一种基于流量分析的城市积水深度记录系统的制作方法

本发明属于水文水利自动化技术领域，涉及一种基于流量分析的城市积水深度记录系统。

背景技术：

在水文水利自动化领域，水文遥测站用来实现对原始的水文信息进行采集和远程传输，这些水文信息包括降雨量、水位、流量等。水文遥测站一般由各种传感器、数据采集器、远程通讯设备、电源设备组成。其中传感器负责将水文信息转換为电信号，而数据采集器负责釆集这些电信号并将其转換为实际的物理量数值，通过远程通讯设各将这些数据发送给数据中心，由数据中心进行处理、分析。

目前应用于水位测量的传感器从数据的输出方式上看可以分为2种：

纯被动式传感器：这类水位传感器测量都需要数据采集器主动发起，自身无法主动发起测量，传感器只有在接收到数据釆集器发出的测量命令或电源激励后，才能进行釆样，并将数据转換为电信号输出给数据采集器。目前在水文遥测站中应用的水位传感器绝大多数都属于被动式传感器。

主动式传感器：这类传感器自身可以发起水位测量，并能够将测量的数据主动上传给数据采集器，也可以按收数据采集器发送的命令发起测量，并将测量结果反馈给数据采集器。

水文遥测站往往安装在偏远地区，而针对城市径流数据的收集、研究。现行的同类发明，使用红外线、激光、超声波等技术，装置造价不菲，技术门槛高。各高校学生探究团队的使用，受到相当大的限制。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于流量分析的城市积水深度记录系统，大大节省经费、人力，为高校学生团体的使用，提供了一种切实可行的方案。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：包括喇叭形入水口、水流量传感器、gprs模块和电箱；

所述喇叭形入水口上设有贯穿的入水孔，水流量传感器设置在喇叭形入水口底部，水流量传感器的入水口正对入水孔下方，所述水流量传感器与gprs模块相连接，且水流量传感器、gprs模块分别与电箱中的电路相连接。通过水流量传感器与gprs模块，将实时流量数据，传输给上位记录计算机。上位记录计算机绘制出各(设备id)设备地点的“实时流量—时间”二维柱状图(以圆柱底面圆心的位置为时间值，圆柱高为实时流量)。从“实时流量—时间”图上的某一流量大于预设阈值q1、q2的点开始，流量值沿“实时流量—时间”图，连续且都大于预设阈值q1、q2。当持续时间超过预设时间t时。上位记录计算机发出预警信号。由于各地地理条件不一，发生内涝时的积水深度不一，通过水流量传感器的流量不同，本发明通过“极限强度法”，确定其临界流量一：q1＝0.018m³/s，其两倍值为临界流量二：q2＝0.036m³/s。持续时间t＝20min。(可自由设定)，当达到临界流量一时，应提醒内涝发生地点周边市民注意安全，当达到临界流量二时，应立即通知相关部门对内涝发生地点采取相应应急响应。与此同时，上位记录计算机通过已知的各流量数据，查询由“小孔出流”原理(将雨水口作为出流小孔，取汇水面积为直径25m的圆)，计算得到的“压力水头～出孔流量表”，能够得到“实时积水深度-时间(实时径流深)”数据。

所述水流量传感器包括铜阀体、水流转子组件、稳流组件和霍尔元件，所述铜阀体安装在底板上，并且与喇叭形入水口连接，所述水流转子组件位于铜阀体入水口处，所述稳流组件位于铜阀体水流流通的中部，所述霍尔元件置于铜阀体侧壁内。

所述水流量传感器用于测量进水流量；当水流过水流转子组件时，磁性转子转动，并且转速随着进水流量成线性变化，霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，调节控制gprs模块的电流。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述水流量传感器的启动流速为0.001m³/s，即流速大于0.001m³/s时，控制器调节gprs模块的电流，使得gprs模块工作，避免上位记录计算机，积攒过多的无用信息。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述喇叭形入水口底部设有用于与水流量传感器、gprs模块、电箱连接的支架。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述喇叭形入水口的材质为球墨铸铁。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述电箱与水流量传感器、gprs模块连接的电路外设有密封包裹层。进一步地，所述电箱内设置有智能电路和锂电池。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述喇叭形入水口主体为上方直径15～18cm，下方直径3～5cm的空心圆台，壁厚0.5～0.7cm。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述入水孔为椭圆孔，所述入水孔的底部安装有滤网，防止杂物通过入水孔进入正下方的水流量传感器。

进一步地，所述水流量传感器入水孔为圆孔，直径3～5cm。

作为优选方案，所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，其特征在于：所述喇叭形入水口的顶部安装有用于与雨水口的雨水篦子勾连的支架。

所述的基于流量分析的城市积水深度记录系统，内置的gprs模块，具有定位功能，可由上位记录计算机追踪，改善了监控点器材易被盗的情况。

有益效果：本发明提供的一种基于流量分析的城市积水深度记录系统，具有以下优点：

1.以往用于记录城市内涝的记录站点造价昂贵，极容易丢失，所以之前布控的城市水位记录仪往往不了了之。本发明以喇叭形入水口为基础，利用市政规划中雨水井常处于易积水点处的特点，节省了监控点的建造费用，内置的gprs模块，具有定位功能，可由上位记录计算机追踪，改善了监控点器材易被盗的情况；

2.本发明使用gprs模块，通过利用gsm网络中未使用的tdma信道，提供中速的数据传递。突破了gsm网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，投入小的同时得到的用户数据速率相当可观。同时，由于不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，连接及传输都更方便容易；

3.本发明使用的gprs模块与其上位记录计算机群，组成了城市内涝在线监控与信息服务数字化系统，进一步形成城市防洪排涝和排水管网的综合监管平台。借助该系统，相关防洪排涝部门可以全面掌握城市排水及内涝现状、及时采取防洪排涝措施，可实现城市内涝的全方位监控和全局化管理；

4.本发明由上位记录计算机绘制出各(设备id)设备地点的“实时流量—时间”二维柱状图(以圆柱底面圆心的位置为时间值，圆柱高为实时流量)。原理简单，实践性强。能实时反映各记录点雨水井的过水情况，并及时发现雨水井堵塞的问题，消除隐患；

5.本发明由上位记录计算机，本发明由上位记录计算机，记录各(设备id)设备地点的“实时流量—时间”数据，由各流量数据，查询“压力水头-出孔流量表”，能够得到“实时积水深度-时间”数据。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明部分细节图；

图3为水流传感器的细节图；

图4为各记录点的记录情况示意图及箭头处的“实时流量—时间”二维柱状图；

图中：1、喇叭形入水口，2、入水孔，3、水流量传感器，4、gprs模块，5、电箱，6、记录点，7、记录点的“实时流量—时间”二维柱状图，8、记录区域俯视图，9、铜阀体，10、水流转子组件，11、稳流组件，12、霍尔元件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，一种基于流量分析的城市积水深度记录系统，包括喇叭形入水口1、水流量传感器3、gprs模块4和电箱5，所述喇叭形入水口1上设有贯穿喇叭形入水口1的入水孔2，所述入水孔2为椭圆孔，所述入水孔2的底部安装有滤网，防止杂物通过入水孔正下方的水流量传感器3。

所述喇叭形入水口1底部设有水流量传感器3、gprs模块4和电箱5，所述水流量传感器3的入水口正对入水孔2下方，所述水流量传感器3与gprs模块4相连接，并且所述水流量传感器3和gprs模块4分别与电箱5中的电路相连接。

所述喇叭形入水口1的材质为球墨铸铁，底部设有用于与水流量传感器3、gprs模块4、电箱5焊接的支架，所述电箱5内设置有智能电路和锂电池。所述电箱5与水流量传感器3、gprs模块4连接的电路外设有密封包裹层。

所述水流量传感器3包括铜阀体9、水流转子组件10、稳流组件11和霍尔元件12，所述铜阀体9安装在底板上，并且与喇叭形入水口1连接，所述水流转子组件10位于铜阀体9入水口处，所述稳流组件11位于铜阀体9水流流通的中部，所述霍尔元件12置于铜阀体9侧壁内。

所述水流量传感器，为测量进水流量。当水流过转子组件时，磁性转子转动，并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，调节控制gprs模块的电流。

进一步地，所述水流量传感器，其启动流速为0.001m³/s，即流速大于0.001m³/s时控制器，调节gprs模块的电流，使得gprs模块工作，避免上位记录计算机，积攒过多的无用信息。

进一步地，所述水流量传感器入水孔为圆孔，直径3～5cm。

进一步地，所述喇叭形入水口，主体为上方直径15～18cm，下方直径3～5cm的空心圆台，壁厚0.5～0.7cm。

本发明的使用方法如下：

1、将电箱5内电源打开，确认gprs模块4、水流量传感器3处于工作状态，监控系统显示屏上显示监控区域地图、模拟城市内涝记录点、控制设备位置等，并可通过投影仪投影到显示屏幕上。调度管理中心全天收集来自各个内涝记录点及控制设备的数据，将其存储在数据库中，并在地图相应的位置显示实时的水位、流量及设备工况等参数，相关防洪排涝工作人员可以直观地了解到城市内涝记录点的状况。

2、地面积水后，积水将流入雨水井，并由入水孔2，流过水流量传感器3入水口，当水流过水流转子组件10时，磁性转子转动，并且转速随着流量成线性变化。霍尔元件输出相应的脉冲信号反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小为q，记录此时流量值对应的时间值t，并通过gprs模块4，将“实时流量—时间”信息发向上位记录计算机。

3、由上位记录计算机绘制出各(设备id)设备地点的“实时流量—时间”二维柱状图(以圆柱底面圆心的位置为时间值，圆柱高为实时流量)。从“实时流量—时间”图上的某一流量大于预设阈值q1、q2的点开始，流量值沿“实时流量—时间”图，连续且都大于预设阈值q1、q2。当持续时间超过预设时间t时。上位记录计算机发出预警信号。由于各地地理条件不一，发生内涝时的积水深度不一，通过水流量传感器的流量不同，本发明通过“极限强度法”，确定其临界流量一：q1＝0.018m³/s，其两倍值为临界流量二：q2＝0.036m³/s。持续时间t＝20min。((可自由设定)。

为降低内涝防治成本，当达到临界流量一时，仅提醒内涝发生地点周边市民注意安全，当达到临界流量二时，应立即通知相关部门对内涝发生地点采取相应应急响应。

仅取南京市二十年一遇、五十年一遇的两场降雨过程，作为算例，示意如下：

采用“极限强度法”：q＝ψqf

式中：q—雨水设计流量；

ψ--径流系数；

f--汇水面积；

q—设计降雨时段内的平均设计暴雨强度。

查《gb50014-2006(2014年版)室外排水设计规范》：“雨水口间距宜为25～50m”假设为单个平篦，故取单个雨水口的汇水面积为直径25m的圆。f＝490.625m²。

查《gb50014-2006(2014年版)室外排水设计规范》：视“覆盖种类”为各种屋面、混凝土和沥青路面。取径流系数ψ＝0.85。

取南京市二十年一遇、五十年一遇的两场降雨过程，插值后，得到δt＝10min的降雨过程，将各降雨数据带入q＝ψqf，即得到“流量～时间过程线”。即可知，20年一遇的降雨发生时，其最大流量为0.018m³/s，持续时间60min。确定其临界流量一：q1＝0.018m³/s，其两倍值为临界流量二：q2＝0.036m³/s。持续时间t＝20min。

原理简单，实践性强。能实时反映各记录点雨水井的过水情况，并及时发现雨水井堵塞的问题，消除隐患。

本发明由上位记录计算机，本发明由上位记录计算机，记录各(设备id)设备地点的“实时流量—时间”数据，由各流量数据，查询“压力水头～出孔流量表”，能够得到“实时积水深度-时间”数据。

其中，“压力水头～出孔流量表”由小孔出流公式得到。(将雨水口作为出流小孔，长750mm，宽450mm，厚40mm)，

具体计算过程如下：

以小孔出流公式计算指定水位、指定孔径下的出孔流量，得到较精细的“水位～出孔流量”表。以供查表。

本文装置孔长l＝40mm，孔径d分别为750mm*450mm。l/d≤0.5，可看做薄壁小孔。液流在小孔上游大约d/2处开始加速并从四周流向小孔。由于流线不能突然转折到与管轴线平行，在液体惯性的作用下，外层流线逐渐向管轴方向收缩，逐渐过渡到与管轴线方向平行，从而形成收缩截面。对于圆孔，约在小孔下游d/2处完成收缩。通常把最小收缩面积ac与孔口截面积a之比值称为收缩系数cc，即cc＝ac/a。其中a为小孔的通流截面积。

液流收缩的程度取决于re、孔口及边缘形状、孔口离管道内壁的距离等因素。对于圆形小孔，当管道直径d与小孔直径d之比d/d≥7时，流速的收缩作用不受管壁的影响，称为完全收缩。反之，管壁对收缩程度有影响时，则称为不完全收缩。本文预设管道直径d＝10cm，计算得到d/d≤7，为不完全收缩。

有薄壁小孔出流公式：

式中：cd为流量系数；▽p为小孔前后压差；a为小孔的通流截面积a＝0.3375m²，ρ为流体密度。

流量系数一般由实验确定。当液流为不完全收缩时，其流量系数为cd≈0.7～0.8。由于cd越小，出孔流量越小，积水越高。所以取cd＝0.7。

由压力水头＝0.1mm，开始不断增大，计算出各压力水头下的出孔流量“水位-出孔流量”表如下。(仅列出部分)

表-350水位-出孔流量

系统接收到预计信号后，监控系统显示屏上自动弹出报警提示框，使防洪排涝工作人员可以及时了解内涝记录点的状况。当报警发生时和恢复时，监控系统通过gprs系统发送短信或电子邮件将报警信息通知相关防洪排涝工作人员，调度管理中心的防洪排涝工作人员也可以人工对报警信息进行发布。报警信息应当包括它的设备id、设备地点、设备名称、报警描述、报警产生时间、报警消除时间、当前状态及当前值等。每次报警信息都应存储在数据库中，报警记录以表格的形式显示出来，从终端计算机上可以查询所有的报警记录，并且可以打印所有报警记录。

上位记录计算机，记录各(设备id)设备地点的“实时流量-时间”数据后，由各流量数据，查询“压力水头～出孔流量表”，能够得到“实时积水深度-时间”数据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。