一种堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置及方法

1.本发明涉及水利堤防防洪减灾领域，具体是一种堤防减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置及方法。


背景技术：

2.堤防减压井属于防洪减灾体系中的重要防洪设施，因其可在汛期高水位时自溢流实现堤基地层排水减压，降低堤防管涌险情风险，在我国堤防工程中有广泛应用，但由于雨水倒灌、生物及化学因素的存在，运行过程中，减压井几乎都会发生淤堵，而大多数减压井会随着时间的推移，淤堵积累至反滤层直至完全失去排水减压功能，导致汛期堤防管涌险情发生，甚至减压井直接发生险情。严重威胁堤防沿线人民生命财产安全。
3.堤防减压井多属于间歇性运行，只有江水达到一定水位，减压井才排水减压，其他时间不排水。汛期依靠人工巡查靠人工观察判断减压井运行情况(如《河道堤防减压井与测压管管理规程》，安徽省地方标准db43/t-2018)，通常汛期堤防险工段发现管涌险情或减压井直接出险时才发现已严重淤堵；这种方法的不足之处在于，人工巡查的主观性大且依赖检查人员经验，费时费力检查频次难保证且全覆盖难度大，更无法对减压井淤堵程度和性能实时分析和自动预警。当前，对减压井功能检查通过汛后抽水试验进行，该方法的不足之处在于，抽水试验法费时费力也难以全覆盖，并且抽水法本身也是减压井洗井方法之一，会清洗淤积物，因此也无法准确判断减压井实际淤堵程度。近年来，随着井下电视的发展，高清摄像也是减压井状态检查的手段之一，但该方法的不足之处在于，井下摄像仅能通过图片，查看减压井内壁是否有附着物，无法探知减压井滤层实际淤堵状态，更无法判断和量化减压井实际的淤堵程度。
4.综上所述，目前已有的减压井淤堵状态检查方法存在的问题主要有：
5.1、减压井汛期人工巡查出水情况，主观性大且对巡查人员经验依赖性强，巡查频次难保证且全覆盖难度大，更无法对减压井淤堵程度和性能实时分析和自动预警。
6.2、汛后常规抽水试验检查减压井功能，费时费力，抽水会扰动淤积物，造成减压井实际淤堵程度难以准确判断。
7.3、汛后常规井下电视高清摄像检查减压井，仅能查看减压井内壁情况，无法探知减压井滤层实际淤堵状态，更无法判断和量化减压井实际的淤堵程度。


技术实现要素：

8.本发明提供一种堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置及方法，解决了目前堤防减压井淤堵状态难以及时准确量化分析判断及预警问题，其可实现汛期外江水位变化过程中，堤内减压井运行状态实时在线监测和分析，根据获取的水位、流量及水压关系，通过与以往年份关系对比分析，实现对减压井淤堵程度即其功能衰减程度在线智能诊断和自动预警功能，以保证堤防减压井防洪减灾功能的正常发挥，保障汛期堤防防洪
安全。
9.一种堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置及方法，包括：
10.高敏水压传感器，设于减压井内水面以下，用以获取减压井水压信号；
11.流量自动量测装置，设于减压井的出口部位，用以获取减压井流量信号；
12.自动水位计，设于堤防外侧江水中，用以自动获取江水水位信号；
13.监测和诊断预警控制器，分别与高敏水压传感器、流量自动量测装置及自动水位计通信连接，用于接收所述减压井水压信号、减压井流量信号以及江水水位信号，根据所述减压井水压信号、减压井流量信号以及江水水位信号形成水位与流量关系曲线和水位与水压关系曲线，每年汛期监测和诊断预警控制器收集的水位、流量、水压信号及其关系曲线通过无线传输发送至远程监控终端，监测和诊断预警控制器根据监测的水位、流量、水压信号计算获取减压井淤堵程度值，根据减压井淤堵程度值发出预警信息；
14.远程监控终端，与所述监测和诊断预警控制器通信连接，用于接收监测和诊断预警控制器发出的预警信息。
15.进一步的，所述高敏水压传感器通过第一线缆与监测和诊断预警控制器连接，所述流量自动量测装置通过第二线缆与监测和诊断预警控制器连接，所述自动水位计与监测和诊断预警控制器无线连接，所述监测和诊断预警控制器与远程监控终端无线连接。
16.进一步的，所述高敏水压传感器由与监测和诊断预警控制器相连接的第一线缆供电；所述流量自动量测装置由与监测和诊断预警控制器连接的第二线缆供电。
17.进一步的，所述监测和诊断预警控制器计算获取减压井淤堵程度值，具体公式如下：
18.i
hp
＝/ p
h1
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
19.i
hq ＝/ q
h1
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
20.式中：i
hp
和i
hq
分别为第i年度以压力和流量与首次达到同样水
21.位h条件下减压井内水压和流量对比分析获取的减压井淤堵程度，h表示减压井每年度出水期间的最高江水位，p
h1
,q
h1
分别表示首年减压井出水期间江水位达到最高h条件下的减压井水压和流量(为确保减压井运行状态准确，装置应在减压井建设完成当年安装完成)，p
hi
,q
hi
分别表示江水位第i年度减压井出水期间江水位达到最高h条件下的减压井水压和流量，首年江水位达到的最高水位h与p
h1
,q
h1
形成的关系作为对比标准关系曲线。
22.进一步的，所述监测和诊断预警控制器根据减压井淤堵程度值所对应预警指标发出预警信息，具体包括：根据计算所得减压井淤堵程度值，对应四级预警指标，按照[0-10]％、[10-30]％、[30-60]％、[60-100]％对应划分为1无淤堵、2轻度淤堵、3严重淤堵，4完全失效四级。
[0023]
一种堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警方法，采上述装置进行，所述方法包括：
[0024]
汛期堤防外侧江水上涨过程中，自动水位计实时侦测江水水位值，并将侦测的水位信号无线传送至监测和诊断预警控制器；高敏水压传感器实时侦测减压井下的水压力，并将侦测的水压信号传送至监测和诊断预警控制器；流量自动量测装置实时量测减压井出口流量，并将量测的流量信号传送至监测和诊断预警控制器；
[0025]
监测和诊断预警控制器按设定的数据采集频率，将自动水位计的水位信号、高敏
水压传感器的水压信号和流量自动量测装置的流量信号形成汇总，分别制成水位与流量关系曲线和水位与水压关系曲线，每年汛期监测和诊断预警控制器收集的水位、流量、水压信号及其关系曲线通过无线传输发送至远程监控终端，监测和诊断预警控制器根据监测的水位、流量、水压信号计算获取减压井淤堵程度值，根据减压井淤堵程度值向远程监控终端发出预警信息。
[0026]
进一步的，所述监测和诊断预警控制器计算获取减压井淤堵程度值，具体公式如下：
[0027]ihp
＝/ p
h1
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0028]ihq ＝/ q
h1
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0029]
式中：i
hp
和i
hq
分别为第i年度以压力和流量与首次达到同样水
[0030]
位h条件下减压井内水压和流量对比分析获取的减压井淤堵程度，h表示减压井每年度出水期间的最高江水位，p
h1
,q
h1
分别表示首年减压井出水期间江水位达到最高h条件下的减压井水压和流量(为确保减压井运行状态准确，装置应在减压井建设完成当年安装完成)，p
hi
,q
hi
分别表示江水位第i年度减压井出水期间江水位达到最高h条件下的减压井水压和流量，首年江水位达到的最高水位h与p
h1
,q
h1
形成的关系作为对比标准关系曲线。
[0031]
进一步的，所述监测和诊断预警控制器(3)根据减压井淤堵程度值所对应预警指标发出预警信息，具体包括：根据计算所得减压井淤堵程度值，对应四级预警指标，按照[0-10]％、[10-30]％、[30-60]％、[60-100]％对应划分为1无淤堵、2轻度淤堵、3严重淤堵，4完全失效四级。
[0032]
本发明预警装置体积小，安装简便，在堤防减压井建设完成后布置于减压井中，通过每年减压井流量和水压与江水位关系同首次年度江水位最高时的关系对比分析，可实现堤防减压井淤堵状态在线智能诊断及自动预警，以保证堤防减压井防洪减灾功能的正常发挥，保障汛期堤防防洪安全。本发明也是为解决堤防减压井淤堵状态难以及时准确量化分析判断及预警问题而首次提出的，填补了国内外空白。
附图说明
[0033]
图1是本发明堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置的结构示意图；
[0034]
图2是图1中a部分放大图；
[0035]
图3是年度汛期江水位与减压井流量关系(h-q)图；
[0036]
图4年度汛期江水位与减压井水压关系(h-p)图。
[0037]
图中附图标记分述如下：1-减压井；2-高敏水压传感器；3-监测和诊断预警控制器；4-流量自动量测装置；5-第一线缆；6-第二线缆；7-自动水位计；8-江水；9-堤防；10-弱透水地层；11-透水砂层；12-远程终端。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0039]
请参考图1，本发明实施例提供一种堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置，包括减压井1、高敏水压传感器2、监测和诊断预警控制器3、流量自动量测装置
4、自动水位计7、远程监控终端12。
[0040]
所述高敏水压传感器2设于减压井1内水面以下，以获取减压井水压信号，所述流量自动量测装置4设于减压井1的出口部位，以获取减压井流量，所述自动水位计7设于堤防9外侧江水8中，以自动获取江水水位信号。
[0041]
所述高敏水压传感器2和所述流量自动量测装置4分别与监测和诊断预警控制器3连接，所述自动水位计7与监测和诊断预警控制器3无线通信连接，所述监测和诊断预警控制器3与远程监控终端12无线通信连接形成系统。具体的，所述高敏水压传感器2通过第一线缆5与监测和诊断预警控制器3连接，所述流量自动量测装置4通过第二线缆6与监测和诊断预警控制器3连接。减压井1设置于弱透水层10和强透水层11内，江水8通过弱透水层10和强透水层11进入减压井1中，然后从减压井1出口溢流出水。
[0042]
所述高敏水压传感器2感应水压力精度为1mm级，其由与监测和诊断预警控制器3相连接的第一线缆5供电，按设定数据采集频率1次/30分钟(可根据情况调整)将减压井1内水压信号发送至监测和诊断预警控制器3。
[0043]
所述流量自动量测装置4的流量量测精度为1％，其由与监测和诊断预警控制器3连接的第二线缆6供电，按设定数据采集频率1次/30分钟将减压井1出口流量信号传送至监测和诊断预警控制器3。
[0044]
所述自动水位计7的精度为1cm级，其由与监测和诊断预警控制器3通过无线信号连接，按设定数据采集频率1次/30分钟将江水1水位信号发送至监测和诊断预警控制器3。
[0045]
所述监测和诊断预警控制器3将设定频率1次/30分钟的自动水位计7的水位信号、高敏水压传感器2的水压信号和流量自动量测装置4的流量信号形成汇总，分别制成水位与流量关系曲线即h～q和水位与水压关系曲线即h-p，分别如图3和图4所示，形成对江水、减压井运行状态实时在线监测。
[0046]
汇集于监测和诊断预警控制器3的水位、水压与流量信号，形成水位与流量关系曲线即h～q和水位与水压关系曲线即h-p，并按年度存储作为对比分析使用，其中首次最高江水位年度的关系作为对比标准关系曲线。通过每年度的h～q和h-p对比分析，形成对减压井淤堵状态和程度的智能诊断，根据淤堵程度进行预警，并将监测和预警信息实时传送至远程监控终端12。
[0047]
在其中一个实施例中，高敏水压传感器2的精度1mm，自动水位计7的精度1cm，流量自动量测装置4的误差1％，三者信号采集频率统一设定为1次/30分钟；当堤外降水上涨，减压井开始溢流出水时，监测和诊断预警控制器3开始向远端监控终端12发送预警信号，预警等级根据下式自动分析为4种类型。
[0048]
根据加压井淤堵情况调研和工程经验，结合本装置获取信息，首次提出减压井淤堵程度分析诊断公式。具体的，汛期堤防两侧水位差形成的渗流场，符合达西定律(q＝k
×
δh/l)，即安装于弱透水地层10和透水砂层11中的减压井1在堤防两侧水位差作用下，减压井排水减压，因减压井口为0压力，天然的弱透水地层10和透水砂层11的渗透系数k不变，所以出水量与江水位和减压井滤层参数k呈线性关系，因此可以直观地认为，假如减压井滤层渗透系数k减小，减压井出水量随之减小，井内水压也相应减小，基于这一原理，提出减压井淤堵程度值公式：
[0049]ihp
＝(p
h1-p
hi
)/ p
h1
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0050]ihq ＝(q
h1-q
hi
)/ q
h1
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0051]
式(1)和式(2)中：式中：h表示减压井每年度出水期间的最高江水位，p
h1
,q
h1
分别表示首年减压井出水期间江水位达到最高h条件下的减压井水压和流量(为确保减压井运行状态准确，装置应在减压井建设完成当年安装完成)，首年江水位达到的最高水位h与p
h1
,q
h1
形成的关系也作为对比标准关系曲线；p
hi
,q
hi
分别表示江水位第i年度减压井出水期间江水位达到最高h条件下的减压井水压和流量，i
hp
和i
hq
分别为第i年度以压力和流量与首次达到同样水位h条件下减压井内水压和流量对比分析获取的减压井淤堵程度值。
[0052]
以上公式的特别意义在于首次提出了减压井淤堵程度判断依据，也是巧妙利用了简单的流量或水压衰减量与原始量对比以计算获取，可以作为淤堵预警指标。
[0053]
监测和诊断预警控制器3根据公式(1)和(2)，通过比对学习分析，当第i年度与首次达到该江水位的水压或流量进行对比，即数据的历史对比，计算出水量或水压衰减程度，根据计算所得减压井淤堵程度值，按照四级预警指标：[0-10]％,[10-30]％,[30-60]％,[60-100]％分别为1无淤堵、2轻度淤堵、3严重淤堵，4完全失效四级。公式(1)和公式(2)分别独立计算，哪个先即触动预警阈值，即发送预警信息，根据这一原理，即实现智能诊断并预警。
[0054]
算例：如(1)q
h1
＝10m3/h,q
h3
＝5m3/h，根据式(2)则i
hq
＝50％；
[0055]
(2)p
h1
＝5cm，p
h3
＝3cm，根据式(1)则i
hp
＝40％。
[0056]
由于i
hq
＝50％，i
hp
＝40％，进入[30-60]％预警区间，监测和诊断预警控制器(3)则立即标记为3严重淤堵，即向监控终端(12)发送预警信息。
[0057]
所述监测和诊断预警控制器3每年汛期(5月～10月)将实时收集的水位、水压和流量信号制成关系h～q和h-p曲线；再根据公式(1)和公式(2)分别独立计算，若结果触动预警阈值，随即向远程监控终端12发送预警信息。h～q和h-p关系即公式(1)和公式(2)是并列关系，具有同等功能，同时运用主要为提高诊断预警保证率，避免水压或流量监测设备故障发生漏报。
[0058]
本发明工作原理为：如图1所示，每年汛期堤防9外侧江水8的水位上涨过程中，由于堤基弱透水层10下的透水砂层11形成承压水，减压井1开始溢流排水减压，监测和诊断预警控制器3开始按设定的数据采集频率，收集水压传感器2侦测到水压力值、流量量测装置4监测到流量值及自动水位计7监测到的江水8的水位值，同时监测和诊断预警控制器3将上述信息发送至远程监控终端12，实现对减压井运行状态实时在线监测功能；与此同时，监测和诊断预警控制器3利用收集的水位、水压及流量信号，根据公式(1)和公式(2)分别计算，并根据计算结果向远程监控终端12发送预警信息，实现减压井淤堵状态在线智能诊断和预警功能；随着时间的推移，重复上述步骤，每年汛期进行数据收集、分析诊断，即实现了减压井服役期淤堵状态在线监测和诊断预警功能。
[0059]
本发明还提供一种堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警方法，其采用以上装置进行，所述方法包括：
[0060]
汛期堤防9外侧江水8上涨过程中，自动水位计7实时侦测江水8水位值，并将侦测的水位信号无线传送至监测和诊断预警控制器3；高敏水压传感器2实时侦测减压井1下的水压力，并将侦测的水压信号传送至监测和诊断预警控制器3；流量自动量测装置4实时量测减压井1出口流量，并将量测的流量信号传送至监测和诊断预警控制器3；
[0061]
监测和诊断预警控制器3按设定的数据采集频率，将自动水位计7的水位信号、高敏水压传感器2的水压信号和流量自动量测装置4的流量信号形成汇总，分别制成水位与流量关系曲线和水位与水压关系曲线，每年汛期监测和诊断预警控制器3收集的水位、流量、水压信号及其关系曲线通过无线传输发送至远程监控终端12；
[0062]
每年汛期(一般5月～10月)监测和诊断预警控制器3将实时收集的水位、水压和流量信号，表明减压井实时运行状态，并将这些信息绘制成江水位与流量关系曲线h～q和江水位与水压关系曲线h-p；
[0063]
将堤防在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警装置运行第一年汛期水位上涨过程中，江水位8与减压井1水压、流量关系作为标准，次年始，江水位8与减压井1水压、流量关系与首年关系对比，根据衰减情况即可分析减压井1淤堵状态，即其功能发挥程度；若相同江水位8条件下，相比首年发生水压p或流量q一定程度降低，监测和诊断预警控制器3即向远程监控终端12发送预警信息。h～q和h-p关系具有同等功能，同时运用主要为提高诊断预警保证率，避免水压或流量监测设备故障发生漏报。
[0064]
具体实施时即按照上述提出的减压井淤堵程度分析诊断公式机计算减压井淤堵程度值，并根据减压井淤堵程度值所对应预警指标发出预警信息，具体包括：根据计算所得减压井淤堵程度值，对应四级预警指标，按照[0-10]％、[10-30]％、[30-60]％、[60-100]％对应划分为1无淤堵、2轻度淤堵、3严重淤堵，4完全失效四级。
[0065]
本发明充分利用了渗流控制原理及数据自动分析功能，可提供江水位1cm级和减压井内的水压力精确至1mm级的减压井淤堵状态在线监测及诊断预警装置。通过设置不同数据采集频率适应汛期江水上涨速度便于判断减压井运行状态也为抢险应急提供支撑，可以在非汛期减压井不出水时设置暂停或者偶发数据采集以节省电源和方便维护。
[0066]
与现有技术相比，本发明具有明显的优势，由于装置体积小，安装简便，首次创新提出减压井淤堵程度诊断公式，使得在役减压井运行状态尤其是淤堵程度得到量化分析和诊断，保证堤防减压井汛期正常发挥防洪减灾作用，保障堤防汛期安全，使减压井运行期过程中淤堵程度实时在线分析并诊断预警成为现实，并大大提高了减压井汛期检查的工作效率和准确性；监测和诊断预警装置采用直流低压供电，可采用蓄电池连接太阳能电池板供电，节能环保并不受停电的影响；从信息采集、分析计算至预警全过程无需人为干预，属于在役减压井淤堵状态在线智能诊断和自动预警方法。本发明可解决类似减压井管排水功能衰减诊断难题，全时段监测减压井运行状态和功能变化，并实现实时在线诊断和及时预警，也契合水利信息化和数字孪生大趋势，应用前景广阔。
[0067]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。