2019年城市内涝预警系统方案.docVIP

PAGE 9 城市内涝预警系统方案 深圳市宝安区污水设施管理中心 哈尔滨工业大学深圳研究生院 2013-03-20 目录 TOC \o 1-3 \h \z \u 一、研究背景 3 （一）城市内涝（waterlogging） 3 （二）预警系统 4 二、技术路线 4 （一）功能描述 4 （二）总体设计 5 三、关键技术 10 四、经费预算 11 五、项目实施工作计划 12 一、研究背景 （一）城市内涝（waterlogging） 深圳属亚热带海洋性气候，雨量充沛。据三防部门介绍，深圳市有260多处内涝点，内涝面积180多平方公里，影响人口约280万人。城市内涝频发，不仅对居民生命财产安全造成威胁，也严重影响城市的正常运转（见图1）。 图1 城市内涝破坏交通 在经济高速发展时期，人类活动对城市内涝灾害的影响日趋显著。首先城市化改变了城市的地形/地貌，进而影响降水产汇流条件。随着市区的扩张，房屋建筑更加密集，混凝土铺盖的不透水面积不断增加，而地表植被和坑塘日益减少，致使地表的持水、滞水及渗透能力减弱。暴雨时产汇流时间缩短，地表及河道径流量猛增，内涝灾害加剧[1,2]。同时，城市空间立体开发。如地下室、地下停车场、地铁、道路的下挖式立交通道等的大量修建，一旦进水积涝，其损失也是巨大。 （二）预警系统 目前，城市尚无专门的内涝实时监测系统，暴雨发生时往往不能给出及时、准确内涝情况，难以采取合理地应对措施。从技术上讲，对既定的城市排水网络，可用明确的解析函数描述:城市内涝区域的积水模型;积涝模型，涉及的参数包括管道流量、暴雨强度、汇水面积、径流系数等[2,3]；城市积涝风险分析模型[5]。 城市内涝可以实时测量并预警。本案提出的内涝预警系统设计，根据先验知识实时监测内涝灾害最直观的表现因素-排水井/检查井（manhole）的水位变化。在关键节点安装水位监测装置，并与监控系统通信，实时监测观测区域内水位的变化情况，并根据模糊逻辑为工作人员提供预警决策。 二、技术路线 （一）功能描述 针对实际问题，城市内涝预警系统应具备如下指标： （1）实时水位监控 水位监测是本系统应要求的主要功能。要求该系统能够快速有效地实现关键节点的水位检测，并通过无线通信完成可靠的数据传输。 （2）低功耗 本试验系统的观测节点可以采用两种方式供电：（a）直接利用下水井周边市电；（b）拟采用小型蓄电池配合太阳能电池独立供电。无论采用哪种供电方式，低功耗都是系统的考虑要素。 （3）低成本 考虑到一个实用的监测系统必然是一个大规模的城市网络，只有控制观测节点的成本才能保证网络构建的可扩展性。 （4）良好的环境适应性 排水井/下水道环境恶劣，这就要求观测节点须具有良好的环境适应性，基本的环境适应性指标包括： -防泥沙、灰尘，防水，防潮 （5）应用方便 监控中心（如图2所示）具有友好的人机界面，监控软件：A、能够近实时绘制排水井水位曲线；B、能够根据用户需要查询任意节点任意时间段的水位监测数据，为数据分析和挖掘提供可靠的数据支持。 （二）总体设计 （1）系统构成 整个系统由两大部分组成：监控中心和位于现场的一系列观测节点。 监控中心：如图2（a）所示，负责现场监测的所有观测节点。监控中心与观测节点之间通过GPRS的无线无线通信互传数据。 图2（b）为监控软件的模拟图，主要功能是为工作人员提供一目了然的水位、涨速以及预警系数（预警级别）。 图2（a） 系统总体构成 图2 （b）软件功能模拟图 （2）观测节点 观测节点：如图3所示，主要包括三部分：低功耗控制器、水位采集模块和通信模块。此外，为了维持观测节点的稳定工作，微控制器还要执行一些其他辅助功能，例如，对于独立供电的节点，需要检测蓄电池的电量，并在低电量时向监控中心发出低电量警告。 为了尽可能降低系统功耗，采用如下措施： A、观测节点采用低功耗单片机，如MSP430系列或C8051F的低功耗系列单片机，如C8051F985在20MHz时钟工作时电流仅为3mA，消耗功率10mW。 B、根据水位变化率调节观测节点的工作能耗： -水位变化率小，采用较长时间间隔观测水位，如每1分钟或每5分钟观测一次。 -水位变化率较大时，实时观测，适时预警。 观测节点的详细功能框图如图7所示。系统基本组件包括：蓄电池、微控制器、水位测量模块、GPRS通信模块。 水位水位监测 水位 水位监测 采集模块 （3）预警决策： 利用模糊逻辑实现决策，输入量为水位及其涨速，输出量为预警级别。预警级别具体表征观测节点处发生溢水的可能性。 表1 利用模糊逻辑计算预警级别 涨速\水位 极低 低 中 高 极高 负 低 低 低 中 中 低 低 低 中 高 高 中 低 中 中 高 高 高 中 中 高 高 高