一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法

2023-12-04 02:14:56

一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法
【專利摘要】本發明一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法，屬於城市建設管理維護【技術領域】，本發明開發出以GIS技術和在線監測系統耦合，採用優化後暴雨強度公式對分流制雨水管網內澇節點進行預警和應急響應技術，適應於新舊城區新建和改造後的分流制雨水管網，通過城市分流制雨水管網系統的矢量化設計，結合GIS技術和在線監測設備反饋的監測信號，依據降雨情況實時評估、驗證管道內雨水流動情況，確定城市管道內的內澇風險點，向城市管理部門和企事業單位發出內澇預警，啟動相應的應急措施。
【專利說明】—種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於城市建設管理維護【技術領域】，具體涉及一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法。
【背景技術】
[0002]由於設計、施工和經濟條件上的不足，我國城市排水管網的建設已遠遠不能滿足快速城鎮化對其的需求，大量城市因雨水管網排水能力的不足而導致大面積城市內澇的情況屢見不鮮，造成大量人員和財產損失。目前城市管理部門和企業僅能在雨水管道排水不暢、地表大量積水時被動應對內澇的發生，同時由於缺乏自動檢測和響應設備和系統，緊靠管理人員人工排查管網各節點，處理速度緩慢，更加劇了內澇的危害。
[0003]目前，我國對雨水管網的研究多集中於各種算法對暴雨強度的優化，以期提高設計時對降雨量計算的準確度。但由於理論計算和實際運行情況間存在必然的差異性，建設單位為節省工程造價，壓縮排水管道管徑等原因，導致缺乏城市雨水內澇預警的手段和設備，僅採取人工排查等效率低、應急反應速度緩慢的方式解決城市內澇風險已無法滿足目前大中型城市的城市防澇需求。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發明提出一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法，以達到實時提供雨水管網內流量情況，為城市管理部門和企業雨季預警、防澇提供準確信息的目的。
[0005]一種分流制雨水管網內澇預警及應急裝置，該裝置包括:在線監測裝置、數據處理裝置和應急報警裝置，其中，
[0006]在線監測裝置:用於測量分流制雨水管網內各管道的雨水流量；
[0007]數據處理裝置:用於根據管道所設計的管徑、走向、降雨歷時和坡度，採用地理信息系統進行矢量化處理，根據管道所在城區選擇不同的徑流係數，將上述係數通過加權平均，獲得加權平均徑流係數並計算獲得管道預期流量值；根據在線監測裝置實際測得管道內雨水流速，獲得實際管道流量；將管道預期流量值與實際管道流量進行比較，若實際管道流量大於0.95倍管道預期流量值，則發送報警信息值應急報警裝置；
[0008]應急報警裝置:用於發出報警提示信號。
[0009]所述的在線監測裝置分別設置於分流制雨水管網的排出點、上遊管道接入點和管道坡度變化率大於20%的控制點，在線監測裝置的輸出端連接數據處理裝置的輸入端，數據處理裝置的輸出端連接應急報警裝置的輸入端。
[0010]採用分流制雨水管網內澇預警及應急裝置進行預警的方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1、數據處理裝置根據管道所設計的管徑、走向和坡度，採用地理信息系統進行矢量化處理；
[0012]步驟2、數據處理裝置根據管道所在城區選擇不同的徑流係數，將上述係數通過加權平均，獲得加權平均徑流係數；
[0013]步驟3、數據處理裝置根據降雨歷時、當地暴雨強度公式計算獲得管道預期流量值；
[0014]步驟4、採用在線監測裝置採集分流制雨水管網排出點、上遊管道接入點和管道坡度變化率大於20%的控制點的雨水流速值，發送至數據處理裝置；
[0015]步驟5、根據實際測得管道內雨水流速，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於0.95倍管道預期流量值，若是，則發送報警信息值應急報警裝置；否則返回執行步驟2 ；
[0017]步驟7、應急報警裝置發出報警提示信號。
[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…表示管道內設計流速;A表示管道面積；v表示實測管道內雨水流速。
[0021]步驟3所述的計算獲得預期管道流量，公式如下:
[0022]Q2=￥qF=￥ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2)
[0023]其中，Q2表示管道內預期流量；Ψ表示加權平均徑流係數;A、C、b、η均表示地方參數；t表示降雨時間，表示地面積水時間，m表示折減係數，t2=L/60v, v表示實測管道內雨水流速；q表示暴雨強度，F表示控制單元城區面積，P表示暴雨重現期。
`[0024]本發明優點:
[0025]本發明一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置及方法，開發出以GIS技術和在線監測系統耦合，採用優化後暴雨強度公式對分流制雨水管網內澇節點進行預警和應急響應技術，適應於新舊城區新建和改造後的分流制雨水管網，通過城市分流制雨水管網系統的矢量化設計，結合GIS技術和在線監測設備反饋的監測信號，依據降雨情況實時評估、驗證管道內雨水流動情況，確定城市管道內的內澇風險點，向城市管理部門和企事業單位發出內澇預警，啟動相應的應急措施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發明一種實施例的整體結構框圖；
[0027]圖2為本發明一種實施例的分流制雨水管網內澇預警方法流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本發明一種實施例做進一步說明。
[0029]本發明實施例根據使用功能的不同劃分為3個組成系統，即實時評估系統(數據處理裝置2)、在線監測系統(在線監測裝置I)和預警響應系統(應急報警裝置3)。實施評估系統通過GIS技術(地理信息系統)對城市分流制雨水管網建立矢量化評估系統，通過暴雨強度公式的優化(1.依據城市下墊面不同，選取不同的徑流係數加權平均，2.通過GIS技術的結合實現對城市管網流量的動態預測和管理。)、管道水力計算(參見實際流量、預測流量的計算公式)及現場實時數據的反饋，評估管道內雨水流量，當管道內雨水流量超過管道設計流量的95%時，即視該計算控制單元內存在內澇風險，進而結合該單元內監測設備驗證評估結果，明確內澇節點，進而通過預警響應系統向城市管理部門和企事業單位發布預警和應急信息。
[0030](I)實時評估系統，本系統包含設計參數優化單元、分流制管網矢量化單元和驗證單元三部分。其中設計參數優化單元結合所在城市下墊面類型和管道鋪設坡度的不同，選擇I?8平方公裡為一個控制單元，依據《室外排水設計規範》(沒問題)分別選取徑流係數為0.5?0.9、重新期2?50a(a表示年)、折減係數0.5?2.5;分流制管網矢量化單元採用GIS技術對雨水管網的管徑、坡度、埋深進行矢量化設計，結合設計參數優化單元的優化成果(即選取係數)和在線監測實時監測數據，對控制單元內雨水管道內流量進行評估計算，確定控制單元內雨水管道的最大排水能力；驗證單元結合在線監測系統的監測數據對分流制管網矢量化單元的評估結果進行驗證，當在線監測數據(實際流量)超過評估結果數值(預期流量)的95%時，即認為該控制單元內雨水排放需求超過管網排水能力，可能或正在發生內澇，並通過監測數據確定管網超負荷運行的最不利節點。
[0031](2)在線監測系統，主要為分布於各控制單元內的在線管道流量監測儀，為保證監測數據的準確度，降低工程造價，各控制單元內在線管道流量監測儀數量為2?5臺，布置於控制單元的排出點、上遊管道接入點、坡度變化超過20%的控制點處。該系統負責實時監測控制單元內的實時降雨量和管網內雨水流量，為實時評估系統的評估計算和結果驗證提供基礎數據支持。
[0032](3)預警響應系統，包括內澇預警警鈴、預警信號燈、內澇響應決策系統，當實時評估系統確定一控制單元存在內澇風險時，預警響應系統立即通過內澇預警警鈴、預警信號燈等聲、光形式提醒管理人員做好內澇預防準備，內澇響應決策系統綜合評估結合在線監測數據，在電子屏幕上直接標示出管網內澇的風險節點，引導工作人員至現場排除內澇險情。
[0033]本發明實施例中，該裝置用於我國東北平原地區新建工業區分流制雨水管網，分別選取徑流係數為0.9 ;重新期20a，折減係數2.2，依據I平方公裡大小劃分控制單元，各控制單元內放置3個在線監測裝置進行實時監測。
[0034]如圖1所示，一種分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置，該裝置包括:在線監測裝置1、數據處理裝置和應急報警裝置3，其中，在線監測裝置用於測量分流制雨水管網內各管道的雨水流量；數據處理裝置用於根據管道所設計的管徑、走向和坡度，採用地理信息系統進行矢量化處理，並計算獲得管道預期流量值；根據管道所在城區選擇不同的係數，將上述係數通過加權平均，獲得加權平均徑流係數，並根據加權平均徑流係數、實際測得管道內雨水流速和降雨時間，獲得實際管道流量；將管道預期流量值與實際管道流量進行比較，若實際管道流量大於0.95倍管道預期流量值，則發送報警信息值應急報警裝置；應急報警裝置用於發出報警提示信號。
[0035]本發明實施例中，在線監測裝置I採用HACHFL900型號，數據處理裝置2採用PC機，應急報警裝置採用220V電力警鈴。所述的在線監測裝置I分別設置於分流制雨水管網的排出點、上遊管道接入點和管道坡度變化率大於20%的控制點，在線監測裝置無線連接數據處理裝置，數據處理裝置的輸出端連接應急報警裝置的輸入端。
[0036]採用分流制雨水管網內澇預警及應急響應裝置進行預警的方法，方法流程圖如圖2所示，[0037]包括以下步驟:
[0038]步驟1、數據處理裝置根據管道所設計的管徑、走向和坡度，採用地理信息系統進行矢量化處理；
[0039]步驟2、數據處理裝置根據管道所在城區選擇不同的徑流係數，將上述係數通過加權平均，獲得加權平均徑流係數
[0040]步驟3、數據處理裝置根據降雨歷時、當地暴雨強度公式計算獲得管道預期流量值；
[0041]公式如下:
[0042]Q2=ΨqF=Ψ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2)
[0043]在依據園區雨水管道鋪設情況耦合GIS技術構建該園區的分流制管網矢量化單元，確定本發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、採用面積流速流量儀採集分流制雨水管網排出點、上遊管道接入點和管道坡度變化率大於20%的控制點的雨水流速值，發送至數據處理裝置；
[0045]步驟5、根據實際測得管道內雨水流速，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於0.95倍管道預期流量值，若是，則發送報警信息值應急報警裝置；否則返回執行步驟2 ；
[0049]步驟7、應急報警裝置發出報警提示信號。
[0050]本發明實施例中，被測點排水不暢，雨水量超出管道排水能力，存在內澇風險，啟動預警響應系統，通過澇預警警鈴提醒管理人員做好防澇工作，並在電子屏幕上直接標示出管網內澇的風險節點，引導工作人員至現場排除內澇險情。
【權利要求】
1.一種分流制雨水管網內澇預警及應急裝置，其特徵在於，該裝置包括:在線監測裝置、數據處理裝置和應急報警裝置，其中， 在線監測裝置:用於測量分流制雨水管網內各管道的雨水流量； 數據處理裝置:用於根據管道所設計的管徑、走向、降雨歷時和坡度，採用地理信息系統進行矢量化處理，根據管道所在城區選擇不同的徑流係數，將上述係數通過加權平均，獲得加權平均徑流係數並計算獲得管道預期流量值；根據在線監測裝置實際測得管道內雨水流速，獲得實際管道流量；將管道預期流量值與實際管道流量進行比較，若實際管道流量大於0.95倍管道預期流量值，則發送報警信息值應急報警裝置； 應急報警裝置:用於發出報警提示信號。
2.根據權利要求1所述的分流制雨水管網內澇預警及應急裝置，其特徵在於，所述的在線監測裝置分別設置於分流制雨水管網的排出點、上遊管道接入點和管道坡度變化率大於20%的控制點，在線監測裝置的輸出端連接數據處理裝置的輸入端，數據處理裝置的輸出端連接應急報警裝置的輸入端。
3.採用權利要求1所述的分流制雨水管網內澇預警及應急裝置進行預警的方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟1、數據處理裝置根據管道所設計的管徑、走向和坡度，採用地理信息系統進行矢量化處理； 步驟2、數據處理裝置根據管道所在城區選擇不同的徑流係數，將上述係數通過加權平均，獲得加權平均徑流係數； 步驟3、數據處理裝置根據降雨歷時、當地暴雨強度公式計算獲得管道預期流量值； 步驟4、採用在線監測裝置採集`分流制雨水管網排出點、上遊管道接入點和管道坡度變化率大於20%的控制點的雨水流速值，發送至數據處理裝置； 步驟5、根據實際測得管道內雨水流速，獲得實際管道流量； 步驟6、判斷實際管道流量是否大於0.95倍管道預期流量值，若是，則發送報警信息值應急報警裝置；否則返回執行步驟2 ； 步驟7、應急報警裝置發出報警提示信號。
4.根據權利要求3所述的分流制雨水管網內澇預警方法，其特徵在於: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表示管道內設計流速；A表示管道面積；v表示實測管道內雨水流速。
5.根據權利要求3所述的分流制雨水管網內澇預警方法，其特徵在於:步驟3所述的計算獲得預期管道流量，公式如下: Q2=￥qF=￥ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2) 其中，Q2表示管道內預期流量；Ψ表示加權平均徑流係數;A、c、b、η均表示地方參數；t表示降雨時間，表示地面積水時間，m表示折減係數，t2=L/60v, V表示實測管道內雨水流速；q表示暴雨強度，F表示控制單元城區面積，P表示暴雨重現期。
【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 優先權日:2013年10月27日
【發明者】張榮新, 傅金祥, 張祥楠, 於鵬飛, 馬興冠, 唐玉蘭, 郜玉楠, 由昆, 唐婧, 周東旭 申請人:瀋陽建築大學