排 水 管 網 內 澇 模 擬 系 統 的 開 發

李小坤， 姜 濤, 何嘉莉， 陳 兵

(華南理工大學 a.環境與能源學院；b.材料科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

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排 水 管 網 內 澇 模 擬 系 統 的 開 發

李小坤a， 姜 濤b, 何嘉莉a， 陳 兵a

(華南理工大學 a.環境與能源學院；b.材料科學與工程學院，廣東 廣州 510006)

給排水管網系統是給排水科學與工程專業本科教學的重要內容。由于缺乏實驗教學裝置，目前該專業在給排水管網系統的課程上只有理論教學，而沒有開展相關內容的實驗教學。針對這一現狀，自主開發了適用于本科實驗教學的排水管網內澇模擬系統。該實驗裝置主要由排水管網模型與在線監測系統兩部分構成。通過該實驗裝置，學生可以進一步了解排水管網系統的組成、運行；根據在線監測的數據進行分析，優化排水管網的運行。

排水管網； 內澇； 在線監測； 實驗教學裝置

0 引 言

給水排水管網系統與水質工程學，共同構成給排水專業主干專業課程體系。目前在給排水專業實驗教學中開展的是針對水質工程學的實驗課。排水管網內澇模擬系統的開發需要計算機、自動化控制等專業人員配合。受限于多學科交叉，開發難度大等，該專業在給排水管網系統的課程上只有理論教學，缺少實驗裝置，而沒有開展相關內容的實驗教學[1-3]。

另一方面，隨著我國城市化進程的不斷加快，很多城市在汛期出現了內澇問題。然而，目前我國大部分城市的排水管網運行管理水平較低，許多城市仍沿用人工巡檢的方式[4-8]。因此有必要建立實時性、全面性、準確性良好的排水管網在線監測系統，提高排水管網運行效率及安全性[9-15]。

針對以上問題，本課題組自主開發了排水管網內澇模擬系統。學生通過該排水管網內澇模擬系統，可以模擬不同排水體制下的排水管網運行狀態，掌握排水管網的基本理論和工程設計方法；了解排水管網局部缺陷對整體管網的影響并進行深入分析，尋找解決方案；加深對排水管網在線監測系統的理解，并學會對數據進行分析、優化排水管網的運行。

1 教學模型試驗裝置

1.1 排水管網模型設計

根據實驗室實際占地面積、水力學模擬結果和設備本身的要求，完成排水管網模型部分的搭建工作。如圖1所示，本模型實際占地面積約8 m2(長4.2 m，寬1.9 m)，凈高約為1.2 m。水源采用回用水箱，設計容積為0.45 m3，尺寸為1.8 m×0.5 m×0.5 m。

圖1 排水管網模型平面圖

排水管網按照1∶50的比例設計，管道平均坡度為0.003，管網區域由19段管道段18個檢查井組成。排水干管直徑為DN60，排水支管直徑為DN40。為了能夠準確獲取檢查井的水位值，每個檢查井的高度為50 cm，直徑20 cm。為了全面獲取排水管網的運行參數，在每個檢查井里安裝了超聲波液位計，超聲波液位計廣泛應用于城市污水、雨水管網系統的水位監測以及合流制污水溢流(CSO)的監測[16]。在用于模擬檢查井進水處的配水口設置流量傳感器，配水口共8個。于特定管段放置大口徑橡膠塞，堵塞部分管段，可以對排水管網模型的結構及缺陷進行更改，實現雨污分流和合流兩種排水管網結構的試驗測試以及模擬排水管網因局部管徑過小而造成溢流污染的情況。為不造成水資源浪費，設置可循環利用的配水系統，水流經過排水管網排至集水箱，然后通過水泵把水送至各個配水口實現循環。

1.2 在線監測系統設計

本系統硬件部分基于物聯網和異網的信息交換技術，設計為數據采集層—傳輸控制層—調度管理層多層次系統體系結構,如圖2所示。

圖2 排水管網(內澇)模擬演示系統功能結構圖

1.2.1 系統通訊網絡設計

異網通信網絡包括互聯網Internet、ZigBee網絡、GPRS網絡、計算機局域網LAN。其中，數據采集層與傳輸控制層之間采用ZigBee無線通訊網絡，傳輸控制層與調度管理層之間采用GPRS無線通訊網絡，調度管理層內部服務器之間采用TCP/IP局域網通訊。

數據采集層由現場測控設備(傳感器、控制執行設備)和ZigBee測控模塊組成。ZigBee測控模塊收集現場監控設備測量的城市排水管網運行數據(包括監控點的實時數據和設備工況數據)后，通過ZigBee短程通訊網絡傳送到現場無線通訊網關，無線通訊網關通過其連接的GPRS模塊，把底端傳感器所獲取的數據以一定的時間間隔通過GPRS網絡發送到調度管理層的管理中心服務器上。調度管理層通過管理中心服務器等系統硬軟件，接收、分析處理、入庫計算并顯示由數據采集層發來的數據。

1.2.2 ZigBee測控模塊設計

本課題組自主設計的ZigBee測控模塊設計將ZigBee技術應用到排水管網實時監測中，可通過就近由強電供電或者蓄電池供電。當采用蓄電池的方式供電時，擺脫了目前大部分RTU內澇監測點必須采用強電供電的限制，給排水管網實時監測帶來了極大的便利，大大提高系統的適用范圍。

ZigBee測控模塊的結構如圖3所示，其集合了兩路模擬輸入、兩路模擬輸出、兩路數字輸入和兩路數字輸出共8路的測控端口，為實現遠程測量和控制提供了靈活的接入方式。其中，模擬信號輸入端口為電流型輸入；數字信號輸入端口根據數字輸入模式選擇可配置為報警、反饋、流速和流量的其中一種模式，其中報警為上升沿觸發，反饋為電平測量，流速為脈沖頻率計算，流量為脈沖計數；模擬信號輸出端口與數字信號輸出端口均為隔離輸出，需要外部輸入電源。

圖3 ZigBee測控模塊結構圖

1.2.3 無線通訊網關設計

設計的無線通訊網關采用ZigBee、GPRS網絡無線通訊技術以及嵌入式處理器硬軟件技術。一個無線通訊網關最多可掛載99個ZigBee測控模塊，測控模塊地址由BCD撥碼確定。無線通訊網關與管理中心服務器通過移動無線GPRS通訊網絡交換實時動態數據；同時，無線通訊網關通過ZigBee網絡與ZigBee測控模塊連接，實現交換現場測控動態數據。該無線通訊網關具有大數據量、遠程、持續、可靠的傳輸與協議轉換性能。

1.2.4 軟件平臺設計

本系統采用Windows XP作為服務器的操作系統，采用SQL Server 2003作為數據庫系統軟件。內澇監測點的數據展現和分析軟件采用自主開發的排水管網(內澇)模擬演示系統。

該系統的軟件部分具有設備管理(包括通訊網關、測控模塊、傳感器、控制器等)、用戶管理、 內澇監控點基礎資料管理、 實時監控(包括實時數據、歷史數據、收發顯示)、 調度控制(手動控制、自動控制)、 系統設置功能。可以實現對采集到的數據進行各種運算處理， 查詢歷史數據；自動生成報表和曲線，顯示實時趨勢和歷史趨勢；遠程控制無線通訊網關和測控模塊、 傳感器和控制執行設備。并且該系統可對城市內澇監控點實行可視化管理， 把監控的關鍵數據進行實時可視化顯示，讓管理者隨時了解到城市內澇監控點及控制執行設備的當前狀況，及時發現問題，提高對內澇監控的管理效率，減少管理成本。

2 教學演示的開展

(1) 將各個無線通訊網關通電，如圖4所示。打開排水管網演示系統，登陸系統，通過觀察系統主界面左下方的“ID-主控器-ip”菜單確定各個網關在線情況，待網關全部在線后開始測試。若網關持續掉線，可將網關斷電重連。

圖4 傳感器讀數示意圖

(2) 打開水泵和配水口，觀察系統讀數變化，待讀數穩定后對當前值進行記錄。

(3) 調整各配水口處球閥的開關度致使排水管網主干管出現涌水情況，觀察排水管網主干管流態變化和系統讀數變化，并判斷出可能出現溢流的檢查井位置。及時關閉部分配水口，停止進水，以防有水溢出。

(4) 在指定管段放置大口徑橡膠塞，用于堵塞部分管道，如圖5所示，模擬合流制與分流制下排水管網的不同運行狀態，觀察各個傳感器讀數變化，待讀數穩定后進行記錄。根據讀數的區別,理解不同排水體制對排水管網運行的影響。

圖5 橡膠塞放置位置示意圖

3 結 語

給排水管網系統是給排水科學與工程專業的專業必修課之一，然而目前大部分高校沒有針對排水管網展開本科實驗教學，學生對于排水管網規劃布置、合流制與分流制管渠系統設計、排水管網運行管理的知識僅停留在理論上。排水管網內澇模擬系統結構緊湊、操作簡單，填補了給排水管網系統課程在實驗教學上的空白。本裝置讓學生了解到排水管網的組成、運行，認識到在線監測對于排水管網實際管理運行的重要性，并掌握了根據在線監測的數據進行分析，優化排水管網運行的方法。

[1] 郭迎慶. 《給水排水管網系統》課程教學改革與探討[J]. 科技信息， 2010(30): 387-388.

[2] 李樹平，劉遂慶，吳一蘩. 《給水排水管道工程》課程教學改革研究[J]. 教育教學論壇， 2011(24): 20-22.

[3] 覃晶晶. 提高給水排水管網系統課程教學質量方法初探[J]. 科教導刊(中旬刊)， 2013(4): 78-79.

[4] 朱思誠，任希巖. 關于城市內澇問題的思考[J]. 行政管理改革， 2011(11): 62-66.

[5] 張冬冬，嚴登華，王義成，等. 城市內澇災害風險評估及綜合應對研究進展[J]. 災害學， 2014(1): 144-149.

[6] 韓 洋. 城市內澇控制與排水管網規劃研究[D]. 西安：長安大學, 2014.

[7] 葉 斌，盛代林，門小瑜. 城市內澇的成因及其對策[J]. 水利經濟， 2010(4): 62-65.

[8] 趙 楊. 城市積水與內澇對策研究[D]. 北京：北京建筑工程學院, 2012.

[9] 黃紀萍. 城市排水管網水力模擬及內澇預警系統研究[D]. 廣州：華南理工大學, 2014.

[10] 魯 帆，楊貴羽，嚴登華，等. 一種基于物聯網的城市內澇監測方法及監測系統[P]. 2014-07-23.

[11] 張錫民，章 偉，趙春鋒，等. 一種城市內澇監控系統[P]. 2014-07-02.

[12] 趙冬泉，李 磊，郭實敏，等. 排水管道液位與流量一體化在線監測系統[P]. 2014-12-24.

[13] 何嘉莉，陳 兵，姜 濤，等. 城市內澇在線監控與信息服務數字化系統設計[J]. 中國給水排水， 2014(1): 94-98.

[14] 林占東，張奕虹. 基于物聯網的城市內澇監測預警系統建設思路初探[J]. 數字技術與應用， 2014(6): 235-236.

[15] 封 龍，戴 浩，丁長春. 內澇城市的環境監測[J]. 儀器儀表與分析監測， 2011(1): 39-40.

[16] 王 堅. 排水管網水位監測SCADA信息系統[J]. 城市道橋與防洪，2014(4): 238-241.

Development of Simulation of Waterlogging in Drainage Network

LIXiao-kuna,JIANGTaob,HEJia-lia,CHENBinga

(a. School of Environment and Energy; b. School of Materials Science and Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Water supply and drainage pipe network system plays an important role in undergraduate teaching of water supply and drainage science and engineering. Due to the lack of experimental teaching equipment, there is only theoretical teaching in the course of water supply and drainage pipe network system, instead of relevant experimental teaching. In order to solve this problem, a simulation system of water logging in drainage network was independently developed on the basis of environmental online-monitoring technique. The network would be applied to undergraduate experimental teaching. This experimental equipment consists of two parts: the model of drainage network and on-line monitoring system. According to this experimental equipment, students can learn better the composition and operation of drainage network. They can also learn how to optimize the operation of drainage network by the analysis of on-line monitoring data.

drainage network; waterlogging; on-line monitoring; experimental teaching equipment

2015-07-07

廣東省省級科技計劃項目(2014A020216006)；華南理工大學2014年本科教研教改項目(Y1141180)

李小坤(1990-)，男，廣東廣州人，碩士生，主要從事給水排水信息化研究。Tel.：13416147087；E-mail：550849115@qq.com

導師簡介：陳 兵(1968-)，女，吉林長春人，博士，研究員，環境與能源學院市政工程系副主任，研究方向為排水管網(內澇)云服務監控系統、給水管網漏失控制技術。

TU 992

A

1006-7167(2016)02-0067-03

Tel.：13660816189；E-mail：chenbing@scut.edu.cn