CN110838079A - 一种智慧城市防洪排水远程监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SWMM模型的智慧城市防汛方法，包括区域分配，信息录入及系统装备，设定模拟值及数据分析等四个步骤。本发明操作简便、通用性好，且自动化、模块化程度高；可全面对城市内涝情况进行整理、分析、模拟仿真，并根据仿真结果及时发现城市内涝易发点和制约城市洪水排水不畅的排水节点，从而达到科学合理的城市防汛策略和城市建设规划的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种智慧城市防洪排水远程监控系统及方法，属城市防汛监控 检测技术领域。
背景技术
目前，随着工业化、城市化发展，城市人口、建筑密度及城市规模飞速发 展，并严重超过了城市的自主排水能力，同时城市在建设中，也对城市地质结 构、土壤结构及河道结构造成了不同程度的改变和影响，同时加之城市极端天 气日益突出、暴雨频发，从而导致城市内涝受灾区域和危害不断扩大，并造成 了严重的人员、财产损失和环境污染，而针对这一问题，当前尚无可对城市内 涝情况进行全面监控、预判、仿真及提供科学整治方案的城市防汛方法，因此 城市内涝的治理和防护成为当前城市建设和管理的重要工作及亟待解决的问 题之一。
针对这一现状，迫切需要开发一种城市内涝监控防汛方法，以满足实际使 用的需要。
发明内容
本发明目的就在于克服上述不足，提供一种智慧城市防洪排水远程监控系 统及方法。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种智慧城市防洪排水远程监控系统，包括基于AI为基础的数据服务平 台、基础操控平台和现场采集终端，现场数据采集终端和基础操控平台均若干， 且各基础操控平台均与至少一个现场采集终端构成一个工作组，各工作组的基 础操控平台间相互连接并分别通过通讯网络与基于AI为基础的数据服务平台 连接。
进一步的，所述基础操控平台为工业计算机、个人计算机、智能移动通讯 终端中的任意一种或任意几种共用；所述现场采集终端包括雨量传感器、流量 传感器、液位传感器、压力传感器、水质传感器、监控摄像头中的任意一种或 几种共用。
一种智慧城市防洪排水远程监控系统，包括以下步骤：
第一步，区域分配，首先对城市功能区域分布结构、城市地表水、地下水、 供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分布位置及各城市功能区域土壤结构特 征数据进行采集，然后根据采集数据对待监控防汛城市进行监控区域划分，最 后根据划分的区域生成相应的电子地图；
第二步，信息录入及系统装备，完成第一步后，首先建立一个基于AI为 基础的数据服务平台，然后在基于AI为基础的数据服务平台中录入基于 SWMM模型的城市防汛分析系统，同时一方面将第一步生成的电子地图、采 集数据和当前待监控城市的地域地质结构分布图、城市区域地形图一同录入到 基于AI为基础的数据服务平台中，并由基于AI为基础的数据服务平台结合基 于SWMM模型的城市防汛分析系统对录入信息进行汇总，获得城市防汛综合 信息电子图板及防汛综合监控系统平台，最后经各现场采集终端分别布置在城市排水管路系统、河道监控系统、污水处理系统及城市低洼地域建筑物处，从 而对待监控城市整体防汛检测平台建设及监控作业；
第三步，设定模拟值，完成第二步后，首先根据第一步采集的城市功能区 域分布结构、城市地表水、地下水、供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分 布位置及各城市功能区域土壤结构特征数据，并结合待监控城市多年历史降水 及城市洪水监控数据，一方面由基于AI为基础的数据服务平台分别为各场采 集终端设定防汛检测预警水位数据标准，另一方面在基于SWMM模型的城市 防汛分析系统，分别设定待监控城市中模拟降水量、各区域峰值排水量、降水 持续时间及地质结构、土壤结构对雨水截留、渗流能力值，从而完成SWMM模型的城市防汛分析系统设定；
第四步，数据分析及监控，完成第三步后，一方面利用各现场基础操控平 台和现场采集终端对城市各采样位置信息进行采集，获得当前城市降水、排水 及城区积水进行全程检测，并根据检测结果由AI为基础的数据服务平台向相 应的现场基础操控平台发送防汛指挥信息，进行防汛调度作业；另一方面在保 持对城市监控同时，由基于AI为基础的数据服务平台中通过运行基于SWMM 模型的城市防汛分析系统首先对当前待监控城市发生城市洪水历史数据进行 分析，获得城市洪水发生、变化规律及城市各功能区域发生洪水概率；然后对 当前城市发生城市洪水的位置、概率和制约城市排水泄洪点进行模拟，从而最终生成城市水网防汛整改规划建议，指导城市防汛日常整改管理。
进一步的，所述第一步和第二步中，城市功能区域分布结构、城市地表水、 地下水、供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分布位置及各城市功能区域土 壤结构特征数据：
a、一方面根据城市集水面积资料，地理位置的几何特征，区域内的坡度、 糙率、地面入渗率，采用曼宁公式及马斯京根河道洪水演变过程求得坡面汇流 及河沟汇流数据；
b、据不滞流透水面积，城市管网分段直径，区域的降水量、城市的硬化 率、城市管网的分段直径、坡度、管网水深、长度、摩阻坡度等，采用圣维南 方程组求得城市管网汇流能力数据；
c、根据城市天然透水面积而产生的坡面汇流及河沟汇流：城市不滞流透 水面积及城市的硬化率产生的城市管网汇流及城市河网结构，采用马斯京根河 道洪水演变过程，得出城市综合排洪能力数据。
进一步的，所述第二步中，分别分布在城市排水窨井侧壁、河道堤坝侧壁、 排水泵、河道调节闸门及建筑物外侧面。
进一步的，所述第三步中，待监控城市多年历史降水及城市洪水监控数据 连续统计年份不少于5年。
本发明操作简便、通用性好，且自动化、模块化程度高；可全面对城市内 涝情况进行整理、分析、模拟仿真，并根据仿真结果及时发现城市内涝易发点 和制约城市洪水排水不畅的排水节点，从而达到科学合理的城市防汛策略和城 市建设规划的目的。
附图说明
图1为本发明系统构成结构示意图；
图2为本发明实施方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种智慧城市防洪排水远程监控系统，包括基于AI为基础 的数据服务平台1、基础操控平台2和现场采集终端3，现场数据采集终端3 和基础操控平台2均若干，且各基础操控平台2均与至少一个现场采集终端构 3成一个工作组，各工作组的基础操控平台2间相互连接并分别通过通讯网络 4与基于AI为基础的数据服务平台1连接。
进一步的，所述基础操控平台2为工业计算机、个人计算机、智能移动通 讯终端中的任意一种或任意几种共用；所述现场采集终端3包括雨量传感器、 流量传感器、液位传感器、压力传感器、水质传感器、监控摄像头中的任意一 种或几种共用。
如图2所示，一种智慧城市防洪排水远程监控系统，包括以下步骤：
第一步，区域分配，首先对城市功能区域分布结构、城市地表水、地下水、 供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分布位置及各城市功能区域土壤结构特 征数据进行采集，然后根据采集数据对待监控防汛城市进行监控区域划分，最 后根据划分的区域生成相应的电子地图；
第二步，信息录入及系统装备，完成第一步后，首先建立一个基于AI为 基础的数据服务平台，然后在基于AI为基础的数据服务平台中录入基于 SWMM模型的城市防汛分析系统，同时一方面将第一步生成的电子地图、采 集数据和当前待监控城市的地域地质结构分布图、城市区域地形图一同录入到 基于AI为基础的数据服务平台中，并由基于AI为基础的数据服务平台结合基 于SWMM模型的城市防汛分析系统对录入信息进行汇总，获得城市防汛综合 信息电子图板及防汛综合监控系统平台，最后经各现场采集终端分别布置在城市排水管路系统、河道监控系统、污水处理系统及城市低洼地域建筑物处，从 而对待监控城市整体防汛检测平台建设及监控作业；
第三步，设定模拟值，完成第二步后，首先根据第一步采集的城市功能区 域分布结构、城市地表水、地下水、供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分 布位置及各城市功能区域土壤结构特征数据，并结合待监控城市多年历史降水 及城市洪水监控数据，一方面由基于AI为基础的数据服务平台分别为各场采 集终端设定防汛检测预警水位数据标准，另一方面在基于SWMM模型的城市 防汛分析系统，分别设定待监控城市中模拟降水量、各区域峰值排水量、降水 持续时间及地质结构、土壤结构对雨水截留、渗流能力值，从而完成SWMM模型的城市防汛分析系统设定；
第四步，数据分析及监控，完成第三步后，一方面利用各现场基础操控平 台和现场采集终端对城市各采样位置信息进行采集，获得当前城市降水、排水 及城区积水进行全程检测，并根据检测结果由AI为基础的数据服务平台向相 应的现场基础操控平台发送防汛指挥信息，进行防汛调度作业；另一方面在保 持对城市监控同时，由基于AI为基础的数据服务平台中通过运行基于SWMM 模型的城市防汛分析系统首先对当前待监控城市发生城市洪水历史数据进行 分析，获得城市洪水发生、变化规律及城市各功能区域发生洪水概率；然后对 当前城市发生城市洪水的位置、概率和制约城市排水泄洪点进行模拟，从而最终生成城市水网防汛整改规划建议，指导城市防汛日常整改管理。
为了更好的对本发明所涉及的方法进行说明，下面以河南省南阳市为例对 本发明方法进行详细补充说明：
1、研究区概况
以南阳市地形为出发点，考虑降雨、截留和入渗、蒸散发、地下水等影响城 市降雨径流形成的因素，分析南阳市洪水的形成，对南阳市海绵城市的建设具 有一定的指导和参考价值。
SWMM模型
在SWMM模型中，一般将一个流域划分成若干子流域，根据子流域的特点， 分别计算其降雨径流过程，最后通过全流域各个子流域的降雨径流过程，计算 出流域合成的降雨径流过程。根据南阳市的城市统计部门提供：南阳市透水区 域面积占全市面积的25.6％，半透水(混合)区域面积占34.7％，完全不透水 面积占39.7％的建设特点，将其市区根据不同的下垫面因素，概划为不同的子 流域。
模块建立
1、坡面汇流及河沟汇流。根据城市集水面积资料，地理位置的几何特征， 区域内的坡度、糙率、地面入渗率，采用曼宁公式及马斯京根河道洪水演变过 程而求得。
2、城市管网汇流。根据不滞流透水面积，城市管网分段直径，区域的降 水量，采用圣维南方程组求得，主要考虑城市的硬化率、城市管网的分段直径、 坡度、管网水深、长度、摩阻坡度等。
3、城市综合排洪。综合考虑城市天然透水面积而产生的坡面汇流及河沟 汇流：城市不滞流透水面积及城市的硬化率产生的城市管网汇流，根据城市河 网结构，采用马斯京根河道洪水演变过程，综合考虑得出城市综合排洪。
本研究区域的SWMM模型的建立，从而分析区域的SWMM模型降雨径流包括 坡面汇流、河沟汇流、城市管网汇流最后形成综合城市排洪过程。
模块建立参数分析
1)、排放口出流实测
近20年南阳城区共发生10次大洪水，发生城市内涝10多次，主要有2000 年、2009年、2010年三次大洪水较为典型，以2000年大水为例。
(1)降水量：2000年7月4日南阳市突降大到暴雨，平均雨量268.1mm， 最大点雨量为医圣祠遥测站315.3mm，最大2小时115.9mm，最大6小时181.0mm。
(2)径流量：经资料综合分析，确定前期土壤含水量为40mm，历年实测 北部涌河最大流量420立方米每秒，中心城区的梅溪河最大流量580立方米每 秒，温凉河最大流量380立方米每秒，下游水文站测得最大流量3240立方米 每秒。
(3)洪水分析：以2000年“704”洪水为例进行分析，此次雨洪具有雨 量大、强度大的特点。从7月3日2时开始降雨到20时，2小时最大降水33.2 毫米，除中心城区有少许积水外，其余无积水现象；20时至22时，整个南阳 市降下大暴雨，最大11.5.9mm，中心城区大面积积水，23时沟满河平，南阳 水文巡测队在南阳城
区各条河流进行检测，测得第一手资料。通过分析，2小时30毫米降雨， 不会造成城市内涝，中心城区的河道洪峰比周边河道洪峰提前30分钟到达， 城市不滞流面积越大，越容易造成城市内涝。
(4)洪水灾情：在南阳城区西北部为天然透水面积和滞流透水面积各占一 半，虽然降雨量较大，降雨强度大，由于按照海绵城市建设要求，采用小区区 域内铺设透水砖和采用下凹式绿地这两种措施下，城市管网直径较大，积水不 严重；中心城区积水非常严重，南阳商场附近积水深度达1.5米左右，平均积 水深度达1.0米左右，控制面积为36.4Km2，造成严重城市壤浴。
模拟值进行率定
根据洪水分析，城市排水管网的变化对其控制区域内的产流量、下渗量以 及洪峰流量有着较大影响。利用水文分析模块率定SWMM(雨洪管理模型)模型 参数，在研究区域上建立起不同分区特点和管网条件的SWMM工程，即滞流透 水面积和滞流不透水面积的划分。南阳市降水量P为38％的24h降雨过程为降 雨输入，进行模拟分析。结果表明，受管网增加影响的子汇水区域下渗量有所 减少，径流量有所增加，洪峰流量增大，且洪峰出现时间提前。
率定参数分析
本文针对城市暴雨径流产流汇流的机理和过程，结合南阳市当地的气象气 候及地理条件，对暴雨径流调节的几种方式进行了比对研究，运用城市暴雨雨 水管理模型(SWMM)，结果表明，85年以后，随着南阳城区的快速发展，区域 雨水汇集时间提前30分钟以上，洪峰流量增大35％左右，并对雨水收集储存 池的建设规模和经济效益进行了优化，为今后类似工程计算提供参考。
模拟值进行率定，综合考虑城市发展对雨洪的综合影响，以前期降雨的损 失量来考虑，城市雨洪的变化过程，是综合因素无量纲的变化，模拟出雨洪的 变化过程，用试算方法进行推求，率定参数代表性不好。
结果分析
通过以上两种方法分析结果，采用城市暴雨雨水管理模型(SWMM)，分析 随着城市发展，雨洪的变化规律，区域雨水汇集时间提前30分钟以上，洪峰 流量增大35％左右。
建立产流模型，对南阳市不同降雨频率不同硬化绿化比例面积，分析计算 了铺设透水砖、下凹式绿地、建立人工蓄水池关于拦蓄雨水径流、补充地下水、 滞后汇流的影响，得出铺设透水砖、下凹式绿地、建立人工蓄水池能有效的拦 蓄雨水径流和补充地下水，并使降雨汇流明显滞后。
针对雨水的可调节利用，建立区域性雨水利用系统，分析研究雨水调蓄池 在局部区域的应用。根据多年的降雨资料的统计给出南阳市为代表性的城市雨 水储存池合理的规模和设计雨量值，并考虑良性水循环和径流排放量。
本发明操作简便、通用性好，且自动化、模块化程度高；可全面对城市内 涝情况进行整理、分析、模拟仿真，并根据仿真结果及时发现城市内涝易发点 和制约城市洪水排水不畅的排水节点，从而达到科学合理的城市防汛策略和城 市建设规划的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明 还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本 发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种智慧城市防洪排水远程监控系统，其特征在于：所述智慧城市防洪排水远程监控系统包括基于AI为基础的数据服务平台、基础操控平台和现场采集终端，所述现场数据采集终端和基础操控平台均若干，且各基础操控平台均与至少一个现场采集终端构成一个工作组，各工作组的基础操控平台间相互连接并分别通过通讯网络与基于AI为基础的数据服务平台连接。
2.根据权利要求1所述的一种智慧城市防洪排水远程监控系统，其特征在于：所述基础操控平台为工业计算机、个人计算机、智能移动通讯终端中的任意一种或任意几种共用；所述现场采集终端包括雨量传感器、流量传感器、液位传感器、压力传感器、水质传感器、监控摄像头中的任意一种或几种共用。
3.一种智慧城市防洪排水远程监控系统，其特征在于：所述智慧城市防洪排水远程监控系统包括以下步骤：
第一步，区域分配，首先对城市功能区域分布结构、城市地表水、地下水、供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分布位置及各城市功能区域土壤结构特征数据进行采集，然后根据采集数据对待监控防汛城市进行监控区域划分，最后根据划分的区域生成相应的电子地图；
第二步，信息录入及系统装备，完成第一步后，首先建立一个基于AI为基础的数据服务平台，然后在基于AI为基础的数据服务平台中录入基于SWMM模型的城市防汛分析系统，同时一方面将第一步生成的电子地图、采集数据和当前待监控城市的地域地质结构分布图、城市区域地形图一同录入到基于AI为基础的数据服务平台中，并由基于AI为基础的数据服务平台结合基于SWMM模型的城市防汛分析系统对录入信息进行汇总，获得城市防汛综合信息电子图板及防汛综合监控系统平台，最后经各现场采集终端分别布置在城市排水管路系统、河道监控系统、污水处理系统及城市低洼地域建筑物处，从而对待监控城市整体防汛检测平台建设及监控作业；
第三步，设定模拟值，完成第二步后，首先根据第一步采集的城市功能区域分布结构、城市地表水、地下水、供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分布位置及各城市功能区域土壤结构特征数据，并结合待监控城市多年历史降水及城市洪水监控数据，一方面由基于AI为基础的数据服务平台分别为各场采集终端设定防汛检测预警水位数据标准，另一方面在基于SWMM模型的城市防汛分析系统，分别设定待监控城市中模拟降水量、各区域峰值排水量、降水持续时间及地质结构、土壤结构对雨水截留、渗流能力值，从而完成SWMM模型的城市防汛分析系统设定；
第四步，数据分析及监控，完成第三步后，一方面利用各现场基础操控平台和现场采集终端对城市各采样位置信息进行采集，获得当前城市降水、排水及城区积水进行全程检测，并根据检测结果由AI为基础的数据服务平台向相应的现场基础操控平台发送防汛指挥信息，进行防汛调度作业；另一方面在保持对城市监控同时，由基于AI为基础的数据服务平台中通过运行基于SWMM模型的城市防汛分析系统首先对当前待监控城市发生城市洪水历史数据进行分析，获得城市洪水发生、变化规律及城市各功能区域发生洪水概率；然后对当前城市发生城市洪水的位置、概率和制约城市排水泄洪点进行模拟，从而最终生成城市水网防汛整改规划建议，指导城市防汛日常整改管理。
4.根据权利要求3所述的一种智慧城市防洪排水远程监控系统，其特征在于：所述第一步和第二步中，城市功能区域分布结构、城市地表水、地下水、供排水管路、泄洪系统、污水处理系统分布位置及各城市功能区域土壤结构特征数据：
a、一方面根据城市集水面积资料，地理位置的几何特征，区域内的坡度、糙率、地面入渗率，采用曼宁公式及马斯京根河道洪水演变过程求得坡面汇流及河沟汇流数据；
b、据不滞流透水面积，城市管网分段直径，区域的降水量、城市的硬化率、城市管网的分段直径、坡度、管网水深、长度、摩阻坡度等，采用圣维南方程组求得城市管网汇流能力数据；
c、根据城市天然透水面积而产生的坡面汇流及河沟汇流：城市不滞流透水面积及城市的硬化率产生的城市管网汇流及城市河网结构，采用马斯京根河道洪水演变过程，得出城市综合排洪能力数据。
5.根据权利要求3所述的一种智慧城市防洪排水远程监控系统，其特征在于：所述第二步中，分别分布在城市排水窨井侧壁、河道堤坝侧壁、排水泵、河道调节闸门及建筑物外侧面。
6.根据权利要求3所述的一种基于SWMM模型的智慧城市防汛方法，其特征在于：所述第三步中，待监控城市多年历史降水及城市洪水监控数据连续统计年份不少于5年。
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