CN110990659A - 一种基于三维实景的城市内涝管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维实景的城市内涝管理方法，包括：采集基础数据，并根据基础数据构建城市内涝模型，其中，城市内涝模型包括下水井、地下排水管、主水管、内河涌、外河涌、顶托、水阀、泵站、沉沙箱及传感器，下水井与地下排水管连通，地下排水管与主水管连通，地下排水管与内河涌之间通过顶托连通，内河涌与水库之间通过水阀连通，泵站设于外河涌上，沉沙箱设于地下排水管上，传感器设于沉沙箱的沙网及地下排水管中三通管及二通管的连接处；提取测试数据，并根据测试数据优化城市内涝模型。采用本发明，可通过构建城市内涝模型，客观、真实地反映城市管道情况，并结合测试数据不断优化城市内涝模型，从而保证城市内涝的提前规划和预测。

Description

一种基于三维实景的城市内涝管理方法

技术领域

本发明涉及一种淹没模拟分析技术领域，尤其涉及一种基于三维实景的城市内涝管理方法。

背景技术

在中国，内涝是个城市病，特大城市更是常见。住房和城乡建设部2010年的调查显示，在351个城市中，有213个发生过积水内涝，占总数的62％；内涝灾害一年超过3次以上的城市就有137个，甚至还有57个城市的最大积水时间超过12小时。因此，城市内涝问题已经影响了城市的发展，给人民的工作生活带来了严重不便。

城市内涝监测管理除了基础设施建设外，还需要配合科学的分析手段，利用大数据、物联网、人工智能、三维空间技术等先进科技来实现智慧化管理。目前，城市内涝问题已应用了较多的新技术、新设备和信息管理系统，给科学管理带来很大便利，但在城市内涝应用中，还缺乏专业的管理系统，科学系统的多部门协同调度，利用三维空间技术和AI智能分析来监测管理尚属初步阶段。

关于城市内涝监测管理，目前存在的主要问题有：

1、下水道分布和构建是否合理，如何确定下水道的数量；

2、主水管的流量可以达到的峰值是多少；

3、内河涌与外河涌的闸门之间水位高度差是多少；

4、降雨量、经处理的居民用水对内河涌、外河涌以及对内涝监测站点排水量的影响如何；

5、外河涌与内河涌在哪个水位点时候，降雨量预测在多少的时候，需要启动泵站进行预先排水工作；

6、如何科学的监测站点分布、内涝监测站点设置，准确细致监测内涝情况，提高内涝监测预警能力；

7、目前内涝监测采用传统的传感器，缺乏智能AI分析平台，智能化程度不够；

8、内涝信息公众发布渠道不足：户外信息发布大屏数量不足，导致内涝实测信息的公众发布渠道较少，公众获知信息困难；

9、二维地图呈现不直观：传统的二维地图展现方式不够直观，无法从多角度对各个区域进行细致查看；

10、缺少地下管线布线的地势分析，下水道排水实际统计数据；

11、缺少精细化站点管理手段：监测站点管理缺乏科学的精细化管理；

12、淹没情况无法仿真模拟：原有淹没展示情况是通过颜色深浅来反映，而且只能大面积粗线条展现，无法细化到街道具体情况，也无法仿真还原淹没现场；

13、无法局部分析淹没情况：淹没分析无法细化，无法具体到某一段道路或低洼点；

14、缺少智能化预警手段：缺少多方位的分析预警模型，无法通过数据分析研判进行预警；

15、缺少联动监测手段：监测方式独立分散，缺乏联动监测手段；

16、缺乏后续分析报告：缺乏专业的后续分析报告，难以分析未来走势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于三维实景的城市内涝管理方法，可通过构建城市内涝模型，客观、真实地反映城市管道情况。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于三维实景的城市内涝管理方法，包括：采集基础数据，并根据所述基础数据构建城市内涝模型，其中，所述城市内涝模型包括下水井、地下排水管、主水管、内河涌、外河涌、顶托、水阀、泵站、沉沙箱及传感器，所述下水井与地下排水管连通，所述地下排水管与主水管连通，所述地下排水管与内河涌之间通过顶托连通，所述内河涌与水库之间通过水阀连通，所述泵站设于外河涌上，所述沉沙箱设于地下排水管上，所述传感器设于沉沙箱的沙网及所述地下排水管中三通管及二通管的连接处；提取测试数据，并根据所述测试数据优化所述城市内涝模型。

作为上述方案的改进，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤包括：计算所述下水井的流量；计算与所述下水井连通的地下排水管的流量；判断所述下水井的流量与所述地下排水管的流量是否匹配，判断为否时，根据实际情况增加下水井的数量或增加地下排水管的数量。

作为上述方案的改进，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：计算与所述地下排水管连通的主水管的流量；判断所述地下排水管的流量与所述主水管的流量是否匹配，判断为否时，根据实际情况增加主水管的数量。

作为上述方案的改进，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：计算与所述主水管连通的内河涌的流量；判断所述内河涌的流量与所述主水管的流量是否匹配，判断为否时，对所述内河涌进行加宽、加高或清淤泥处理。

作为上述方案的改进，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：计算与所述内河涌连通的外河涌的流量；判断所述外河涌的流量与所述内河涌历史最高流速是否匹配，判断为否时，根据实际情况添加泵站。

作为上述方案的改进，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：根据居民用水经污水处理后的水流量优化内河涌及外河涌。

作为上述方案的改进，所述基于三维实景的城市内涝管理方法还包括：在所述城市内涝模型中设定降雨量，模拟分析动态演示实际效果。

作为上述方案的改进，所述基于三维实景的城市内涝管理方法还包括：在所述城市内涝模型中设定故障点，模拟分析动态演示实际效果。

作为上述方案的改进，所述基于三维实景的城市内涝管理方法还包括：通过传感器进行实时预警。

作为上述方案的改进，所述城市内涝模型还包括水库，所述外河涌连通水库并通过水库进行河流断面积的调整。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明基于三维实景的城市内涝管理方法可通过构建城市内涝模型，客观、真实地反映城市管道情况。

同时，本发明还结合测试数据不断优化城市内涝模型，从而保证城市内涝的提前规划和预测，及时进行拦蓄洪峰，容调蓄洪工作。

另外，本发明还引入传感技术，将传感器与地图进行结合，远程实时采集数据，进行监测和控制。

附图说明

图1是本发明基于三维实景的城市内涝管理方法的第一实施例流程图；

图2是本发明基于三维实景的城市内涝管理方法中城市内涝模型的结构示意图；

图3是本发明基于三维实景的城市内涝管理方法的第二实施例流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，图1显示了本发明基于三维实景的城市内涝管理方法的第一实施例流程图，其包括：

S101，采集基础数据，并根据所述基础数据构建城市内涝模型。

所述基础数据包括基础部件(如，下水井、地下排水管、主水管、内河涌、外河涌、顶托、水阀、泵站、沉沙箱及传感器)的数量及设置位置。因此，根据所述基础数据可有效构建城市内涝模型，以反映现有的城市管道状况。

如图2所示，一般情况下，所述城市内涝模型包括下水井、地下排水管、主水管、内河涌、外河涌、顶托、水阀、泵站、沉沙箱及传感器。所述下水井与地下排水管连通，所述地下排水管与主水管连通，所述地下排水管与内河涌之间通过顶托连通，所述内河涌与水库之间通过水阀连通，所述泵站设于外河涌上，所述沉沙箱设于地下排水管上，所述传感器设于沉沙箱的沙网及所述地下排水管中三通管及二通管的连接处。

进一步，所述城市内涝模型还包括水库，所述外河涌连通水库并通过水库进行河流断面积的调整，从而实现外河涌蓄水和排水的能力调整。

S102，提取测试数据，并根据所述测试数据优化所述城市内涝模型。

具体地，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤包括：

(1)计算所述下水井的流量；

需要说明的是，在已知下水井的流速V、管道内径D、工况压力P、工况压力P₀、工况温度t的情况下，即可计算下水井的流量Q₀，具体的计算方式如下表所示：

(2)计算与所述下水井连通的地下排水管的流量；

同理，可采用上述下水井流量的计算方式计算地下排水管的流量。即，在已知地下排水管的流速V、管道内径D、工况压力P、工况压力P₀、工况温度t的情况下，即可计算下水井的流量Q₀。

(3)判断所述下水井的流量与所述地下排水管的流量是否匹配，判断为否时，根据实际情况增加下水井的数量或增加地下排水管的数量。

需要说明的是，下水井的数量需要跟地下排水管的最大排水量进行匹配，根据每个下水井采集的单位时间的最大范围的降雨量相加的最大峰值不能超过单位时间地下排水管的最大排水量*1.2。当暴雨的时候，因为单位面积的降雨量变大，下水井的水量超过了地下排水管的最大排水量，就会造成地下排水管排水能力不够，从而导致地面积水和涨水。在下水井的数量超过地下排水管的能力时，就需要添加地下排水管的数量，不能单单只是添加下水井。

例如，当发现下水井的流量明显小于下排水管的流量时，可增加下水井的数量；又如，当发现下水井的流量明显大于下排水管的流量时，可增加地下排水管的数量，从而实现城市内涝模型的优化。

进一步，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：

(4)计算与所述地下排水管连通的主水管的流量；

需要说明的是，主水管的管道内径D可以根据下水井的流速V、工况压力P、标况流量Q₀、工况压力P₀、工况温度t进行计算，具体的计算方式如下表所示：

然后，可采用上述下水井流量的计算方式计算主水管的流量。即，在已知主水管的流速V、管道内径D、工况压力P、工况压力P₀、工况温度t的情况下，即可计算主水管的流量Q₀。

(5)判断所述地下排水管的流量与所述主水管的流量是否匹配，判断为否时，根据实际情况增加主水管的数量。

需要说明的是，可通过对主水管最大排流量的计算，从而确定地下排水管的最大可排水量，在主水管和地下排水管流速相等的情况下，可以按照公式：地下排水管的数量×地下排水管的截面面积＝主水管的数量×主水管的截面面积。在地下排水管的数量×地下排水管的截面面积远大于主水管的数量×主水管的截面面积的时候，规划时就需要增加主水管的数量。

例如，当发现地下排水管的流量明显大于主水管的流量时，可增加主水管的数量，从而实现城市内涝模型的优化。

进一步，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：

(6)计算与所述主水管连通的内河涌的流量；

需要说明的是，内河涌的流量计算公式为：Q＝Aν，其中，Q为流量，A为断面面积，ν为流速。计算时，先计算枯水期的河流断面，然后计算高度差矩形面的断面面积，最后计算洪水期流量Q＝Av。

(7)判断所述内河涌的流量与所述主水管的流量是否匹配，判断为否时，对所述内河涌进行加宽、加高或清淤泥处理。

需要说明的是，内河涌和主水管水位差会影响到主水管的排水量，内河涌的水位过高会导致主水管根本无法进行排水，这个时候不仅仅是涉及到城市内涝系统的管理部门，也涉及到数字水文系统，需要对应其他管理部门进行提醒，快速降低内河涌的水位。

例如，当发现主水管的流量明显大于内河涌的流量时，可对所述内河涌进行加宽、加高或清淤泥处理，从而实现城市内涝模型的优化。

进一步，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：

(8)计算与所述内河涌连通的外河涌的流量；

同理，可采用上述内河涌流量的计算方式计算外河涌的流量。即，Q＝Aν，其中，Q为流量，A为断面面积，ν为流速。

(9)判断所述外河涌的流量与所述内河涌历史最高流速是否匹配，判断为否时，根据实际情况添加泵站。

需要说明的是，外河涌和内河涌水位差会直接影响到内河涌排水处理能力，当外河涌对应的水位差比较小的时候，就需要对应内河涌增加河道的宽度和高度，会对内河涌进行淤泥和排污处理，从而提高内河涌的排水处理能力。

当外河涌的流量不满足内河涌历史最高流速时，可以通过计算流速的方法确定需要添加多少个泵站才可以满足最高流速的要求，(即根据标况流量Q₀、工况压力P₀、管道内径D、工况压力P、工况温度t，计算流速V)，具体的计算方式如下表所示：

名称	单位	备注	计算公式
				管道内径D	m
管道半径R	m		R＝sqrt(Q/3600Vπ)＝9.4aqrt(Q/V)
				工况压力P	MPa	绝对压力	绝对压力＝表压+0.1
流速V	m/s		V＝Q/(D/18.8)2
				工况流量Q	m2/h		Q＝Q<sub>0</sub>(P<sub>0</sub>/P)×(T/T0)＝Q<sub>0</sub>(P<sub>0</sub>/P)×((273+t)/273)
工况温度t	℃
				标况压力P0	MPa
标况温度t0	℃
				标况流量Q0	Nm2/h

另外，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：根据居民用水经污水处理后的水流量优化内河涌及外河涌。

需要说明的是，内河涌排水量不仅仅需要考虑降雨量对内河涌水位的影响，同时还需考虑经过污水处理过的居民用水量。因此，需通过计算最大峰值来确定最大的排水量，用外河涌水闸泵站最大的抽水能力，计算单位时间内排水量。

同时，外河涌的排水量需要综合考虑城市所有的降雨量、水库的储水量和城市居民用水经污水处理后排水量的总和，从而确定总的排水量需要进行排水的时间。外河涌排水能力依然不够的话，就同样需要增加外河涌的河道宽度和高度。

因此，在上述计算过程中需考虑居民用水经污水处理后的水流量，从而精确的计算各管道的处理情况。

参见图3，图3显示了本发明基于三维实景的城市内涝管理方法的第二实施例流程图，其包括：

S201，采集基础数据，并根据所述基础数据构建城市内涝模型。

S202，提取测试数据，并根据所述测试数据优化所述城市内涝模型。

S203，在所述城市内涝模型中设定降雨量，模拟分析动态演示实际效果。

本发明可将城市内涝模型与三维实景相结合，通过三维实景地图或二维地图(百度地图、高德地图)及实际情况对城市内涝状态进行快速的分析和预测，实时在三维实景地图和管线上显示具体的数据信息，快速的进行路线规划和测量水位信息，方便结合地图进行淹没分析。

例如，根据三维实景的得到各个管道和街道的地理高度信息，通过计算地下排水管的可排水量，结合下水井分布情况，确定下水井是否合理，数量是否满足要求。

根据三维实景的地理高度信息，依据地下排水管的分布，计算对应下水井的数量和单位时间的排水量，确定地下排水管是否合理，数量是否满足要求。

根据三维实景的地理高度信息，通过地理高度的淹没分析算法，设定某个位置点的淹没高度，分析当水位点到这个位置点的时候，会淹没到地图上的建筑物，街道的位置点，及目前排水量的数据量。

根据三维实景的地理高度信息，通过地理高度的淹没分析算法，设定总的降雨量，分析在当前选定位置点的时候，会淹没到地图上的建筑物，街道的位置点，进行模拟淹没演示。

结合三维实景的内河涌和主水管的地理高度信息、压力分析，计算和模拟不同水位高度的情况下，主水管可以达到的单位排水量。

结合三维实景的内河涌和外河涌的地理高度信息、压力分析，计算和模拟不同水位高度的情况下，内河涌可以达到的单位排水量。

结合三维实景的内河涌和外河涌的地理高度信息、压力分析、泵站排水分析，计算和模拟不同水位高度的情况下，内河涌可以达到的单位排水量。

设定内河涌需要达到的单位排水量，结合三维实景的内河涌和外河涌的地理高度信息、压力分析，计算泵站需要达到的排水能力。

结合下水道、地下排水管、主水管、内河涌、外河涌的水位数据信息，设定单位降雨量，进行模拟综合分析，并在三维实景的地图上显示内涝分析效果。

对应不同年份产生的重大内涝数据，在三维实景地图上进行综合演示，结合当前的规划设计,模拟分析目前规划后产生的结果分析。

结合三维实景的水库地理高度信息，实时分析和计算不同高度的水位的储水量分析。

结合水库的储水量，分析对内涝数据产生的影响数据，结合气象局的天气预报信息，及时进行拦蓄洪峰，容调蓄洪工作。

S204，在所述城市内涝模型中设定故障点，模拟分析动态演示实际效果。

所述故障点可以设置在外河涌、内河涌、主水管、下水井等位置，但不以此为限制。

S205，通过传感器进行实时预警。

进行动态演示时，可通过传感器实时采集压力、水流、流量等信息，当发现所采集的信息出现异常后及时告警，方便进行事故处理。其中，传感器采用的通讯网络不仅仅局限于Wifi/3G/4G/5G，也可以是其他点对点进行连接的通讯网络。

例如，可在沉沙池对应的沙网处设置对应的水流速度检测传感器，判断经过沉沙池后水流速度的变化。当变化值差异很大，说明沉沙池造成了地下排水管的阻塞，或沉淀于池中的有害泥沙和杂物到一定程度，提醒对沉沙池进行清理工作。

通过传感器对地下排水管对应的三通管和二通管的连接处进行水流速度的检测，当传感器返回的数据出现负流量的时候，说明主水管的排水能力不够，正在形成水流倒灌的情况。需要及时的反馈事故点的信息，安排人员对主水管或连接处进行及时处理。

根据传感器返回的压力信息，对地下排水管的异常压力进行提醒，方便管理人员迅速找到地下排水管的事故点。

根据传感器返回的水流信息，对地下排水管的异常水流进行提醒，方便管理人员迅速找到地下排水管的事故点。

根据传感器返回的水流信息，对应地下排水管的截面数据，结合降雨量数据信息，迅速计算和模拟演示内涝分析。

因此，本发明将传感器与三维实景地图进行结合，远程实时采集数据，进行监测和控制。使得传感器可在一些连接处测量管道的水流速度、流量和压力数据，并通过网络将检测数据实时反馈到系统平台。

另外，外河涌涉及到了智慧水利系统管理部门，降雨量涉及到气象数据，因此，进行整个城市内涝系统管理和规划，不仅仅是城市内涝管理部门的问题，还需要结合多个部门进行综合分析和治理。

由上可知，本发明通过构建城市内涝模型，客观、真实地反映城市管道情况；同时，本发明还结合测试数据不断优化城市内涝模型，从而保证城市内涝的提前规划和预测，及时进行拦蓄洪峰，容调蓄洪工作；另外，本发明还引入传感技术，将传感器与地图进行结合，远程实时采集数据，进行监测和控制。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，包括：

采集基础数据，并根据所述基础数据构建城市内涝模型，其中，所述城市内涝模型包括下水井、地下排水管、主水管、内河涌、外河涌、顶托、水阀、泵站、沉沙箱及传感器，所述下水井与地下排水管连通，所述地下排水管与主水管连通，所述地下排水管与内河涌之间通过顶托连通，所述内河涌与水库之间通过水阀连通，所述泵站设于外河涌上，所述沉沙箱设于地下排水管上，所述传感器设于沉沙箱的沙网及所述地下排水管中三通管及二通管的连接处；

提取测试数据，并根据所述测试数据优化所述城市内涝模型。

2.如权利要求1所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤包括：

计算所述下水井的流量；

计算与所述下水井连通的地下排水管的流量；

判断所述下水井的流量与所述地下排水管的流量是否匹配，判断为否时，根据实际情况增加下水井的数量或增加地下排水管的数量。

3.如权利要求2所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：

计算与所述地下排水管连通的主水管的流量；

判断所述地下排水管的流量与所述主水管的流量是否匹配，判断为否时，根据实际情况增加主水管的数量。

4.如权利要求3所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：

计算与所述主水管连通的内河涌的流量；

判断所述内河涌的流量与所述主水管的流量是否匹配，判断为否时，对所述内河涌进行加宽、加高或清淤泥处理。

5.如权利要求4所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：

计算与所述内河涌连通的外河涌的流量；

判断所述外河涌的流量与所述内河涌历史最高流速是否匹配，判断为否时，根据实际情况添加泵站。

6.如权利要求1所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，所述根据测试数据优化城市内涝模型的步骤还包括：根据居民用水经污水处理后的水流量优化内河涌及外河涌。

7.如权利要求1所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，还包括：在所述城市内涝模型中设定降雨量，模拟分析动态演示实际效果。

8.如权利要求1所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，还包括：在所述城市内涝模型中设定故障点，模拟分析动态演示实际效果。

9.如权利要求1所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，还包括：通过传感器进行实时预警。

10.如权利要求1所述的基于三维实景的城市内涝管理方法，其特征在于，所述城市内涝模型还包括水库，所述外河涌连通水库并通过水库进行河流断面积的调整。

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