本发明涉及海绵城市技术领域，尤其涉及一种海绵城市设施的监测装置、监控系统及监控方法。
背景技术：
随着城市化的快速发展，开发建设造成大面积的地面硬化，不仅影响了原地面的水文特性，还干预了自然的水文循环。由于忽略了两侧用地开发所带来的雨水渗透量，传统的雨水管网暴雨重现期取值较低，因而管网管径较小，无法满足实际雨水排放量的要求，造成雨水在大城市积压，易引起积水内涝等灾害，严重威胁着人民的生命和财产安全。
针对大城市的雨水排放等问题，近年我国提出了海绵城市技术。海绵城市是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”。海绵城市技术主要通过渗、滞、蓄、净、用、排等措施，将降雨就地消纳和利用。实现海绵城市技术的关键性海绵城市建设设施主要包括透水铺装（如透水砖等）、天然海绵设施（如下凹式绿地、雨水花园等）等技术。其中，透水铺装具有良好的透水、透气性能，可使雨水迅速渗入地下，补充土壤水和地下水。部分雨水径流通过这些天然海绵设施的下渗、滞蓄、净化、回用，能够得到有效的处理和利用，而剩余的部分径流则通过管网、泵站外排，从而可有效提高城市排水系统的标准，缓减城市内涝的压力。虽然这些海绵城市设施有诸多优点，但在使用和运行过程中，为了能够更好的发挥其对雨水的处理作用，需要设置相关的实时监测设备。
如图1为天然海绵设施10，其下方设置有雨水汇集盲管20，不设置监测装置的条件下，下雨时，天然海绵设施不同高度处的雨水径流竖直下渗（如箭头所述），因而地势较低处的径流通过下渗快速进入雨水汇集盲管，流向蓄水池等后续设施，而此时地势较高处大部分的下方空间雨水还没有渗透到，因此，天然海绵设施的有效利用率低，对雨水的净化、削峰和减流效果有限。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种海绵城市设施的监测装置、监控系统及监控方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种海绵城市设施的监测装置，所述监测装置包括
中空保护筒体，其顶端设置为顶盖；
支撑杆，其竖向设置于所述保护筒体内；
加热杆，其包括设置于所述保护筒体内的主体部以及若干自所述主体部横向往外延伸的支杆，所述主体部附设在所述支撑杆上；
若干输入光纤与输出光纤；
若干因温度变化而有不同折射率的折射率温度敏感元件，其均设置于所述保护筒体外部，并上下呈一条直线间隔分布，每一输入光纤与输出光纤自所述顶盖穿入保护筒体内并沿着支撑杆往下延伸，然后沿着水平方向往外延伸穿过保护筒体的侧壁后与对应的一折射率温度敏感元件连接，每一所述支杆伸出保护筒体外的部分靠近对应位置的所述折射率温度敏感元件，每一所述折射率温度敏感元件所在形成为一测量点；所述折射率温度敏感元件与所述保护筒体的竖向中心线相垂直设置，所述输入光纤、输出光纤与保护筒体的顶盖以及侧壁之间设置有防水装置，且所述输出光纤、输入光纤沿着支撑杆往下延伸的部分与支撑杆相对固定。
所述保护筒体呈圆筒状，且所述顶盖的直径大于所述保护筒体的直径。
所述支撑杆沿着所述保护筒体的竖向中心线方向竖直设置。
所述保护筒体的顶盖设置有一个穿孔，所有输入光纤与输出光纤一起呈线缆式自所述穿孔穿入所述保护筒体内，且该线缆与所述穿孔之间设置有所述防水装置；对应所述折射率温度敏感元件的数量，所述保护筒体侧壁上下间隔设置有若干个穿孔，每一所述输入光纤、输出光纤以及支杆从对应位置的所述穿孔伸出所述保护筒体后与对应的折射率温度敏感元件连接，所述输入光纤、输出光纤与保护筒体侧壁的穿孔之间设置有所述防水装置。
一种监控系统，其用于监控天然海绵设施雨水下渗，所述天然海绵设施下
方设置有雨水汇集盲管，所述雨水汇集盲管一端连接有蓄水池，所述监控系统包括所述监测装置，还包括设置于所述雨水汇集盲管上的阀门、控制系统、与所述输入光纤位于保护筒体顶盖外的一端连接的发光器、与输出光纤位于保护筒体顶盖外的一端连接的光接收器、用于对所述光接收器传出的信号进行分析计算的计算处理器，所述阀门、发光器、光接收器、计算处理器均与所述控制系统连接。
一种监控方法，其用于监控天然海绵设施雨水下渗，将所述监测装置竖直安装在天然海绵城市设施中；控制系统根据环境温度设定加热杆的温度；当靠近测量点的加热杆支杆遇到下渗的雨水时，其温度发生变化，从而该测量点的折射率温度敏感元件的折射率发生变化，控制系统控制发光器发出光信号，该光信号通过输入光纤传输至折射率温度敏感元件，光的偏振特性发生变化，该变化信息通过输出光纤传输出来，光接收器将该变化信息由光信号转变为电信号；所述计算处理器处理分析该电信号，得出天然海绵设置的渗水情况，并将该处理分析结果反馈给控制系统，控制系统根据该结果控制阀门的开启、关闭。
当天然海绵设施的渗水情况没有达到控制系统设定的渗透条件时，控制系统关闭雨水汇集盲管上的阀门，雨水不能通过雨水汇集盲管进入蓄水池，从而海绵天然海绵设施地势较低处的雨水不断向地势较高处的下方空间渗透；当天然海绵设施的渗水情况达到控制系统设定的渗透条件时，控制系统开启阀门，雨水通过雨水汇集盲管进入蓄水池。
一种监控系统，用于评估海绵城市设施中的透水铺装的性能，所述透水铺
装下方透水基层中设有雨水汇集盲管，所述雨水汇集盲管与两个阀门连接，其中一个阀门通向蓄水池，另一个阀门通向天然海绵设施，所述监控系统包括所述监测装置，所述监测装置竖直设置于所述透水铺装的铺设间隙中，且所述监控装置的顶盖比所述铺设间隙大，所述监控装置设置有两个所述测量点，其中一测量点与透水铺装的顶端相平，另一测量点与透水铺装的底端相平；所述监控系统还包括一控制系统、与所述输入光纤位于保护筒体顶盖外的一端连接的发光器、与输出光纤位于保护筒体顶盖外的一端连接的光接收器、用于对所述光接收器传出的信号进行分析计算的计算处理器，所述两个阀门、发光器、光接收器、计算处理器均与所述控制系统连接。
一种监控方法，用于评估海绵城市设施中的透水铺装的性能，控制系统根据环境温度设定加热杆的温度；当靠近测量点的加热杆支杆遇到下渗的雨水时，其温度发生变化，从而该测量点的折射率温度敏感元件的折射率发生变化，控制系统控制发光器发出光信号，该光信号通过输入光纤传输至折射率温度敏感元件，光的偏振特性发生变化，该变化信息通过输出光纤传输出来，光接收器将该变化信息由光信号转变为电信号；所述计算处理器处理分析该电信号，得出两测量点接触雨水的时间t1、t2，从而得出雨水由透水铺装的顶端渗透至底端的时间差△t=t2-t1，且所述计算处理器根据该时间差△t确定雨水渗透量q，并传递给控制系统，控制系统根据该雨水渗透量q控制开启阀门。
当时间差△t较小时，所得到的雨水渗透量q较小，所述控制系统控制与蓄水池相连的阀门打开；当时间差△t较大时，所得到的雨水渗透量q较大，所述控制系统控制与天然海绵设施相连的阀门打开。
本发明的有益效果为：采用本发明监测装置、监控系统及监控方法，不但可以评估不同透水铺装的透水性能，还能够更好的发挥海绵城市设施对雨水的处理作用，既能有效的利用雨水，又能降低城市内涝等灾害风险；光纤的使用，使得监测更快速准确；通过加热杆的设置来感知测量点处温度的变化，提高了测量点的温度敏感度，传输出来的信息更加准确；此外，输入光纤、输出光纤与支撑杆相对固定设置，从而在折射率温度敏感元件接触到雨水时，输入光纤与输出光纤不会轻易被拉动；再加上所有折射率温度敏感元件设置于上下一条直线上，而且输入光纤、输出光纤从支撑杆到折射率温度敏感元件的部分与保护筒体的竖向中心线相垂直设置，所述折射率温度敏感元件也与所述保护筒体的竖向中心线相垂直设置，从而可以保证折射率温度敏感元件在受到压力的过程时，也不会在高度位置上有所移动，从而进一步保证监控的准确性。
附图说明
图1为没有设置本发明监控装置的公知天然海绵设施的示意图；
图2为本发明用于天然海绵设施的监控装置的示意图；
图3为本发明用于天然海绵设施的监测系统的示意图；
图4为本发明用于评估海绵城市透水铺装性能的监测装置的示意图；
图5为本发明用于评估海绵城市透水铺装性能的监控系统的立体示意图；
图6为本发明用于评估海绵城市透水铺装性能的监控系统部分结构的平面示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明海绵城市设施的监测装置，其包括
中空保护筒体1，其顶端设置为顶盖11；
支撑杆2，其竖向设置于所述保护筒体1内；
加热杆3，其包括设置于所述保护筒体1内的主体部31以及若干自所述主体部31横向往外延伸的支杆32，所述主体部31附设在所述支撑杆2上；
若干输入光纤4与输出光纤5；
若干因温度变化而有不同折射率的折射率温度敏感元件6，其均设置于所述保护筒体1外部，并上下呈一条直线间隔分布，每一输入光纤4与输出光纤5自所述顶盖11穿入保护筒体1内并沿着支撑杆2往下延伸，然后沿着水平方向往外延伸穿过保护筒体1的侧壁后与对应的一折射率温度敏感元件6连接，每一所述支杆32伸出保护筒体1外的部分靠近对应位置的所述折射率温度敏感元件6，每一所述折射率温度敏感元件6所在形成为一测量点；所述折射率温度敏感元件6与所述保护筒体1的竖向中心线相垂直设置，所述输入光纤4、输出光纤5与保护筒体1的顶盖11以及侧壁之间设置有防水装置，且所述输出光纤5、输入光纤4沿着支撑杆2往下延伸的部分与支撑杆2相对固定。
较佳的，所述保护筒体1呈圆筒状，从而能更容易方便地插入海绵城市设施中。所述顶盖11的直径大于所述保护筒体1的直径，从而防止雨水直接沿着保护筒体1侧壁外表面向下渗而影响监测结果。
较佳的，所述支撑杆2沿着所述保护筒体1的竖向中心线方向竖直设置，从而所述保护筒体1受力更均匀，不易往一侧倾斜。
在本实施例中，较佳的，所述保护筒体1的顶盖11设置有一个穿孔，所有输入光纤4与输出光纤5一起呈线缆式（如图1中7所示即为所述线缆，输入光纤4与输入光纤4沿着支撑杆2延伸的部分与支撑杆2用一根线条示意）自所述穿孔穿入所述保护筒体1内，且该线缆与所述穿孔之间设置有所述防水装置。即是说，所有输入光纤4与输出光纤5是装在同一外护套内，从而使得布线、穿线更方便，外观更整体美观。
所述输入光纤4、输出光纤5沿着支撑杆2往下延伸的部分与支撑杆2可以通过扎带固定，或通过别的方式固定。
对应所述折射率温度敏感元件6的数量，所述保护筒体1侧壁上下间隔设置有若干个穿孔，每一所述输入光纤4、输出光纤5以及支杆32从对应位置的所述穿孔伸出所述保护筒体1后与对应的折射率温度敏感元件连接，所述输入光纤4、输出光纤5与保护筒体1侧壁的穿孔之间设置有所述防水装置。
所述防水装置的设置，可避免破坏所述保护筒体11的密闭性，从而保证雨水不能进入保护筒体1内部。
如图3所示，本发明监控系统用于监控天然海绵设施雨水下渗，所述天然海绵设施10下方设置有雨水汇集盲管20，所述雨水汇集盲管20一端连接有蓄水池30，所述监控系统包括所述监测装置、设置于所述雨水汇集盲管20上的阀门40、控制系统、与所述输入光纤4位于保护筒体顶盖11外的一端连接的发光器、与输出光纤5位于保护筒体顶盖11外的一端连接的光接收器、用于对所述光接收器传出的信号进行分析计算的计算处理器，所述阀门40、发光器、光接收器、计算处理器均与所述控制系统连接。
本发明监控方法用于监控天然海绵设施雨水下渗，所述监控方法如下：
将所述监测装置竖直安装在天然海绵城市设施中；控制系统根据环境温度设定加热杆3的温度；当靠近测量点的加热杆支杆32遇到下渗的雨水时，其温度发生变化，从而该测量点的折射率温度敏感元件6的折射率发生变化，控制系统控制发光器发出光信号，该光信号通过输入光纤4传输至折射率温度敏感元件6，光的偏振特性发生变化，该变化信息通过输出光纤5传输出来，光接收器将该变化信息由光信号转变为电信号；所述计算处理器处理分析该电信号，得出天然海绵设置的渗水情况，并将该处理分析结果反馈给控制系统，控制系统根据该结果控制阀门40的开启、关闭。
在本实施例中，所述计算处理器对所述电信号进行处理，得到相关信息，如雨水下渗深度、下渗时间和下渗速率等，通过这些信息，利用云计算等各种现代化数字分析技术，建立相关数据模型，并将相关结果反馈给控制系统，控制系统根据该结果控制系统阀门40的开启、关闭。
具体的说，当天然海绵设施的渗水情况没有达到控制系统设定的渗透条件时，控制系统关闭雨水汇集盲管20上的阀门40，雨水不能通过雨水汇集盲管20进入蓄水池30等后续设施，从而使海绵天然海绵设施地势较低处的雨水不断向地势较高处的下方空间渗透；当天然海绵设施的渗水情况达到控制系统设定的渗透条件时，控制系统开启阀门40，雨水通过雨水汇集盲管20进入蓄水池30等后续设施。
如上所示，本发明充分利用了天然海绵设施的滞用能力，并通过对雨水收集盲管的使用控制，不但降低了城市内涝等灾害风险，而且能最优化、最大化地对雨水进行净化、吸收处理和利用。
所述加热杆3可采用电能等方式保持温度，所述加热杆3的设置能提高测量点的温度敏感度，从而使测量的结果更加准确。
较佳的，所述测量点的数量及测量点之间的间距可以进行设置和调整，从而可以适应不同系统精度的要求以及适应不同的实际需要。
如图4、5、6所示，本发明监控系统，用于评估海绵城市设施中的透水铺装50的性能，所述透水铺装50下方透水基层中设有雨水汇集盲管60，所述雨水汇集盲管60与两个阀门70、80连接，其中一个阀门70通向蓄水池90，另一个阀门80通向天然海绵设施100，如下凹式绿地、雨水花园等，所述监控系统包括所述监测装置（如图5、6中a所示），所述监测装置竖直设置于所述透水铺装50的铺设间隙中，且所述监控装置的顶盖11比所述铺设间隙大，所述监控装置设置有两个所述测量点，其中一测量点与透水铺装50的顶端相平，另一测量点与透水铺装50的底端相平；所述监控系统还包括一控制系统、与所述输入光纤位于保护筒体顶盖外的一端连接的发光器、与输出光纤位于保护筒体顶盖外的一端连接的光接收器、用于对所述光接收器传出的信号进行分析计算的计算处理器，所述两个阀门70、80、发光器、光接收器、计算处理器均与所述控制系统连接。
本发明监控方法，用于评估海绵城市设施中的透水铺装50的性能，所述监控方法如下：
控制系统根据环境温度设定加热杆3的温度；当靠近测量点的加热杆支杆32遇到下渗的雨水时，其温度发生变化，从而该测量点的折射率温度敏感元件6的折射率发生变化，控制系统控制发光器发出光信号，该光信号通过输入光纤4传输至折射率温度敏感元件6，光的偏振特性（如光的强度、波长和相位等）发生变化，该变化信息通过输出光纤5传输出来，光接收器将该变化信息由光信号转变为电信号；所述计算处理器处理分析该电信号，得出两测量点接触雨水的时间t1、t2，从而得出雨水由透水铺装50的顶端渗透至底端的时间差△t=t2-t1，且所述计算处理器根据该时间差△t确定雨水渗透量q，并传递给控制系统，控制系统根据该雨水渗透量q控制开启阀门。
具体的说，当雨水开始从透水铺装50渗透时，位于透水铺装50顶端测量点位置的加热杆支杆的温度发生变化，从而位于该测量点的折射率温度敏感元件的折射率也相应地发生变化；控制系统控制发光器发出光信号，该光信号通过输入光纤传输至折射率温度敏感元件时，光的偏振特性发生不同的变化，此变化信息通过输出光纤传输出来，并通过光接收器的作用使光信号转变为电信号，经计算处理器的信号处理后得到该测量点接触雨水的时刻t1；当雨水渗透至透水铺装50的底端测量点时，按照上述原理可以确定雨水渗透至透水铺装50底端的时刻t2，因此雨水由透水铺装50的顶端渗透至底端的时间为t2-t1，即时间差△t，通过测量点时间差的大小比较，可以评估不同透水铺装的透水性能；此外，由于在雨水渗透量q不同的条件下，雨水由透水铺装50的顶端渗透至底端的时间差△t不同，因而可以建立此时间差△t与雨水渗透量q之间的数学模型关系，继而在后续测量中，根据已建立好的模型关系，依据测量的时间差△t直接确定雨水渗透量q，并根据雨水渗透量q的大小通过控制不同的阀门来确定雨水汇集盲管60中收集雨水的流向。当时间差△t较小时，所得到的雨水渗透量q较小，与蓄水池相连的阀门70打开，雨水进入蓄水池90中，就地消纳和利用；当时间差△t较大时，所得到的雨水渗透量q较大，与下凹式绿地等天然海绵设施相连的阀门80打开，雨水排入下凹式绿地等天然海绵设施100中，这样既能有效的利用雨水，又能实现低影响开发的理念，避免内涝等灾害的发生，有效的平衡了雨水的滞用和排放问题。