城市洪涝灾害预警系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种城市洪涝灾害预警系统及方法，包括水位测量模块、数据采集模块、传输模块和预警模块，水位测量模块用来测量河湖和窨井的水位数据，数据采集模块用来采集水位测量模块测量的水位数据，传输模块用来将数据采集模块采集的水位数据传输至预警模块，预警模块对水位数据进行分析并发布预警信息。本发明结构简易，自动化程度高，实施过程简单，扩展性良好，能有效实现洪涝灾害监测和控制自动化。
【专利说明】城市洪涝灾害预警系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水利现代化【技术领域】，更具体地说，涉及一种城市洪涝灾害预警系统及方法，用于城市洪涝灾害控制。
【背景技术】
[0002]城市洪涝灾害对城市影响巨大，给城市带来不可估量的损失:市区内涝积水，交通陷入瘫痪，房屋财产受到威胁，水资源受到污染，疾病迅速蔓延，建筑设施被毁，甚至可能造成人员伤亡；远城区山洪暴发，排水不畅；除城区内涝积水外，还会造成周边农田和村庄被淹，农作物严重减产，养殖牲畜及人民生命财产受到威胁，造成严重经济损失。
[0003]目前城市洪涝灾害预警系统建设相对滞后，而且已有的预警系统使用的监测手段不够科学、没有考虑未来降雨的时空分布，预警结果误差大，不能真实反映城市洪涝灾害情况，对制定防灾减灾措施有很大影响。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种预测结果准确、能真实反映城市洪涝情况的城市洪涝灾害预警系统及方法。
[0005]本发明提供了一种城市洪涝灾害预警系统，包括水位测量模块、数据采集模块、传输模块和预警模块。水位测量模块用来测量河湖和窨井的水位数据，数据采集模块用来采集水位测量模块测量的水位数据，传输模块用来将数据采集模块采集的水位数据传输至预警模块，预警模块对水位数据进行分析并发布预警信息。
[0006]上述水位测量模块为设置于河湖和窨井的水位传感器。
[0007]上述水位传感器置于带孔固定管中，固定管外包裹有过滤网层，固定管固定于河湖和窨井中。所述的固定管优选为PVC管。
[0008]上述传输模块为无线传输模块。
[0009]上述预警模块为远程服务器。
[0010]本发明还提供了一种城市洪涝灾害预警方法，包括步骤:
[0011]步骤1，对河湖和窨井集水区进行子汇水区划分，将各子汇水区划分为透水区和不透水区，并分别计算透水区和不透水区的面积比例；
[0012]步骤2，基于天气预报，采用随机理论预测未来一段时间内降雨量的时空分布；
[0013]步骤3，基于过去一段时间内实测降雨量的时空分布、预测的未来一段时间内降雨量的时空分布以及透水区和不透水区的面积比例，模拟未来一段时间各子汇水区产汇流量;
[0014]步骤4，基于水位测量模块测量的水位数据和未来一段时间内各子汇水区产汇流量，预测未来一段时间内河湖水位和窨井水位的变化过程；
[0015]步骤5，根据预测的河湖水位和窨井水位发布预警。
[0016]上述采用随机理论预测未来一段时间内降雨量的时空分布，具体采用蒙特卡洛法或配点法预测未来一段时间内降雨量的时空分布。
[0017]上述根据预测的河湖水位和窨井水位发布预警，具体为:
[0018]当预测的河湖水位或窨井水位在未来某时间到达或超过警戒水位，则发布预警。
[0019]所述的预警具体为:
[0020]提醒用户排水和/或自动打开排水闸门排水，使排水后预测的河湖水位或窨井水位Hg且在允许淹水历时T内降至警戒水位及以下，Hg为最高控制水位。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0022]1、结构简易，自动化程度高，实施过程简单，扩展性良好，能有效实现洪涝灾害监测和控制自动化。
[0023]2、实时准确地测量河湖水位和窨井水位，可为城市洪涝预报提供准确的资料；采用随机理论预测河湖水位和窨井水位的变化趋势，根据预测的河湖水位和窨井水位预测城市洪涝灾害，从而及时有效地做出洪涝灾害预警，具有较好的实际应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明系统的具体结构示意图；
[0025]图2为本发明水位测量模块安装于河湖内的具体示意图；
[0026]图3为本发明水位测量模块安装于窨井内的具体示意图；
[0027]图4为【具体实施方式】中预测的河湖水位变化情况效果图；
[0028]图5为【具体实施方式】中预测的窨井水位变化情况效果图。
[0029]图中，1-钢丝绳，2-PVC管，3-电子水尺。
【具体实施方式】
[0030]以下将结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
[0031]见图1，本发明系统主要包括:水位测量模块、数据采集模块、传输模块和预警模块。水位测量模块为水位传感器，用来自动定时测量河湖水位和窨井水位，本具体实施中，采用的水位传感器为武汉世纪水元科技股份有限公司生产的SJSY-901型电极式电子水尺，测量精度为1_，量程300cm，可实现河湖水位和窨井水位的准确测量。
[0032]数据采集模块用来采集水位测量模块测量的水位数据，并通过传输模块将采集的水位数据传输至预警模块。本具体实施中，数据采集模块为与水位测量模块配套的采集仪，且数据采集模块为内置GPRS无线传输模块的数据采集仪，具体型号为SJSY-901数据采集仪。
[0033]图2?3为电子水尺的具体安装示意图，将电子水尺置于内径5cm的带孔PVC管内，PVC管上所带孔的孔径为3mm;PVC管外包裹过滤网层，将内置电子水尺的PVC管固定于河湖和窨井内。电子水尺采用悬吊方式置于PVC管内，S卩，通过系于PVC管顶端的钢丝绳悬挂电子水尺，使电子水池悬于PVC管内。
[0034]具体实施时，将电子水尺连同数据采集仪安装于河湖及窨井内，最好安装于易发生洪涝灾害的河湖监测点及窨井处。数据采集仪按照自定义的时间间隔自动采集河湖水位及窨井水位H±，24小时监测；同时，数据采集仪内置的GPRS无线传输模块将采集的水位数据传输至预警模块。预警模块为远程服务器，可贮存水位数据，并通过表格、曲线图等方式显示水位数据；同时，还可分析水位数据，提供城市洪涝灾害预警信息，方便及时采取措施。
[0035]预警模块可采用软件方式分析水位数据并提供预警信息，用户可通过与预警模块联网的电脑上运行客户端，并通过客户端查看水位数据并接收预警信息。
[0036]预警模块基于水位数据和天气预报，利用随机理论预测河湖水位和窨井水位的变化趋势，并根据河湖水位和窨井水位变化趋势提供预警，即提醒用户采取排水措施，打开控制排水闸门自动排水，从而实现河湖水位及窨井水位的控制，避免城市洪涝灾害发生。
[0037]预警模块分析水位数据并发布预警信息，具体为:
[0038]步骤一，基于GIS数据对河湖和窨井集水区进行子汇水区划分。
[0039]步骤二，根据河湖和窨井子汇水区的面积确定预测间隔时间At、拟预测降雨时段长和产汇流计算时段长度。
[0040]步骤三，基于天气预报，采用随机理论预测未来一段时间内降雨量的时空分布；所述的随机理论可以为蒙特卡洛法或配点法。
[0041]下面以蒙特卡洛方法为例，说明本步骤的一种【具体实施方式】:
[0042]3.1基于天气预报，得到未来I小时、2小时、6小时、12小时和24小时的可能最大降雨量，并分别计算未来I小时、2小时、6小时、12小时和24小时相应的重现期P ；
[0043]3.2按预测间隔时间Λ t将拟预测降雨时段长划分为各时间段，分别构造未来I小时、2小时、6小时、12小时和24小时内各时间段降雨过程线模型；降雨过程线模型视城市暴雨特点而定，一般多采用芝加哥雨型；
[0044]3.3通过随机数表或计算机随机函数，抽取各时间段的降雨量过程线参数；
[0045]3.4整理得到未来I小时、2小时、6小时、12小时和24小时内各子汇水区在不同时段降雨量的时空分布。
[0046]步骤四，根据各子汇水区土地利用情况将子汇水区划分为透水区和不透水区，并分别计算透水区和不透水区的面积比例；基于过去一段时间内实测降雨量的时空分布、未来一段时间内降雨量的时空分布及透水区和不透水区的面积比例，采用水文模型模拟未来一段时间内各子汇水区产汇流量。
[0047]步骤五，基于水位测量模块测量的水位数据和未来一段时间内各子汇水区产汇流量，根据水文水力学预测未来一段时间内河湖水位和窨井水位的变化过程，见图4?5，其中，时间O表示当前时间，H0表示起始水位。
[0048]步骤六，根据预测的河湖水位和窨井水位发布预警。
[0049]上述步骤六具体为:
[0050]一旦预测的河湖水位或窨井水位在未来时间h到达或超过警戒水位Hp时，预警模块发布预警，提醒用户采取排水措施和/或自动打开排水闸门排水，使排水后预测的河湖水位或窨井水位在时间T内降至警戒水位民及以下。其中，T =
T ( Tg，Tg为允许淹水历时，允许淹水历时根据城市道路或建筑物等级确定A1为预测的河湖水位或窨井水位的变化过程中河湖或窨井水位上升到Hp的时间点，t2为采取排水措施后河湖或窨井水位降落至Hp的时间点；Hg为最高控制水位，根据河湖和窨井水流条件而定，取值应结合城市实际情况；警戒水位Hp根据河湖和窨井水流条件设定。图4?5为【具体实施方式】中预测的河湖水位和窨井水位变化过程。
[0051]预警模块也可采用软件模块化方式来分析水位数据并提供预警信息，即采用预警装置来实现预警。
[0052]本发明根据水位监测数据、降雨监测数据和天气预报，基于随机理论预测未来一段时间内降雨时空分布，从而预测未来一段时间内河湖水位和窨井水位的变化过程。根据预测的河湖水位和窨井水位变化过程判断是否会出现洪涝灾害，若判断可能出现洪涝灾害，则发出预警，并通过打开闸门排水以控制淹水深度和淹水历时，避免城市洪涝灾害发生。
[0053]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.城市洪涝灾害预警系统，其特征在于，包括: 水位测量模块、数据采集模块、传输模块和预警模块。水位测量模块用来测量河湖和窨井的水位数据，数据采集模块用来采集水位测量模块测量的水位数据，传输模块用来将数据采集模块采集的水位数据传输至预警模块，预警模块对水位数据进行分析并发布预警信肩、O
2.如权利要求1所述的城市洪涝灾害预警系统，其特征在于: 所述的水位测量模块为设置于河湖和窨井的水位传感器。
3.如权利要求2所述的城市洪涝灾害预警系统，其特征在于: 所述的水位传感器置于带孔固定管中，固定管外包裹有过滤网层，固定管固定于河湖和窨井中。
4.城市洪涝灾害预警方法，其特征在于，包括步骤: 步骤1，对河湖和窨井集水区进行子汇水区划分，将各子汇水区划分为透水区和不透水区，并分别计算透水区和不透水区的面积比例； 步骤2，基于天气预报，采用随机理论预测未来一段时间内降雨量的时空分布； 步骤3，基于过去一段时间内实测降雨量的时空分布、预测的未来一段时间内降雨量的时空分布以及透水区和不透水区的面积比例，模拟未来一段时间各子汇水区产汇流量；步骤4，基于水位测量模块测量的水位数据和未来一段时间内各子汇水区产汇流量，预测未来一段时间内河湖水位和窨井水位的变化过程； 步骤5，根据预测的河湖水位和窨井水位发布预警。
5.如权利要求4所述的城市洪涝灾害预警方法，其特征在于: 所述的采用随机理论预测未来一段时间内降雨量的时空分布，具体采用蒙特卡洛法或配点法预测未来一段时间内降雨量的时空分布。
6.如权利要求4所述的城市洪涝灾害预警方法，其特征在于: 所述的根据预测的河湖水位和窨井水位发布预警，具体为: 当预测的河湖水位或窨井水位在未来某时间到达或超过警戒水位，则发布预警。
7.如权利要求6所述的城市洪涝灾害预警方法，其特征在于: 所述的预警具体为: 提醒用户排水和/或自动打开排水闸门排水，使排水后预测的河湖水位或窨井水位H±(Hg且在允许淹水历时T内降至警戒水位及以下，Hg为最高控制水位。
【文档编号】G08B21/10GK103559775SQ201310558228
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】洪林, 杨一建, 宋元胜 申请人:武汉大学