光纤监测在透水铺装中的应用效益研究

2021-10-25杜逸凡陈瑨辉吴静怡

环境保护与循环经济 2021年8期

杜逸凡陈瑨辉吴静怡

（武汉理工大学土建学院，湖北武汉 430070）

1 引言

海绵城市是我国新型城镇化下的城市雨洪管理措施，用于改变传统雨水排放模式，以生态理念来应对城市的水问题［1］。目前对于各类海绵设施建设效益的精确评估和定期检测一直是一个突出的难题，需要一套可满足传输稳定、抗干扰能力强、精度高等要求的在线监测系统。该系统可通过对下凹式绿地、透水铺装、植草沟等典型设施进行跟踪监测，积累实际运行数据，并能监测设施的长期运行效果，及时发现运行风险及问题并进行有效的处理处置，提高设施的运行保障率，为海绵城市建设水平的不断提高提供基础数据。

2 基于光纤传感技术的海绵城市设施在线监测与控制系统

2.1 光纤传感器在线监测系统

2.1.1 透水铺装监测系统

透水铺装总体是收集、储存、处理雨水径流，然后通过渗透作用补充地下含水层，提升城市水文调蓄功能［2］。为了实现在线监测与控制系统的研发与构建，基于光纤温度传感器，构建应用于透水铺装的监测系统，并通过该系统的监测结果，定量化地反映出透水铺装的透水能力，无需像常规手段进行取样分析，其简单易行，在降雨过程中，通过测量雨水渗透砖体所需的时间即可推算出雨水在该透水面层的渗透速度。以渗透速度参数为基础，分别建立其与孔隙率、渗透系数、径流削减率、产流时刻、径流污染指标（SS，COD）的对应关系，并建立数学模型。

2.1.2 天然海绵体监测系统

天然海绵体对雨水的消纳和净化能力能在较大程度上对海绵城市的运行起到辅助作用［3］。基于光纤温度传感器，完成透水速度指标的监测，并建立其与天然海绵体含水率的关系模型，加以光纤压力传感器为辅助修正，进一步实现对天然海绵体的径流削减能力、径流污染削减能力、有效径流量收集能力以及对天然海绵体雨水贮存能力饱和进行预警。

2.1.3 雨量实时监测系统

雨水的汇流存在一定的延迟现象，因此在暴雨条件下，进行实时的降雨强度监测是在线监测与控制系统能够提前进行雨洪预警，实现自动化控制调蓄的关键。基于光纤压力传感器，以雨水下落时的动量守恒为基本原理，完成实时降雨强度监测装置的设计，并对其准确性进行验证及适当的修正。

2.2 海绵城市设施控制系统

降雨时，地区建设的大量透水铺装、下凹式绿地［4］、植草沟［5］等海绵构筑物可以发挥吸水、蓄水、渗水、净水作用。降雨到达透水铺装及天然海绵体表面后一部分进行下渗，渗入土壤基层补充地下水，一部分随表面汇流进入集水管渠。但是，当降雨强度过大时，道路广场积水导致洪涝灾害时有发生。

图1为基于光纤传感技术的海绵城市设施在线监测与控制系统的雨水调控策略。

图1 雨水调控策略

如图1所示，基于监测系统对于透水铺装与下凹式绿地、植草沟内雨水下渗速率的监测，可以得知透水混凝土与天然海绵体当前实时雨水削减率、污染削减率。

为了避免城市积水产生洪涝灾害，系统进行反馈调节，电脑中控系统控制软件可对城市下位海绵配套设施发出具体指令：

（1）上位机输出调控指令，打开雨水调节池进水阀，减少城市积水。调节池构筑物中配备有光纤水位传感器，水位达到预警线上限时，系统发出指令打开调节池排水阀门。

（2）当积水过多时，控制指令输入，城市泄洪排水阀门根据积水水量控制阀门开启程度，进行部分泄水，降低城市洪峰压力。

（3）当洪峰雨量过大时，上位控制终端可以对城市雨水泵房进行控制，及时打开雨水泵机组，将雨水积水排出，降低洪涝灾害发生概率。

（4）当SS，COD削减率等相关性指标下降到65%以下时，雨水水质发生恶化，电脑中控平台控制软件也会执行反馈调节，调控相关设施，具体输出指令控制措施如下：①对处理工艺进行快速调整，开启备用快速气浮滤池，最大程度减少水中SS及其他污染物，以提高初期雨水水质，便于后续处理及排放；②根据径流量的变化，电脑中控平台对雨水处理设施中滤池内滤速进行控制，径流量较大时，提高滤池滤速，加大处理效率，避免水质恶化、洪涝灾害的发生。

在线监测与控制系统通过对水量、水质的监测及对海绵配套设施的控制，可以实现城市海绵设施自动控制、自动调节，有效避免雨水洪涝灾害的发生，让水资源达到良性循环状态，使整个城市生态系统朝着宜人宜居的方向发展［6］。

2.3 软件综合显示界面

选择NET Framework4.6.1为软件的开发平台，采用Visual Studio平台C＃语言作为软件开发工具。在此界面可以将3种不同海绵设施（透水混凝土、植草沟、下凹式绿地）的降雨下渗速率与其相关的海绵城市相关指标——径流削减率、SS削减率、COD削减率及产流时刻进行直观显示，有利于对设施工作情况进行实时反馈，以便及时采取相关调控措施，如图2所示。同时，也可以对雨水调控设施采取相应的指令，如图2右所示，设备开启控制按钮能对设备进行控制，可以实现人工手动操控。

图2 软件综合显示界面

3 基于光纤传感技术的海绵监测系统与传统监测系统对比分析

3.1 监测方法对比分析

针对目前海绵城市设施评估和监测的难点，有关学者提出多种方法，如踏勘验证法［7］、监测法、监测与模拟联合法［8］、对比监测法。这些方法大多基于对降雨量的模拟预测，并通过传统监测仪器对结果进行验证与修正，仍然无法完全监测出真实降雨环境下海绵设施所发挥的海绵效能，同时这些方法不仅存在着常规传感器所具备的问题，且需要多次的降雨场次监测，在人员调度、监测设备仪器维护方面需要投入大量的工作。基于光纤传感技术的海绵城市设施在线监测与控制系统，通过光纤传感的光信号与电信号的转化，对土壤温度、水位、流量、水压数据进行高精度实时监测，具有传输稳定、抗干扰能力强及精度高等优势。

3.2 成本对比分析

3.2.1 固定设备投资成本

固定设备投资成本（C1）计算公式为：

C1＝F1×m＋F2×n＋F3×p

式中，Fi为单位面积所采用的不同监测设备数量，个；m，n，p为对应不同监测设备的单价，元/个。

相较基于光纤传感技术的海绵检测系统，传统在线监测系统需要购买大量监测设备，如用于雨水径流收集的流量计、渍水点积水深度监测的液位计、监测SS浓度的浊度检测仪、COD检测仪等其他配套仪器，成本较高。

基于光纤传感技术的海绵城市设施在线监测与控制系统是一种新型检测手段，通过在线监测与软件数学模型拟合，可以获得各个关键海绵设施的性能参数，以便了解海绵设施实时运行情况，光纤传感在线监测系统可以取代或部分取代多种类型的实际监测仪器。

假定已知条件：监测面积2 km2；传统在线监测系统需要超声波流量计15个、液位计30个、在线浊度仪10个；光纤在线监测系统需要光纤光栅温度传感器100个、光纤光栅压力式水位计100个、光纤光栅渗水传感装置120个、光纤光栅信号解调仪1个。对于2 km2的区域内，具体监测所需固定设备投资成本见表1。

表1 监测系统固定设备投资成本

3.2.2 后期运行人工维护投资成本

传统在线监测系统还需大量日常人工费用等，所需成本较高，光纤在线监测系统所需日常人工费用较少，因此在整体监测区域内可有效降低设备维护成本。

对于2 km2的区域内，具体监测所需后期运行人工维护投资成本（C2）见表2。

表2 监测系统人工维护投资成本

3.2.3 后期运行设备折旧成本

后期运行设备折旧成本（C3）见下式：

C3＝C1×n×（1－K）/N

式中，C1为固定设备投资成本，元；n为单位面积所采用的固定设备数量，个；K为残值率，%；N为设备最高计提折旧年限，年。

假定已知条件：监测面积2 km2；残值率5%；设备最高计提折旧年限10年。

对于2 km2的区域内，具体监测每年所需后期运行设备折旧成本见表3。

表3 监测系统设备折旧成本

对于监测系统而言，降低前期设备成本投入有利于减少后期运行设备折旧成本。

3.3 社会和经济效益对比分析

3.3.1 经济效益对比分析

两种系统的成本对比分析见图3。

图3 监测系统成本对比分析

相对于传统在线监测手段，在通过基于光纤传感技术的海绵城市设施在线监测与控制系统的研究基础上，建立起完善的数学模型和各个关键海绵性能参数之间对应关系之后，光纤传感在线监测系统就可以取代或部分取代多种类型的实际监测仪器，且光纤设备维护周期长，所需费用低，因此在整体监测区域内可有效降低设备维护成本。

在2 km2监测区域内，光纤传感在线监测手段比常规在线监测手段成本节省了57%。2015年上半年，武汉市正式入选全国首批“海绵城市建设试点城市”，率先在全国开展海绵城市建设。预计2030年武汉城市建成区80%以上的面积要达到海绵城市要求，面积3 261 km2［9］。随着监测布点面积的增大、监测时间的增加，光纤在线监测系统单位面积的监测成本也会随之降低，推广应用后更能体现出该监测技术的经济效益。

3.3.2 社会效益对比分析

随着海绵城市建设项目的不断完工，海绵设施的运行维护成为海绵城市工作的重要内容，但目前对于各类海绵设施建设效益的精确评估和定期检测一直是一个突出的难题。与传统监测系统相比，基于光纤传感技术的海绵监测系统推动了海绵城市的建设，发挥了缓解城市排水压力、改善城市微气候、缓解城市热岛效应的作用，具有良好的环境效益，同时可以很好地对降雨实时情况进行监测，对雨水调蓄设备进行控制，有能力降低洪涝灾害的发生，大大减少了城市内涝发生的可能性。