基于光纤传感技术的天然海绵体蓄水预警系统

迟长哲

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 引言

内涝灾害防治是铁路建设中不可忽视的一环[1]。近年来发生了多起强降雨导致高铁站点内涝及交通瘫痪的事件，造成了极其惨重的损失[2]。针对目前内涝灾害频发的问题，海绵城市建设方案也被更多地应用于铁路建设中。而在海绵城市的建设过程中，天然海绵体成为一种结构简单且实用的海绵设施被大量使用[3]，但其具体的雨水径流控制能力和内涝防治效果则需要在降雨时进行实时监测。常规的监测手段需要投入大量人力物力进行现场测试，对监测区域的基础设施建设水平要求较高，且监测仪器的精度偏低，安装与管理较为复杂[4-6]。针对常规监测手段存在的问题，本研究选择了传感分布范围广、测量精度高、抗干扰能力强的光纤传感技术[7]作为研究手段，提出了一种基于光纤传感技术的天然海绵体饱和预警系统，该系统可监测雨水在天然海绵体中的渗透情况，并对监测区域积水内涝具备预警功能。可实现在铁路天然海绵体蓄水饱和时，启动对应外排措施，避免积水的产生。

2 天然海绵体蓄水预警系统原理

系统通过光纤传感技术来代替传统的监测仪器，其所使用的光纤传感技术为光纤光栅，光纤光栅即在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜，而外界环境的温度变化会通过热膨胀效应和热光效应引起光纤光栅的栅距和折射率的变化[8-9]，配合光纤信号解调仪，可以对传感器所处的环境温度变化进行相关的监测分析。

如图1所示，基于光纤传感技术的天然海绵体监测系统由如下组建:(1)光纤光栅温度传感器；(2)输出光缆；(3)光纤信号解调仪；(4)监测天然海绵体。

图1 天然海绵体监测系统示意

天然海绵体监测系统的监测手段是基于光纤光栅对环境温度的线性敏感关系，当发生降雨时，雨水会下渗至天然海绵体的土层内部，造成土层中的环境温度发生变化，环境的温度变化会导致所处的温度传感器的中心波长发生变化。进而被光纤信号解调仪记录。通过对温度变化的时间节点和光纤光栅传感器位置进行记录，可对雨水下渗位置、下渗时间进行监测，通过式(1)可计算出下渗速率。天然海绵体监测系统中所使用的光纤信号解调仪主要用于监测光纤中心波长的变化，其实质上是信息转换和传递过程的检测系统[10]，通过光源产生的入射光经过耦合器传输至光纤光栅并反射具有特定中心波长的光，光纤信号解调仪能准确快速地测得需检测的外场信息。

式中，α为修正系数；Δt为某一温度下的滞后时间(s)；Xa、Xb为传感器a、b沿垂直方向与地面的距离(cm)。

将所构建的天然海绵体监测系统，与实时雨量计相结合，最终实现天然海绵体的蓄水饱和监测预警作用。降雨强度与下渗速率的关系如图2所示，当降雨强度的数值大于天然海绵体入渗速率的数值时，雨水无法完全下渗入天然海绵体，地面产生径流，监测系统发出积水预警。

图2 下渗速率与降雨强度关系

3 天然海绵体蓄水预警系统的构建

3.1 天然海绵体蓄水量监测

研究发现天然海绵体中的含水率，会影响到天然海绵体中雨水的下渗速率，结合这一现象，对天然海绵体土层的饱和含水量进行分析。

对于常规的土壤入渗，在刚发生入渗现象时，雨水的下渗速率较高，随着降雨中雨水的不断入渗，该下渗速率随着时间推移在逐渐减少，这是因为天然海绵体中的孔隙逐渐堵塞，当入渗孔隙全部堵塞时，该下渗速率会趋于稳定，而天然海绵体土层的入渗规律也类似于此，入渗的初始阶段速率较快，到一定时间后速率趋于稳定。在入渗初期，在一定的天然海绵体和供水的情况下，它主要是由天然海绵体中的体积含水率决定的[11-12]，含水率是土壤中水的质量和固体颗粒质量比值，体积含水率=水的体积/总体积。当入渗的天然海绵体含水率较高时，前锋吸水梯度小，导致前期入渗速率较低，随后渗吸速率降低也比较缓慢。而当入渗时天然海绵体含水率低，较为干燥时，初期吸水梯度大，入渗速率随时间变化时降低较快。但无论开始入渗时土壤的干湿情况如何，最后都降低到相同的入渗度。

结合以上现象分析，认为天然海绵体的含水率与雨水在天然海绵体中的入渗速率具有较好的相关性。在现场条件下进行以下试验:自然条件下天然海绵体土壤中的体积含水率差距较小，一般在10%～20%之间，在现场中取得土样并放入烘箱中，在105～110℃条件下烘6 h左右；再将干土从烘箱取出，按不同的比例称取土与纯净水充分拌匀。取含水量均匀的土样，均匀填入玻璃器皿中，并在顶部铺设草坪。在土层底部安装光纤光栅传感器，在表面通过雨水模拟装置进行雨水喷洒，记录每次雨水渗至土层底部所需的时间T，从而计算出该种含水率土样的下渗速率。配制多种含水率的天然海绵体样品并重复进行实验，绘制成图3。

图3 天然海绵体含水率与雨水下渗速率的对应关系

由图3可知，天然海绵体中雨水的下渗速率随着天然海绵体含水率的增加在迅速降低，在12%含水率时，下渗速率为0.38 cm/min，当体积含水率达到20%，雨水下渗速率降至0.18 cm/min。这表明了通过监测系统测得的下渗速率与土层中的含水率在一定范围内呈现负相关，同时验证了通过该天然海绵体监测系统推算土层含水率的方案的可行性。

通过搭设天然海绵体监测系统，可确定当前时刻土壤的入渗速率，结合天然海绵体中含水率与雨水下渗速率的对应关系，可推得当前土层的体积含水率。而通过该类土饱和含水率，与当前土层的体积含水率进行对比，即可得到该土层在当前的湿润程度下天然海绵体还能承受的雨水入渗量，超过该值则天然海绵体中入渗孔隙全部堵塞时，该入渗速率会趋于稳定并降至最低，此时的海绵设施对暴雨的缓冲能力降至最低。不同天然海绵体在不同含水率下的下渗表现不同，其能容纳的最大饱和含水量也不相同，通过多次试验对不同种类的土壤进行测试，绘出相应的渗透速度—含水率对应关系图，通过式(2)推出当前天然海绵体可承受的水量。

式中，Q饱为当前天然海绵体的最大饱和含水量(m3)；Q为当前湿润程度的天然海绵体可承受的水量(m3)；P为当前天然海绵体体积含水率(%)；V土为天然海绵体土壤体积(m3)。

3.2 天然海绵体蓄水预警系统

结合前文研究的天然海绵体监测系统，可对海绵城市中天然海绵体内的雨水下渗速率进行实时监测，结合当前的暴雨强度监测结果，可以对监测区域内的积水内涝现象进行预警，具体操作方式如下:

设I为当前暴雨强度，u为天然海绵体中雨水渗透速度。

当u>I时，天然海绵体中的雨水下渗速率高于暴雨强度，此时为天然海绵体的入渗阶段，在该阶段的降雨过程中，天然海绵体可快速渗入雨水，预防雨水形成地表径流，该海绵设施可正常工作，发挥径流控制效能。

当u=I时，此时天然海绵体中的雨水下渗速率等于暴雨强度，在该阶段降雨过程中，天然海绵体下渗速率与降雨强度持平，在该点之前的降雨阶段，海绵设施可正常发挥径流控制效能，而到这一阶段时，海绵设施的工作效能已达到设计极限。

当u

4 天然海绵体蓄水预警系统的应用

4.1 方案概述

为了验证天然海绵体监测系统在海绵体的径流控制效果监测及积水预警系统的运行效果，选取襄阳动车所轨道周边的天然海绵体为监测对象，监测区域面积共15 hm2，以黄壤土和红壤土为主，区域内绿色植被覆盖率高，土质层疏松。在天然海绵体中铺设一个光纤监测点，在降雨过程进行相关的数据监测记录，通过结合相关监测手段，收集监测区域内的径流汇集管中的雨水径流，对雨水径流量及降雨量进行监测记录。

4.2 试验结果与分析

根据前文的天然海绵体中雨水下渗速率监测思路，在土层中沿垂直方向布置两支光纤光栅温度传感器，通过光纤信号解调仪将传感器所处场地温度信息解析记录，并绘制成图4。

图4 环境温度实时监测结果

如图4所示，在降雨开始时，两支传感器所处的外场温度差距较小，而随着降雨开始，布设于天然海绵体上层的传感器环境开始变化，可以看到两支传感器在温度变化上的先后差别。而随着降雨历时的增加，两者在同一温度下的时间点差距逐渐增加，这说明随着雨水在天然海绵体中的下渗过程中，下渗速率在不断下降，在降雨历时为46 min时，雨水的下渗速率已趋近于稳定，以上监测结果符合前文研究成果。

结合图4两支传感器随降雨历时的温度变化情况，测得不同时间点下的雨水下渗速率，结合测得的降雨量，绘制成图5。

图5 雨水下渗速率及降雨强度随降雨历时变化关系

由图5可知，试验降雨为单峰雨型，此次降雨历时为52 min，降雨峰值出现在22 min。雨水在天然海绵体中的下渗速率在降雨初期(Ⅰ阶段)较快，在此阶段(0A段)，天然海绵体中的雨水下渗速率满足降雨强度的要求，此时海绵体对雨水的径流量控制效果较好；而随着天然海绵体含水率的增加雨水下渗速率在迅速降低，在达到降雨强度峰值时(Ⅱ阶段)，此时的降雨强度已超出雨水的下渗速率(AB段)，在土层中即发生积水现象，产生表面径流；在阶段Ⅲ，此时随着降雨历时降雨强度迅速下降，降雨强度又低于天然海绵体中的雨水下渗速率。以上监测现象符合前文研究结果，验证了基于光纤传感技术的天然海绵体监测系统对监测区域内的积水内涝现象的监测预警功能。

5 结论

(1)本研究构建了一种基于光纤传感技术的海绵场地天然海绵体蓄水饱和预警系统，即以所监测到的下渗速率为核心指标，对监测区域内的积水内涝现象进行预警。

(2)基于光纤传感技术的天然海绵体蓄水预警系统不仅针对动车所的内涝预警需求，随着海绵城市的建设发展，该系统可在智慧海绵城市及海绵设施建成内涝风险评估中发挥重要作用，并具有推广应用的重大意义。