基于光纖傳感技術(shù)的天然海綿體蓄水預(yù)警系統(tǒng)

遲長哲

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 引言

內(nèi)澇災(zāi)害防治是鐵路建設(shè)中不可忽視的一環(huán)[1]。近年來發(fā)生了多起強降雨導(dǎo)致高鐵站點內(nèi)澇及交通癱瘓的事件，造成了極其慘重的損失[2]。針對目前內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)的問題，海綿城市建設(shè)方案也被更多地應(yīng)用于鐵路建設(shè)中。而在海綿城市的建設(shè)過程中，天然海綿體成為一種結(jié)構(gòu)簡單且實用的海綿設(shè)施被大量使用[3]，但其具體的雨水徑流控制能力和內(nèi)澇防治效果則需要在降雨時進(jìn)行實時監(jiān)測。常規(guī)的監(jiān)測手段需要投入大量人力物力進(jìn)行現(xiàn)場測試，對監(jiān)測區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平要求較高，且監(jiān)測儀器的精度偏低，安裝與管理較為復(fù)雜[4-6]。針對常規(guī)監(jiān)測手段存在的問題，本研究選擇了傳感分布范圍廣、測量精度高、抗干擾能力強的光纖傳感技術(shù)[7]作為研究手段，提出了一種基于光纖傳感技術(shù)的天然海綿體飽和預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)測雨水在天然海綿體中的滲透情況，并對監(jiān)測區(qū)域積水內(nèi)澇具備預(yù)警功能?？蓪崿F(xiàn)在鐵路天然海綿體蓄水飽和時，啟動對應(yīng)外排措施，避免積水的產(chǎn)生。

2 天然海綿體蓄水預(yù)警系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過光纖傳感技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的監(jiān)測儀器，其所使用的光纖傳感技術(shù)為光纖光柵，光纖光柵即在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡，而外界環(huán)境的溫度變化會通過熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起光纖光柵的柵距和折射率的變化[8-9]，配合光纖信號解調(diào)儀，可以對傳感器所處的環(huán)境溫度變化進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測分析。

如圖1所示，基于光纖傳感技術(shù)的天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)由如下組建:(1)光纖光柵溫度傳感器；(2)輸出光纜；(3)光纖信號解調(diào)儀；(4)監(jiān)測天然海綿體。

圖1 天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)示意

天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測手段是基于光纖光柵對環(huán)境溫度的線性敏感關(guān)系，當(dāng)發(fā)生降雨時，雨水會下滲至天然海綿體的土層內(nèi)部，造成土層中的環(huán)境溫度發(fā)生變化，環(huán)境的溫度變化會導(dǎo)致所處的溫度傳感器的中心波長發(fā)生變化。進(jìn)而被光纖信號解調(diào)儀記錄。通過對溫度變化的時間節(jié)點和光纖光柵傳感器位置進(jìn)行記錄，可對雨水下滲位置、下滲時間進(jìn)行監(jiān)測，通過式(1)可計算出下滲速率。天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)中所使用的光纖信號解調(diào)儀主要用于監(jiān)測光纖中心波長的變化，其實質(zhì)上是信息轉(zhuǎn)換和傳遞過程的檢測系統(tǒng)[10]，通過光源產(chǎn)生的入射光經(jīng)過耦合器傳輸至光纖光柵并反射具有特定中心波長的光，光纖信號解調(diào)儀能準(zhǔn)確快速地測得需檢測的外場信息。

式中，α為修正系數(shù)；Δt為某一溫度下的滯后時間(s)；Xa、Xb為傳感器a、b沿垂直方向與地面的距離(cm)。

將所構(gòu)建的天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)，與實時雨量計相結(jié)合，最終實現(xiàn)天然海綿體的蓄水飽和監(jiān)測預(yù)警作用。降雨強度與下滲速率的關(guān)系如圖2所示，當(dāng)降雨強度的數(shù)值大于天然海綿體入滲速率的數(shù)值時，雨水無法完全下滲入天然海綿體，地面產(chǎn)生徑流，監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出積水預(yù)警。

圖2 下滲速率與降雨強度關(guān)系

3 天然海綿體蓄水預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 天然海綿體蓄水量監(jiān)測

研究發(fā)現(xiàn)天然海綿體中的含水率，會影響到天然海綿體中雨水的下滲速率，結(jié)合這一現(xiàn)象，對天然海綿體土層的飽和含水量進(jìn)行分析。

對于常規(guī)的土壤入滲，在剛發(fā)生入滲現(xiàn)象時，雨水的下滲速率較高，隨著降雨中雨水的不斷入滲，該下滲速率隨著時間推移在逐漸減少，這是因為天然海綿體中的孔隙逐漸堵塞，當(dāng)入滲孔隙全部堵塞時，該下滲速率會趨于穩(wěn)定，而天然海綿體土層的入滲規(guī)律也類似于此，入滲的初始階段速率較快，到一定時間后速率趨于穩(wěn)定。在入滲初期，在一定的天然海綿體和供水的情況下，它主要是由天然海綿體中的體積含水率決定的[11-12]，含水率是土壤中水的質(zhì)量和固體顆粒質(zhì)量比值，體積含水率=水的體積/總體積。當(dāng)入滲的天然海綿體含水率較高時，前鋒吸水梯度小，導(dǎo)致前期入滲速率較低，隨后滲吸速率降低也比較緩慢。而當(dāng)入滲時天然海綿體含水率低，較為干燥時，初期吸水梯度大，入滲速率隨時間變化時降低較快。但無論開始入滲時土壤的干濕情況如何，最后都降低到相同的入滲度。

結(jié)合以上現(xiàn)象分析，認(rèn)為天然海綿體的含水率與雨水在天然海綿體中的入滲速率具有較好的相關(guān)性。在現(xiàn)場條件下進(jìn)行以下試驗:自然條件下天然海綿體土壤中的體積含水率差距較小，一般在10%～20%之間，在現(xiàn)場中取得土樣并放入烘箱中，在105～110℃條件下烘6 h左右；再將干土從烘箱取出，按不同的比例稱取土與純凈水充分拌勻。取含水量均勻的土樣，均勻填入玻璃器皿中，并在頂部鋪設(shè)草坪。在土層底部安裝光纖光柵傳感器，在表面通過雨水模擬裝置進(jìn)行雨水噴灑，記錄每次雨水滲至土層底部所需的時間T，從而計算出該種含水率土樣的下滲速率。配制多種含水率的天然海綿體樣品并重復(fù)進(jìn)行實驗，繪制成圖3。

圖3 天然海綿體含水率與雨水下滲速率的對應(yīng)關(guān)系

由圖3可知，天然海綿體中雨水的下滲速率隨著天然海綿體含水率的增加在迅速降低，在12%含水率時，下滲速率為0.38 cm/min，當(dāng)體積含水率達(dá)到20%，雨水下滲速率降至0.18 cm/min。這表明了通過監(jiān)測系統(tǒng)測得的下滲速率與土層中的含水率在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，同時驗證了通過該天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)推算土層含水率的方案的可行性。

通過搭設(shè)天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)，可確定當(dāng)前時刻土壤的入滲速率，結(jié)合天然海綿體中含水率與雨水下滲速率的對應(yīng)關(guān)系，可推得當(dāng)前土層的體積含水率。而通過該類土飽和含水率，與當(dāng)前土層的體積含水率進(jìn)行對比，即可得到該土層在當(dāng)前的濕潤程度下天然海綿體還能承受的雨水入滲量，超過該值則天然海綿體中入滲孔隙全部堵塞時，該入滲速率會趨于穩(wěn)定并降至最低，此時的海綿設(shè)施對暴雨的緩沖能力降至最低。不同天然海綿體在不同含水率下的下滲表現(xiàn)不同，其能容納的最大飽和含水量也不相同，通過多次試驗對不同種類的土壤進(jìn)行測試，繪出相應(yīng)的滲透速度—含水率對應(yīng)關(guān)系圖，通過式(2)推出當(dāng)前天然海綿體可承受的水量。

式中，Q飽為當(dāng)前天然海綿體的最大飽和含水量(m3)；Q為當(dāng)前濕潤程度的天然海綿體可承受的水量(m3)；P為當(dāng)前天然海綿體體積含水率(%)；V土為天然海綿體土壤體積(m3)。

3.2 天然海綿體蓄水預(yù)警系統(tǒng)

結(jié)合前文研究的天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)，可對海綿城市中天然海綿體內(nèi)的雨水下滲速率進(jìn)行實時監(jiān)測，結(jié)合當(dāng)前的暴雨強度監(jiān)測結(jié)果，可以對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的積水內(nèi)澇現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警，具體操作方式如下:

設(shè)I為當(dāng)前暴雨強度，u為天然海綿體中雨水滲透速度。

當(dāng)u>I時，天然海綿體中的雨水下滲速率高于暴雨強度，此時為天然海綿體的入滲階段，在該階段的降雨過程中，天然海綿體可快速滲入雨水，預(yù)防雨水形成地表徑流，該海綿設(shè)施可正常工作，發(fā)揮徑流控制效能。

當(dāng)u=I時，此時天然海綿體中的雨水下滲速率等于暴雨強度，在該階段降雨過程中，天然海綿體下滲速率與降雨強度持平，在該點之前的降雨階段，海綿設(shè)施可正常發(fā)揮徑流控制效能，而到這一階段時，海綿設(shè)施的工作效能已達(dá)到設(shè)計極限。

當(dāng)u

4 天然海綿體蓄水預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 方案概述

為了驗證天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)在海綿體的徑流控制效果監(jiān)測及積水預(yù)警系統(tǒng)的運行效果，選取襄陽動車所軌道周邊的天然海綿體為監(jiān)測對象，監(jiān)測區(qū)域面積共15 hm2，以黃壤土和紅壤土為主，區(qū)域內(nèi)綠色植被覆蓋率高，土質(zhì)層疏松。在天然海綿體中鋪設(shè)一個光纖監(jiān)測點，在降雨過程進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄，通過結(jié)合相關(guān)監(jiān)測手段，收集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的徑流匯集管中的雨水徑流，對雨水徑流量及降雨量進(jìn)行監(jiān)測記錄。

4.2 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)前文的天然海綿體中雨水下滲速率監(jiān)測思路，在土層中沿垂直方向布置兩支光纖光柵溫度傳感器，通過光纖信號解調(diào)儀將傳感器所處場地溫度信息解析記錄，并繪制成圖4。

圖4 環(huán)境溫度實時監(jiān)測結(jié)果

如圖4所示，在降雨開始時，兩支傳感器所處的外場溫度差距較小，而隨著降雨開始，布設(shè)于天然海綿體上層的傳感器環(huán)境開始變化，可以看到兩支傳感器在溫度變化上的先后差別。而隨著降雨歷時的增加，兩者在同一溫度下的時間點差距逐漸增加，這說明隨著雨水在天然海綿體中的下滲過程中，下滲速率在不斷下降，在降雨歷時為46 min時，雨水的下滲速率已趨近于穩(wěn)定，以上監(jiān)測結(jié)果符合前文研究成果。

結(jié)合圖4兩支傳感器隨降雨歷時的溫度變化情況，測得不同時間點下的雨水下滲速率，結(jié)合測得的降雨量，繪制成圖5。

圖5 雨水下滲速率及降雨強度隨降雨歷時變化關(guān)系

由圖5可知，試驗降雨為單峰雨型，此次降雨歷時為52 min，降雨峰值出現(xiàn)在22 min。雨水在天然海綿體中的下滲速率在降雨初期(Ⅰ階段)較快，在此階段(0A段)，天然海綿體中的雨水下滲速率滿足降雨強度的要求，此時海綿體對雨水的徑流量控制效果較好；而隨著天然海綿體含水率的增加雨水下滲速率在迅速降低，在達(dá)到降雨強度峰值時(Ⅱ階段)，此時的降雨強度已超出雨水的下滲速率(AB段)，在土層中即發(fā)生積水現(xiàn)象，產(chǎn)生表面徑流；在階段Ⅲ，此時隨著降雨歷時降雨強度迅速下降，降雨強度又低于天然海綿體中的雨水下滲速率。以上監(jiān)測現(xiàn)象符合前文研究結(jié)果，驗證了基于光纖傳感技術(shù)的天然海綿體監(jiān)測系統(tǒng)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的積水內(nèi)澇現(xiàn)象的監(jiān)測預(yù)警功能。

5 結(jié)論

(1)本研究構(gòu)建了一種基于光纖傳感技術(shù)的海綿場地天然海綿體蓄水飽和預(yù)警系統(tǒng)，即以所監(jiān)測到的下滲速率為核心指標(biāo)，對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的積水內(nèi)澇現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警。

(2)基于光纖傳感技術(shù)的天然海綿體蓄水預(yù)警系統(tǒng)不僅針對動車所的內(nèi)澇預(yù)警需求，隨著海綿城市的建設(shè)發(fā)展，該系統(tǒng)可在智慧海綿城市及海綿設(shè)施建成內(nèi)澇風(fēng)險評估中發(fā)揮重要作用，并具有推廣應(yīng)用的重大意義。