过程水质监测自动采样终端有A、B 2种型号，能够针对屋顶、透水铺装地面等下垫面的特点全天候捕获径流起始的零点水样和后续不同时间的水样，解决了下垫面径流过程中采集最初水样的难题。智能型自动水质采样器一方面能够依据降雨和径流传感器自动捕捉区域排水设施径流的起始点并启动水样系统；另一方面能够全面记录采样过程的时间节点，包括采样开始、结束时间等，以便更加精细地分析水质变化过程；还可通过手机App远程控制采样器开关及远程摄像观察周围情况，及时进行采样控制和安全保障。这套降雨径流水质监测自动采样技术，可更好地服务于不同海绵城市建设源头减控设施的污染减控效果的科学研究，从而更科学、全面地评估海绵城市的建设效果。
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