一种堤坝防洪智能管理系统及方法

本发明涉及堤坝防洪治理，具体涉及一种堤坝防洪智能管理系统及方法。

背景技术：

1、近年来，全球极端天气影响加重，多地遭受特大暴雨。每当汛期，国家都会投入大量的人力物力财力进行巡坝护坝，人民的生命财产安全得不到有效保障。截至目前，我国约有2万3千余座堤坝，多建于上世纪50-70年代，以土石坝为主，近一半的堤坝具有安全风险，目前堤坝治理存在着滞后性、不可预警性，人工化严重，需要救援人力多，抢险过程产生污染大等缺点。

2、经检索，专利申请号为201811085297.0的中国发明专利，公开了一种用于环境水体的安全监测管理系统，包括至少一个堤坝安全监测节点、至少一个防洪安全监测节点、至少一个河道水位监测节点和监测中心；堤坝安全监测节点、防洪安全监测节点和河道水位监测节点都通过无线通信与所述监测中心连接进行数据传输；监测中心包括第一无线通信模块、控制终端、数据处理分析模块、数据存储服务器、显示模块、洪水预警模块、仿真模块和预警发布模块；控制终端与第一无线通信模块和数据存储服务器相互连接；控制终端的数据输出端与数据分析处理模块的数据输入端连接；控制终端的音频输出端与显示模块的音频输入端连接；控制终端的控制输出端与预警发布模块和洪水预警模块的输入端连接；仿真模块的数据输出端与显示模块和控制终端的输入端连接；数据分析处理模块的数据输出端与数据存储服务器的输入端连接；洪水预警模块的数据输出端与仿真模块的输入端连接。上述专利中的环境水体的安全监测管理系统存在以下不足：该系统虽然通过对水体堤坝安全监测、水体降雨量径流量的监测仿真以及河道水位水体的监测三者的结合，能够通过对水体堤坝的安全，防洪预警和河道水体水位的变化进行统一监测管理，做到实时监测，及时预警；但是在实际使用过程中，该系统只能对水体、堤坝进行实时监测，无法根据实际情况对堤坝、河岸的复杂环境进行有效保护，该系统依靠堤坝、河岸的复杂环境对水体进行监测，当水体对堤坝河岸进行侵蚀时，堤坝、河岸只能依靠自身的能力，抵抗水体侵蚀，当雨量过大时，水体的侵蚀能力会急剧增大，导致河岸、堤坝出现溃堤的情况，带来极大的安全隐患。针对上述问题，本发明提供了一种堤坝防洪智能管理系统及方法。通过感知+物联+智慧+监测管理系统将工程设计和it设计融为一体，可以将防洪堤坝管理系统纳入一个即时的可管理、可监测、可调度的智能平台上，使防洪堤坝变得“智慧”起来，实现堤坝智能监测、及时预警以及快速治理，可以有效的保障人民生命财产安全。该堤坝防洪智能管理系统具有发现险情早、救援人力少、治理污染小、预期效果好等优点，能够实现智能感知、智能调度和智能管理，全面提升防洪决策指挥、水环境治理、水资源管理的信息化和智能化水平。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种堤坝防洪智能管理系统及方法，对堤坝、河岸的复杂环境进行有效保护，提高对水流侵蚀的抵抗能力。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种堤坝防洪智能管理系统，包括监测模块、冻结模块、移动泵房以及总控机房，所述总控机房通过无线信号传输或5g技术与所述监测模块、所述冻结模块以及所述移动泵房相连；其中，

3、所述监测模块用于监测堤坝周围水文环境并上传监测数据；

4、所述冻结模块通过液氮循环流动对堤坝附近的土壤进行冻结；

5、所述移动泵房为所述冻结模块提供液氮并对所述冻结模块内部的液氮在使用完毕后进行回收；

6、所述总控机房接收所述监测模块的监测数据并对数据进行计算，继而控制所述移动泵房的工作。

7、优选的，所述监测模块设置为传感器，所述传感器采用太阳能蓄电池和线管排线双线路供电，对土壤含水率、土壤渗流率、土密实度、河道水位进行监测。

8、优选的，所述冻结模块设置为若干个冻结管，所述冻结管之间相互连接并布设在堤坝两岸的土壤内部，且所述冻结管的顶部进出口通过电磁阀连接有液氮供给管。

9、优选的，所述冻结管的布设方式为单侧等距布设、两侧等距布设或两侧错位布设。

10、优选的，所述移动泵房包括液氮储存单元、执行单元和工业计算机，所述工业计算机通过无线信号传输或5g技术与所述执行单元相连，所述执行单元与所述液氮储存单元相连；

11、所述液氮储存单元包括承载车，所述承载车的内部设置有液氮储存罐，所述液氮储存罐上设置有出流口和回流口；

12、所述执行单元包括输出组件和回收组件，所述输出组件与所述出流口相连，所述输出组件包括液氮输出泵以及设置在所述液氮输出泵输出端的流速计量器和第一流量计量器，所述回收组件与所述回流口相连，所述回收组件包括液氮回收泵以及设置在所述液氮回收泵输入端的第二流量计量器；

13、所述工业计算机控制所述执行单元工作。

14、优选的，所述总控机房包括监测系统、控制系统和计算系统；所述控制系统通过无线信号传输或5g技术与所述监测系统以及所述计算系统连接；

15、所述监测系统接收所述监测模块的监测数据；

16、所述计算系统计算所述监测系统接收的数据；

17、所述控制系统根据所述计算系统输出的数据，无线控制所述移动泵房。

18、一种复杂地质环境堤坝防洪智能管理的方法，具体包括以下步骤：

19、s1、监测模块对堤坝附近的环境进行监测，并将监测数据上传至总控机房的监测系统；

20、s2、监测系统将数据进行统计整理，并传输至计算系统，计算系统根据输入的监测数据和后台软件的算法进行计算，确定堤坝周围情况并将数据输出至控制系统；

21、s3、控制系统根据计算系统输出的数据，判断是否启动移动泵房；

22、若是，控制系统向工业计算机发送指令，并发送移动泵房的工作指导数据，移动至指定位置的移动泵房根据指令进行启动工作；

23、若否，控制系统不发送指令，监测模块持续对堤坝两岸进行数据监测，并向监测系统反馈实时数据，重复上述步骤操作至启动移动泵房；

24、s4、工业计算机根据控制系统发送的工作指导数据，控制液氮储存单元移动至冻结模块附近，并与冻结模块建立连接；

25、s5、工业计算机根据工作指导数据启动执行单元，执行单元控制液氮储存单元输出液氮，液氮进入冻结模块内部；

26、s6、冻结模块内部流入大量液氮，液氮通过冻结模块吸收堤坝土壤内部的热量，对堤坝两岸的土壤以及土壤内部的水体进行冻结；

27、s7、监测模块同步进行数据监测，监测系统判断综合数据是否减小至标准范围，所述综合数据指土壤含水率、土壤渗流量、土密实度、河道水位；

28、若是，控制系统向工业计算机发送指令，工业计算机控制执行单元回收液氮，将冻结模块内部的液氮回吸至液氮储存单元内部；

29、若否，控制系统不发送指令，工业计算机控制执行单元持续工作，保证冻结模块有足够的液氮。

30、优选的，所述步骤s6中的液氮冻结技术，采用多场耦合的偏微分方程进行描述，如式(1)、式(2)所示：

31、

32、

33、式(1)为温度场计算公式，用于计算对堤坝进行冻结时土体温度变化，液氮开始时循环较快，当土体温度达到预想温度时即完成了冻结，此时可以调节液氮流速，维持这个温度；式(2)为渗流场计算公式，用于计算研究堤坝土体中水的渗流速度，达到如上同样作用；

34、其中，t为温度，τ为时间常量，xy为平面上不同的两个方向，ρse为液氮密度，cρe为液氮比热容，λe为液氮导入系数，vx、vy为地下水流速度，ρw为地下水密度，cρw为地下水比热容，h为水头高度，k为传导系数。

35、优选的，为保证冻结模块中有足够的液氮，需计算液氮消耗量，液氮消耗量的计算公式如下：

36、

37、其中，qt为冻结土吸收的总热量，kj；qn2为单位质量的液氮吸收热量，kj/kg；μ为热损失率，0<μ<1；

38、冻结土吸收的总热量的计算公式如下：

39、qt＝qsf+qsc+qk；

40、其中，qsf为冻结范围内土体所吸收的热量，kj、qsc为冻结范围外冷却未冻结土所吸收的热量，kj；qk为维持冻土所需的热量(试验仅研究积极冻结阶段，并未进行维护冻结，可不考虑此项)，kj；

41、冻结范围内土体所吸收的热量的计算公式如下：

42、qsf＝vsf(qs1+qs2+qs3)＝γ2c2∫(θ∞-0)ds+γ1c1∫(0-θ1)ds+γwφwl1；

43、冻结范围外冷却未冻结土所吸收的热量的计算公式如下：

44、qsc＝vcγ2c2(θ∞-θ2)＝γ2c2∫(θ∞-θ2)ds；

45、土体从初始温度降至0℃，即冻土结冰温度时所需单位体积的热量：

46、qs1＝γ2c2(θ∞-0)；

47、土体从0℃冷却至指点测点温度值所需热量：

48、qs2＝γ1c1(0-θ1)；

49、单位体积的土中所含水结成冰时的放出的热量：

50、qs3＝γwφwl1；

51、土为三相介质体，固液气共存，即土颗粒、水、空气，其中，qs1、qs2、qs3分别为固、液、气热值，vsf为冻土体积，m3；γ2为冻结前土体的密度，kg/m3；γ1为冻结后土体的密度，kg/m3；c2为冻结前土体的比热容，kj/(kg·℃)；c1为冻结后土体的比热容，kj/(kg·℃)；θ∞为土体的初始温度，℃；θ1为冻结区内指定测点的温度监测值，℃；γw为水的密度，kg/m3；为土体的容积含水率；l1为单位质量的水结成冰时的放出的热量，即水的结冰潜热，l1＝317.566kj/kg；θ2为降温区内指定测点的温度监测值，℃；vc为降温区土体体积，m3。

52、因此，本发明提供了一种堤坝防洪智能管理系统及方法，具有如下有益效果：

53、1、该复杂地质环境堤坝防洪智能管理系统，通过监测模块对堤坝、河岸的复杂环境进行实时监测，总控机房通过监测模块的数据，判断被监测区域的情况，继而控制移动泵房与冻结模块的工作，利用移动泵房输出的液氮，使冻结模块对被监测区域的土壤进行快速冻结，使土壤与土壤内部水冻结，形成类冻土，提高土壤的硬度，并提高堤坝、河岸对水流侵蚀的抵抗能力。

54、2、该复杂地质环境堤坝防洪智能管理系统，通过监测模块的实时监测，总控机房可以根据堤坝、河岸的实际情况，控制移动泵房输出液氮的数量，继而控制冻结模块的工作效率，使本系统的工作更加贴合工作环境的实际情况，提高本系统的工作效果，并降低液氮的浪费。

55、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。