光纖傳感技術應用于深圳市典型天然海綿體效能監測

朱威達，盧順翔，蔡志文，李澤豐，杜逸凡

(1.深圳市節約用水辦公室，廣東深圳 518000；2.武漢理工大學深圳研究院，廣東深圳 518000；3.深圳市城市規劃設計研究院有限公司，廣東深圳 518000；4.武漢理工大學市政工程系，湖北武漢 430070)

在近些年的城市化進程中，海綿城市一直作為城市雨洪管理的指導理念。海綿設施在應用過程中，被證實可有效緩解城市內部的洪澇問題和改善地表徑流的水質情況[1]。住房和城鄉建設部發布《海綿城市建設績效評價與考核辦法》，要求對海綿設施建設成效進行定量化的監測[2]。天然海綿體，即綠化帶、下凹式綠地、生物滯留池等，作為海綿城市的調蓄和滲濾主體并發揮重要作用[3-4]。目前，并沒有較好的監測方法對土壤基質的雨水調蓄能力進行評估。因此，基于深圳市典型天然海綿體，試圖建立一套光纖傳感監測系統，以實現對天然海綿體土壤基質的調蓄能力進行監測。

1 光纖溫度傳感器系統監測原理

1.1 光纖溫度傳感器

外界環境的變化會影響光纖光柵所輸出的波長信號，這種影響包括了環境的應力變化和環境的溫度變化[5]。2種環境變化對光纖光柵的影響，最終都表現為光柵的柵距和折射率的改變，進而導致光柵的反射光譜和透射光譜發生改變。采用應變補償法對光纖光柵進行封裝，使其僅對環境的溫度變化敏感[6]。通過檢測光纖光柵反射譜或透射譜的變化，并以波長漂移信號的形式輸出，建立波長漂移量與環境溫度變化量的關系，可實現對環境溫度變化的監測。

1.2 監測原理

天然海綿體對雨水具有滲蓄的功能。雨水在入滲到天然海綿體的過程中分為3個階段，分別是滲潤、滲吸和滲透階段[7]，即隨著土壤含水率變化，雨水的入滲速度也會發生改變。由于雨水的入滲，土壤環境的溫度會降低。根據這一現象，考慮在天然海綿體內的豎直方向上，布置光纖溫度傳感器。降雨時，隨著雨水的入滲，土壤含水率不斷上升，而在此過程中，傳感器不斷被低溫雨水浸潤沖刷，直到傳感器周圍土壤含水率達到近似飽和狀態，溫度趨于恒定。而上下布置的傳感器，兩者會在溫度變化上存在時間滯后的現象。光纖溫度傳感器產生的波長信號，隨著環境溫度的改變會發生波長漂移，且這一漂移量與環境溫度的變化呈線性關系[8]。因此,可通過波長漂移量變化的滯后性，反映出雨水在天然海綿體內的透水速度。

1.3 系統組成

降雨時隨著雨水滲入天然海綿設施的土層中，光纖溫度傳感器將所監測到的光信號傳遞到光纖光柵解調儀上，經過解調儀解調后轉化為電信號，以波長漂移量的形式在計算機上展現，經數據處理后得到及時的海綿體內的雨水透水速度。

2 材料與方法

2.1 試驗設備及材料

光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵解調儀、PC計算機、自制降雨模擬裝置、自制天然海綿體模擬裝置，試驗用雨水于深圳市羅湖區某居民點接取，以草坪草-土壤構建天然海綿體，其中，土壤為華南地區分布最為廣泛的紅壤土[9]，草坪草品種為早熟禾。

光纖光柵溫度傳感器具體參數如下：中心波長為1 510～1 590 nm；分辨率為0.01 ℃；精度為±0.5 ℃；反射率>80%。光纖解調儀具體參數如下：通道數為8個；波長為1 529～1 569 nm；波長分辨率為1×10-12m；掃描頻率為100 Hz；動態值為40～60 dB。

試驗土壤的理化性質如下：pH值為5.0～5.5；鹽基飽和度為40%；有機質含量<20 g/kg；腐殖質中胡敏酸/富里酸(H/F)為0.3～0.4；密度為2.76 g/cm3；飽和質量含水率為28.5%。

早熟禾草坪草鋪裝特性參數如下：高度為(5.3±0.5)cm；根長為(9.5±1.0)cm；蓋度為86.2%±1.0%；密度為(21 000±500)株/m2。

2.2 試驗裝置結構

采用北京東成人工降雨模擬器(GC-JY)，通過程序設置，可模擬出試驗所需要的雨型和降雨強度。天然海綿體模擬裝置如圖1所示。天然海綿體模擬裝置上部設置徑流排出口，底部設置滲透水排出口。土層下墊設工程透水隔土布和細碎石，防止底部土壤流失。

圖1 天然海綿體模擬裝置Fig.1 Simulation Devices of Natural Sponges

2.3 試驗方法

2.3.1 透水速度監測試驗

試驗用土樣先進行烘干處理，在烘箱中以105～110 ℃條件下烘干6 h左右。進行透水速度試驗時，在早熟禾草坪草下5 cm布置第一個光纖光柵溫度傳感器，在其下面豎直方向上每隔10 cm布置一個光纖光柵溫度傳感器，順次布置3個，共布置4個。布置完畢后，通過降雨裝置模擬降雨，記錄經光纖解調儀解調后的波長數據。含水率的測定采用烘干法。

2.3.2 透水速度與含水率關系試驗

自然條件下，紅壤土中質量含水率一般在10%～30%[10]，因此，試驗用土壤的含水率條件參考此范圍。將烘干的紅壤土樣，按質量含水率為10%、13%、16%、19%、22%、25%、27%，加入蒸餾水混勻后放入容器，以保鮮膜封口并置于恒溫恒濕箱中，保存24 h左右。將備好的土樣以15 cm深度均勻填入玻璃器皿，表面鋪以早熟禾草坪草，并分別在玻璃器皿底部上5 cm以及草坪草根系下5 cm，安裝好光纖光柵溫度傳感器。通過雨水模擬裝置進行降雨模擬，記錄2個光纖光柵溫度傳感器的響應時間差，從而計算出對應含水率下，早熟禾-土壤系統天然海綿體的透水速度。

2.4 數據處理方法

模擬降雨時，記錄上下2個光纖光柵溫度傳感器的波長數據，通過Matlab軟件進行數據處理，并建立波長變化滯后模型，模型計算如式(1)～式(3)，可以計算海綿體內的雨水透水速度。

λan=λbn

(1)

Δtn=tan-tbn

(2)

(3)

其中：λan、λbn——光纖波長，nm；

tan、tbn——λan、λbn對應時刻，min；

u——透水速率，cm/min；

Δtn——某一波長下滯后時間，min；

ha、hb——兩光柵埋深深度，cm。

3 結果與討論

3.1 透水速度監測

在不同重現期下，本研究進行了透水速度的監測試驗。根據深圳市氣象局發布的《深圳市暴雨強度公式及查算圖表》(2015版)[11]，計算得到多種重現期下，不同降雨歷時的平均暴雨強度，結果如表1所示。

表1 不同重現期及降雨歷時下的暴雨強度Tab.1 Rainstorm Intensity under Different Return Periods and Rainfall Durations

綜合表1中暴雨強度數據，選取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min的平均時降雨強度進行試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 不同降雨強度下土層滲透速率變化Fig.2 Changes of Soil Layer Permeability Velocity under Different Rainfall Intensities

觀察不同降雨強度下，該系統的3個土層的透水速度曲線變化過程，發現該系統的下層土層的透水速度受上層土層狀態所影響。上層土壤需要完成滲潤階段后，雨水才能繼續下滲，但滲潤階段完成后，土層含水率增加，雨水通過上層透水速度減緩。因此，海綿體的整體透水速度，在一定程度上取決于上層土層的透水速度。在降雨暴雨強度較低[圖2(a)～圖2(b)]的條件下，系統下層土層的透水速度明顯低于上層土層的透水速度。在此過程中上層土壤含水率并未達至飽和，土層在雨水下滲過程中，將一部分雨水滯留，以增加本層土壤的含水率。在圖2(d)～圖2(e)條件下，暴雨強度逐步增大至2.5 mm/min，上層土壤含水率達到飽和所需時間變短，當上層土壤含水率達至飽和后，上層土壤所吸收的雨水，皆通過重力作用下滲到下層土壤，此時雨水的透水速度基本趨于穩定。隨著暴雨強度的繼續增加，上層土壤的含水率增加更為迅速，而透水速度的下降趨勢與含水率上升趨勢成反比。這說明天然海綿體土壤的含水率，會影響天然海綿體的透水速度。由圖2可知，光纖光柵溫度傳感器監測系統在不同降雨強度下，皆能靈敏并及時地反映出早熟禾-土壤海綿體系統在不同縱深下土層的透水速度變化情況。同時，早熟禾-土壤海綿體的含水率變化與透水速度變化具有明顯的相關性，透水速度變化對含水率的變化特點，具有良好的反饋性。

水分滲入天然海綿體是水分在分子力、毛管力和重力的綜合作用下的物理過程，入滲過程分為3個階段：滲潤階段、滲吸階段和滲透階段[7]。由圖2(e)可知，土層1中當雨水入滲處于滲潤階段時(t=2～4 min)，早熟禾-土壤海綿體系統內的含水率較低，透水速度快且下降趨勢明顯，而含水率在此階段迅速上升。在暴雨來臨之際，滲潤階段可有效延遲徑流的產生，緩解雨水管網壓力。隨著降雨的繼續，入滲過程進入到滲吸階段(t=4～15 min)，透水速度繼續減小，含水率進一步升高。推測是因為海綿體內含水率上升，植物根系土壤的間隙在浸潤作用下縮小，且泥土浸潤后對滲流的黏性作用增強，導致雨水在早熟禾-土壤海綿體中的下滲阻力增加，透水速度下降。在滲透階段(t>15 min)，透水速度下降緩慢，海綿體的含水率增加也趨于平緩，且兩者皆開始趨于臨界值。

3.2 監測模型的建立

在3.1節透水速度的監測試驗過程中，驗證了含水率與透水速度存在著較強的相關關系，在不同含水率情況下，早熟禾-土壤海綿體的下滲表現不同，其能容納的最大飽和含水量也不相同。為了準確監測各類天然海綿體可收納雨水有效容量的變化規律，本文進行了不同含水率下海綿體的透水速度試驗，通過多次試驗，將所得到的含水率和透水速度關系，采用多種數學模型進行擬合，選取了擬合性較好的3種(表2)。其中，以ExpAssoc模型擬合效果最佳，擬合模型如圖3所示。

表2 透水速度與含水率關系擬合模型Tab.2 Fitting Model of Relationship between Permeability Velocity and Moisture Content of Soil

圖3 透水速度-含水率ExpAssoc關系模型Fig.3 ExpAssoc Relationship Model of Permeability Velocity-Moisture Content of Soil

將光纖系統測得的實時透水速率，代入上述模型，得到相對應的當前土壤質量含水率，通過式(4)可推算出當前土壤可承受的水量。

(4)

其中：F飽——監測區域內土壤的飽和含水量，m3；

F——監測區域內土壤可承受的水量，m3；

Mn——監測土層n內土壤質量含水率；

Vn——監測土層n土壤體積，m3；

ρ——土壤密度，kg/m3；

ρ水——水密度，1×103kg/m3。

3.3 天然海綿體可收納雨水有效容量的應用

為有效驗證所構建的模型系統在實際降雨情況下，其所表現出的監測性能，考慮在3種深圳市常見雨型條件下[12]，對監測結果進行驗證，如圖4所示。降雨量與產流量作差得到實際徑流控制量，利用所建立模型計算得到監測徑流控制量，并計算各自的相應徑流控制率，結果如表3所示。

圖4 模擬降雨雨強分布情況Fig.4 Distribution of Simulated Rainfall Intensity

3場不同雨型條件下，可知降雨的時間分布因素，會對天然海綿體的雨水徑流控制率造成一定影響，但是光纖傳感監測系統在各雨型條件下，其監測誤差皆保持在較低值，表現出良好的監測性能。

3.4 光纖傳感技術的優勢

光纖監測系統具有適用性廣泛、布點靈活的特點。由于光纖傳感器的材質柔軟，在面對環境復雜的天然海綿體設施時，也可以進行布設，同時光纖傳感器還具備可嵌入的特點，能有效避免外界環境因素的干擾。運行管理便捷高效，對于監測需求面積大的區域，可進行廣泛布點，集中收集和管理監測數據。

4 結論

(1)在不同暴雨強度下，光纖傳感系統皆可以靈敏反映典型天然海綿體的透水速度變化，且透水速度與含水率存在明顯關系。

(2)通過不同函數的擬合，尋找到了匹配度較好的ExpAssoc函數反映透水速度和天然海綿體含水率的關系并建立數學模型。

(3)在模擬的實際降雨條件下，光纖傳感監測系統在監測精度和靈敏性方面展現出了優越性。

表3 模擬降雨信息及監測效果Tab.3 Simulated Rainfall Information and Monitoring Results