CN104596736B - 一种降雨积水模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市降雨积水模拟领域，尤其不同区域的降雨积水模拟系统及方法。该模拟系统包括蓄水装置、控制器、喷洒装置以及实验台；所述蓄水装置与所述喷洒装置相连，并为所述喷洒装置供水；所述喷洒装置向置于所述喷洒装置下方的所述实验台喷洒水，用以模拟所述系统的降雨过程；所述实验台划分为设有仿土壤区域、仿路面区域以及高于仿土壤区域、所述仿路面区域的仿建筑区域；所述仿路面区域设有用以检测所述喷洒装置喷洒过程中的积水液位的第一液位传感器；所述控制器控制所述蓄水装置蓄水开始/结束及控制所述喷洒装置喷洒开始/结束。本发明提供的模拟系统模拟不同参数、地表、地下管网的降雨积水。

Description

一种降雨积水模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及城市降雨积水模拟技术领域，尤其涉及基于城市不同场景区域的降雨积水模拟系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国城市化进程的迅猛发展，城市地区由于人口密集，物资和财产密度不断加大等特点，高强度降雨积水形成的洪涝灾害对城市化地区产生的威胁和带来的损失愈来愈大。灾害一旦发生，不仅给人们的日常生活带来不便，破坏城市的整体建设形象，严重的话还可能危及人们的财产及安全。通过对降雨积水的分析，可以找出防汛工作中的薄弱点，做好预防及改进工作，能够及时可靠地制定城市排涝减灾对策。

城市降雨积水，是指降雨下落城市区域形成径流后由于地势低洼、排水不及时等原因造成的一定径流深度地面积水。由于城市不同于平原、山川的单一地形，城市降雨积水的分析更为复杂，也更与大众的日常生活密切相关。

现有的降雨积水分析方法主要是通过软件模型进行评价,国内国外的建模软件主要有DHI公司的的MOUSE和MIKE URBAN；美国Bentley(奔特力)公司的SewerGEMS；美国EPA的SWMM；英国Wallingford公司的InfoWorks CS；国内：岑国平等建立了雨水管道计算和设计模型SSCM；周玉文建立了排水管网非恒定流模拟模型CSPSM；清华大学规划院开发的数字排水软件DigitalWater。但是软件建模方式进行分析时，土壤渗透率、管道流量参数、管道沉积物对流速的影响等参数不能直接测量产生，而是作为常数输入，评价结果会因常数评估误差而受影响导致评估不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种分区域地形、操作简单、实现容易的模拟城市降雨积水的室内模拟系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种降雨积水模拟系统。该模拟系统包括：

蓄水装置、控制器、喷洒装置以及实验台；

所述蓄水装置与所述喷洒装置相连，并为所述喷洒装置供水；

所述喷洒装置向置于所述喷洒装置下方的所述实验台喷洒水，用以模拟所述系统的降雨过程；

所述实验台划分为设有仿土壤区域、仿路面区域以及高于仿土壤区域、所述仿路面区域的仿建筑区域；所述仿路面区域设有用以检测所述喷洒装置喷洒过程中的积水液位的第一液位传感器；

所述控制器控制所述蓄水装置蓄水开始/结束及控制所述喷洒装置喷洒开始/结束。

优选地，还包括：雨量筒，用以测量所述喷洒装置喷洒过程中的喷洒量。

优选地，所述仿路面区域上设有排水口，所述排水口上设有水篦子，所述排水口下与不同直径的排水管道相连，用以控制排水速度。

优选地，还包括：与所述控制器连接的定时器，用于向控制器提供预先设定所述喷洒装置喷洒的时间。

优选地，所述蓄水装置包括：水箱，安装在所述水箱上的第二液位传感器和与所述水箱连接的水泵；

所述蓄水装置还包括控制水箱进水口的开关装置。

优选地，所述开关装置包括：总阀、电动阀、手动阀以及浮球阀；

所述总阀的出水口与所述电动阀的进水口连接，用以电动控制所述水箱的上水；

所述手动阀与所述电动阀并联，用以手动控制所述水箱的上水；

所述浮球阀设于所述水箱的进水口处，用以在所述水箱蓄满水时停止上水。

优选地，所述喷洒装置与所述水泵通过上水管路相连，包括：

分水器、过滤器、降水管路、降雨阀以及喷头组件；

所述分水器一端与所述上水管路相连，另一端与多路所述降水管路相连；

每个所述降水管路上设有所述过滤器、多个所述降雨阀以及与所述多个降雨阀对应的所述喷头组件；所述过滤器用以滤除进入所述喷头组件的杂质；所述降雨阀接收所述控制器的所述第二控制信号，用以控制喷头组件进行喷洒的开始及结束。

优选地，所述喷头组件包括多个喷头，形成所述实验台喷洒的全面覆盖；每个所述喷头由对应的所述降雨阀控制。

优选地，所述上水管路上设有远传压力表，用以测量所述喷洒装置上水压力。

本发明还提供了一种降雨积水模拟方法，采用所述的降雨积水模拟系统模拟城市降雨积水。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的降雨积水模拟系统及方法能够模拟城市地区不同地形区域即绿化区、路面及建筑区地面，在不同参数、不同地下排水管线分布影响下的积水情况。通过改变模拟过程中对各管道压力、降雨量、降雨强度以及排水流量等参数，并根据各参数改变对本模拟系统过程中积水深度的影响，可以为城市制定防汛减灾对策和措置，指导日常防汛工作提供依据。

附图说明

图1是本发明实施例提供的降雨积水模拟系统的结构示意图。

图中：1：总阀；2：手动阀；3：常闭电动阀；4：浮球阀；5：水箱；6：水泵；7：第二液位传感器；8：排水阀；9：远传压力表；10：上水管路；11：分水器；12：过滤器；13：降水管路；14：降雨阀及喷头；15：第一液位传感器；16：排水口；17：排水管道出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明实施例提供的降雨积水模拟系统的结构示意图。

该模拟系统包括：蓄水装置、控制器、喷洒装置以及实验台；蓄水装置与喷洒装置相连，并为喷洒装置供水；喷洒装置向置于喷洒装置下方的实验台喷洒水，用以模拟系统的降雨过程；实验台划分为设有仿土壤区域、仿路面区域以及高于仿土壤区域、仿路面区域的仿建筑区域；仿路面区域设有用以检测喷洒装置喷洒过程中的积水液位的第一液位传感器；控制器控制蓄水装置蓄水开始/结束及控制喷洒装置喷洒开始/结束。

其中，仿土壤区域表面由土壤填起并种植草皮，用来模拟城市环境中的绿化区域降水积水情况。仿路面区域表面设置的是防水渗透的材料，用来模拟城市环境中的硬化路面区域降水积水情况。仿建筑区域表面与仿路面区域表面相同设置的是防水渗透材料，用来模拟城市环境中的建筑区域；并且仿建筑区域在实验台上高于仿土壤区域及仿路面区域，这样的设计考虑是由于现实城市环境中建筑区明显高于路面，建筑区的降水最终同样流向地势较低的硬化路面区域。同时，仿路面区域及仿建筑区域的高度支撑为可调节的设计，可以根据模拟实验实际需要调节几个区域之间的落差高度以及仿路面区域坡度，满足坡度路面汇流面积与排水情况的相关实验。测量积水量时仿土壤区域的积水直接渗透通过实验台内部的总排水管道出口流出，仿建筑区域的积水流入仿路面区域，因此只测量仿路面区域的积水量就是系统的积水量。通过仿路面区域第一液位传感器15的液位测量系统实时的积水量，再改变系统中其他参量即可得到积水量与各参量之间的变化关系，进而为现实城市降雨积水过程中提供一定的可考参量。

进一步地，本发明实施例提供的模拟系统还包括：位于实验台上的雨量筒18，用以测量喷洒装置喷洒过程中的喷洒量，即测量系统整个模拟过程中总的降雨量。

进一步地，仿路面区域上设有排水口16，排水口16上设有水篦子，排水口16下与不同直径的排水管道相连，用以控制排水速度。其中，水篦子的开口面积可调，间接的对排水速度产生一定的影响，开口越大通过排水口16的流速越大，开口越小则相反。同时排水口16下部通过排水管道与实验台内部总排水管道出口相连，通过改变排水管道的管径大小来控制排水的流速，进而模拟地下管道分布情况对积水量的影响。

进一步地，本发明实施例提供的模拟系统还包括：与控制器连接的定时器，用以预先设定喷洒装置喷洒的时间及整个模拟过程的总时长，整个模拟过程的总雨量与总时长的比值为整个模拟过程的平均降雨强度。

进一步地，本发明实施例提供的蓄水装置包括：水箱5，安装在水箱5上的第二液位传感器7，与水箱5连接的水泵6以及控制水箱5进水口进水的开关装置；开关装置包括：总阀1、常闭电动阀3、手动阀2以及浮球阀4。其中，总阀1的出水口与常闭电动阀3的进水口连接，用以电动控制水箱5的上水；手动阀2与常闭电动阀3并联，用以在常闭电动阀3失灵或需要手动上水时手动控制水箱5的上水；第二液位传感器7置于水箱5中，用以在蓄水以及喷洒过程中实时检测水箱5液位；浮球阀4设于水箱5的进水口处，用以根据第二液位传感器7检测的液位控制水箱5蓄满水时停止上水；水泵6一端与水箱5相连，另一端与喷洒装置相连；用以提供喷洒装置上水的驱动力，在喷洒水时从水箱5中抽水。进一步地，本发明实施例提供的蓄水装置还包括设于水箱5底部的排水阀8，用以在模拟实验结束后将水箱5内水排出。

进一步地，喷洒装置与水泵通过上水管路10相连，包括：分水器11、过滤器12、降水管路13、降雨阀以及喷头组件；分水器11一端与上水管路10相连，另一端与多路降水管路10相连，分水器11将从水箱5中抽的水分配到每条降水管路13中；每条降水管路13上起始处设有过滤器12、多个降雨阀以及与多个降雨阀对应的喷头组件；过滤器12用以滤除上水中的杂质避免进入喷头组件中造成喷头的堵塞；降雨阀接收控制器的第二控制信号，用以控制喷头组件进行喷洒的开始及结束。

其中，每个喷头组件包括多个喷头以及对应控制每个喷头的多个降雨阀。本发明实施例中的每个喷头组件由三个规格的喷头组成，其中，三种喷头规格分别为1/8BBG SS1、1/8BBG SS3.5、1/4BBG SS10。规格1/8BBG SS1中1/8为接口规格1/8英寸，BBG为分体式实心锥，SS为材料不锈钢，1为流量1升/分钟；规格1/8BBG SS3.5中1/8为接口规格1/8英寸，BBG为分体式实心锥，SS为材料不锈钢，3.5为流量3.5升/分钟；规格1/4BBG SS10中1/4为接口规格1/4英寸，BBG为分体式实心锥，SS为材料不锈钢，10为流量10升/分钟。喷洒过程中每个降雨阀及喷头14对实验台进行喷洒水，对实验台喷洒形成全面覆盖，同时降雨阀控制对应的每个喷头喷洒的开始/结束。

进一步地，上水管路10上设有远传压力表9，用以测量喷洒装置上水压力即实时可以测量上水时的管道压力，进而可以得知最终积水量与管道压力之间的关系变化。

本发明还提供了一种降雨积水模拟方法，采用的降雨积水模拟系统模拟城市降雨积水。进行降雨积水模拟实验打开控制器、计时器以及雨量筒18的电源。先对水箱5进行蓄水，打开总阀1、手动阀2、常闭电动阀3以及浮球阀4，根据第二液位传感器7实时检测的水箱5的液面进行水箱5的自动蓄水；喷洒装置通过水泵6将水箱5内水上水至上水管路10中，进一步地上水管路10的水通过分水器11分配到各个降水管路13中；降水管路中的每个降水阀及喷头通过控制器的控制对实验台进行喷洒水，模拟三个不同地表区域的降水；通过改变上水管道10上远传压力表9的大小、仿路面区域排水管道管径的大小、模拟过程中雨量筒18测量的降雨量的大小、仿路面区域上排水口水篦子开口面积的大小以及仿路面区域与其他区域高度落差的大小等，与最终通过仿路面区域上第一液位传感器15测量的积水量之间的关系来模拟实际城市中管道压力、地下管线分布情况、降雨强度(降雨量与定时器测量的降雨时间的比值)、路面水篦子开口面积以及路面与建筑高度落差等与路面积水量之间的关系；模拟实验结束时，打开排水阀8排除水箱5中的剩余的水，并关闭电源。

需要说明的是，本文中所使用的“左”、“右”、“上”、“下”等方位词是以图中所示的构件相对位置为基准定义的，显然，上述方位词的应用仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

综上所述，本发明提供的降雨积水模拟系统及方法能够模拟城市地区不同地形区域即绿化区、路面及建筑区地面，在不同参数、不同地下排水管线分布影响下的积水情况。通过改变模拟过程中对各管道压力、降雨量、降雨强度以及排水流量等参数，并根据各参数改变对本模拟系统过程中积水深度的影响，可以为城市制定防汛减灾对策和措置，指导日常防汛工作提供依据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种降雨积水模拟系统，其特征在于，包括：

蓄水装置、控制器、喷洒装置以及实验台；

所述蓄水装置与所述喷洒装置相连，并为所述喷洒装置供水；

所述喷洒装置向置于所述喷洒装置下方的所述实验台喷洒水，用以模拟所述系统的降雨过程；

所述实验台划分为设有仿土壤区域、仿路面区域以及高于仿土壤区域、所述仿路面区域的仿建筑区域；所述仿路面区域设有用以检测所述喷洒装置喷洒过程中的积水液位的第一液位传感器；

所述控制器控制所述蓄水装置蓄水开始/结束及控制所述喷洒装置喷洒开始/结束。

2.根据权利要求1所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，还包括：雨量筒，用以测量所述喷洒装置喷洒过程中的喷洒量。

3.根据权利要求1所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，所述仿路面区域上设有排水口，所述排水口上设有水篦子，所述排水口下与不同直径的排水管道相连，用以控制排水速度。

4.根据权利要求1所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，还包括：与所述控制器连接的定时器，用于向控制器提供预先设定所述喷洒装置喷洒的时间。

5.根据权利要求1-4任一项所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，所述蓄水装置包括：水箱，安装在所述水箱上的第二液位传感器和与所述水箱连接的水泵；

所述蓄水装置还包括控制水箱进水口的开关装置。

6.根据权利要求5所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，所述开关装置包括：总阀、电动阀、手动阀以及浮球阀；

所述总阀的出水口与所述电动阀的进水口连接，用以电动控制所述水箱的上水

所述手动阀与所述电动阀并联，用以手动控制所述水箱的上水；

所述浮球阀设于所述水箱的进水口处，用以在所述水箱蓄满水时停止上水。

7.根据权利要求1-4任一项所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，所述喷洒装置与所述水泵通过上水管路相连，包括：

分水器、过滤器、降水管路、降雨阀以及喷头组件；

所述分水器一端与所述上水管路相连，另一端与多路所述降水管路相连；

每个所述降水管路上设有所述过滤器、多个所述降雨阀以及与所述多个降雨阀对应的所述喷头组件；所述过滤器用以滤除进入所述喷头组件的杂质；所述降雨阀接收所述控制器的第二控制信号，用以控制喷头组件进行喷洒的开始及结束。

8.根据权利要求7所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，所述喷头组件包括多个喷头，形成所述实验台喷洒的全面覆盖；每个所述喷头由对应的所述降雨阀控制。

9.根据权利要求7所述的降雨积水模拟系统，其特征在于，所述上水管路上设有远传压力表，用以测量所述喷洒装置上水压力。

10.一种降雨积水模拟方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的降雨积水模拟系统模拟城市降雨积水。