一种基于降水预报的城市内涝告警装置及方法与流程

本发明涉及降雨水位监测和测试，具体为一种基于降水预报的城市内涝告警装置及方法。

背景技术：

1、城市内涝是指在城市区域遭遇暴雨或短历时强降水天气后发生的气象衍生灾害。城市地区雨量过多超过排水能力形成地表积水，当积水过深、范围过大，影响城市交通、居民生活和生产活动而形成的灾害，称为城市内涝。内涝灾害发生时，受影响最大的城市交通状况是：当积水深度达到20厘米时，行人步行困难；积水超过30厘米时，则自行车、小汽车难以行驶；积水超过80厘米时，则交通完全瘫痪。暴雨内涝使地下商场、停车场和轨道交通等地下设施积水倒灌浸泡的隐患空前增大，积水还会造成房屋损坏、物品浸泡，造成财产损失，甚至会威胁生命安全。积水常常变成污水，对城市环境卫生造成不良影响。

2、城市内涝是由强降雨引起的，而降雨量预报、暴雨灾害预警等是气象部门最基本的职责之一。现有的内涝告警方法在实施中，因为城市地区地形的不同，容易出现数据不完整的情况，尤其是城市中一些地表是有蓄水能力的，导致内涝告警装置往往只考虑降雨量和排水能力等因素，而忽视其他因素的影响，如城市建设规划、地表覆盖类型等。这可能导致系统对内涝风险的评估不够全面，无法准确反映城市内涝的复杂性和多样性。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于降水预报的城市内涝告警装置及方法，这种装置不仅考虑了降雨量和排水能力等传统因素，还充分考虑了地表透水性能的差异性。通过根据实际经验调整权重，可以更好地反映不同地区的地表透水能力，并提高综合排水系数pxs的准确性和预测能力。同时，与实时监测模块的结合使得装置能够及时检测城市排水系统的异常情况，并采取相应的措施。这种改进的装置架构有助于提高内涝告警装置的综 合评估能力，更全面地考虑城市内涝风险的多样性和复杂性。通过增加对地表透水性能的考虑，装置能够更好地适应不同地区的特点，提供更准确和可靠的内涝预测和告警信息，从而提高城市排水系统的效率和应急响应能力。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于降水预报的城市内涝告警装置，包括数据获取模块，用于获得历史周期降水量数据、城市地表高程数据和城市排水设备数据；

5、特征提取模块用于对获取到的历史周期降水量数据、城市地表高程数据和城市排水设备数据进行特征提取，分别分析获得历史降雨量系数js、地表透水指数dt和排水效率指数ps；

6、建立水流模型模块，用于模拟城市内涝和水流过程，并，将历史降雨量系数js、地表透水指数dt和排水效率指数ps，进行归一化处理后，关联汇总形成综合排水系数pxs；

7、所述综合排水系数pxs通过以下公式获得：

8、式中，其中，，，且，为权重，其具体值可由用户依据实际经验进行调整及修正，通过改变的的数值，来对综合排水系数pxs进行修正；

9、实时监测模块，用于实时监测当前降雨量，并分析获取当前排水系数ppx；

10、评估模块，用于将当前排水系数ppx与综合排水系数pxs进行对比获得差值diff，并将差值diff与报警指数设置的阈值进行对比，当差值diff高于报警指数的范围时，发送至告警模块进行相应级别的告警输出。

11、优选的，所述数据获取模块包括气象采集单元、城市地形采集单元和排水设备采集单元；

12、气象采集单元用于通过当地气象观测站或气象雷达实时收集雨量数据，所述雨量数据包括降水强度、降水市场和降水分布，并获得历史周期降水量数据；

13、城市地形采集单元用于采集城市地表高程数据，所述城市地表高程数据包括河床高程、湖泊大小、道路高程、横断面积、坡道数量和地表覆盖绿植数据；

14、排水设备采集单元用于采集城市排水设备数据，所述排水设备数据包括排水管道、排水井、雨水收集设备以及河流水位数据。

15、优选的，所述地表透水指数dt通过以下公式进行获取：

16、式中，s表示坡度系数，描述地表坡度的影响，值越大表示较大的坡度，透水能力较弱；sn表示坡道的数量；l表示为坡度长度系数，考虑坡面的长度特征，值越大表示较大的坡面长度，透水能力较弱，ln表示为坡道的面积值；r表示为粗糙度系数，反映地表的粗糙程度，值越大表示地表较为光滑，透水能力较弱；rn表示为粗糙度地表的面积；c表示土壤蓄水系数，描述土壤的蓄水能力，值越大表示土壤具有较高的蓄水能力，透水能力较强；cn表示土壤的面积值；p表示地表覆盖系数，表示绿植地表类型对透水能力的影响，值越大表示较高的透水能力；pn表示绿植地表面积值；表示修正常数。

17、优选的，所述排水效率指数ps通过以下公式获得：

18、式中，sb表示为排水管道覆盖系数，描述排水管道的覆盖范围和效能，值越大表示设备覆盖的面积或范围越大，排水效率较高，w1表示该参数的权重值；

19、xl表示为排水设备效率系数，反映排水设备的排水能力和效率，值越大表示设备的排水能力较强，效率较高；w2表示该参数的权重值；

20、sn表示排水设备数量系数，表示排水设备的数量和分布情况，值越大表示设备数量较多，排水效率较高；w3表示该参数的权重值；

21、u表示设备更新系数，描述排水设备的更新和维护情况；值越大表示设备更新和维护较及时，排水效率较高；w4表示该参数的权重值；

22、lu表示设备利用率系数，表示排水设备的利用程度和频率；值越大表示设备的利用效率较高，排水效率较高；w5表示该参数的权重值。

23、优选的，所述建立水流模型模块包括水流模拟单元、归一化处理单元、综合排水系数pxs计算单元和验证优化单元；

24、水流模拟单元用于基于地形地貌数据、城市排水系统的信息以及降水预报数据，建立水流模拟模型；

25、归一化处理单元用于根据历史降水量系数js、地表透水指数dt和排水效率指数ps，进行归一化处理，采用线性变换或对数变换方法处理；

26、综合排水系数pxs计算单元用于通过将历史降水量系数js、地表透水指数dt和排水效率指数ps进行关联汇总，得到综合排水系数pxs；

27、验证优化单元，收集实际内涝事件的观测数据，与模型模拟结果进行比较和分析，评估模型的精度和可靠性；根据验证结果，对水流模型的参数和算法进行优化。

28、优选的，所述实时监测模块用于监测当前的降雨量，通过水位传感器实时监测当前水位量，来获取到每小时降雨量和24小时降雨量，并将每小时降雨量和24小时降雨量与地表透水指数dt和排水效率指数ps进行相关联，获取到当前的排水系数ppx。

29、优选的，所述评估模块将当前排水系数ppx与综合排水系数pxs进行对比，获得差值diff，差值diff表示当前排水能力与预期排水能力之间的差异，将差值diff与报警指数设置的阈值进行对比，判断是否触发相应级别的告警输出；

30、根据评估模块的判断结果，由告警模块接收判断评估结果，并划分为低级别、中级别和高级别的告警级别，具体告警操作如下：

31、当差值diff高于低级别报警指数的阈值时，触发低级别告警输出；

32、当差值diff高于中级别报警指数的阈值时，触发中级别告警输出；

33、当差值diff高于高级别报警指数的阈值时，触发高级别告警输出；

34、根据级别信息，执行相应的告警操作，包括发送警报通知、推送告警消息和显示在报警控制中心其中一种或多种形式。

35、优选的，还包括预测模块和方案模块；

36、所述预测模块用于基于所述历史周期降水量数据，建立预测模型，预测未来一段周期时间内的降雨量，获得预测结果；

37、所述方案模块，根据预测结果和当前的差值diff，制定相应的应对方案，方案包括调度排水设备、加强巡查和清理排水管道、提醒居民采取防范措施其中的一种或多种。

38、一种基于降水预报的城市内涝告警方法，包括以下步骤；

39、s1、实用气象观测站或气象雷达实时收集降雨数据，获取历史周期降水量数据；

40、s2、收集城市地表高程数据，包括河床高程、湖泊大小、道路高程、横断面积、破堤和地表覆盖绿植数据；

41、s3、获得城市排水设备数据，包括排水管道、排水井、雨水收集设备以及河流水位数据；

42、s4、基于s1-s3步骤中获取的数据，进行特征提取，分析获取历史降雨量系数js、地表透水指数dt和排水效率指数ps；

43、s5、建立水流模型和预测模型，计算获取综合排水系数pxs，并获得预测结果；

44、s6、将实时降雨数据进行计算获取当前排水系数ppx，并将当前排水系数ppx和综合排水系数pxs进行对比获得差值diff，并将差值diff与报警指数设置的阈值进行对比，当差值diff高于报警指数的范围时，进行相应级别的告警输出；

45、s7、依据预测结果和当前的差值diff，制定相应的应对方案，实施防涝措施。

46、优选的，所述s5步骤中具体包括：依据所述城市地表高程数据模拟三维动态，建立水流模型，并对不同地形区域进行划分，获得若干个区域，对若干个区域内的综合排水系数pxs进行计算，并与区域阈值进行对比，若综合排水系数pxs高于阈值，则在水流模型上标记为瓶颈区域，并对若干个瓶颈区域依据综合排水系数pxs值的由高到低进行顺序排序；在s6步骤中，优先将瓶颈区域综合排水系数pxs高的值进行比对，并进行及时告警输出。

47、本发明提供了一种基于降水预报的城市内涝告警装置及方法。具备以下有益效果：

48、（1）该装置的优势在于不仅考虑了降雨量和排水能力等传统因素，还充分考虑了地表透水性能的差异性。通过根据实际经验调整权重，可以更好地反映不同地区的地表透水能力，并提高综合排水系数pxs的准确性和预测能力。同时，与实时监测模块的结合使得装置能够及时检测城市排水系统的异常情况，并采取相应的措施。这种改进的装置架构有助于提高内涝告警装置的综合评估能力，更全面地考虑城市内涝风险的多样性和复杂性。通过增加对地表透水性能的考虑，装置能够更好地适应不同地区的特点，提供更准确和可靠的内涝预测和告警信息，从而提高城市排水装置的效率和应急响应能力。

49、 （2）通过数据获取模块收集雨量数据、城市地表高程数据和城市排水设备数据，并进行整合，可以为城市排水系统的分析和评估提供基础。通过获取气象数据、城市地形数据和排水设备数据，可以更全面地了解城市内涝的风险和排水系统的状况。这样的信息有助于制定针对性的措施，改善城市的排水能力，并提高抗洪和防涝的效果

50、（3）地表透水指数dt结合了多个参数，包括坡度、坡道数量、坡度长度、粗糙度、土壤蓄水能力和地表覆盖等因素，用于评估地表的透水特性。通过调整各个参数的值，可以定量评估地表的透水能力，并在城市排水系统设计和规划中提供有益的参考。

51、 （4）建立水流模型，并对不同地形区域进行划分，获得若干个区域，这些区域可能包括高地区、低洼区、河流沟谷等；对若干个区域内的综合排水系数pxs进行计算，并与区域阈值进行对比，判断该区域的排水能力是否达到预期；若综合排水系数pxs高于阈值，则在水流模型上标记为瓶颈区域，说明该区域的排水能力可能存在瓶颈，无法满足预期的排水需求。该方法在于结合城市地表高程数据和水流模型，能够对不同地形区域的排水能力进行综合评估，并确定排水瓶颈区域，并对瓶颈区域进行优先级的告警和处理。