CN111397686B - 一种城市内涝预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种城市内涝预警方法，包括以下步骤：在积水隐患点正上方安装超声波水位监测仪U1，每隔时间T分钟测量积水深度H上传到远程服务器；通过地形和季节的关联系数C，计算时间T分钟内所述积水隐患点的预计降雨量R；根据T分钟内步骤S1和S2步骤中得到的数据H和R计算出该积水隐患点的雨水汇集和排水能力的关联汇排系数K；根据以上获得的降雨量R、实时监测积水深度H、动态的汇排系数K，计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S；当S大于设定的阈值S0时，所述服务器通过公网向客户端发出报警信号。本发明能提前1小时准确预警，同时可以准确地地确定水涝位置，大幅提高了抢修维护的效率。

Description

一种城市内涝预警方法
技术领域
本发明涉及水患预防领域，具体涉及一种城市内涝预警方法。
背景技术
目前我国城市化建设的进程越来越快，导致城市用地紧张，从而为城市预留的“储水”绿化场地不够，再加上排水设施没跟上等原因，我国城市内涝问题越来越突出，轻则造成交通严重堵塞，重者几十辆甚至几百辆车被泡水里，更为严重的是不小心开车进入积水中不懂自救而付出生命，损失非常巨大。
现有的城市内涝预警主要采用气象部门的“暴雨预警信号”，此类预警信号是针对一个市几小时内的预警信号，比如暴雨黄色预警的含义为：“6小时内降雨量将达50毫米以上，或已达50毫米以上，可能或已经造成影响且降雨可能持续”。这种预警信号没有具体的预警地点和具体的预警时间，不能准确地做出抢修准备，预警效果非常差，经常会发生的抢修人员没到已经洪涝了，抢修人员到了现场没积水等事故。
因此有待对现有的城市水涝预警做出新的改进，提供一种可以给出准确的水涝地点及时间的水涝预警方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的提供一种可以给出准确的水涝地点及时间的城市水涝预警技方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种城市内涝预警方法，该方法包括以下步骤：
S1:在具有低洼的积水隐患点正上方安装超声波水位监测仪U1，通过所述超声波水位监测仪U1每隔时间T分钟测量积水深度H上传到远程服务器；
S2:通过以下公式(3)计算时间T分钟内所述积水隐患点的预计降雨量R:
Figure BDA0002390289420000011
其中，C为采用气象雷达数据计算得到的影响降水量的地形和季节的关联系数C，Z为雷达回波强度，单位为dbz，e是数学常数，ln自然底的对数；
S3:根据步骤S1和S2步骤中得到的数据H和R计算出该积水隐患点的雨水汇集和排水能力的关联汇排系数K；
S4：根据步骤S1-S3得到的预计降雨量R、实时监测的积水深度H以及动态的汇排系数 K，计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S；
计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S的方法如下：
S4-1:假设未来一小时分成N次进行预计降雨量计算和汇排系数计算，
根据公式(3)计算得到的N次降水预计降雨量分别为：R1、R2、R3……RN,
N次汇排系数分别为：K1、K2、K3……KN,
S4-2:按照下列公式(6)计算所述积水隐患点未来1小时内的积水深度S；
S＝H+R1*K 1+R2*K2+…R10*KN (6)；
其中，H为当前实际监测到的积水深度；
S5：当S大于设定的阈值S0时，所述服务器通过公网向客户端发出报警信号。
优选地，步骤S1中测量积水深度H的过程如下：
S1-1:所述超声波水位监测仪测定测量仪距离积水隐患点最低处的距离H1米；
S1-2：所述超声波水位监测仪测定测量仪距离水面的距离H2米；
S1-3：计算积水深度H＝H1-H2米。
优选地，步骤S2中地形和季节的关联系数C计算方法如下：
S2-1:根据回波强度Z与降雨量R的函数关系:
Z＝300*R1.4(1)，得到降雨量公式：
Figure BDA0002390289420000021
其中R为T分钟内的降雨量计算值，单位mm；Z为雷达回波强度，单位为dbz；e是数学常数，ln自然底的对数；
S2-2：根据公式(2)，引入地形和季节的关联系数C，修正公式(2)得到与地形和季节相关的预计降雨量公式：
Figure BDA0002390289420000031
S2-3，由以上公式(3)，推导得到地形和季节的关联系数C的计算公式为：
Figure BDA0002390289420000032
其中C数值每个月计算一次，数据R为每个月的降雨量，从观测站的雨量仪读取，雷达回波强度Z从数据库读取。
优选地，所述步骤S3中地雨水汇集和排水能力关联的汇排系数K计算方法如下：
读取第一个时间点00分钟的积水深度H00，再读取下一个T分钟，即T分钟时刻的积水深度H0T，计算T分钟内的积水深度增加值:
△H＝H0T-H00，即T分钟内积水深度增加了△H米；
若△H≦0.1，则取消本次计算，K取上一次的值；
R00为00分按照公式(3)计算得到的降雨量；
汇排系数K＝△H/R00(5)，K值最小值取0.1。
优选地，所述T取值为5-10分钟。
优选地，所述步骤S4中计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S的方法如下：
S4-1:所述T取值为6，即每6分钟计算一次预计降雨量R,一个小时内计算10个预计降雨量R1、R2、R3……R10；
S4-2:按照下列公式(6)计算所述积水隐患点未来1小时内的积水深度S；
S＝H+R1*K 1+R2*K2+…R10*K10 (6)；
其中，H为当前实际监测到的积水深度，单位为米，R1，R2,……R10为由公式(3)计算得到的1小时内每隔6分钟取值一次的10个时刻的降雨计算值；所述K1、K2……和K10 分别为由公式(5)计算得到的1小时内每隔6分钟取值一次的10个时刻的汇排系数。
优选地，设定的阈值S0的取值为0.2-07米。
优选地，所述超声波水位监测仪U1连接单片机U3，所述单片机U3通过无线通信模块
U4与服务器连接远程服务器；所述超声波水位监测仪U1和单片机U3连接有电源U2。
优选地，所述计算机U3用于根据U1测量的数据计算积水深度H。
优选地，所述远程服务器连接通过公网连接客户端，所述客户端为手机或者计算机。
优选地，所述U1型号为YPR-1；所述U2型号为ADS-15512；所述单片机U3型号为STC51S，所述无线通信模块U4为GPRS通信模块，型号为ATK-M751；所述远程服务器U5为阿里云服务器。
本发明有益的技术效果：本发明采用在低洼的积水隐患点正上方安装超声波水位监测仪，定时地采集该积水隐患点处的积水深度，再融入地形和季节的关联系数C，计算该积水隐患点的预计降雨量R，根据这两个时间同步的数据H和R计算出该积水隐患点的雨水汇集和排水能力关联系数K。根据降雨量R、实时监测积水深度H、动态的K，计算该积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S，当S大于设定的阈值时，即向相关人员发出报警信息，与目前常规预警系统相比，本方法能提前1小时准确预警，同时可以准确地地确定水涝位置，大幅提高了抢修维护的效率。
附图说明
图1为本发明一种城市内涝预警系统的整体框架示意图。
图2为本发明一种城市内涝预警方法的步骤流程图。
图3为本发明计算地形和季节的关联系数C的方法步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图1-3所示，一种城市内涝预警方法，该方法包括以下步骤：
S1:在具有低洼的积水隐患点正上方安装超声波水位监测仪U1，通过超声波水位监测仪 U1每隔时间T分钟测量积水深度H上传到远程服务器，所述T取值为5-10，本实施例中T 取值为6。
具体的，超声波水位监测仪U1与远程服务器之间组成的内涝预警系统为：
所述超声波水位监测仪U1连接单片机U3，所述单片机U3通过无线通信模块U4与服务器连接远程服务器；所述超声波水位监测仪U1和单片机U3连接有电源U2。所述计算机U3用于根据U1测量的数据计算积水深度H。电源U2为单片机提供5V电源，为超声波水位仪提供12V电源。
所述远程服务器连接通过公网连接客户端，所述客户端为手机或者计算机。
具体地，所述U1型号为YPR-1；所述U2型号为ADS-15512；所述单片机U3型号为STC51S，所述无线通信模块U4为GPRS通信模块，型号为ATK-M751；所述远程服务器U5为阿里云服务器。
系统的工作原理是：U1监测水位深度，U1安装后无积水标定深度为H1，有积水后深度为H2，每隔1分钟监测一次数据，标定后H1保存在单片机U3中，单片机计算积水深度为H＝H1-H2，单位为米，监测数据H通过通信模块U4经过公网上传到服务器U5，电源U2 为单片机提供5V电源，为超声波水位仪提供12V电源。远程服务器对每一个积水隐患点的监测数据、雷达数据进行分析计算，并发出预警信息。
具体地；步骤S1中测量积水深度H的过程如下：
S1-1:所述超声波水位监测仪测定测量仪距离积水隐患点最低处的距离H1米；
S1-2：所述超声波水位监测仪测定测量仪距离水面的距离H2米；
S1-3：超声波水位监测仪测定的数据传输到单片机U3中，单片机计算积水深度H＝H1-H2 米。
S2:通过以下公式(3)计算时间T分钟内所述积水隐患点的预计降雨量R:
Figure BDA0002390289420000051
其中，C为采用气象雷达数据计算得到的影响降水量的地形和季节的关联系数，Z为雷达回波强度，单位为dbz，e是数学常数，ln自然底的对数；
具体地，步骤S2中地形和季节的关联系数C计算方法如下：
S2-1:根据回波强度Z与降雨量R的函数关系(云团积累大量的水汽，水汽上升过程中随着温度降低变为水滴降下来，就是降雨，气象雷达扫描降雨云团获得水滴大小和密度的关联数据，该数据为“回波强度”，单位为dbz,回波越大说明降雨越强；降雨量是气象部门表征降雨强度的参数，单位为mm，是标准雨量仪内记录的降雨深度，回波强度与降雨量成正比例关系，函数关系为雷达设备厂商提供):
Z＝300*R1.4(1)，得到降雨量公式：
Figure BDA0002390289420000061
其中R为6分钟内的预计降雨量，单位mm；Z为雷达回波强度，单位为dbz；e是数学常数，ln自然底的对数；
S2-2：根据公式(2)，引入地形和季节的关联系数C，修正公式(2)得到与地形和季节相关的预计降雨量公式：
Figure BDA0002390289420000062
S2-3，由以上公式(3)，推导得到地形和季节的关联系数C的计算公式为：
Figure BDA0002390289420000063
其中C通过标准监控站来计算，每个地形每个月计算一次，并按照地形和时间存储，气象部门在山地、平原已经建立了标准的气象观测站，选择典型地形的气象观测作为标准站，从观测站的雨量仪读取降雨量数据R，从数据库读出时间同步的雷达回波强度Z，由上式(4)计算C，选择R大于5mm的数据参与计算，每月30日(2月取28日)人工选择代表性的降雨计算一次，如果本月没有符合条件的数据则不更新C，维持上年度的C，参见流程图3。
用雷达数据根据式(3)计算出该积水隐患点6分钟内的预计降雨量R。按照雷达同步时间，R00为00分到06分的计算值，并换算为米为单位，其他每隔6分钟的R值依次计算。
S3:根据T分钟内步骤S1和S2步骤中得到的数据H和R计算出该积水隐患点的雨水汇集和排水能力的关联汇排系数K；
所述步骤S3中地雨水汇集和排水能力关联的汇排系数K计算方法如下：
一个积水隐患点的积水与降雨强度、排水能力、地形等有关，前2者都是动态变化的，每次降雨强度不同，排水能力因临时堵塞造成排水不畅，地形相对比较固定，地势低则周边的水都汇集过来，地势高汇集就少，汇排系数是表征某个积水点的雨水汇集和排放能力的参数，k越大表示雨水汇集强，排放差，k越小表示雨水汇集弱，排放强，通过服务器接收积水深度H，并结合雷达数据综合计算出每个积水点的实时的“汇排系数”k，按照雷达数据产出的时间，每6分钟计算一次K,参照流程图2。
读取H00(00分钟的数据)，然后再读取下一个6分钟，即06分的H06，计算积6分钟内的水深度增加值△H＝H06-H00，即6分钟内积水深度增加了△H米；
如果为△H≦0.1，则取消本次计算，K取上一次的值。
R00为00分该积水隐患点的按照公式(3)的计算值。
K＝△H/R00 (5)
K值最小值取0.1。
S4：根据以上步骤获取的降雨量R、实时监测积水深度H、动态的汇排系数K，计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S；
所述步骤S4中计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S的方法如下：
用公式(3)滚动计算未来1小时积水点的降雨量，
S4-1：根据云团的移动速度、方向、积水点与云团之间的距离，确定未来1小时的10个6分钟时段内是否经过积水点。并分别计算10个R1、R2、R3……R10，单位换算为米。
S4-2：按照公式(6)计算积水隐患点未来1小时内的积水深度。
S＝H+R1*K 1+R2*K2+…R10*K10 (6)
其中，H为当前实际监测到的积水深度，单位为米，R1和K1、R2和K2…R10和K10分别为未来1小时内10次的降雨计算值和对应的汇排系数。
S5：当S大于设定的阈值S0时，所述远程服务器通过公网向客户端发出报警信号。
具体地，设定的阈值S0的取值为0.2-0.7米，本实施例的S0取值为0.3米，即计算未来一个小时内的积水深度超过0.3米时，远程服务器通过公网向客户端发出报警信号。
本发明采用在低洼的积水隐患点正上方安装超声波水位监测仪，定时地采集该积水隐患点处的积水深度，再融入地形和季节的关联系数C，计算该积水隐患点的预计降雨量R，根据这两个时间同步的数据H和R计算出该积水隐患点的雨水汇集和排水能力关联系数K。根据降雨量R、实时监测积水深度H、动态的K，计算该积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S，当S大于设定的阈值时，即向相关人员发出报警信息，与目前常规预警系统相比，本方法能提前1小时准确预警，同时可以准确地地确定水涝位置，大幅提高了抢修维护的效率。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种城市内涝预警方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1:在具有低洼的积水隐患点正上方安装超声波水位监测仪U1，通过所述超声波水位监测仪U1每隔时间T分钟测量积水深度H上传到远程服务器；
S2:通过以下公式(3)计算时间T分钟内所述积水隐患点的预计降雨量R:
Figure FDA0003764163840000011
其中，C为采用气象雷达数据计算得到的影响降水量的地形和季节的关联系数，Z为雷达回波强度，单位为dbz，e是数学常数，ln自然底的对数；
地形和季节的关联系数C计算方法如下：
S2-1:根据回波强度Z与降雨量R的函数关系:
Z＝300*R1.4 (1)，
得到降雨量公式：
Figure FDA0003764163840000012
其中R为T分钟内的降雨量计算值，单位mm；Z为雷达回波强度，单位为dbz；e是数学常数，ln自然底的对数；
S2-2：根据公式(2)，引入地形和季节的关联系数C，修正公式(2)得到与地形和季节相关的预计降雨量公式：
Figure FDA0003764163840000013
S2-3，由以上公式(3)，推导得到地形和季节的关联系数C的计算公式为：
Figure FDA0003764163840000014
其中C数值每个月计算一次，数据R为每个月的降雨量，从观测站的雨量仪读取，雷达回波强度Z从数据库读取
S3:根据步骤S1和S2步骤中得到的数据H和R计算出该积水隐患点的雨水汇集和排水能力的关联汇排系数K；
其中地雨水汇集和排水能力关联的汇排系数K计算方法如下：
读取第一个时间点00分钟的积水深度H00，再读取下一个T分钟，即T分钟时刻的积水深度H0T，计算T分钟内的积水深度增加值:
△H＝H0T-H00，即T分钟内积水深度增加了△H米；
若△H≦0.1，则取消本次计算，K取上一次的值；
R00为00分按照公式(3)计算得到的降雨量；
汇排系数K＝△H/R00(5)，K值最小值取0.1；
S4：根据步骤S1-S3得到的预计降雨量R、实时监测的积水深度H以及动态的汇排系数K，计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S；
计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S的方法如下：
S4-1:假设未来一小时分成N次进行预计降雨量计算和汇排系数计算，
根据公式(3)计算得到的N次降水预计降雨量分别为：R1、R2、R3……RN,
N次汇排系数分别为：K1、K2、K3……KN,
S4-2:按照下列公式(6)计算所述积水隐患点未来1小时内的积水深度S；
S＝H+R1*K1+R2*K2+…R10*KN (6)；
其中，H为当前实际监测到的积水深度；
S5：当S大于设定的阈值S0时，所述服务器通过公网向客户端发出报警信号。
2.如权利要求1所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，步骤S1中测量积水深度H的过程如下：
S1-1:所述超声波水位监测仪测定测量仪距离积水隐患点最低处的距离H1米；
S1-2：所述超声波水位监测仪测定测量仪距离水面的距离H2米；
S1-3：单片机计算积水深度H＝H1-H2米。
3.如权利要求1所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，所述T取值为5-10分钟。
4.如权利要求3所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，所述S4中计算所述积水隐患点未来一小时内的预计积水深度S的方法如下：
S4-1:所述T取值为6，即每6分钟计算一次预计降雨量R,一个小时内计算10个预计降雨量R1、R2、R3……R10；
S4-2:按照下列公式(7)计算所述积水隐患点未来1小时内的积水深度S；
S＝H+R1*K1+R2*K2+…R10*K10 (7)；
其中，H为当前实际监测到的积水深度，单位为米，R1，R2,……R10为由公式(3)计算得到的1小时内每隔6分钟取值一次的10个时刻的降雨计算值；所述K1、K2……和K10分别为由公式(5)计算得到的1小时内每隔6分钟取值一次的10个时刻的汇排系数。
5.如权利要求3所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，设定的阈值S0的取值为0.2-0.7米。
6.如权利要求3所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，所述超声波水位监测仪U1连接单片机U3，所述单片机U3通过无线通信模块U4与服务器连接远程服务器；所述超声波水位监测仪U1和单片机U3连接有电源U2。
7.如权利要求6所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，所述单片机U3用于根据U1测量的数据计算积水深度H。
8.如权利要求7所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，所述远程服务器连接通过公网连接客户端，所述客户端为手机或者计算机。
9.如权利要求6所述的一种城市内涝预警方法，其特征在于，所述超声波水位监测仪U1型号为YPR-1；所述电源U2型号为ADS-15512；所述单片机U3型号为STC51S，所述无线通信模块U4为GPRS通信模块，型号为ATK-M751；所述远程服务器U5为阿里云服务器。
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