光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于深圳市典型天然海綿體效能監(jiān)測(cè)

朱威達(dá)，盧順翔，蔡志文，李澤豐，杜逸凡

(1.深圳市節(jié)約用水辦公室，廣東深圳 518000；2.武漢理工大學(xué)深圳研究院，廣東深圳 518000；3.深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳 518000；4.武漢理工大學(xué)市政工程系，湖北武漢 430070)

在近些年的城市化進(jìn)程中，海綿城市一直作為城市雨洪管理的指導(dǎo)理念。海綿設(shè)施在應(yīng)用過(guò)程中，被證實(shí)可有效緩解城市內(nèi)部的洪澇問(wèn)題和改善地表徑流的水質(zhì)情況[1]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《海綿城市建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)與考核辦法》，要求對(duì)海綿設(shè)施建設(shè)成效進(jìn)行定量化的監(jiān)測(cè)[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(diào)蓄和滲濾主體并發(fā)揮重要作用[3-4]。目前，并沒(méi)有較好的監(jiān)測(cè)方法對(duì)土壤基質(zhì)的雨水調(diào)蓄能力進(jìn)行評(píng)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然海綿體土壤基質(zhì)的調(diào)蓄能力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 光纖溫度傳感器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

1.1 光纖溫度傳感器

外界環(huán)境的變化會(huì)影響光纖光柵所輸出的波長(zhǎng)信號(hào)，這種影響包括了環(huán)境的應(yīng)力變化和環(huán)境的溫度變化[5]。2種環(huán)境變化對(duì)光纖光柵的影響，最終都表現(xiàn)為光柵的柵距和折射率的改變，進(jìn)而導(dǎo)致光柵的反射光譜和透射光譜發(fā)生改變。采用應(yīng)變補(bǔ)償法對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝，使其僅對(duì)環(huán)境的溫度變化敏感[6]。通過(guò)檢測(cè)光纖光柵反射譜或透射譜的變化，并以波長(zhǎng)漂移信號(hào)的形式輸出，建立波長(zhǎng)漂移量與環(huán)境溫度變化量的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度變化的監(jiān)測(cè)。

1.2 監(jiān)測(cè)原理

天然海綿體對(duì)雨水具有滲蓄的功能。雨水在入滲到天然海綿體的過(guò)程中分為3個(gè)階段，分別是滲潤(rùn)、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(huì)發(fā)生改變。由于雨水的入滲，土壤環(huán)境的溫度會(huì)降低。根據(jù)這一現(xiàn)象，考慮在天然海綿體內(nèi)的豎直方向上，布置光纖溫度傳感器。降雨時(shí)，隨著雨水的入滲，土壤含水率不斷上升，而在此過(guò)程中，傳感器不斷被低溫雨水浸潤(rùn)沖刷，直到傳感器周圍土壤含水率達(dá)到近似飽和狀態(tài)，溫度趨于恒定。而上下布置的傳感器，兩者會(huì)在溫度變化上存在時(shí)間滯后的現(xiàn)象。光纖溫度傳感器產(chǎn)生的波長(zhǎng)信號(hào)，隨著環(huán)境溫度的改變會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)漂移，且這一漂移量與環(huán)境溫度的變化呈線性關(guān)系[8]。因此,可通過(guò)波長(zhǎng)漂移量變化的滯后性，反映出雨水在天然海綿體內(nèi)的透水速度。

1.3 系統(tǒng)組成

降雨時(shí)隨著雨水滲入天然海綿設(shè)施的土層中，光纖溫度傳感器將所監(jiān)測(cè)到的光信號(hào)傳遞到光纖光柵解調(diào)儀上，經(jīng)過(guò)解調(diào)儀解調(diào)后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以波長(zhǎng)漂移量的形式在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到及時(shí)的海綿體內(nèi)的雨水透水速度。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、PC計(jì)算機(jī)、自制降雨模擬裝置、自制天然海綿體模擬裝置，試驗(yàn)用雨水于深圳市羅湖區(qū)某居民點(diǎn)接取，以草坪草-土壤構(gòu)建天然海綿體，其中，土壤為華南地區(qū)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(shù)如下：中心波長(zhǎng)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(diào)儀具體參數(shù)如下：通道數(shù)為8個(gè)；波長(zhǎng)為1 529～1 569 nm；波長(zhǎng)分辨率為1×10-12m；掃描頻率為100 Hz；動(dòng)態(tài)值為40～60 dB。

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

早熟禾草坪草鋪裝特性參數(shù)如下：高度為(5.3±0.5)cm；根長(zhǎng)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(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

采用北京東成人工降雨模擬器(GC-JY)，通過(guò)程序設(shè)置，可模擬出試驗(yàn)所需要的雨型和降雨強(qiáng)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(shè)置徑流排出口，底部設(shè)置滲透水排出口。土層下墊設(shè)工程透水隔土布和細(xì)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(yàn)方法

2.3.1 透水速度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)用土樣先進(jìn)行烘干處理，在烘箱中以105～110 ℃條件下烘干6 h左右。進(jìn)行透水速度試驗(yàn)時(shí)，在早熟禾草坪草下5 cm布置第一個(gè)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(gè)光纖光柵溫度傳感器，順次布置3個(gè)，共布置4個(gè)。布置完畢后，通過(guò)降雨裝置模擬降雨，記錄經(jīng)光纖解調(diào)儀解調(diào)后的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。含水率的測(cè)定采用烘干法。

2.3.2 透水速度與含水率關(guān)系試驗(yàn)

自然條件下，紅壤土中質(zhì)量含水率一般在10%～30%[10]，因此，試驗(yàn)用土壤的含水率條件參考此范圍。將烘干的紅壤土樣，按質(zhì)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(guò)雨水模擬裝置進(jìn)行降雨模擬，記錄2個(gè)光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間差，從而計(jì)算出對(duì)應(yīng)含水率下，早熟禾-土壤系統(tǒng)天然海綿體的透水速度。

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

模擬降雨時(shí)，記錄上下2個(gè)光纖光柵溫度傳感器的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并建立波長(zhǎng)變化滯后模型，模型計(jì)算如式(1)～式(3)，可以計(jì)算海綿體內(nèi)的雨水透水速度。

λan=λbn

(1)

Δtn=tan-tbn

(2)

(3)

其中：λan、λbn——光纖波長(zhǎng)，nm；

tan、tbn——λan、λbn對(duì)應(yīng)時(shí)刻，min；

u——透水速率，cm/min；

Δtn——某一波長(zhǎng)下滯后時(shí)間，min；

ha、hb——兩光柵埋深深度，cm。

3 結(jié)果與討論

3.1 透水速度監(jiān)測(cè)

在不同重現(xiàn)期下，本研究進(jìn)行了透水速度的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)深圳市氣象局發(fā)布的《深圳市暴雨強(qiáng)度公式及查算圖表》(2015版)[11]，計(jì)算得到多種重現(xiàn)期下，不同降雨歷時(shí)的平均暴雨強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同重現(xiàn)期及降雨歷時(shí)下的暴雨強(qiáng)度Tab.1 Rainstorm Intensity under Different Return Periods and Rainfall Durations

綜合表1中暴雨強(qiáng)度數(shù)據(jù)，選取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min的平均時(shí)降雨強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同降雨強(qiáng)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(qiáng)度下，該系統(tǒng)的3個(gè)土層的透水速度曲線變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的下層土層的透水速度受上層土層狀態(tài)所影響。上層土壤需要完成滲潤(rùn)階段后，雨水才能繼續(xù)下滲，但滲潤(rùn)階段完成后，土層含水率增加，雨水通過(guò)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(qiáng)度較低[圖2(a)～圖2(b)]的條件下，系統(tǒng)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(guò)程中上層土壤含水率并未達(dá)至飽和，土層在雨水下滲過(guò)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(qiáng)度逐步增大至2.5 mm/min，上層土壤含水率達(dá)到飽和所需時(shí)間變短，當(dāng)上層土壤含水率達(dá)至飽和后，上層土壤所吸收的雨水，皆通過(guò)重力作用下滲到下層土壤，此時(shí)雨水的透水速度基本趨于穩(wěn)定。隨著暴雨強(qiáng)度的繼續(xù)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(shì)與含水率上升趨勢(shì)成反比。這說(shuō)明天然海綿體土壤的含水率，會(huì)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同降雨強(qiáng)度下，皆能靈敏并及時(shí)地反映出早熟禾-土壤海綿體系統(tǒng)在不同縱深下土層的透水速度變化情況。同時(shí)，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(guān)性，透水速度變化對(duì)含水率的變化特點(diǎn)，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(guò)程，入滲過(guò)程分為3個(gè)階段：滲潤(rùn)階段、滲吸階段和滲透階段[7]。由圖2(e)可知，土層1中當(dāng)雨水入滲處于滲潤(rùn)階段時(shí)(t=2～4 min)，早熟禾-土壤海綿體系統(tǒng)內(nèi)的含水率較低，透水速度快且下降趨勢(shì)明顯，而含水率在此階段迅速上升。在暴雨來(lái)臨之際，滲潤(rùn)階段可有效延遲徑流的產(chǎn)生，緩解雨水管網(wǎng)壓力。隨著降雨的繼續(xù)，入滲過(guò)程進(jìn)入到滲吸階段(t=4～15 min)，透水速度繼續(xù)減小，含水率進(jìn)一步升高。推測(cè)是因?yàn)楹＞d體內(nèi)含水率上升，植物根系土壤的間隙在浸潤(rùn)作用下縮小，且泥土浸潤(rùn)后對(duì)滲流的黏性作用增強(qiáng)，導(dǎo)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(kāi)始趨于臨界值。

3.2 監(jiān)測(cè)模型的建立

在3.1節(jié)透水速度的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中，驗(yàn)證了含水率與透水速度存在著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，在不同含水率情況下，早熟禾-土壤海綿體的下滲表現(xiàn)不同，其能容納的最大飽和含水量也不相同。為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)各類天然海綿體可收納雨水有效容量的變化規(guī)律，本文進(jìn)行了不同含水率下海綿體的透水速度試驗(yàn)，通過(guò)多次試驗(yàn)，將所得到的含水率和透水速度關(guān)系，采用多種數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(guān)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(guān)系模型Fig.3 ExpAssoc Relationship Model of Permeability Velocity-Moisture Content of Soil

將光纖系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)時(shí)透水速率，代入上述模型，得到相對(duì)應(yīng)的當(dāng)前土壤質(zhì)量含水率，通過(guò)式(4)可推算出當(dāng)前土壤可承受的水量。

(4)

其中：F飽——監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)土壤的飽和含水量，m3；

F——監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)土壤可承受的水量，m3；

Mn——監(jiān)測(cè)土層n內(nèi)土壤質(zhì)量含水率；

Vn——監(jiān)測(cè)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(yīng)用

為有效驗(yàn)證所構(gòu)建的模型系統(tǒng)在實(shí)際降雨情況下，其所表現(xiàn)出的監(jiān)測(cè)性能，考慮在3種深圳市常見(jiàn)雨型條件下[12]，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示。降雨量與產(chǎn)流量作差得到實(shí)際徑流控制量，利用所建立模型計(jì)算得到監(jiān)測(cè)徑流控制量，并計(jì)算各自的相應(yīng)徑流控制率，結(jié)果如表3所示。

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

3場(chǎng)不同雨型條件下，可知降雨的時(shí)間分布因素，會(huì)對(duì)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)在各雨型條件下，其監(jiān)測(cè)誤差皆保持在較低值，表現(xiàn)出良好的監(jiān)測(cè)性能。

3.4 光纖傳感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有適用性廣泛、布點(diǎn)靈活的特點(diǎn)。由于光纖傳感器的材質(zhì)柔軟，在面對(duì)環(huán)境復(fù)雜的天然海綿體設(shè)施時(shí)，也可以進(jìn)行布設(shè)，同時(shí)光纖傳感器還具備可嵌入的特點(diǎn)，能有效避免外界環(huán)境因素的干擾。運(yùn)行管理便捷高效，對(duì)于監(jiān)測(cè)需求面積大的區(qū)域，可進(jìn)行廣泛布點(diǎn)，集中收集和管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

(1)在不同暴雨強(qiáng)度下，光纖傳感系統(tǒng)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(guān)系。

(2)通過(guò)不同函數(shù)的擬合，尋找到了匹配度較好的ExpAssoc函數(shù)反映透水速度和天然海綿體含水率的關(guān)系并建立數(shù)學(xué)模型。

(3)在模擬的實(shí)際降雨條件下，光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)精度和靈敏性方面展現(xiàn)出了優(yōu)越性。

表3 模擬降雨信息及監(jiān)測(cè)效果Tab.3 Simulated Rainfall Information and Monitoring Results