光纖監(jiān)測(cè)在透水鋪裝中的應(yīng)用效益研究

杜逸凡 陳瑨輝 吳靜怡

（武漢理工大學(xué)土建學(xué)院，湖北武漢 430070）

1 引言

海綿城市是我國(guó)新型城鎮(zhèn)化下的城市雨洪管理措施，用于改變傳統(tǒng)雨水排放模式，以生態(tài)理念來(lái)應(yīng)對(duì)城市的水問(wèn)題［1］。目前對(duì)于各類(lèi)海綿設(shè)施建設(shè)效益的精確評(píng)估和定期檢測(cè)一直是一個(gè)突出的難題，需要一套可滿(mǎn)足傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等要求的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)下凹式綠地、透水鋪裝、植草溝等典型設(shè)施進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，積累實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并能監(jiān)測(cè)設(shè)施的長(zhǎng)期運(yùn)行效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及問(wèn)題并進(jìn)行有效的處理處置，提高設(shè)施的運(yùn)行保障率，為海綿城市建設(shè)水平的不斷提高提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 基于光纖傳感技術(shù)的海綿城市設(shè)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

2.1 光纖傳感器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 透水鋪裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

透水鋪裝總體是收集、儲(chǔ)存、處理雨水徑流，然后通過(guò)滲透作用補(bǔ)充地下含水層，提升城市水文調(diào)蓄功能［2］。為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研發(fā)與構(gòu)建，基于光纖溫度傳感器，構(gòu)建應(yīng)用于透水鋪裝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，定量化地反映出透水鋪裝的透水能力，無(wú)需像常規(guī)手段進(jìn)行取樣分析，其簡(jiǎn)單易行，在降雨過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量雨水滲透磚體所需的時(shí)間即可推算出雨水在該透水面層的滲透速度。以滲透速度參數(shù)為基礎(chǔ)，分別建立其與孔隙率、滲透系數(shù)、徑流削減率、產(chǎn)流時(shí)刻、徑流污染指標(biāo)（SS，COD）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并建立數(shù)學(xué)模型。

2.1.2 天然海綿體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

天然海綿體對(duì)雨水的消納和凈化能力能在較大程度上對(duì)海綿城市的運(yùn)行起到輔助作用［3］?；诠饫w溫度傳感器，完成透水速度指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，并建立其與天然海綿體含水率的關(guān)系模型，加以光纖壓力傳感器為輔助修正，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)天然海綿體的徑流削減能力、徑流污染削減能力、有效徑流量收集能力以及對(duì)天然海綿體雨水貯存能力飽和進(jìn)行預(yù)警。

2.1.3 雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

雨水的匯流存在一定的延遲現(xiàn)象，因此在暴雨條件下，進(jìn)行實(shí)時(shí)的降雨強(qiáng)度監(jiān)測(cè)是在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)能夠提前進(jìn)行雨洪預(yù)警，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制調(diào)蓄的關(guān)鍵。基于光纖壓力傳感器，以雨水下落時(shí)的動(dòng)量守恒為基本原理，完成實(shí)時(shí)降雨強(qiáng)度監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，并對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證及適當(dāng)?shù)男拚?/p>

2.2 海綿城市設(shè)施控制系統(tǒng)

降雨時(shí)，地區(qū)建設(shè)的大量透水鋪裝、下凹式綠地［4］、植草溝［5］等海綿構(gòu)筑物可以發(fā)揮吸水、蓄水、滲水、凈水作用。降雨到達(dá)透水鋪裝及天然海綿體表面后一部分進(jìn)行下滲，滲入土壤基層補(bǔ)充地下水，一部分隨表面匯流進(jìn)入集水管渠。但是，當(dāng)降雨強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，道路廣場(chǎng)積水導(dǎo)致洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

圖1為基于光纖傳感技術(shù)的海綿城市設(shè)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的雨水調(diào)控策略。

圖1 雨水調(diào)控策略

如圖1所示，基于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于透水鋪裝與下凹式綠地、植草溝內(nèi)雨水下滲速率的監(jiān)測(cè)，可以得知透水混凝土與天然海綿體當(dāng)前實(shí)時(shí)雨水削減率、污染削減率。

為了避免城市積水產(chǎn)生洪澇災(zāi)害，系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，電腦中控系統(tǒng)控制軟件可對(duì)城市下位海綿配套設(shè)施發(fā)出具體指令：

（1）上位機(jī)輸出調(diào)控指令，打開(kāi)雨水調(diào)節(jié)池進(jìn)水閥，減少城市積水。調(diào)節(jié)池構(gòu)筑物中配備有光纖水位傳感器，水位達(dá)到預(yù)警線(xiàn)上限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出指令打開(kāi)調(diào)節(jié)池排水閥門(mén)。

（2）當(dāng)積水過(guò)多時(shí)，控制指令輸入，城市泄洪排水閥門(mén)根據(jù)積水水量控制閥門(mén)開(kāi)啟程度，進(jìn)行部分泄水，降低城市洪峰壓力。

（3）當(dāng)洪峰雨量過(guò)大時(shí)，上位控制終端可以對(duì)城市雨水泵房進(jìn)行控制，及時(shí)打開(kāi)雨水泵機(jī)組，將雨水積水排出，降低洪澇災(zāi)害發(fā)生概率。

（4）當(dāng)SS，COD削減率等相關(guān)性指標(biāo)下降到65%以下時(shí)，雨水水質(zhì)發(fā)生惡化，電腦中控平臺(tái)控制軟件也會(huì)執(zhí)行反饋調(diào)節(jié)，調(diào)控相關(guān)設(shè)施，具體輸出指令控制措施如下：①對(duì)處理工藝進(jìn)行快速調(diào)整，開(kāi)啟備用快速氣浮濾池，最大程度減少水中SS及其他污染物，以提高初期雨水水質(zhì)，便于后續(xù)處理及排放；②根據(jù)徑流量的變化，電腦中控平臺(tái)對(duì)雨水處理設(shè)施中濾池內(nèi)濾速進(jìn)行控制，徑流量較大時(shí)，提高濾池濾速，加大處理效率，避免水質(zhì)惡化、洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水量、水質(zhì)的監(jiān)測(cè)及對(duì)海綿配套設(shè)施的控制，可以實(shí)現(xiàn)城市海綿設(shè)施自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)，有效避免雨水洪澇災(zāi)害的發(fā)生，讓水資源達(dá)到良性循環(huán)狀態(tài)，使整個(gè)城市生態(tài)系統(tǒng)朝著宜人宜居的方向發(fā)展［6］。

2.3 軟件綜合顯示界面

選擇NET Framework4.6.1為軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用Visual Studio平臺(tái)C＃語(yǔ)言作為軟件開(kāi)發(fā)工具。在此界面可以將3種不同海綿設(shè)施（透水混凝土、植草溝、下凹式綠地）的降雨下滲速率與其相關(guān)的海綿城市相關(guān)指標(biāo)——徑流削減率、SS削減率、COD削減率及產(chǎn)流時(shí)刻進(jìn)行直觀(guān)顯示，有利于對(duì)設(shè)施工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，以便及時(shí)采取相關(guān)調(diào)控措施，如圖2所示。同時(shí)，也可以對(duì)雨水調(diào)控設(shè)施采取相應(yīng)的指令，如圖2右所示，設(shè)備開(kāi)啟控制按鈕能對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)操控。

圖2 軟件綜合顯示界面

3 基于光纖傳感技術(shù)的海綿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)比分析

3.1 監(jiān)測(cè)方法對(duì)比分析

針對(duì)目前海綿城市設(shè)施評(píng)估和監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)，有關(guān)學(xué)者提出多種方法，如踏勘驗(yàn)證法［7］、監(jiān)測(cè)法、監(jiān)測(cè)與模擬聯(lián)合法［8］、對(duì)比監(jiān)測(cè)法。這些方法大多基于對(duì)降雨量的模擬預(yù)測(cè)，并通過(guò)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與修正，仍然無(wú)法完全監(jiān)測(cè)出真實(shí)降雨環(huán)境下海綿設(shè)施所發(fā)揮的海綿效能，同時(shí)這些方法不僅存在著常規(guī)傳感器所具備的問(wèn)題，且需要多次的降雨場(chǎng)次監(jiān)測(cè)，在人員調(diào)度、監(jiān)測(cè)設(shè)備儀器維護(hù)方面需要投入大量的工作。基于光纖傳感技術(shù)的海綿城市設(shè)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，通過(guò)光纖傳感的光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤溫度、水位、流量、水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)及精度高等優(yōu)勢(shì)。

3.2 成本對(duì)比分析

3.2.1 固定設(shè)備投資成本

固定設(shè)備投資成本（C1）計(jì)算公式為：

C1＝F1×m＋F2×n＋F3×p

式中，F(xiàn)i為單位面積所采用的不同監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)量，個(gè)；m，n，p為對(duì)應(yīng)不同監(jiān)測(cè)設(shè)備的單價(jià)，元/個(gè)。

相較基于光纖傳感技術(shù)的海綿檢測(cè)系統(tǒng)，傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要購(gòu)買(mǎi)大量監(jiān)測(cè)設(shè)備，如用于雨水徑流收集的流量計(jì)、漬水點(diǎn)積水深度監(jiān)測(cè)的液位計(jì)、監(jiān)測(cè)SS濃度的濁度檢測(cè)儀、COD檢測(cè)儀等其他配套儀器，成本較高。

基于光纖傳感技術(shù)的海綿城市設(shè)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)是一種新型檢測(cè)手段，通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與軟件數(shù)學(xué)模型擬合，可以獲得各個(gè)關(guān)鍵海綿設(shè)施的性能參數(shù)，以便了解海綿設(shè)施實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，光纖傳感在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以取代或部分取代多種類(lèi)型的實(shí)際監(jiān)測(cè)儀器。

假定已知條件：監(jiān)測(cè)面積2 km2；傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要超聲波流量計(jì)15個(gè)、液位計(jì)30個(gè)、在線(xiàn)濁度儀10個(gè)；光纖在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要光纖光柵溫度傳感器100個(gè)、光纖光柵壓力式水位計(jì)100個(gè)、光纖光柵滲水傳感裝置120個(gè)、光纖光柵信號(hào)解調(diào)儀1個(gè)。對(duì)于2 km2的區(qū)域內(nèi)，具體監(jiān)測(cè)所需固定設(shè)備投資成本見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)固定設(shè)備投資成本

3.2.2 后期運(yùn)行人工維護(hù)投資成本

傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還需大量日常人工費(fèi)用等，所需成本較高，光纖在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需日常人工費(fèi)用較少，因此在整體監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)可有效降低設(shè)備維護(hù)成本。

對(duì)于2 km2的區(qū)域內(nèi)，具體監(jiān)測(cè)所需后期運(yùn)行人工維護(hù)投資成本（C2）見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人工維護(hù)投資成本

3.2.3 后期運(yùn)行設(shè)備折舊成本

后期運(yùn)行設(shè)備折舊成本（C3）見(jiàn)下式：

C3＝C1×n×（1－K）/N

式中，C1為固定設(shè)備投資成本，元；n為單位面積所采用的固定設(shè)備數(shù)量，個(gè)；K為殘值率，%；N為設(shè)備最高計(jì)提折舊年限，年。

假定已知條件：監(jiān)測(cè)面積2 km2；殘值率5%；設(shè)備最高計(jì)提折舊年限10年。

對(duì)于2 km2的區(qū)域內(nèi)，具體監(jiān)測(cè)每年所需后期運(yùn)行設(shè)備折舊成本見(jiàn)表3。

表3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備折舊成本

對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，降低前期設(shè)備成本投入有利于減少后期運(yùn)行設(shè)備折舊成本。

3.3 社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

兩種系統(tǒng)的成本對(duì)比分析見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本對(duì)比分析

相對(duì)于傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段，在通過(guò)基于光纖傳感技術(shù)的海綿城市設(shè)施在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，建立起完善的數(shù)學(xué)模型和各個(gè)關(guān)鍵海綿性能參數(shù)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系之后，光纖傳感在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就可以取代或部分取代多種類(lèi)型的實(shí)際監(jiān)測(cè)儀器，且光纖設(shè)備維護(hù)周期長(zhǎng)，所需費(fèi)用低，因此在整體監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)可有效降低設(shè)備維護(hù)成本。

在2 km2監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，光纖傳感在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段比常規(guī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段成本節(jié)省了57%。2015年上半年，武漢市正式入選全國(guó)首批“海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市”，率先在全國(guó)開(kāi)展海綿城市建設(shè)。預(yù)計(jì)2030年武漢城市建成區(qū)80%以上的面積要達(dá)到海綿城市要求，面積3 261 km2［9］。隨著監(jiān)測(cè)布點(diǎn)面積的增大、監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，光纖在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)單位面積的監(jiān)測(cè)成本也會(huì)隨之降低，推廣應(yīng)用后更能體現(xiàn)出該監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3.2 社會(huì)效益對(duì)比分析

隨著海綿城市建設(shè)項(xiàng)目的不斷完工，海綿設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)成為海綿城市工作的重要內(nèi)容，但目前對(duì)于各類(lèi)海綿設(shè)施建設(shè)效益的精確評(píng)估和定期檢測(cè)一直是一個(gè)突出的難題。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，基于光纖傳感技術(shù)的海綿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推動(dòng)了海綿城市的建設(shè)，發(fā)揮了緩解城市排水壓力、改善城市微氣候、緩解城市熱島效應(yīng)的作用，具有良好的環(huán)境效益，同時(shí)可以很好地對(duì)降雨實(shí)時(shí)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)雨水調(diào)蓄設(shè)備進(jìn)行控制，有能力降低洪澇災(zāi)害的發(fā)生，大大減少了城市內(nèi)澇發(fā)生的可能性。

4 結(jié)論

（1）基于光纖傳感技術(shù)的海綿檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)海綿設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)軟件應(yīng)用不同的調(diào)控方案，降低機(jī)組荷載，更加高效地進(jìn)行排水工作，進(jìn)一步降低機(jī)組運(yùn)行成本，也便于操作與管理。

（2）在2 km2監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，光纖傳感在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段比常規(guī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)手段成本節(jié)省了57%，其傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)及精度高，且隨著監(jiān)測(cè)布點(diǎn)面積增大、監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，單位面積的監(jiān)測(cè)成本隨之降低，推廣應(yīng)用后經(jīng)濟(jì)效益顯著。

（3）確定了基于光纖傳感技術(shù)的海綿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用價(jià)值，為基于光纖傳感技術(shù)的海綿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步推廣提供了理論依據(jù)。