一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置及方法，屬于城市建設(shè)管理維護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明開發(fā)出以GIS技術(shù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)耦合，采用優(yōu)化后暴雨強(qiáng)度公式對分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)，適應(yīng)于新舊城區(qū)新建和改造后的分流制雨水管網(wǎng)，通過城市分流制雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的矢量化設(shè)計，結(jié)合GIS技術(shù)和在線監(jiān)測設(shè)備反饋的監(jiān)測信號，依據(jù)降雨情況實時評估、驗證管道內(nèi)雨水流動情況，確定城市管道內(nèi)的內(nèi)澇風(fēng)險點(diǎn)，向城市管理部門和企事業(yè)單位發(fā)出內(nèi)澇預(yù)警，啟動相應(yīng)的應(yīng)急措施。
【專利說明】—種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于城市建設(shè)管理維護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于設(shè)計、施工和經(jīng)濟(jì)條件上的不足，我國城市排水管網(wǎng)的建設(shè)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足快速城鎮(zhèn)化對其的需求，大量城市因雨水管網(wǎng)排水能力的不足而導(dǎo)致大面積城市內(nèi)澇的情況屢見不鮮，造成大量人員和財產(chǎn)損失。目前城市管理部門和企業(yè)僅能在雨水管道排水不暢、地表大量積水時被動應(yīng)對內(nèi)澇的發(fā)生，同時由于缺乏自動檢測和響應(yīng)設(shè)備和系統(tǒng)，緊靠管理人員人工排查管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)，處理速度緩慢，更加劇了內(nèi)澇的危害。
[0003]目前，我國對雨水管網(wǎng)的研究多集中于各種算法對暴雨強(qiáng)度的優(yōu)化，以期提高設(shè)計時對降雨量計算的準(zhǔn)確度。但由于理論計算和實際運(yùn)行情況間存在必然的差異性，建設(shè)單位為節(jié)省工程造價，壓縮排水管道管徑等原因，導(dǎo)致缺乏城市雨水內(nèi)澇預(yù)警的手段和設(shè)備，僅采取人工排查等效率低、應(yīng)急反應(yīng)速度緩慢的方式解決城市內(nèi)澇風(fēng)險已無法滿足目前大中型城市的城市防澇需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置及方法，以達(dá)到實時提供雨水管網(wǎng)內(nèi)流量情況，為城市管理部門和企業(yè)雨季預(yù)警、防澇提供準(zhǔn)確信息的目的。
[0005]一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急裝置，該裝置包括:在線監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和應(yīng)急報警裝置，其中，
[0006]在線監(jiān)測裝置:用于測量分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)各管道的雨水流量；
[0007]數(shù)據(jù)處理裝置:用于根據(jù)管道所設(shè)計的管徑、走向、降雨歷時和坡度，采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行矢量化處理，根據(jù)管道所在城區(qū)選擇不同的徑流系數(shù)，將上述系數(shù)通過加權(quán)平均，獲得加權(quán)平均徑流系數(shù)并計算獲得管道預(yù)期流量值；根據(jù)在線監(jiān)測裝置實際測得管道內(nèi)雨水流速，獲得實際管道流量；將管道預(yù)期流量值與實際管道流量進(jìn)行比較，若實際管道流量大于0.95倍管道預(yù)期流量值，則發(fā)送報警信息值應(yīng)急報警裝置；
[0008]應(yīng)急報警裝置:用于發(fā)出報警提示信號。
[0009]所述的在線監(jiān)測裝置分別設(shè)置于分流制雨水管網(wǎng)的排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)和管道坡度變化率大于20%的控制點(diǎn)，在線監(jiān)測裝置的輸出端連接數(shù)據(jù)處理裝置的輸入端，數(shù)據(jù)處理裝置的輸出端連接應(yīng)急報警裝置的輸入端。
[0010]采用分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急裝置進(jìn)行預(yù)警的方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)管道所設(shè)計的管徑、走向和坡度，采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行矢量化處理；
[0012]步驟2、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)管道所在城區(qū)選擇不同的徑流系數(shù)，將上述系數(shù)通過加權(quán)平均，獲得加權(quán)平均徑流系數(shù)；
[0013]步驟3、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)降雨歷時、當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式計算獲得管道預(yù)期流量值；
[0014]步驟4、采用在線監(jiān)測裝置采集分流制雨水管網(wǎng)排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)和管道坡度變化率大于20%的控制點(diǎn)的雨水流速值，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置；
[0015]步驟5、根據(jù)實際測得管道內(nèi)雨水流速，計算獲得實際管道流量；
[0016]步驟6、判斷實際管道流量是否大于0.95倍管道預(yù)期流量值，若是，則發(fā)送報警信息值應(yīng)急報警裝置；否則返回執(zhí)行步驟2 ；
[0017]步驟7、應(yīng)急報警裝置發(fā)出報警提示信號。
[0018]步驟5所述的計算獲得管道實際流量值，公式如下:
[0019]Q1=AV=0.25 π D2V (I)
[0020]其中，Q1為管道實際流量值；π表示圓周率；D表示管道直徑…表示管道內(nèi)設(shè)計流速;A表示管道面積；v表示實測管道內(nèi)雨水流速。
[0021]步驟3所述的計算獲得預(yù)期管道流量，公式如下:
[0022]Q2=￥qF=￥ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2)
[0023]其中，Q2表示管道內(nèi)預(yù)期流量；Ψ表示加權(quán)平均徑流系數(shù);A、C、b、η均表示地方參數(shù)；t表示降雨時間，表示地面積水時間，m表示折減系數(shù)，t2=L/60v, v表示實測管道內(nèi)雨水流速；q表示暴雨強(qiáng)度，F(xiàn)表示控制單元城區(qū)面積，P表示暴雨重現(xiàn)期。
`[0024]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn):
[0025]本發(fā)明一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置及方法，開發(fā)出以GIS技術(shù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)耦合，采用優(yōu)化后暴雨強(qiáng)度公式對分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)技術(shù)，適應(yīng)于新舊城區(qū)新建和改造后的分流制雨水管網(wǎng)，通過城市分流制雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的矢量化設(shè)計，結(jié)合GIS技術(shù)和在線監(jiān)測設(shè)備反饋的監(jiān)測信號，依據(jù)降雨情況實時評估、驗證管道內(nèi)雨水流動情況，確定城市管道內(nèi)的內(nèi)澇風(fēng)險點(diǎn)，向城市管理部門和企事業(yè)單位發(fā)出內(nèi)澇預(yù)警，啟動相應(yīng)的應(yīng)急措施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種實施例的整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0027]圖2為本發(fā)明一種實施例的分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警方法流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種實施例做進(jìn)一步說明。
[0029]本發(fā)明實施例根據(jù)使用功能的不同劃分為3個組成系統(tǒng)，即實時評估系統(tǒng)(數(shù)據(jù)處理裝置2)、在線監(jiān)測系統(tǒng)(在線監(jiān)測裝置I)和預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)(應(yīng)急報警裝置3)。實施評估系統(tǒng)通過GIS技術(shù)(地理信息系統(tǒng))對城市分流制雨水管網(wǎng)建立矢量化評估系統(tǒng)，通過暴雨強(qiáng)度公式的優(yōu)化(1.依據(jù)城市下墊面不同，選取不同的徑流系數(shù)加權(quán)平均，2.通過GIS技術(shù)的結(jié)合實現(xiàn)對城市管網(wǎng)流量的動態(tài)預(yù)測和管理。)、管道水力計算(參見實際流量、預(yù)測流量的計算公式)及現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的反饋，評估管道內(nèi)雨水流量，當(dāng)管道內(nèi)雨水流量超過管道設(shè)計流量的95%時，即視該計算控制單元內(nèi)存在內(nèi)澇風(fēng)險，進(jìn)而結(jié)合該單元內(nèi)監(jiān)測設(shè)備驗證評估結(jié)果，明確內(nèi)澇節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而通過預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)向城市管理部門和企事業(yè)單位發(fā)布預(yù)警和應(yīng)急信息。
[0030](I)實時評估系統(tǒng)，本系統(tǒng)包含設(shè)計參數(shù)優(yōu)化單元、分流制管網(wǎng)矢量化單元和驗證單元三部分。其中設(shè)計參數(shù)優(yōu)化單元結(jié)合所在城市下墊面類型和管道鋪設(shè)坡度的不同，選擇I?8平方公里為一個控制單元，依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(沒問題)分別選取徑流系數(shù)為0.5?0.9、重新期2?50a(a表示年)、折減系數(shù)0.5?2.5;分流制管網(wǎng)矢量化單元采用GIS技術(shù)對雨水管網(wǎng)的管徑、坡度、埋深進(jìn)行矢量化設(shè)計，結(jié)合設(shè)計參數(shù)優(yōu)化單元的優(yōu)化成果(即選取系數(shù))和在線監(jiān)測實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對控制單元內(nèi)雨水管道內(nèi)流量進(jìn)行評估計算，確定控制單元內(nèi)雨水管道的最大排水能力；驗證單元結(jié)合在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)對分流制管網(wǎng)矢量化單元的評估結(jié)果進(jìn)行驗證，當(dāng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(實際流量)超過評估結(jié)果數(shù)值(預(yù)期流量)的95%時，即認(rèn)為該控制單元內(nèi)雨水排放需求超過管網(wǎng)排水能力，可能或正在發(fā)生內(nèi)澇，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)確定管網(wǎng)超負(fù)荷運(yùn)行的最不利節(jié)點(diǎn)。
[0031](2)在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要為分布于各控制單元內(nèi)的在線管道流量監(jiān)測儀，為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，降低工程造價，各控制單元內(nèi)在線管道流量監(jiān)測儀數(shù)量為2?5臺，布置于控制單元的排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)、坡度變化超過20%的控制點(diǎn)處。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)實時監(jiān)測控制單元內(nèi)的實時降雨量和管網(wǎng)內(nèi)雨水流量，為實時評估系統(tǒng)的評估計算和結(jié)果驗證提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
[0032](3)預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)，包括內(nèi)澇預(yù)警警鈴、預(yù)警信號燈、內(nèi)澇響應(yīng)決策系統(tǒng)，當(dāng)實時評估系統(tǒng)確定一控制單元存在內(nèi)澇風(fēng)險時，預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)立即通過內(nèi)澇預(yù)警警鈴、預(yù)警信號燈等聲、光形式提醒管理人員做好內(nèi)澇預(yù)防準(zhǔn)備，內(nèi)澇響應(yīng)決策系統(tǒng)綜合評估結(jié)合在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，在電子屏幕上直接標(biāo)示出管網(wǎng)內(nèi)澇的風(fēng)險節(jié)點(diǎn)，引導(dǎo)工作人員至現(xiàn)場排除內(nèi)澇險情。
[0033]本發(fā)明實施例中，該裝置用于我國東北平原地區(qū)新建工業(yè)區(qū)分流制雨水管網(wǎng)，分別選取徑流系數(shù)為0.9 ;重新期20a，折減系數(shù)2.2，依據(jù)I平方公里大小劃分控制單元，各控制單元內(nèi)放置3個在線監(jiān)測裝置進(jìn)行實時監(jiān)測。
[0034]如圖1所示，一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置，該裝置包括:在線監(jiān)測裝置1、數(shù)據(jù)處理裝置和應(yīng)急報警裝置3，其中，在線監(jiān)測裝置用于測量分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)各管道的雨水流量；數(shù)據(jù)處理裝置用于根據(jù)管道所設(shè)計的管徑、走向和坡度，采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行矢量化處理，并計算獲得管道預(yù)期流量值；根據(jù)管道所在城區(qū)選擇不同的系數(shù)，將上述系數(shù)通過加權(quán)平均，獲得加權(quán)平均徑流系數(shù)，并根據(jù)加權(quán)平均徑流系數(shù)、實際測得管道內(nèi)雨水流速和降雨時間，獲得實際管道流量；將管道預(yù)期流量值與實際管道流量進(jìn)行比較，若實際管道流量大于0.95倍管道預(yù)期流量值，則發(fā)送報警信息值應(yīng)急報警裝置；應(yīng)急報警裝置用于發(fā)出報警提示信號。
[0035]本發(fā)明實施例中，在線監(jiān)測裝置I采用HACHFL900型號，數(shù)據(jù)處理裝置2采用PC機(jī)，應(yīng)急報警裝置采用220V電力警鈴。所述的在線監(jiān)測裝置I分別設(shè)置于分流制雨水管網(wǎng)的排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)和管道坡度變化率大于20%的控制點(diǎn)，在線監(jiān)測裝置無線連接數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)處理裝置的輸出端連接應(yīng)急報警裝置的輸入端。
[0036]采用分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)裝置進(jìn)行預(yù)警的方法，方法流程圖如圖2所示，[0037]包括以下步驟:
[0038]步驟1、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)管道所設(shè)計的管徑、走向和坡度，采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行矢量化處理；
[0039]步驟2、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)管道所在城區(qū)選擇不同的徑流系數(shù)，將上述系數(shù)通過加權(quán)平均，獲得加權(quán)平均徑流系數(shù)
[0040]步驟3、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)降雨歷時、當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式計算獲得管道預(yù)期流量值；
[0041]公式如下:
[0042]Q2=ΨqF=Ψ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2)
[0043]在依據(jù)園區(qū)雨水管道鋪設(shè)情況耦合GIS技術(shù)構(gòu)建該園區(qū)的分流制管網(wǎng)矢量化單元，確定本發(fā)明實施例最不利控制單元的雨水管道最大排水能力為1.5m3/s。
[0044]步驟4、采用面積流速流量儀采集分流制雨水管網(wǎng)排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)和管道坡度變化率大于20%的控制點(diǎn)的雨水流速值，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置；
[0045]步驟5、根據(jù)實際測得管道內(nèi)雨水流速，計算獲得實際管道流量，
[0046]公式如下:
[0047]Q1=AV=0.25 π D2V (I)
[0048]步驟6、判斷實際管道流量是否大于0.95倍管道預(yù)期流量值，若是，則發(fā)送報警信息值應(yīng)急報警裝置；否則返回執(zhí)行步驟2 ；
[0049]步驟7、應(yīng)急報警裝置發(fā)出報警提示信號。
[0050]本發(fā)明實施例中，被測點(diǎn)排水不暢，雨水量超出管道排水能力，存在內(nèi)澇風(fēng)險，啟動預(yù)警響應(yīng)系統(tǒng)，通過澇預(yù)警警鈴提醒管理人員做好防澇工作，并在電子屏幕上直接標(biāo)示出管網(wǎng)內(nèi)澇的風(fēng)險節(jié)點(diǎn)，引導(dǎo)工作人員至現(xiàn)場排除內(nèi)澇險情。
【權(quán)利要求】
1.一種分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急裝置，其特征在于，該裝置包括:在線監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和應(yīng)急報警裝置，其中， 在線監(jiān)測裝置:用于測量分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)各管道的雨水流量； 數(shù)據(jù)處理裝置:用于根據(jù)管道所設(shè)計的管徑、走向、降雨歷時和坡度，采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行矢量化處理，根據(jù)管道所在城區(qū)選擇不同的徑流系數(shù)，將上述系數(shù)通過加權(quán)平均，獲得加權(quán)平均徑流系數(shù)并計算獲得管道預(yù)期流量值；根據(jù)在線監(jiān)測裝置實際測得管道內(nèi)雨水流速，獲得實際管道流量；將管道預(yù)期流量值與實際管道流量進(jìn)行比較，若實際管道流量大于0.95倍管道預(yù)期流量值，則發(fā)送報警信息值應(yīng)急報警裝置； 應(yīng)急報警裝置:用于發(fā)出報警提示信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急裝置，其特征在于，所述的在線監(jiān)測裝置分別設(shè)置于分流制雨水管網(wǎng)的排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)和管道坡度變化率大于20%的控制點(diǎn)，在線監(jiān)測裝置的輸出端連接數(shù)據(jù)處理裝置的輸入端，數(shù)據(jù)處理裝置的輸出端連接應(yīng)急報警裝置的輸入端。
3.采用權(quán)利要求1所述的分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警及應(yīng)急裝置進(jìn)行預(yù)警的方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)管道所設(shè)計的管徑、走向和坡度，采用地理信息系統(tǒng)進(jìn)行矢量化處理； 步驟2、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)管道所在城區(qū)選擇不同的徑流系數(shù)，將上述系數(shù)通過加權(quán)平均，獲得加權(quán)平均徑流系數(shù)； 步驟3、數(shù)據(jù)處理裝置根據(jù)降雨歷時、當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式計算獲得管道預(yù)期流量值； 步驟4、采用在線監(jiān)測裝置采集`分流制雨水管網(wǎng)排出點(diǎn)、上游管道接入點(diǎn)和管道坡度變化率大于20%的控制點(diǎn)的雨水流速值，發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置； 步驟5、根據(jù)實際測得管道內(nèi)雨水流速，獲得實際管道流量； 步驟6、判斷實際管道流量是否大于0.95倍管道預(yù)期流量值，若是，則發(fā)送報警信息值應(yīng)急報警裝置；否則返回執(zhí)行步驟2 ； 步驟7、應(yīng)急報警裝置發(fā)出報警提示信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警方法，其特征在于:步驟5所述的計算獲得管道實際流量值，公式如下:
Q1=AV=0.25 π D2V (I) 其中，Q1為管道實際流量值；η表示圓周率；D表示管道直徑；V表示管道內(nèi)設(shè)計流速；A表示管道面積；v表示實測管道內(nèi)雨水流速。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分流制雨水管網(wǎng)內(nèi)澇預(yù)警方法，其特征在于:步驟3所述的計算獲得預(yù)期管道流量，公式如下: Q2=￥qF=￥ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2) 其中，Q2表示管道內(nèi)預(yù)期流量；Ψ表示加權(quán)平均徑流系數(shù);A、c、b、η均表示地方參數(shù)；t表示降雨時間，表示地面積水時間，m表示折減系數(shù)，t2=L/60v, V表示實測管道內(nèi)雨水流速；q表示暴雨強(qiáng)度，F(xiàn)表示控制單元城區(qū)面積，P表示暴雨重現(xiàn)期。
【文檔編號】G01F15/06GK103591996SQ201310521165
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月27日
【發(fā)明者】張榮新, 傅金祥, 張祥楠, 于鵬飛, 馬興冠, 唐玉蘭, 郜玉楠, 由昆, 唐婧, 周東旭 申請人:沈陽建筑大學(xué)