CN110633865A - 一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提出了一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，该系统将排洪模型、天气预报、积水在线监测系统和决策支持系统相结合，实现了对城市积水预测与安全预警的支持。本系统包括如下步骤：（1）将管网模型和产汇流模型相结合，构建排洪模型；（2）依托排洪模型，进行多情景降雨模拟并入库；（3）实时雨情数据采集与上报；（4）多情景降雨库的调用；（5）道路积水的在线预测与安全预警。提出的基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统能够有效、准确地实时动态预报城市易积水点的防洪排涝情况，有利于管理部门的决策支持。
Description
技术领域
本发明涉及智慧城市管理领域，具体为一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统。
背景技术
随着社会的发展，尤其是科学技术的进步，大大促进了社会生产力的飞速发展，使得人们的生活得到了很大的改善与提高，尤其是城镇化的飞速发展，更是使大量的人口在有限的土地上集聚，形成了越来越多的城市集群。
随着我国城镇化迅猛发展，许多的城市存在城市排水系统的规划、建设跟不上城镇规模的快速扩张的问题，造成在遭遇强降雨天气时，极易形成区域积水难排，导致城市内涝。城市内涝严重威胁了市民的出行安全,造成大量的财产安全损失和人员伤亡。因此,对于易积水的道路进行准确的监测预警是很有必要的。
现有的城市内涝检测预警的解决方法，一般采用积水液位探测传感器实时监测易积水道路的技术情况，将采集的数据通过网络传输至管理平台，相关人员可及时掌握城市易积水点的积水情况，并作出指挥调度。相对于传统的人工现场监测，积水液位在线监测系统的工作效率上有很大提升，避免了资源的浪费，保护了人民群众生命财产安全。但是，城镇化的发展和人口的增多对于城市管理提出更严峻的挑战，仅依靠积水液位在线监测系统也不能很好解决积水安全隐患，最佳解决方案是在积水即将形成前完成预测分析提高应急指挥能力，帮助政府部门提早做好应对措施，合理分配抢救资源，同时对于即将超出警戒值的积水点可以提前警告市民，让市民做好路线规划，尽量避开水位较深的路口，减少道路拥堵同时避免灾害的发生，为管理部门相关资源的调配提供决策支持。
因此，提供一种能够在强降雨天气到来之前，就可以对城市积水进行预测与安全预警系统的系统，是一个使得研究的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种根据气象局提供的专业天气预报进行未来时间段积水分布预测。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，包括排洪内涝模型建模和排洪模型在线预测与安全预警系统；
所述排洪内涝模型建模，是通过构建排洪内涝模型，生成模型构建区域内现状管网评估报告，对现有管网易溢和易涝部位进行汇总，分析管网结构瓶颈；分析结果对未来管网规划改造提供技术建议，并给根据规划方案进行内涝结果仿真模拟，形成多情景降雨库；
所述的排洪内涝模型在线预测与安全预警系统是根据安装在现场的液位计和自动雨量计进行雨情监测，并根据实时监测量的变化情况进行在线计算，分别预测致灾时间、消灾时间，以便调度人员参考；同时，系统根据传感设备采集的状态数据，自动预测未来某时间段的积水内涝情况或根据气象局提供的专业天气预报进行未来时间段积水分布预测；
所述的排洪内涝模型的构建是在区域管网模型的基础上，通过与地表二维模型耦合，模拟超标降雨情况下的地表内涝积水状况；通过模拟积水变化的整个过程，从而可以分析计算得到内涝积水的影响范围、积水的深度和时间；
排洪内涝模型采用数学方法集中描述城市地表降雨径流排除和超标降雨地表积水漫流的整个过程的模型体系；基于实际物理过程，内涝模型分为五个部分，分别为区域降雨过程、形成净雨的产流过程、净雨的地表径流过程、管网的汇流过程和溢流水量的地表漫流过程；
所述的区域降雨过程的降雨模型构建：依据项目区降雨基础资料及模型评估目标，构建多种设计降雨情景，作为后期模型评估计算的基础输入条件；降雨基础资料主要包括区域暴雨强度公式以及长短历时设计降雨雨型；
所述的形成净雨的产流过程的产汇流模型构建：基于地表不同用地属性分布，概化构建雨水流域的产汇流数字模型，该模型是后续管网评估模拟的基础；获取地表不同用地属性分布通常需根据实际或规划地块属性，基于地块属性分别采用不同的水文参数概化其降雨产汇流特性；
所述的管网的汇流过程的管网模型构建：以管网测绘数据为基础，构建出区域现状管网系统数字化模型，管网数字模型包括实际管网系统中的雨水口、检查井、管渠以及其他各种水力构筑物，包括水泵、集水池、出水口、阀门、堰、闸门、拍门和孔口；
所述的内涝模型构建中的城市内涝模型需先构建规则网格的地形数字高程模型（DEM），通过管网模型和地形数字高程的耦合计算，模拟超标降雨情景下，地表水流的非恒定运动变化过程，从而获取区域内涝的致灾指标，包括影响范围、积水深度、积水量和积水时间；
所述的多情景降雨库需模拟不同历时下，不同重现期的多种降雨情境的积水内涝风险，评估各种降雨条件下内涝积水的影响范围、积水深度、积水量以及积水时间。
所述的排洪模型在线预测与安全预警系统，其在线调用主要有两块功能，一是根据现场采集状态参数，包括降雨量，准确合理的调用多情景降雨库模拟数据，对当前雨情下未来一段时间内可能的积水内涝情况进行预测和模型计算结果进行动态展示；二是根据现场降雨量和积水情况，利用数据挖掘算法，在线计算致灾时间和消灾时间；
所谓的致灾时间是指积水由报警液位上涨到危险液位时预测所用的时间，从而为调度和预警提供技术支持；消灾时间主要有两个，一个是积水水位由当前液位降到危险水位和降到报警水位两个时间，实现有效掌握灾情消除的时间，从而合理调用防汛设备消灾。
积极有益效果：本发明专将排洪模型、天气预报、积水在线监测系统和预测和安全预警系统相结合，实现了对城市积水预测与安全预警的支持；提出的基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统能够有效、准确地实时动态预报城市易积水点的防洪排涝情况。能够帮助政府部门提早做好应对措施提高应急指挥能力，合理分配抢救资源，同时对于即将超出警戒值的积水点可以提前警告市民，让市民做好路线规划，尽量避开水位较深的路口，减少道路拥堵同时避免灾害的发生，为管理部门相关资源的调配提供决策支持。
附图说明
图1为本发明的框图；
图2为情景库在线调用处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明做进一步的说明：
如图1所示，一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，包括排洪内涝模型建模和排洪模型在线预测与安全预警系统；
所述排洪内涝模型建模，是通过构建排洪内涝模型，生成模型构建区域内现状管网评估报告，对现有管网易溢和易涝部位进行汇总，分析管网结构瓶颈；分析结果对未来管网规划改造提供技术建议，并给根据规划方案进行内涝结果仿真模拟，形成多情景降雨库；
所述的排洪内涝模型在线预测与安全预警系统是根据安装在现场的液位计和自动雨量计进行雨情监测，并根据实时监测量的变化情况进行在线计算，分别预测致灾时间、消灾时间，以便调度人员参考；同时，系统根据传感设备采集的状态数据，自动预测未来某时间段的积水内涝情况或根据气象局提供的专业天气预报进行未来时间段积水分布预测；
所述的排洪内涝模型的构建是在区域管网模型的基础上，通过与地表二维模型耦合，模拟超标降雨情况下的地表内涝积水状况；通过模拟积水变化的整个过程，从而可以分析计算得到内涝积水的影响范围、积水的深度和时间；
排洪内涝模型采用数学方法集中描述城市地表降雨径流排除和超标降雨地表积水漫流的整个过程的模型体系；基于实际物理过程，内涝模型分为五个部分，分别为区域降雨过程、形成净雨的产流过程、净雨的地表径流过程、管网的汇流过程和溢流水量的地表漫流过程；
所述的区域降雨过程的降雨模型构建：依据项目区降雨基础资料及模型评估目标，构建多种设计降雨情景，作为后期模型评估计算的基础输入条件；降雨基础资料主要包括区域暴雨强度公式以及长短历时设计降雨雨型；
所述的形成净雨的产流过程的产汇流模型构建：基于地表不同用地属性分布，概化构建雨水流域的产汇流数字模型，该模型是后续管网评估模拟的基础；获取地表不同用地属性分布通常需根据实际或规划地块属性，基于地块属性分别采用不同的水文参数概化其降雨产汇流特性；
所述的管网的汇流过程的管网模型构建：以管网测绘数据为基础，构建出区域现状管网系统数字化模型，管网数字模型包括实际管网系统中的雨水口、检查井、管渠以及其他各种水力构筑物，包括水泵、集水池、出水口、阀门、堰、闸门、拍门和孔口；
所述的内涝模型构建中的城市内涝模型需先构建规则网格的地形数字高程模型（DEM），通过管网模型和地形数字高程的耦合计算，模拟超标降雨情景下，地表水流的非恒定运动变化过程，从而获取区域内涝的致灾指标，包括影响范围、积水深度、积水量和积水时间；
所述的多情景降雨库需模拟不同历时下，不同重现期的多种降雨情境的积水内涝风险，评估各种降雨条件下内涝积水的影响范围、积水深度、积水量以及积水时间。
所述的排洪模型在线预测与安全预警系统，其在线调用主要有两块功能，一是根据现场采集状态参数，包括降雨量，准确合理的调用多情景降雨库模拟数据，对当前雨情下未来一段时间内可能的积水内涝情况进行预测和模型计算结果进行动态展示；二是根据现场降雨量和积水情况，利用数据挖掘算法，在线计算致灾时间和消灾时间；
所谓的致灾时间是指积水由报警液位上涨到危险液位时预测所用的时间，从而为调度和预警提供技术支持；消灾时间主要有两个，一个是积水水位由当前液位降到危险水位和降到报警水位两个时间，实现有效掌握灾情消除的时间，从而合理调用防汛设备消灾。
如图2所示，所述的在线计算以图1中排洪模型建模的情景库为基础，结合现场采集的雨量计、液位计实时信息，以及通过平台设置的参数，如报警积水水位、危险积水水位、气象信息、现场排水量等。采用线性算法计算相关时间，如致灾时间、预测消灾时间、预测消警时间。以致灾时间t1为例，计算公式如下：
VjsH1-Vjst-VpsHt*t1=S1*RZt*t1
t1=（VjsH1-Vjst）/（S1*RZt+VpsHt）
附图及计算公式中符号为：当前时刻积水量Vjst；危险水位积水量VjsH2、报警水位积水量VjsH1、当前液位下排水量VpsHt、报警液位H1、危险液位H2、当前液位Ht、当前降雨量RZt、小流域区域地表面积S1；
1.致灾时间t1：主要指积水液位到达用户设定的报警水位H1时，系统经过在线计算后给出积水到达危险水位H2时，可能需要所用的时间；即为用户应急调度提供一个可参考的时间段。
2.消灾时间t2：主要指积水液位到达用户的危险水位H2后，即所谓造成内涝灾害；此时，系统在线计算后，会给出利用现有排水设施将积水液位降到报警液位H2时所用的时间，给用户抽调临时排水设备提供一个壳参考的时间段。
3.消警时间t3：主要指积水液位到达用户设定的危险水位H2后，即所谓造成内涝灾害；此时，系统在线计算后，会给出利用现有排水设施将积水液位降到报警液位H1时所用的时间，给用户抽调临时排水设备提供一个可参考的时间段。
4.小流域预期积水分布：系统会根据自动雨量计记录的雨强和降水时间，进行在线积水预测，未来特定时间段后的区域预期可能积水情况，预测时间间隔可以由用户设定；同时给出可应用的应急指挥调动方案，供用户参考。
5.小流域现场积水情况：区域积水现场实施情况会根据安装在各关键位置的视频摄像头进行实时监控。
实施例
以某地下凹式立交桥为例
第一步收集管网地形等基础数据构建内涝模型。具体一般分为五个部分，分别为区域降雨过程、形成净雨的产流过程、净雨的地表径流过程、管网的汇流过程和溢流水量的地表漫流过程。
第二步依托内涝模型，根据不同重现期和不同历时，构建基本涵盖了区域所有可能发生的56种致灾降雨情境，针对上述全部56种情景，完整模拟相应降雨条件下的区域内涝状况。分析评估各种降雨条件下内涝积水的影响范围、积水深度、积水量以及积水时间。
第三步致灾降雨情的在线调用，在降雨来临之前，通过平台设定报警水位、排水能力、气象信息，与56种情景库匹配，可自动对未来1小时、2小时、24小时的内涝情况进行预测，针对不同灾情提供应急预案和应急调度支持。
降雨时，通过下凹式立交桥安装的雨量计和液位计可实时在线监测降雨情况和积水情况，并与56种情景库再次匹配，完成图2情景库在线调用，完成积水的安全预警相关功能。
通过上述三步，可实现某地下凹式立交桥的积水预测与安全预警。
本发明是通过排洪内涝模型建模和情景模拟。将管网模型和产汇流模型相结合，构建排洪模型。依托排洪模型，模拟不同历时，不同重现期共计56中降雨情形下的积水内涝风险，评估各种降雨条件下内涝积水的影响范围、积水深度、积水量；排洪模型在线调用，根据现场采集的积水液位、降雨量等状态参数，准确合理的调用多情景降雨库模拟数据，对当前雨情下未来一段时间内可能的积水内涝情况进行预测和模型计算结果进行动态展示；在线预测与安全预警，根据现场降雨量和积水情况，利用数据挖掘算法，在线计算致灾时间和消灾时间；提出的基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统能够有效、准确地实时动态预报城市易积水点的防洪排涝情况，有利于管理部门的决策支持。
Claims (10)
1.一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：包括排洪内涝模型建模和排洪模型在线预测与安全预警系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述排洪内涝模型建模，是通过构建排洪内涝模型，生成模型构建区域内现状管网评估报告，对现有管网易溢和易涝部位进行汇总，分析管网结构瓶颈；分析结果对未来管网规划改造提供技术建议，并给根据规划方案进行内涝结果仿真模拟，形成多情景降雨库；所述的排洪内涝模型在线预测与安全预警系统是根据安装在现场的液位计和自动雨量计进行雨情监测，并根据实时监测量的变化情况进行在线计算，分别预测致灾时间、消灾时间，以便调度人员参考；同时，系统根据传感设备采集的状态数据，自动预测未来某时间段的积水内涝情况或根据气象局提供的专业天气预报进行未来时间段积水分布预测。
3.根据权利要求1所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述的排洪内涝模型的构建是在区域管网模型的基础上，通过与地表二维模型耦合，模拟超标降雨情况下的地表内涝积水状况；通过模拟积水变化的整个过程，从而可以分析计算得到内涝积水的影响范围、积水的深度和时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：排洪内涝模型采用数学方法集中描述城市地表降雨径流排除和超标降雨地表积水漫流的整个过程的模型体系；基于实际物理过程，内涝模型分为五个部分，分别为区域降雨过程、形成净雨的产流过程、净雨的地表径流过程、管网的汇流过程和溢流水量的地表漫流过程。
5.据权利要求4所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：.所述的区域降雨过程的降雨模型构建：依据项目区降雨基础资料及模型评估目标，构建多种设计降雨情景，作为后期模型评估计算的基础输入条件；降雨基础资料主要包括区域暴雨强度公式以及长短历时设计降雨雨型。
6.根据权利要求4所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述的形成净雨的产流过程的产汇流模型构建：基于地表不同用地属性分布，概化构建雨水流域的产汇流数字模型，该模型是后续管网评估模拟的基础；获取地表不同用地属性分布通常需根据实际或规划地块属性，基于地块属性分别采用不同的水文参数概化其降雨产汇流特性。
7.根据权利要求4所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述的管网的汇流过程的管网模型构建：以管网测绘数据为基础，构建出区域现状管网系统数字化模型，管网数字模型包括实际管网系统中的雨水口、检查井、管渠以及其他各种水力构筑物，包括水泵、集水池、出水口、阀门、堰、闸门、拍门和孔口。
8.根据权利要求1所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述的内涝模型构建中的城市内涝模型需先构建规则网格的地形数字高程模型（DEM），通过管网模型和地形数字高程的耦合计算，模拟超标降雨情景下，地表水流的非恒定运动变化过程，从而获取区域内涝的致灾指标，包括影响范围、积水深度、积水量和积水时间。
9.根据权利要求2所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述的多情景降雨库需模拟不同历时下，不同重现期的多种降雨情境的积水内涝风险，评估各种降雨条件下内涝积水的影响范围、积水深度、积水量以及积水时间。
10.根据权利要求1所述的一种基于排涝模型的城市积水预测与安全预警系统，其特征在于：所述的排洪模型在线预测与安全预警系统，其在线调用主要有两块功能，一是根据现场采集状态参数，包括降雨量，准确合理的调用多情景降雨库模拟数据，对当前雨情下未来一段时间内可能的积水内涝情况进行预测和模型计算结果进行动态展示；二是根据现场降雨量和积水情况，利用数据挖掘算法，在线计算致灾时间和消灾时间。
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