排 水 管 网 内 涝 模 拟 系 统 的 开 发

李小坤， 姜 涛, 何嘉莉， 陈 兵

(华南理工大学 a.环境与能源学院；b.材料科学与工程学院，广东 广州 510006)



排 水 管 网 内 涝 模 拟 系 统 的 开 发

李小坤a， 姜 涛b, 何嘉莉a， 陈 兵a

(华南理工大学 a.环境与能源学院；b.材料科学与工程学院，广东 广州 510006)

给排水管网系统是给排水科学与工程专业本科教学的重要内容。由于缺乏实验教学装置，目前该专业在给排水管网系统的课程上只有理论教学，而没有开展相关内容的实验教学。针对这一现状，自主开发了适用于本科实验教学的排水管网内涝模拟系统。该实验装置主要由排水管网模型与在线监测系统两部分构成。通过该实验装置，学生可以进一步了解排水管网系统的组成、运行；根据在线监测的数据进行分析，优化排水管网的运行。

排水管网； 内涝； 在线监测； 实验教学装置

0 引 言

给水排水管网系统与水质工程学，共同构成给排水专业主干专业课程体系。目前在给排水专业实验教学中开展的是针对水质工程学的实验课。排水管网内涝模拟系统的开发需要计算机、自动化控制等专业人员配合。受限于多学科交叉，开发难度大等，该专业在给排水管网系统的课程上只有理论教学，缺少实验装置，而没有开展相关内容的实验教学[1-3]。

另一方面，随着我国城市化进程的不断加快，很多城市在汛期出现了内涝问题。然而，目前我国大部分城市的排水管网运行管理水平较低，许多城市仍沿用人工巡检的方式[4-8]。因此有必要建立实时性、全面性、准确性良好的排水管网在线监测系统，提高排水管网运行效率及安全性[9-15]。

针对以上问题，本课题组自主开发了排水管网内涝模拟系统。学生通过该排水管网内涝模拟系统，可以模拟不同排水体制下的排水管网运行状态，掌握排水管网的基本理论和工程设计方法；了解排水管网局部缺陷对整体管网的影响并进行深入分析，寻找解决方案；加深对排水管网在线监测系统的理解，并学会对数据进行分析、优化排水管网的运行。

1 教学模型试验装置

1.1 排水管网模型设计

根据实验室实际占地面积、水力学模拟结果和设备本身的要求，完成排水管网模型部分的搭建工作。如图1所示，本模型实际占地面积约8 m2(长4.2 m，宽1.9 m)，净高约为1.2 m。水源采用回用水箱，设计容积为0.45 m3，尺寸为1.8 m×0.5 m×0.5 m。

图1 排水管网模型平面图

排水管网按照1∶50的比例设计，管道平均坡度为0.003，管网区域由19段管道段18个检查井组成。排水干管直径为DN60，排水支管直径为DN40。为了能够准确获取检查井的水位值，每个检查井的高度为50 cm，直径20 cm。为了全面获取排水管网的运行参数，在每个检查井里安装了超声波液位计，超声波液位计广泛应用于城市污水、雨水管网系统的水位监测以及合流制污水溢流(CSO)的监测[16]。在用于模拟检查井进水处的配水口设置流量传感器，配水口共8个。于特定管段放置大口径橡胶塞，堵塞部分管段，可以对排水管网模型的结构及缺陷进行更改，实现雨污分流和合流两种排水管网结构的试验测试以及模拟排水管网因局部管径过小而造成溢流污染的情况。为不造成水资源浪费，设置可循环利用的配水系统，水流经过排水管网排至集水箱，然后通过水泵把水送至各个配水口实现循环。

1.2 在线监测系统设计

本系统硬件部分基于物联网和异网的信息交换技术，设计为数据采集层—传输控制层—调度管理层多层次系统体系结构,如图2所示。

图2 排水管网(内涝)模拟演示系统功能结构图

1.2.1 系统通讯网络设计

异网通信网络包括互联网Internet、ZigBee网络、GPRS网络、计算机局域网LAN。其中，数据采集层与传输控制层之间采用ZigBee无线通讯网络，传输控制层与调度管理层之间采用GPRS无线通讯网络，调度管理层内部服务器之间采用TCP/IP局域网通讯。

数据采集层由现场测控设备(传感器、控制执行设备)和ZigBee测控模块组成。ZigBee测控模块收集现场监控设备测量的城市排水管网运行数据(包括监控点的实时数据和设备工况数据)后，通过ZigBee短程通讯网络传送到现场无线通讯网关，无线通讯网关通过其连接的GPRS模块，把底端传感器所获取的数据以一定的时间间隔通过GPRS网络发送到调度管理层的管理中心服务器上。调度管理层通过管理中心服务器等系统硬软件，接收、分析处理、入库计算并显示由数据采集层发来的数据。

1.2.2 ZigBee测控模块设计

本课题组自主设计的ZigBee测控模块设计将ZigBee技术应用到排水管网实时监测中，可通过就近由强电供电或者蓄电池供电。当采用蓄电池的方式供电时，摆脱了目前大部分RTU内涝监测点必须采用强电供电的限制，给排水管网实时监测带来了极大的便利，大大提高系统的适用范围。

ZigBee测控模块的结构如图3所示，其集合了两路模拟输入、两路模拟输出、两路数字输入和两路数字输出共8路的测控端口，为实现远程测量和控制提供了灵活的接入方式。其中，模拟信号输入端口为电流型输入；数字信号输入端口根据数字输入模式选择可配置为报警、反馈、流速和流量的其中一种模式，其中报警为上升沿触发，反馈为电平测量，流速为脉冲频率计算，流量为脉冲计数；模拟信号输出端口与数字信号输出端口均为隔离输出，需要外部输入电源。

图3 ZigBee测控模块结构图

1.2.3 无线通讯网关设计

设计的无线通讯网关采用ZigBee、GPRS网络无线通讯技术以及嵌入式处理器硬软件技术。一个无线通讯网关最多可挂载99个ZigBee测控模块，测控模块地址由BCD拨码确定。无线通讯网关与管理中心服务器通过移动无线GPRS通讯网络交换实时动态数据；同时，无线通讯网关通过ZigBee网络与ZigBee测控模块连接，实现交换现场测控动态数据。该无线通讯网关具有大数据量、远程、持续、可靠的传输与协议转换性能。

1.2.4 软件平台设计

本系统采用Windows XP作为服务器的操作系统，采用SQL Server 2003作为数据库系统软件。内涝监测点的数据展现和分析软件采用自主开发的排水管网(内涝)模拟演示系统。

该系统的软件部分具有设备管理(包括通讯网关、测控模块、传感器、控制器等)、用户管理、 内涝监控点基础资料管理、 实时监控(包括实时数据、历史数据、收发显示)、 调度控制(手动控制、自动控制)、 系统设置功能。可以实现对采集到的数据进行各种运算处理， 查询历史数据；自动生成报表和曲线，显示实时趋势和历史趋势；远程控制无线通讯网关和测控模块、 传感器和控制执行设备。并且该系统可对城市内涝监控点实行可视化管理， 把监控的关键数据进行实时可视化显示，让管理者随时了解到城市内涝监控点及控制执行设备的当前状况，及时发现问题，提高对内涝监控的管理效率，减少管理成本。

2 教学演示的开展

(1) 将各个无线通讯网关通电，如图4所示。打开排水管网演示系统，登陆系统，通过观察系统主界面左下方的“ID-主控器-ip”菜单确定各个网关在线情况，待网关全部在线后开始测试。若网关持续掉线，可将网关断电重连。

图4 传感器读数示意图

(2) 打开水泵和配水口，观察系统读数变化，待读数稳定后对当前值进行记录。

(3) 调整各配水口处球阀的开关度致使排水管网主干管出现涌水情况，观察排水管网主干管流态变化和系统读数变化，并判断出可能出现溢流的检查井位置。及时关闭部分配水口，停止进水，以防有水溢出。

(4) 在指定管段放置大口径橡胶塞，用于堵塞部分管道，如图5所示，模拟合流制与分流制下排水管网的不同运行状态，观察各个传感器读数变化，待读数稳定后进行记录。根据读数的区别,理解不同排水体制对排水管网运行的影响。

图5 橡胶塞放置位置示意图

3 结 语

给排水管网系统是给排水科学与工程专业的专业必修课之一，然而目前大部分高校没有针对排水管网展开本科实验教学，学生对于排水管网规划布置、合流制与分流制管渠系统设计、排水管网运行管理的知识仅停留在理论上。排水管网内涝模拟系统结构紧凑、操作简单，填补了给排水管网系统课程在实验教学上的空白。本装置让学生了解到排水管网的组成、运行，认识到在线监测对于排水管网实际管理运行的重要性，并掌握了根据在线监测的数据进行分析，优化排水管网运行的方法。

[1] 郭迎庆. 《给水排水管网系统》课程教学改革与探讨[J]. 科技信息， 2010(30): 387-388.

[2] 李树平，刘遂庆，吴一蘩. 《给水排水管道工程》课程教学改革研究[J]. 教育教学论坛， 2011(24): 20-22.

[3] 覃晶晶. 提高给水排水管网系统课程教学质量方法初探[J]. 科教导刊(中旬刊)， 2013(4): 78-79.

[4] 朱思诚，任希岩. 关于城市内涝问题的思考[J]. 行政管理改革， 2011(11): 62-66.

[5] 张冬冬，严登华，王义成，等. 城市内涝灾害风险评估及综合应对研究进展[J]. 灾害学， 2014(1): 144-149.

[6] 韩 洋. 城市内涝控制与排水管网规划研究[D]. 西安：长安大学, 2014.

[7] 叶 斌，盛代林，门小瑜. 城市内涝的成因及其对策[J]. 水利经济， 2010(4): 62-65.

[8] 赵 杨. 城市积水与内涝对策研究[D]. 北京：北京建筑工程学院, 2012.

[9] 黄纪萍. 城市排水管网水力模拟及内涝预警系统研究[D]. 广州：华南理工大学, 2014.

[10] 鲁 帆，杨贵羽，严登华，等. 一种基于物联网的城市内涝监测方法及监测系统[P]. 2014-07-23.

[11] 张锡民，章 伟，赵春锋，等. 一种城市内涝监控系统[P]. 2014-07-02.

[12] 赵冬泉，李 磊，郭实敏，等. 排水管道液位与流量一体化在线监测系统[P]. 2014-12-24.

[13] 何嘉莉，陈 兵，姜 涛，等. 城市内涝在线监控与信息服务数字化系统设计[J]. 中国给水排水， 2014(1): 94-98.

[14] 林占东，张奕虹. 基于物联网的城市内涝监测预警系统建设思路初探[J]. 数字技术与应用， 2014(6): 235-236.

[15] 封 龙，戴 浩，丁长春. 内涝城市的环境监测[J]. 仪器仪表与分析监测， 2011(1): 39-40.

[16] 王 坚. 排水管网水位监测SCADA信息系统[J]. 城市道桥与防洪，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

广东省省级科技计划项目(2014A020216006)；华南理工大学2014年本科教研教改项目(Y1141180)

李小坤(1990-)，男，广东广州人，硕士生，主要从事给水排水信息化研究。Tel.：13416147087；E-mail：550849115@qq.com

导师简介：陈 兵(1968-)，女，吉林长春人，博士，研究员，环境与能源学院市政工程系副主任，研究方向为排水管网(内涝)云服务监控系统、给水管网漏失控制技术。

TU 992

A

1006-7167(2016)02-0067-03

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