第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
我国现阶段面临的水环境三大问题：其一，水资源短缺，中国水资源总量巨大，居世界第 6 位，但人均占有量居世界 108 位，人均淡水资源占有量仅为世界人均的1/4[1]。城市的快速发展对水资源需求量增加以及地下水的过渡开采加剧了水资源短缺的现状。其二，水环境污染，原先以牺牲生态环境为代价发展经济建设的发展模式使水资源和环境受到严重污染，水环境污染不亚于水旱灾害，甚至更为严重的一大灾害。其三，水安全问题，由于城市开发强度过高，不透水面积的加大，改变了原有的水文循环，大多数降雨 70%-80%形成地表径流，仅有 20%-30%的雨水能够入渗地下[2]，原有的排水系统基础设施不能满足现有的需求以及全球气候变暖，降雨时空分布不均等因素引发了严重的洪涝灾害。暴雨过后城中看海已成为常态，造成了大量人员伤亡和巨额的经济损失[3]。
为了改善上述情况，加快新型城镇化建设，2012 年 4 月，在《2012 低碳城市与区域发展科技论坛》中，“海绵城市”概念首次提出；2013 年 12 月 12 日，习近平总书记在《中央城镇化工作会议》的讲话中强调：“提升城市排水系统时要优先考虑把有限的雨水留下来，优先考虑更多利用自然力量排水，建设自然存积、自然渗透、自然净化的海绵城市”，做到“小雨不积水、大雨不内涝、水体不黑臭、热岛有缓解”。我国政府随后提出了一系列海绵城市建设指导文件。海绵城市建设就是综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”等工程技术措施，控制雨洪径流，实现自然蓄存、渗透、净化的城市发展方式。城市像海绵一样，下雨时能够大量吸收雨水径流，需要时将蓄存的雨水再收集利用。使城市开发后的生态环境尽可能的如同未开发时良好的自然生态[4]。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 国外研究
20 世纪 60 年代开始, 一些发达国家就意识到快速城市化对生态环境造成的负面影响，开始关注和研究城市雨洪问题，探索全新的雨洪资源管理模式。雨水利用方式已经从普通的下渗、集蓄利用, 发展为综合考虑周边景观环境等方式,目前美国、德国和日本等国家在雨水资源利用、雨洪管理方面已形成比较完善体系。
美国最早提出了最佳管理措施 BMP(best management practice)，最初主要是控制非点源污染，发展到现在利用综合措施解决水量、水质和生态等问题。20 世纪 90 年代初提出了低影响开发 LID(low impact design)的概念，LID 是基于小单元环境控制的最佳管理措施发展而来，特点是通过一系列广泛分布的各种生物滞留措施后，生态环境接近开发前自然景观，在源头处截留。LM. Ahiablame[7]等介绍了有关 LID 实践的有益用途的文献证据。还使用使用算法和模块开发的三个计算模型的说明性示例来讨论如何在水文/水质模型中表示 LID 实践，以支持 LID 实践的广泛采用。RahaHakimdavar 等[8]开发了土壤水分配方法，该方法为纽约市范围内绿色屋顶水文性能监测提供了一种可行的低成本方法。近些年提出的绿色基础设施、可持续基础设施等概念也将雨水利用的理念纳入城市规划设计中。
欧洲一直在发展的是欧盟多用途水业务，其用于更有效地规划和管理城市环境。目标是优化绿地和改造城市的水问题。解决方案包括恢复自然流动，增加渗透，更好地使用雨水，废水再利用，以及改善的城市规划，将地方特色纳入规划中。更广泛地考虑整个水循环，包括废水和供水，以及更广泛的整合。欧盟多用途水业务正在引领德国，法国，荷兰，英国等国家。
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第 2 章 海绵设施长期工作性能
2.1 雨水入渗
1) 径流水量的控制
理想状态下，径流总量控制标准是开发建设后径流排放量与开发建设前的径流排放量相接近。城市扩展地表普遍硬质化，雨水不能下渗进入土壤层和地下水，在短时间内汇聚成地表径流，通过市政管道迅速汇入河道。随着降雨持续，地表径流不断增加，河道水量迅速增长，短时间内即可达到洪峰流量[35]。单纯依靠雨水口和市政管网来排水带来一系列问题。而采用海绵绿色设施可以改善这些状况。优先把雨水截留下来，更多地利用自然的力量来排水。
降雨时，道路上的雨水较大程度汇流至绿化带中，可以有效削减径流总量和降低洪峰流量，超过其蓄渗容量的雨水排入市政管网。水文过程主要分为路面雨水径流的汇集和在绿化带内的集中入渗两部分。入渗效率取决于种植土的入渗能力，程树斌等[18]利用非饱和渗流理论，分析了种植土-绿化带的雨水入渗能力。降雨入渗过程可划分为初期入渗和稳定入渗两个阶段，初期入渗是指从降雨开始至种植土表面开始积水为止。稳定入渗是指种植土饱和，地表开始出现积水后的雨水入渗阶段。当进入绿化带雨水径流量大于其入渗能力时，绿化带内开始积水，积水高度取决于入流量与入渗量。
雨水汇入种植土绿化带内，通过植物茎叶起到了一定滞留雨水的作用。通常，种植土-绿化带较路面边缘会低 10-25cm 的深度，这种设计为雨水径流的汇入和截留提供了有利的条件。植物可以减缓雨水径流速度，降低了雨水对土壤表面的冲刷，防止水土流失。植物的根系也可以促进雨水的渗透吸收，削减雨水的径流流量。同时也可以保持土壤的渗透性，使得土壤维持长久的高性能。
传统的道路路缘石高于路面，绿化带只入渗其内的雨水径流，而道路路面的雨水径流全部排至雨水口，由雨水管道排出，增加了市政管网的压力。传统绿化带仅上边较短深度是土壤，下面是硬化的地质，绿化带的雨水渗透能力差，无雨水存储和净化的能力。海绵城市种植土-绿化带可以使路面雨水径流较大汇入绿化带内蓄存，入渗能力较强，能够使雨水得到净化。为防止雨水入渗可能对道路路面和路基、甚至是地下设施造成破坏，种植土-绿化带应采取必要的防渗措施。
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2.2 降低雾霾
雾霾是一种由灰尘、烟雾、水蒸气等导致大气能见度下降的天气现象。通常认为，相对湿度小于 80%是霾；大于 90%为雾；介于 80%和 90%之间的是雾和霾的混合物，但主要是霾。二者没有本质区别，都是大气污染物。粒径（空气动力学直径）小于等于 2.5 微米的气溶胶颗粒被称为细颗粒物，即 PM2.5。城市政府的治霾举措存在两个出发点；减少城市大气中的污染物和增加大气环境容量[40]。2015 年 4 月我国公布了第一批海绵城市建设试点城市，本文选取厦门、嘉兴、济南 3 个城市研究其 2015 年和 2018 年 PM2.5 的月均值变化。数据来源环保部环境监测总站空气质量实时发布网站。
厦门市海绵城市建设将建成区划分为 16 个排水片区，根据各个区的特点建设海绵社区、海绵道路、生态水系、污染防控和排水防涝设施。城市道路绿化带采用下沉绿地、生物滞留设施、植草沟等设施。运用截污设施和生物修复技术解决黑臭水体问题[41]。通过图 2-1 可知，厦门市 2015 年全年 PM2.5 月均值为 28μg/m3， 2018全年 PM2.5 月均值为 24.5μg/m3。2018 年 4 月份和 12 月份的 PM2.5 月均值分别为32μg/m3和 36μg/m3，相比于 2015 年 4 月份和 12 月份 PM2.5 月均值 27μg/m3和 20μg/m3是增大之外，其整体月均值明显是减少的。
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3.1 种植土-绿化带结构································15
3.2 种植土渗透性能原位测试方法····························16
3.3 试验原理···························17
第 4 章 基于 PLC 的有线监测系统·································25
4.1 系统总体设计··································25
4.2 硬件部分···································25
第 5 章 无线监测系统设计······································35
5.1 总体设计···································35
5.2 数据采集层···························36
第 5 章 无线监测系统设计
5.1 总体设计
总体设计采用 B/S（浏览器/服务器），M/S（移动端/服务器）混合系统架构。系统总体设计主要包含数据采集层、网络传输层、应用管理层 3 部分。如图 5-1 所示，由于监测平台 www.Tlink.io 是 4G DTU 厂家提供的，经验证测试平台运行良好。本文的设计重点在于前期信息采集系统的设计。设计需求是系统具有低功耗、低成本、数据传输稳定，便于移动的特性。
我们可以通过监测水位的变化来分析渗透系数的变化。数据采集装置利用液位、温度、PM2.5 相应的传感器获得数据，数据传输通过 4G DTU 无线模块将监测数据传输到网页或者移动端。
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结论
种植土-绿化带是基于低影响开发的绿色海绵设施，本文通过大量文献研究和理论分析等方法。分析种植土-绿化带海绵道路结构长期工作性能影响即道路雨水入渗、降低雾霾、缓解城市热岛效应。设计了基于 PLC 的有线监测系统和基于无线模块 DTU的无线监测系统。
(1) 本文提出了一种种植土-碎石绿化带渗透性能原位测试装置，结合渗流理论，提出了种植土-碎石绿化带结构渗透系数原位测试方法，并对原位测试方法开展了足尺模型室内试验验证，结果表明本文方法获得的种植土饱和时间 190min，渗透系数1.18cm/h 与实验观测值种植土饱和时间 185min-195min,渗透系数 1.3cm/h 基本一致，本文方法可用于种植土-碎石绿化带结构渗透性能原位测试，从而为种植土-碎石绿化带海绵道路结构长期渗透性能监测提供了一种技术方法。
(2) 设计了基于 PLC 有线监测系统。首先进行系统架构的整体分析；其次进行硬性设施的选型以及硬件连接等问题，选用电压输出方式的液位、PM2.5、温度传感器与西门子 s7-1200PLC CPU 连接；然后使用西门子强大的全集成自动化平台博途软件详细说明了软件的配置，程序代码的编写，程序下载等问题。使用博途中的组态软件 SIMATIC WinCC 进行监测界面设计，设计的监测界面简洁，便于操作。
(3) 依据监测指标及实际需求设计了基于无线传输模块 DTU 的无线监测系统。首先进行系统架构整体设计分析；其次进行硬性设施的选型以及硬件连接等问题，选用RS485输出的液位传感器和空气质量传感器与无线传输模块DTU和电源模块的连接；然后对 DTU 和监测平台 www.Tlink.io 进行正确配置使其能够网络通信，监测平台的管理和使用，通过试验测试验证系统数据通信良好，满足我们的使用要求。
参考文献（略）