一种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置及方法
【专利摘要】本发明一种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置及方法，属于城市建设管理维护【技术领域】，本发明开发出以GIS技术和在线监测系统耦合，采用优化后暴雨强度公式对分流制雨水管网内涝节点进行预警和应急响应技术，适应于新旧城区新建和改造后的分流制雨水管网，通过城市分流制雨水管网系统的矢量化设计，结合GIS技术和在线监测设备反馈的监测信号，依据降雨情况实时评估、验证管道内雨水流动情况，确定城市管道内的内涝风险点，向城市管理部门和企事业单位发出内涝预警，启动相应的应急措施。
【专利说明】—种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于城市建设管理维护【技术领域】，具体涉及一种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置及方法。
【背景技术】
[0002]由于设计、施工和经济条件上的不足，我国城市排水管网的建设已远远不能满足快速城镇化对其的需求，大量城市因雨水管网排水能力的不足而导致大面积城市内涝的情况屡见不鲜，造成大量人员和财产损失。目前城市管理部门和企业仅能在雨水管道排水不畅、地表大量积水时被动应对内涝的发生，同时由于缺乏自动检测和响应设备和系统，紧靠管理人员人工排查管网各节点，处理速度缓慢，更加剧了内涝的危害。
[0003]目前，我国对雨水管网的研究多集中于各种算法对暴雨强度的优化，以期提高设计时对降雨量计算的准确度。但由于理论计算和实际运行情况间存在必然的差异性，建设单位为节省工程造价，压缩排水管道管径等原因，导致缺乏城市雨水内涝预警的手段和设备，仅采取人工排查等效率低、应急反应速度缓慢的方式解决城市内涝风险已无法满足目前大中型城市的城市防涝需求。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提出一种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置及方法，以达到实时提供雨水管网内流量情况，为城市管理部门和企业雨季预警、防涝提供准确信息的目的。
[0005]一种分流制雨水管网内涝预警及应急装置，该装置包括:在线监测装置、数据处理装置和应急报警装置，其中，
[0006]在线监测装置:用于测量分流制雨水管网内各管道的雨水流量；
[0007]数据处理装置:用于根据管道所设计的管径、走向、降雨历时和坡度，采用地理信息系统进行矢量化处理，根据管道所在城区选择不同的径流系数，将上述系数通过加权平均，获得加权平均径流系数并计算获得管道预期流量值；根据在线监测装置实际测得管道内雨水流速，获得实际管道流量；将管道预期流量值与实际管道流量进行比较，若实际管道流量大于0.95倍管道预期流量值，则发送报警信息值应急报警装置；
[0008]应急报警装置:用于发出报警提示信号。
[0009]所述的在线监测装置分别设置于分流制雨水管网的排出点、上游管道接入点和管道坡度变化率大于20%的控制点，在线监测装置的输出端连接数据处理装置的输入端，数据处理装置的输出端连接应急报警装置的输入端。
[0010]采用分流制雨水管网内涝预警及应急装置进行预警的方法，包括以下步骤:
[0011]步骤1、数据处理装置根据管道所设计的管径、走向和坡度，采用地理信息系统进行矢量化处理；
[0012]步骤2、数据处理装置根据管道所在城区选择不同的径流系数，将上述系数通过加权平均，获得加权平均径流系数；
[0013]步骤3、数据处理装置根据降雨历时、当地暴雨强度公式计算获得管道预期流量值；
[0014]步骤4、采用在线监测装置采集分流制雨水管网排出点、上游管道接入点和管道坡度变化率大于20%的控制点的雨水流速值，发送至数据处理装置；
[0015]步骤5、根据实际测得管道内雨水流速，计算获得实际管道流量；
[0016]步骤6、判断实际管道流量是否大于0.95倍管道预期流量值，若是，则发送报警信息值应急报警装置；否则返回执行步骤2 ；
[0017]步骤7、应急报警装置发出报警提示信号。
[0018]步骤5所述的计算获得管道实际流量值，公式如下:
[0019]Q1=AV=0.25 π D2V (I)
[0020]其中，Q1为管道实际流量值；π表示圆周率；D表示管道直径…表示管道内设计流速;A表示管道面积；v表示实测管道内雨水流速。
[0021]步骤3所述的计算获得预期管道流量，公式如下:
[0022]Q2=￥qF=￥ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2)
[0023]其中，Q2表示管道内预期流量；Ψ表示加权平均径流系数;A、C、b、η均表示地方参数；t表示降雨时间，表示地面积水时间，m表示折减系数，t2=L/60v, v表示实测管道内雨水流速；q表示暴雨强度，F表示控制单元城区面积，P表示暴雨重现期。
`[0024]本发明优点:
[0025]本发明一种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置及方法，开发出以GIS技术和在线监测系统耦合，采用优化后暴雨强度公式对分流制雨水管网内涝节点进行预警和应急响应技术，适应于新旧城区新建和改造后的分流制雨水管网，通过城市分流制雨水管网系统的矢量化设计，结合GIS技术和在线监测设备反馈的监测信号，依据降雨情况实时评估、验证管道内雨水流动情况，确定城市管道内的内涝风险点，向城市管理部门和企事业单位发出内涝预警，启动相应的应急措施。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明一种实施例的整体结构框图；
[0027]图2为本发明一种实施例的分流制雨水管网内涝预警方法流程图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0029]本发明实施例根据使用功能的不同划分为3个组成系统，即实时评估系统(数据处理装置2)、在线监测系统(在线监测装置I)和预警响应系统(应急报警装置3)。实施评估系统通过GIS技术(地理信息系统)对城市分流制雨水管网建立矢量化评估系统，通过暴雨强度公式的优化(1.依据城市下垫面不同，选取不同的径流系数加权平均，2.通过GIS技术的结合实现对城市管网流量的动态预测和管理。)、管道水力计算(参见实际流量、预测流量的计算公式)及现场实时数据的反馈，评估管道内雨水流量，当管道内雨水流量超过管道设计流量的95%时，即视该计算控制单元内存在内涝风险，进而结合该单元内监测设备验证评估结果，明确内涝节点，进而通过预警响应系统向城市管理部门和企事业单位发布预警和应急信息。
[0030](I)实时评估系统，本系统包含设计参数优化单元、分流制管网矢量化单元和验证单元三部分。其中设计参数优化单元结合所在城市下垫面类型和管道铺设坡度的不同，选择I?8平方公里为一个控制单元，依据《室外排水设计规范》(没问题)分别选取径流系数为0.5?0.9、重新期2?50a(a表示年)、折减系数0.5?2.5;分流制管网矢量化单元采用GIS技术对雨水管网的管径、坡度、埋深进行矢量化设计，结合设计参数优化单元的优化成果(即选取系数)和在线监测实时监测数据，对控制单元内雨水管道内流量进行评估计算，确定控制单元内雨水管道的最大排水能力；验证单元结合在线监测系统的监测数据对分流制管网矢量化单元的评估结果进行验证，当在线监测数据(实际流量)超过评估结果数值(预期流量)的95%时，即认为该控制单元内雨水排放需求超过管网排水能力，可能或正在发生内涝，并通过监测数据确定管网超负荷运行的最不利节点。
[0031](2)在线监测系统，主要为分布于各控制单元内的在线管道流量监测仪，为保证监测数据的准确度，降低工程造价，各控制单元内在线管道流量监测仪数量为2?5台，布置于控制单元的排出点、上游管道接入点、坡度变化超过20%的控制点处。该系统负责实时监测控制单元内的实时降雨量和管网内雨水流量，为实时评估系统的评估计算和结果验证提供基础数据支持。
[0032](3)预警响应系统，包括内涝预警警铃、预警信号灯、内涝响应决策系统，当实时评估系统确定一控制单元存在内涝风险时，预警响应系统立即通过内涝预警警铃、预警信号灯等声、光形式提醒管理人员做好内涝预防准备，内涝响应决策系统综合评估结合在线监测数据，在电子屏幕上直接标示出管网内涝的风险节点，引导工作人员至现场排除内涝险情。
[0033]本发明实施例中，该装置用于我国东北平原地区新建工业区分流制雨水管网，分别选取径流系数为0.9 ;重新期20a，折减系数2.2，依据I平方公里大小划分控制单元，各控制单元内放置3个在线监测装置进行实时监测。
[0034]如图1所示，一种分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置，该装置包括:在线监测装置1、数据处理装置和应急报警装置3，其中，在线监测装置用于测量分流制雨水管网内各管道的雨水流量；数据处理装置用于根据管道所设计的管径、走向和坡度，采用地理信息系统进行矢量化处理，并计算获得管道预期流量值；根据管道所在城区选择不同的系数，将上述系数通过加权平均，获得加权平均径流系数，并根据加权平均径流系数、实际测得管道内雨水流速和降雨时间，获得实际管道流量；将管道预期流量值与实际管道流量进行比较，若实际管道流量大于0.95倍管道预期流量值，则发送报警信息值应急报警装置；应急报警装置用于发出报警提示信号。
[0035]本发明实施例中，在线监测装置I采用HACHFL900型号，数据处理装置2采用PC机，应急报警装置采用220V电力警铃。所述的在线监测装置I分别设置于分流制雨水管网的排出点、上游管道接入点和管道坡度变化率大于20%的控制点，在线监测装置无线连接数据处理装置，数据处理装置的输出端连接应急报警装置的输入端。
[0036]采用分流制雨水管网内涝预警及应急响应装置进行预警的方法，方法流程图如图2所示，[0037]包括以下步骤:
[0038]步骤1、数据处理装置根据管道所设计的管径、走向和坡度，采用地理信息系统进行矢量化处理；
[0039]步骤2、数据处理装置根据管道所在城区选择不同的径流系数，将上述系数通过加权平均，获得加权平均径流系数
[0040]步骤3、数据处理装置根据降雨历时、当地暴雨强度公式计算获得管道预期流量值；
[0041]公式如下:
[0042]Q2=ΨqF=Ψ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2)
[0043]在依据园区雨水管道铺设情况耦合GIS技术构建该园区的分流制管网矢量化单元，确定本发明实施例最不利控制单元的雨水管道最大排水能力为1.5m3/s。
[0044]步骤4、采用面积流速流量仪采集分流制雨水管网排出点、上游管道接入点和管道坡度变化率大于20%的控制点的雨水流速值，发送至数据处理装置；
[0045]步骤5、根据实际测得管道内雨水流速，计算获得实际管道流量，
[0046]公式如下:
[0047]Q1=AV=0.25 π D2V (I)
[0048]步骤6、判断实际管道流量是否大于0.95倍管道预期流量值，若是，则发送报警信息值应急报警装置；否则返回执行步骤2 ；
[0049]步骤7、应急报警装置发出报警提示信号。
[0050]本发明实施例中，被测点排水不畅，雨水量超出管道排水能力，存在内涝风险，启动预警响应系统，通过涝预警警铃提醒管理人员做好防涝工作，并在电子屏幕上直接标示出管网内涝的风险节点，引导工作人员至现场排除内涝险情。
【权利要求】
1.一种分流制雨水管网内涝预警及应急装置，其特征在于，该装置包括:在线监测装置、数据处理装置和应急报警装置，其中， 在线监测装置:用于测量分流制雨水管网内各管道的雨水流量； 数据处理装置:用于根据管道所设计的管径、走向、降雨历时和坡度，采用地理信息系统进行矢量化处理，根据管道所在城区选择不同的径流系数，将上述系数通过加权平均，获得加权平均径流系数并计算获得管道预期流量值；根据在线监测装置实际测得管道内雨水流速，获得实际管道流量；将管道预期流量值与实际管道流量进行比较，若实际管道流量大于0.95倍管道预期流量值，则发送报警信息值应急报警装置； 应急报警装置:用于发出报警提示信号。
2.根据权利要求1所述的分流制雨水管网内涝预警及应急装置，其特征在于，所述的在线监测装置分别设置于分流制雨水管网的排出点、上游管道接入点和管道坡度变化率大于20%的控制点，在线监测装置的输出端连接数据处理装置的输入端，数据处理装置的输出端连接应急报警装置的输入端。
3.采用权利要求1所述的分流制雨水管网内涝预警及应急装置进行预警的方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1、数据处理装置根据管道所设计的管径、走向和坡度，采用地理信息系统进行矢量化处理； 步骤2、数据处理装置根据管道所在城区选择不同的径流系数，将上述系数通过加权平均，获得加权平均径流系数； 步骤3、数据处理装置根据降雨历时、当地暴雨强度公式计算获得管道预期流量值； 步骤4、采用在线监测装置采集`分流制雨水管网排出点、上游管道接入点和管道坡度变化率大于20%的控制点的雨水流速值，发送至数据处理装置； 步骤5、根据实际测得管道内雨水流速，获得实际管道流量； 步骤6、判断实际管道流量是否大于0.95倍管道预期流量值，若是，则发送报警信息值应急报警装置；否则返回执行步骤2 ； 步骤7、应急报警装置发出报警提示信号。
4.根据权利要求3所述的分流制雨水管网内涝预警方法，其特征在于:步骤5所述的计算获得管道实际流量值，公式如下:
Q1=AV=0.25 π D2V (I) 其中，Q1为管道实际流量值；η表示圆周率；D表示管道直径；V表示管道内设计流速；A表示管道面积；v表示实测管道内雨水流速。
5.根据权利要求3所述的分流制雨水管网内涝预警方法，其特征在于:步骤3所述的计算获得预期管道流量，公式如下: Q2=￥qF=￥ X167A(l+clg P)/(t+b)n (2) 其中，Q2表示管道内预期流量；Ψ表示加权平均径流系数;A、c、b、η均表示地方参数；t表示降雨时间，表示地面积水时间，m表示折减系数，t2=L/60v, V表示实测管道内雨水流速；q表示暴雨强度，F表示控制单元城区面积，P表示暴雨重现期。
【文档编号】G01F15/06GK103591996SQ201310521165
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月27日 优先权日:2013年10月27日
【发明者】张荣新, 傅金祥, 张祥楠, 于鹏飞, 马兴冠, 唐玉兰, 郜玉楠, 由昆, 唐婧, 周东旭 申请人:沈阳建筑大学