天然海绵设施积水的实时预警监测系统及方法与流程

1.本发明涉及海绵城市技术与光纤传感技术，具体涉及一种可以应用于城市天然海绵设施的实时预警监测系统及方法。


背景技术：

2.在现如今海绵城市建设过程中，为了实现对雨水的吸、渗、净、蓄四大功能，提高城市内雨水回收利用率，降低洪涝灾害发生的概率。透水混凝土、陶瓷透水砖、综合管廊、下凹式绿地、植草沟等多种基础海绵设施在海绵城市建设过程中被大力推广，使得雨水径流削减率等得到了很大的提高。但是，在实际降雨过程中，下凹式绿地、植草沟等利用天然海绵体对雨水进行吸收利用的海绵设施不能有效发挥设施吸纳雨水的能力，往往导致积水现象时有发生，严重情况时会导致雨水外溢，使得发生道路塌方、滑坡、泥石流等灾害，给居民带来了不同程度的影响。


技术实现要素：

3.为了实现对城市内天然海绵设施积水的实时监测预警，在天然海绵设施积水现象发生时进行及时响应，减少地表径流，缓解城市内涝，本发明提供了一种天然海绵设施积水的实时预警监测系统。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.提供一种天然海绵设施积水的实时预警监测平台，包括设置在海绵设施内设有呈纵向铺设的多级监测单元，多级监测单元的纵向距离呈递减式；
6.每个监测单元包括多路并联的光纤光栅传感器组，单个支路中相邻光纤光栅传感器之间的间距相等，相邻支路之间的距离大于单个支路中相邻光纤光栅传感器之间的距离。
7.接上述技术方案，每个监测单元中的最外围的光纤光栅传感器与海绵设施边缘之间有一定的间隙。
8.接上述技术方案，间隙不少于75cm。
9.接上述技术方案，一个监测单元中相邻两个支路之间的间隔不小于1.5m。
10.接上述技术方案，每个支路中相邻光纤光栅传感器之间的距离不小于1m。
11.接上述技术方案，所述实时预警监测平台设置在赤红壤土层中。
12.接上述技术方案，具体设有纵向的三级监测单元，自上而下距离首层覆土分别为18cm、30cm、40cm。
13.本发明还提供一种天然海绵设施积水的实时预警监测系统，包括土壤渗水监测平台、中控平台、综合显示平台和预警响应平台；
14.所述土壤渗水监测平台为权利要求1
‑
7中任一项所述的实时预警监测平台；当城市内发生降雨时，通过多级监测单元测量出土壤中雨水下渗速率，然后输入电脑中控平台；
15.电脑中控平台与土壤渗水监测平台连接，并利用互联网获取一定区域当前降雨历
时内的降雨强度信息，电脑中控平台经过分析处理得出当前积水信息；
16.综合显示平台与电脑中控平台连接，当判断积水超过一定阈值时，生成预警信息；
17.预警响应平台与综合显示平台连接，根据收到的预警信息进行预警。
18.本发明提供一种天然海绵设施积水的实时预警监测方法，该监测方法基于上述天然海绵设施积水的实时预警监测系统，具体包括以下步骤：
19.多级监测单元测量出土壤中雨水下渗速率，然后输入电脑中控平台；
20.电脑中控平台根据当前天然海绵设施出现积水时的雨水下渗速率，作为一定降雨强度下积水出现前的雨水极限下渗速率v
i
，以此v
i
为阈值，与土壤渗水监测平台测得的当前雨水下渗速率v
渗
进行比较，以此确定当前积水状况；当v
渗
＞v
i
时，此时雨水下渗速率高于暴雨强度，海绵设施正常工作，发挥径流控制效能；
21.当v
渗
＝v
i
时，此时雨水的下渗速率等于暴雨强度，海绵设施正常发挥径流控制效能；
22.当v
渗
＜v
i
时，入渗速率低于暴雨强度，在该阶段降雨过程中，土壤中的下渗速度已无法满足当前的降雨强度，海绵设施开始产生表面积水；此时综合显示平台生成积水预警信息，并通过预警响应平台进行预警。
23.本发明产生的有益效果是：本发明利用光纤传感技术对土壤中雨水下渗速率进行测量，多并联支路可以在大部分海绵设施类型中进行应用测量，适合在海绵地区大面积推广，从而反映当前城市中天然海绵设施中的积水状况，便于做出相应预警措施。同时，在土壤纵向多级监测中，有利于决策人员对设施内部不同层级土壤进行准确实时监测，了解各层土壤雨水渗透状况，以得出构筑物整体平均雨水渗透速率。
附图说明
24.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
25.图1为土层水下渗速率随时间变化图：
26.图2为本发明实施例天然海绵设施积水的实时预警监测系统结构示意图；
27.图3为本发明实施例的实时预警监测平台铺设示意图；
28.图4为本发明实施例的监测系统工作实况图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.为了实现对城市内天然海绵设施积水的实时监测预警，在天然海绵设施积水现象发生时进行及时响应，减少地表径流，缓解城市内涝，利用光纤传感技术对土壤中雨水下渗速率进行测量，从而间接反映当前城市中天然海绵设施中的积水状况，做出相应预警措施。
31.对于天然海绵体，土层主要承担着对雨水的渗蓄功能。雨水在入渗土壤过程中存在三个阶段，分别是渗润、渗吸及渗透阶段，在渗润阶段，土壤中的含水量较低，下渗雨水主要受分子力作用；渗吸阶段以毛管力和重力为主，水分在孔隙间做不规则运动，并逐步填充土壤孔隙，直到接近或达到饱和；渗透阶段，在此阶段中，雨水在土壤中含量达到饱和，雨水
依靠重力作用向下运动。根据相关资料显示，天然海绵体中雨水下渗速率随时间变化有一定规律，随着时间的不断增加，天然海绵设施中雨水下渗速率不断降低，最终会趋近于一恒定数值。
32.本发明实施例的天然海绵设施积水的实时预警监测平台，包括设置在海绵设施内设有呈纵向铺设的多级监测单元，多级监测单元的纵向距离呈递减式；每个监测单元包括多路并联的光纤光栅传感器组，单个支路中相邻光纤光栅传感器之间的间距相等，相邻支路之间的距离大于单个支路中相邻光纤光栅传感器之间的距离。
33.进一步地，每个监测单元中的最外围的光纤光栅传感器与海绵设施边缘之间有一定的间隙。本发明的较佳实施例中，间隙不少于75cm。
34.实时预警监测平台可通过专利申请号cn201810380169.2中对海绵城市海绵设施中天然海绵体的雨水下渗速率的监测方法，利用测量点的折射率温度敏感元件的折射率，从而输出不同信号反映温度的原理，对天然海绵体渗水前后土层温度变化进行监测，在表层与一定厚度的天然海绵设施中铺设传感器，根据土层厚度与雨水下渗时间等物理量，即可测处出在一定降雨强度下，一定时间内，天然海绵设施中雨水下渗速率。
35.对于多级传感器的雨水下渗速率测量，根据前后温度敏感元件的反应时间差以及温度敏感元件的纵向距离建立相关的数学模型以求得下渗速率，数学模型在建立时，宜结合各个土层中的大量实地下渗监测数据，将各层级间土壤厚度与温差响应历时进行线性拟合，并且根据各层土壤的不同理化性质(如透水性、容重等)在模型中引入参数以对模型进行优化，进一步提高r2,保证r2＞0.99。建立数学模型后，以获得单独各级土层中不同的雨水下渗速率，随后，结合各级监测土层(h1、h2、h3、h4、h5)所占构筑物总土层厚度(h
总
)比例，进一步算出铺设监测系统当地构筑物的雨水下渗速率。为了进一步了解降雨过程中土层的性质变化，建立土层径流污染控制率、土层径流削减率与下渗速率的线性拟合数学模型，以评估各级土层的实时状况.
36.计算过程如下所示：分别利用不同适用于各个土层的数学模型求得各土层的雨水渗透速率v1、v2、v3、v4、v5。在此基础上，利用以下公式求得整个构筑物中的雨水下渗速率：
[0037][0038]
由于在同一地区，水文条件类似的情况下，土壤理化性质较为稳定，当降雨发生时，土壤中渗透速率与含水率有一定关系，随着降雨的不断进行，土壤含水率的不断增加，渗透速率降低，当一定时间后，往往导致土壤表面积水现象的发生，伴随时间的推移，此过程中渗透速率呈现出了稳定的变化规律(如图1所示)，所以首次提出采用渗透速率来进行土壤表面积水现象的监测手段。
[0039]
在一定降雨强度下，利用光纤雨水下渗监测系统测得当前天然海绵设施出现积水时的雨水下渗速率，作为一定降雨强度下积水出现前的雨水极限下渗速率v
i
，以此v
i
为阈值，与光纤监测系统测得的当前雨水下渗速率进行比较，以此确定当前积水状况。
[0040]
由此构建预警系统，具体预警系统如下，设v
i
为当前暴雨强度下的雨水极限下渗速率，v
渗
为当前土壤内雨水的下渗速率。
[0041]
当v
渗
＞v
i
时，此时雨水下渗速率高于暴雨强度，在该阶段降雨过程中，土壤可快速
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；
[0042]
当v
渗
＝v
i
时，此时雨水的下渗速率等于暴雨强度，在该阶段降雨过程中，土壤下渗速度与降雨强度持平，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，而到此点时，海绵设施的工作效能已达到设计极限；
[0043]
当v
渗
＜v
i
时，此时入渗速率低于暴雨强度，在该阶段降雨过程中，土壤中的下渗速度已无法满足当前的降雨强度，海绵设施开始产生表面积水。此时可发出监测区域内积水预警。
[0044]
如图2所示，本发明实施例的天然海绵设施积水的实时预警监测包括土壤渗水监测平台、中控平台、综合显示平台和预警响应平台。电脑中控平台应用于土壤渗水监测平台与互联网平台之上以综合处理土壤中雨水下渗速率数据及相关当前降雨强度信息，综合显示平台通过与电脑中控平台连接来显示当前城市海绵设施积水情况。预警响应平台设置在电脑中控平台之后，用以发出预警指令。
[0045]
当城市内发生降雨时，布设在土壤中的监测仪器获取土壤中雨水下渗速率后输入电脑中控平台层，同时，电脑中控平台利用互联网获取一定区域当前降雨历时内的降雨强度信息，将两者信息综合后，电脑中控平台经过处理，得出相应的当前积水信息，在综合显示平台显示，当判断积水情况恶化时，发出一定的预警信息传输入预警响应平台进行预警。
[0046]
本发明的一个实施例中，在以每3m
×
4m(12
㎡
)为监测单元的范围内，光纤传感器采用双路并联式铺设，两个支路中间间隔1.5m，支路左右两边距离海绵设施外边缘不少于75cm；并联铺设中单个支路每间隔1m铺设一次，且由上下两个光纤光栅传感器组成，如图3所示。
[0047]
以赤红壤土层为例，在传感器铺设时，为了使得获得结果更加精确，纵向铺设时限定了第一级与第二级的距离，铺设距离的不同主要原因是由于土层中随着深度的不断增加，土壤密实度、孔隙率等理化性质发生变化，导致雨水在不同深度土层中下渗速率发生改变，根据基础实验检测发现，南方多地表层赤红壤渗透系数多为5
×
10
‑2cm/s,而深度加大时，土壤渗透系数会降低，降低为4
×
10
‑2cm/s，当深度达到40
‑
50cm时，渗透系数大约为3.5
×
10
‑2cm/s。为了满足传感器监测精度，在第一级与第二级传感器铺设时，首层覆土厚度约为3cm，满足雨水在1分钟的下渗需求，随后，在第二级、第三级、第四级的铺设中，满足监测系统每5min的响应时间，分别将传感器铺设在18cm、30cm、40cm的深度。
[0048]
深度确定:h＝
下渗
×
t
[0049]
在面源的监测中，由于表层土壤的透水速率是一定的，温度传感器为棒状灵敏性元件，在单向串联监测中，棒状前后监测范围经过测试为(0.5
±
0.25m)，由于不同地形下，检测误差较大，为了保障精度，在传感器前后采用了间隔(1.5
±
0.5m)的间隔，对于并联间距的测定，棒状传感器能够有效检测的为(0.75
±
0.5m),所以各个并联支线采用了间距(1.5
±
0.5m)的布设方案。
[0050]
实施例1
[0051]
当城市发生降雨时，在降雨强度为55mm/d时，在此降雨强度下的土壤渗水速率随时间变化图像如图3所示，通过一定测量发现：当所在区域土壤类型为砂页岩赤红壤(此类土壤呈酸性，ph多在5.0
‑
5.5之间，且有机质含量低，阳离子交换量低，土壤总孔隙率平均47.2％)，当土壤下渗速率达到0.62cm/min时，此时天然海绵设施会处于水饱和状态，介于
积水与完全渗水状态之间，此时电脑中控平台中设定雨水极限下渗速率v
i
＝0.62cm/min。
[0052]
在降雨初期，土壤雨水下渗能力较强，可以对降到天然海绵设施透水层面的雨水进行完成下渗，此阶段内v
渗
＜v
i
(0.62cm/min)，此时不会产生任何积水，天然海绵设施可以发挥雨水下渗效能。
[0053]
如图4所示，随着降雨进行过程中，土壤渗水监测平台监测到的土壤渗水速率不断减小，当v
渗
＜v
i
(0.62cm/min)时，天然海绵设施内赤红壤表层会逐渐产生积水，此时利用综合显示平台对设施预警情况进行直观展示，值班人员可以利用电脑中控平台进行积水预警相应，做出相应部署。
[0054]
实施例2
[0055]
当城市发生降雨时，在降雨强度为75mm/d时，在此降雨强度下的土壤渗水速率随时间变化图像如图4所示，通过一定测量发现：当所在区域土壤类型为赤红壤，土壤下渗速率达到0.69cm/min时，此时天然海绵设施会处于水饱和状态，介于积水与完全渗水状态之间，此时电脑中控平台中设定雨水极限下渗速率v
i
＝0.69cm/min。
[0056]
在降雨初期，土壤雨水下渗能力较强，可以对降到天然海绵设施透水层面的雨水进行完成下渗，此阶段内v
渗
＜v
i
(0.69cm/min)，此时不会产生任何积水，天然海绵设施可以发挥雨水下渗效能。
[0057]
随着降雨进行过程中，土壤渗水监测平台监测到的土壤渗水速率不断减小，当v
渗
＜v
i
(0.69cm/min)时，天然海绵设施内赤红壤表层会逐渐产生积水，此时利用综合显示平台对设施预警情况进行直观展示，值班人员可以利用电脑中控平台进行积水预警相应，做出相应部署。
[0058]
实施例3
[0059]
当城市发生降雨时，在降雨强度为55mm/d时，在此降雨强度下的土壤渗水速率随时间变化图像如图3所示，通过一定测量发现：当所在区域土壤类型为棕壤(此类土壤质地较细，田间持水量亦高，达25％
‑
30％，保水性能好，表土层多为沙壤土或壤质沙土，剖面中部多为粉质壤土)，当土壤下渗速率达到0.56cm/min时，此时天然海绵设施会处于水饱和状态，介于积水与完全渗水状态之间，此时电脑中控平台中设定雨水极限下渗速率v
i
＝0.56cm/min。
[0060]
在降雨初期，土壤雨水下渗能力较强，可以对降到天然海绵设施透水层面的雨水进行完成下渗，此阶段内v
渗
＜v
i
(0.56cm/min)，此时不会产生任何积水，天然海绵设施可以发挥雨水下渗效能。
[0061]
随着降雨进行过程中，土壤渗水监测平台监测到的土壤渗水速率不断减小，当v
渗
＜v
i
(0.56cm/min)时，天然海绵设施内赤红壤表层会逐渐产生积水，此时利用综合显示平台对设施预警情况进行直观展示，值班人员可以利用电脑中控平台进行积水预警相应，做出相应部署。
[0062]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。