一种城市积水监测防振荡结构及其参数计算方法

技术领域

本发明属于城市内涝中积水监测的技术领域，具体涉及一种城市积水监测防振荡结构及其参数计算方法。

背景技术

近年来，我国部分城市极端暴雨的发生频率显著上升，与城市扩张、排水系统老化等不利因素叠加，引发了严重的城市内涝灾害，使得“城市看海”在我国许多城市频频上演，造成较大经济损失，引发强烈社会关注。城市积水过程的监测，是城市内涝防治规划、应急抢救、科学研究的重要基础，其监测质量的高低直接关系到内涝管理和研究工作的成效。当前，常用的积水监测设备主要是压力传感式和浮子式，通常安装在易涝点，主要是道路、涵洞沿线，易受到过往车辆的影响，当大型车辆通过时，引发积水波浪，造成监测水位的振荡，当振幅较大时，不仅明显引起数据质量下降，而且可能造成内涝预警“假报警”现象，即由于车辆经过引发的积水监测数据振荡造成内涝预警系统频繁报警，但实际积水水深并未达到报警水深的情况。为了防止这种情况的发生，现有技术在积水监测设备的入口，设置一定的关卡，实现对瞬时高流速水流的消能，从而使得积水水深的监测值更接近真实值。要实现这种消能，关键的问题是，如何设计该关卡的结构，并根据不同的情况推算出相关的结构参数，以确保能够消除监测数据的不真实“振荡”，但同时，又不影响对正常真实监测过程的反映。

目前，城市内涝积水主要通过在路面设置监测井进行检测并传输数据，监测井内的装置为电子压力计或者电子水尺，根据积水的压力变化或者积水水面高度对路面积水进行检测。在这种监测方式下，积水直接接触监测装置，积水不稳定波动将对监测数据稳定性造成影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种城市积水监测防振荡结构及其参数计算方法，以解决现有技术积水直接接触监测装置，积水不稳定波动将对监测数据稳定性造成影响的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，一种城市积水监测防振荡结构及其参数计算方法，其包括设置于监测井入口的安全门结构；安全门结构包括位于底部的导流管和位于导流管上部的安全室；安全室与导流管连通，且安全室与导流管一体成型；导流管一端开设进水口，导流管另一端开设出水口；安全室与导流管之间设置第一挡流板，靠近出水口一侧的导流管内设置第二挡流板。

一方面，一种城市积水监测防振荡结构的参数计算方法，包括以下步骤：

S1、根据汽车轮胎参数和汽车行驶速度，计算积水波动流速；

S2、根据积水波动流速和积水深度计算积水进入安全门结构前的积水能量；

S3、对安全门结构进行结构参数预设；

S4、根据预设的结构参数，计算安全门结构的消能效率；

S5、若消能效率低于预设值，则返回步骤S3，若消能效率大于等于预设值，则保存安全门结构的结构参数设定。

进一步地，S1中根据汽车轮胎参数和汽车行驶速度，计算积水波动流速，包括：

其中，v

进一步地，S2中根据积水波动流速和积水深度计算积水进入安全门结构前的积水能量，包括：

其中，h为积水深度，α水流动能校正系数，g为重力加速度，H

进一步地，预设的安全门结构的结构参数包括：导流管长度和进出水口直径，并假设导流管长度为l。

进一步地，S4中根据预设的结构参数，计算安全门结构的消能效率：

其中，H

进一步地，总水头损失为：

H

其中，H

进一步地，定义当效能效率大于等于预设值，则保存安全门结构的结构参数设定，则需满足：

其中，1为导流管长度，d

本发明提供的城市积水监测防振荡结构及其参数计算方法，具有以下有益效果：

本发明算法可根据不同的情况推算出安全门结构的相关的结构参数，以确保能够消除监测数据的不真实“振荡”问题，同时，也不影响对正常真实监测过程的反映，可有效地减弱积水对监测设备的冲击和波动，从而使城市路面积水监测更加稳定、准确。

附图说明

图1为安全门结构图。

图2为安全门结构参数计算流程图。

图3为汽车轮胎和路面积水参数示意图。

图4为汽车轮胎运动示意图。

其中，1、导流管；2、进水口；3、出水口；4、安全室；5、第一挡流板；6、第二挡流板。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的城市积水监测防振荡结构及其参数计算方法，包括设置于监测井入口的安全门结构，积水经过波动后，进入安全门结构中，实现对积水波动的消能。

安全门结构包括位于底部的导流管1和位于导流管1上部的安全室4，安全室4与导流管1连通，且安全室4与导流管1一体成型，导流管1一端开设进水口2，导流管1另一端开设出水口3。

安全室4与导流管1之间设置第一挡流板5，靠近出水口3一侧的导流管1内设置第二挡流板6。

本方案的安全门结构内通道较曲折、流体阻力大、动能消耗大的原理对积水的波动和冲击进行削弱。

根据本申请的一个实施例，参考图2、图3和图4，为了实现安全门结构的消能作用，其重点在于安全门结构的参数计算，其具体步骤包括：

S1、根据汽车轮胎参数和汽车行驶速度，计算积水波动流速；

通常情况下，路面积水的波动主要由汽车快速行驶产生，该部分计算分析在不同情况下城市道路中汽车行驶所产生的路面积水波动的流速。汽车对积水的作用主要由轮胎直接产生，在该计算部分中将汽车的轮胎和轮毂、轮辐、轮辋等结构视作一个均质圆柱，只考虑轮胎整体的宽度和直径，不考虑轮胎的结构材质等其他因素的影响。在保证安全的情况下，汽车通常不会在深度超过轮胎半径的积水中行驶，故在该计算部分中默认积水深度不大于轮胎半径。

计算轮胎浸没于积水中的体积：

V

其中，h为路面积水深度，d

汽车行驶的速度为v

其中c

在汽车一般行驶速度下，t通常极短，在时间t内可将轮胎前进时对积水的作用视为均匀地向两侧排开，单侧排开水的体积为轮胎在积水中浸没体积的1/2，故在此条件下，计算轮胎靠路面一侧排开积水的速度为：

其中，v

S2、根据积水波动流速和积水深度计算积水进入安全门结构前的积水能量；

其中，h为积水深度，α水流动能校正系数，g为重力加速度，H

S3、对安全门结构进行结构参数预设；

假设进水结构即导流管1长度总长度为l，进水口2直径或出水口3直径为d

S4、根据预设的结构参数，计算安全门结构的消能效率；

根据达西公式对沿程水头损失H

其中，λ为沿程摩阻系数。

计算安全门结构局部水头损失H

其中，ξ为局部水头损失系数。

故总水头损失H

H

计算安全门结构的消能效率：

其中，H

S5、若消能效率低于预设值，则返回步骤S3，若消能效率大于等于预设值，则保存安全门结构的结构参数设定。

根据不同情况下路面积水可能产生的波动，对结构主要参数l和d

计算得到积水的水流速度v

H

进一步可得，参数之间需要满足：

并由此确定安全门结构的主要参数。

具体实施案例

某市经过无内涝城市和智慧水务工程的建设，共建立城市内涝监测点120余个，是城市内涝监测的重要基础设施。

在城市道路上主要为轿车、越野车和SUV，一般行驶速度为20-60km/h，根据车型不同轮胎尺寸标准一般在155/65R13-295/30R20范围之内。在计算验证过程中汽车行驶速度通常为20-60km/h，取平均值40km/h，汽车轮胎尺寸经过参数折算，宽度在155-295mm之间，取平均值225mm，直径在431-597mm之间，取平均值514mm。路面积水取15cm，即一般情况下汽车行驶路面到人行道的高度差。

积水流速及波动体积估算

数据经过本发明算法计算，理想状态下汽车轮胎排开水的体积V

安全门结构消能计算

经过计算，积水总水头H

由此可知，理想状态下当积水波动完全通过安全门结构，总水头损失接近积水波动的总水头，消能效率达88.2％，这意味着在真实情况下，当积水波动进入安全门结构后动能将被有效削减，避免波动对积水监测设备产生干扰。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。