光纤传感技术应用于深圳市典型天然海绵体效能监测

朱威达，卢顺翔，蔡志文，李泽丰，杜逸凡

(1.深圳市节约用水办公室，广东深圳 518000；2.武汉理工大学深圳研究院，广东深圳 518000；3.深圳市城市规划设计研究院有限公司，广东深圳 518000；4.武汉理工大学市政工程系，湖北武汉 430070)

在近些年的城市化进程中，海绵城市一直作为城市雨洪管理的指导理念。海绵设施在应用过程中，被证实可有效缓解城市内部的洪涝问题和改善地表径流的水质情况[1]。住房和城乡建设部发布《海绵城市建设绩效评价与考核办法》，要求对海绵设施建设成效进行定量化的监测[2]。天然海绵体，即绿化带、下凹式绿地、生物滞留池等，作为海绵城市的调蓄和渗滤主体并发挥重要作用[3-4]。目前，并没有较好的监测方法对土壤基质的雨水调蓄能力进行评估。因此，基于深圳市典型天然海绵体，试图建立一套光纤传感监测系统，以实现对天然海绵体土壤基质的调蓄能力进行监测。

1 光纤温度传感器系统监测原理

1.1 光纤温度传感器

外界环境的变化会影响光纤光栅所输出的波长信号，这种影响包括了环境的应力变化和环境的温度变化[5]。2种环境变化对光纤光栅的影响，最终都表现为光栅的栅距和折射率的改变，进而导致光栅的反射光谱和透射光谱发生改变。采用应变补偿法对光纤光栅进行封装，使其仅对环境的温度变化敏感[6]。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的变化，并以波长漂移信号的形式输出，建立波长漂移量与环境温度变化量的关系，可实现对环境温度变化的监测。

1.2 监测原理

天然海绵体对雨水具有渗蓄的功能。雨水在入渗到天然海绵体的过程中分为3个阶段，分别是渗润、渗吸和渗透阶段[7]，即随着土壤含水率变化，雨水的入渗速度也会发生改变。由于雨水的入渗，土壤环境的温度会降低。根据这一现象，考虑在天然海绵体内的竖直方向上，布置光纤温度传感器。降雨时，随着雨水的入渗，土壤含水率不断上升，而在此过程中，传感器不断被低温雨水浸润冲刷，直到传感器周围土壤含水率达到近似饱和状态，温度趋于恒定。而上下布置的传感器，两者会在温度变化上存在时间滞后的现象。光纤温度传感器产生的波长信号，随着环境温度的改变会发生波长漂移，且这一漂移量与环境温度的变化呈线性关系[8]。因此,可通过波长漂移量变化的滞后性，反映出雨水在天然海绵体内的透水速度。

1.3 系统组成

降雨时随着雨水渗入天然海绵设施的土层中，光纤温度传感器将所监测到的光信号传递到光纤光栅解调仪上，经过解调仪解调后转化为电信号，以波长漂移量的形式在计算机上展现，经数据处理后得到及时的海绵体内的雨水透水速度。

2 材料与方法

2.1 试验设备及材料

光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、PC计算机、自制降雨模拟装置、自制天然海绵体模拟装置，试验用雨水于深圳市罗湖区某居民点接取，以草坪草-土壤构建天然海绵体，其中，土壤为华南地区分布最为广泛的红壤土[9]，草坪草品种为早熟禾。

光纤光栅温度传感器具体参数如下：中心波长为1 510～1 590 nm；分辨率为0.01 ℃；精度为±0.5 ℃；反射率>80%。光纤解调仪具体参数如下：通道数为8个；波长为1 529～1 569 nm；波长分辨率为1×10-12m；扫描频率为100 Hz；动态值为40～60 dB。

试验土壤的理化性质如下：pH值为5.0～5.5；盐基饱和度为40%；有机质含量<20 g/kg；腐殖质中胡敏酸/富里酸(H/F)为0.3～0.4；密度为2.76 g/cm3；饱和质量含水率为28.5%。

早熟禾草坪草铺装特性参数如下：高度为(5.3±0.5)cm；根长为(9.5±1.0)cm；盖度为86.2%±1.0%；密度为(21 000±500)株/m2。

2.2 试验装置结构

采用北京东成人工降雨模拟器(GC-JY)，通过程序设置，可模拟出试验所需要的雨型和降雨强度。天然海绵体模拟装置如图1所示。天然海绵体模拟装置上部设置径流排出口，底部设置渗透水排出口。土层下垫设工程透水隔土布和细碎石，防止底部土壤流失。

图1 天然海绵体模拟装置Fig.1 Simulation Devices of Natural Sponges

2.3 试验方法

2.3.1 透水速度监测试验

试验用土样先进行烘干处理，在烘箱中以105～110 ℃条件下烘干6 h左右。进行透水速度试验时，在早熟禾草坪草下5 cm布置第一个光纤光栅温度传感器，在其下面竖直方向上每隔10 cm布置一个光纤光栅温度传感器，顺次布置3个，共布置4个。布置完毕后，通过降雨装置模拟降雨，记录经光纤解调仪解调后的波长数据。含水率的测定采用烘干法。

2.3.2 透水速度与含水率关系试验

自然条件下，红壤土中质量含水率一般在10%～30%[10]，因此，试验用土壤的含水率条件参考此范围。将烘干的红壤土样，按质量含水率为10%、13%、16%、19%、22%、25%、27%，加入蒸馏水混匀后放入容器，以保鲜膜封口并置于恒温恒湿箱中，保存24 h左右。将备好的土样以15 cm深度均匀填入玻璃器皿，表面铺以早熟禾草坪草，并分别在玻璃器皿底部上5 cm以及草坪草根系下5 cm，安装好光纤光栅温度传感器。通过雨水模拟装置进行降雨模拟，记录2个光纤光栅温度传感器的响应时间差，从而计算出对应含水率下，早熟禾-土壤系统天然海绵体的透水速度。

2.4 数据处理方法

模拟降雨时，记录上下2个光纤光栅温度传感器的波长数据，通过Matlab软件进行数据处理，并建立波长变化滞后模型，模型计算如式(1)～式(3)，可以计算海绵体内的雨水透水速度。

λan=λbn

(1)

Δtn=tan-tbn

(2)

(3)

其中：λan、λbn——光纤波长，nm；

tan、tbn——λan、λbn对应时刻，min；

u——透水速率，cm/min；

Δtn——某一波长下滞后时间，min；

ha、hb——两光栅埋深深度，cm。

3 结果与讨论

3.1 透水速度监测

在不同重现期下，本研究进行了透水速度的监测试验。根据深圳市气象局发布的《深圳市暴雨强度公式及查算图表》(2015版)[11]，计算得到多种重现期下，不同降雨历时的平均暴雨强度，结果如表1所示。

表1 不同重现期及降雨历时下的暴雨强度Tab.1 Rainstorm Intensity under Different Return Periods and Rainfall Durations

综合表1中暴雨强度数据，选取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min的平均时降雨强度进行试验，试验结果如图2所示。

图2 不同降雨强度下土层渗透速率变化Fig.2 Changes of Soil Layer Permeability Velocity under Different Rainfall Intensities

观察不同降雨强度下，该系统的3个土层的透水速度曲线变化过程，发现该系统的下层土层的透水速度受上层土层状态所影响。上层土壤需要完成渗润阶段后，雨水才能继续下渗，但渗润阶段完成后，土层含水率增加，雨水通过上层透水速度减缓。因此，海绵体的整体透水速度，在一定程度上取决于上层土层的透水速度。在降雨暴雨强度较低[图2(a)～图2(b)]的条件下，系统下层土层的透水速度明显低于上层土层的透水速度。在此过程中上层土壤含水率并未达至饱和，土层在雨水下渗过程中，将一部分雨水滞留，以增加本层土壤的含水率。在图2(d)～图2(e)条件下，暴雨强度逐步增大至2.5 mm/min，上层土壤含水率达到饱和所需时间变短，当上层土壤含水率达至饱和后，上层土壤所吸收的雨水，皆通过重力作用下渗到下层土壤，此时雨水的透水速度基本趋于稳定。随着暴雨强度的继续增加，上层土壤的含水率增加更为迅速，而透水速度的下降趋势与含水率上升趋势成反比。这说明天然海绵体土壤的含水率，会影响天然海绵体的透水速度。由图2可知，光纤光栅温度传感器监测系统在不同降雨强度下，皆能灵敏并及时地反映出早熟禾-土壤海绵体系统在不同纵深下土层的透水速度变化情况。同时，早熟禾-土壤海绵体的含水率变化与透水速度变化具有明显的相关性，透水速度变化对含水率的变化特点，具有良好的反馈性。

水分渗入天然海绵体是水分在分子力、毛管力和重力的综合作用下的物理过程，入渗过程分为3个阶段：渗润阶段、渗吸阶段和渗透阶段[7]。由图2(e)可知，土层1中当雨水入渗处于渗润阶段时(t=2～4 min)，早熟禾-土壤海绵体系统内的含水率较低，透水速度快且下降趋势明显，而含水率在此阶段迅速上升。在暴雨来临之际，渗润阶段可有效延迟径流的产生，缓解雨水管网压力。随着降雨的继续，入渗过程进入到渗吸阶段(t=4～15 min)，透水速度继续减小，含水率进一步升高。推测是因为海绵体内含水率上升，植物根系土壤的间隙在浸润作用下缩小，且泥土浸润后对渗流的黏性作用增强，导致雨水在早熟禾-土壤海绵体中的下渗阻力增加，透水速度下降。在渗透阶段(t>15 min)，透水速度下降缓慢，海绵体的含水率增加也趋于平缓，且两者皆开始趋于临界值。

3.2 监测模型的建立

在3.1节透水速度的监测试验过程中，验证了含水率与透水速度存在着较强的相关关系，在不同含水率情况下，早熟禾-土壤海绵体的下渗表现不同，其能容纳的最大饱和含水量也不相同。为了准确监测各类天然海绵体可收纳雨水有效容量的变化规律，本文进行了不同含水率下海绵体的透水速度试验，通过多次试验，将所得到的含水率和透水速度关系，采用多种数学模型进行拟合，选取了拟合性较好的3种(表2)。其中，以ExpAssoc模型拟合效果最佳，拟合模型如图3所示。

表2 透水速度与含水率关系拟合模型Tab.2 Fitting Model of Relationship between Permeability Velocity and Moisture Content of Soil

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

将光纤系统测得的实时透水速率，代入上述模型，得到相对应的当前土壤质量含水率，通过式(4)可推算出当前土壤可承受的水量。

(4)

其中：F饱——监测区域内土壤的饱和含水量，m3；

F——监测区域内土壤可承受的水量，m3；

Mn——监测土层n内土壤质量含水率；

Vn——监测土层n土壤体积，m3；

ρ——土壤密度，kg/m3；

ρ水——水密度，1×103kg/m3。

3.3 天然海绵体可收纳雨水有效容量的应用

为有效验证所构建的模型系统在实际降雨情况下，其所表现出的监测性能，考虑在3种深圳市常见雨型条件下[12]，对监测结果进行验证，如图4所示。降雨量与产流量作差得到实际径流控制量，利用所建立模型计算得到监测径流控制量，并计算各自的相应径流控制率，结果如表3所示。

图4 模拟降雨雨强分布情况Fig.4 Distribution of Simulated Rainfall Intensity

3场不同雨型条件下，可知降雨的时间分布因素，会对天然海绵体的雨水径流控制率造成一定影响，但是光纤传感监测系统在各雨型条件下，其监测误差皆保持在较低值，表现出良好的监测性能。

3.4 光纤传感技术的优势

光纤监测系统具有适用性广泛、布点灵活的特点。由于光纤传感器的材质柔软，在面对环境复杂的天然海绵体设施时，也可以进行布设，同时光纤传感器还具备可嵌入的特点，能有效避免外界环境因素的干扰。运行管理便捷高效，对于监测需求面积大的区域，可进行广泛布点，集中收集和管理监测数据。

4 结论

(1)在不同暴雨强度下，光纤传感系统皆可以灵敏反映典型天然海绵体的透水速度变化，且透水速度与含水率存在明显关系。

(2)通过不同函数的拟合，寻找到了匹配度较好的ExpAssoc函数反映透水速度和天然海绵体含水率的关系并建立数学模型。

(3)在模拟的实际降雨条件下，光纤传感监测系统在监测精度和灵敏性方面展现出了优越性。

表3 模拟降雨信息及监测效果Tab.3 Simulated Rainfall Information and Monitoring Results