[0001] 本发明涉及水体监测技术领域，尤其涉及一种用于城市排水管网水位和流量监测系统及方法。

[0002] 水位、流量监测是针对江、河、水库等水体的重要监测指标，具有重要意义。现有技术中，常规的水位、流量监测方法有传感器监测、水位尺人工监测和巴歇尔槽测量三种方式方法。其中，传感器监测能够自动采集表征水位、流量的模拟量，然后通过一定的电路和算法将模拟量转换成水位、流量数据。

[0003] 据所采集模拟量的不同，水位、流量传感器可分为浮子式传感器、压力式传感器、超声波式传感器等等多种形式。浮子式水位计比较便宜，适用性强，但是，测量水位时，要为它单独建造一个水位计房，其房子的造价甚至超过水位传感器的费用。此外，压力式传感器受水质变化的影响较大，需要经常检查并调整率定系数，给运行维护带来困难；而超声波水位传感器至于明渠之上，外界干扰多，经常会出现测量水位漂移的现象。另一方面，人工监测方式费时费力，巴歇尔槽需要将渠道进行改装和定型，显然不符合大多数排水管网的现场环境，亦不能适应水位监测智能化、自动化的要求。现有技术中的水位监测方法存在监测手段落后、监测成本较高、监测数据不准确等问题，不利于水位、流量监测工作的进一步发展。

[0004] 因此，有必要提供一种新型的用于城市排水管网水位和流量监测系统及方法，以克服上述缺陷。

[0016] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0017] 请参阅图1，本发明一种用于城市排水管网水位和流量监测系统，包括用于水域信息监测的监测终端1，与所述监测终端1通信连接的遥测通讯终端2，与所述遥测通讯终端2通信连接的通信单元3，与所述通信单元3通信连接的数据库服务器4，以及与所述数据库服务器4通信连接的系统展示平台5，以及与所述遥测通讯终端2连接的供电设备6。

[0018] 所述监测终端1包括多普勒超声波流速仪、水位传感器、COD传感器、氨氮传感器和视频监控器中至少一种。

[0019] 所述系统展示平台5包括移动端和PC端，所述系统展示平台还包括数据展示功能模块、历史记录查询功能模块、阈值设定功能模块、预警报警功能模块、对比分析及筛选功能模块、图表展示功能模块以及可拓展模块。

[0020] 所述通信单元3包括NB‑IoT、GPRS或有线光纤通信模块。

[0021] 所述供电设备6以太阳能蓄电池给监测终端和遥测通讯终端供电，确保设备正常运行30天以上，条件允许的情况可以通过安装光伏太阳能板给蓄电池充电，延长电池更换周期。

[0022] 请参阅图2，本发明还提供一种用于城市排水管网水位和流量监测方法，该方法采用如上述的用于城市排水管网水位和流量监测系统，包括：

[0023] S1、将监测终端安装在待测水流区域；安装在待测水流区域的方式包括水底安装、支架安装、竖井安装以及悬浮安装等。

[0024] 水底安装：第一步，固定监测终端的探头到水底，直接将探头放到待安装位置，使用笔或或螺丝刀在支架安装孔位置做好标记；第二步，使用φ10钻头配合冲击钻在标记的安装孔位置钻孔，深度不少于10cm(必须大于使用膨胀螺丝的长度)，然后使用4颗8mm膨胀螺丝插入到安装孔中，将多普勒超声波流速仪固定牢靠；第三步，将线缆进行穿管保护，并将线管固定到渠道底部与侧边，往立杆所在位置走线，水下线管必须固定牢靠，不能有任何的线缆暴露在水中，按照走线示意图所示进行穿管保护，线管采用不锈钢骑马卡(管卡)进行保护，使用φ6的塑料膨胀螺丝固定，需要使用6mm钻头在安装位置钻孔；第四步，所有接线通过空心不锈钢管或者PVC管穿出，接入岸边或者防水盒内的电源和遥测通讯终端，实现数据交互。

[0025] 安装时注意断电接线，通电前检查接线是否正确，监测终端的探头与波纹管在水下必须固定牢靠，防止被水冲脱落损坏，监测终端支架镀锌钢管与岸边必须固定牢靠，防止被水冲击送到最终导致设备损坏。线缆穿管走线请勿对折线缆，保证转弯时的弧度不要过小，防止对折后堵住内部气管，导致压力传感器数据发生偏移。水流较急(大于0.8m/s)的安装环境，请对支架进行加固处理。

[0026] 支架安装：第一步，先将钢板与方钢进行固定(方钢与镀锌钢管需要提前焊接)，使用4颗M8*4不锈钢螺与螺母，将固定板与方钢进行连接固定；第二步，将监测终端的线缆先套入一个20cm长度波纹管后，从方钢穿入，从镀锌钢管另一端穿出，然后使用4颗M8*4不锈钢螺丝螺母将监测终端固定在钢板上；第三步，固定镀锌钢管，将镀锌钢管使用M40不锈钢管卡与φ6mm膨胀螺丝进行固定，至少固定4个以上管卡，流速高的需要对支架进行加固，并固定更多的管卡；第四步，将线缆进行穿管保护，并将线管固定渠边，往立杆所在位置走线，线管采用不锈钢骑马卡(管卡)进行保护，使用φ6的塑料膨胀螺丝固定，需要使用6mm钻头在安装位置钻孔，在岸上的可以进行预埋走线，接入岸边或者防水盒内的电源和遥测通讯终端，实现数据交互。

[0027] 竖井安装：第一步，在监测终端的线缆套上一段30cm左右长度的波纹管，用于保护尾部线缆，使用4颗M8不锈钢螺丝螺母固定流速仪探头到钢板；第二步，将线缆穿入镀锌钢管，并将镀锌钢管一节一节拼接拧紧(根据需要的长度拼接)，在钢管顶部做好标记，指向流速仪朝向，防止安装下去后无法确认流速仪朝向；第三步，调整好安装方向，将扎带(流速仪探头)朝向上游横井中央位置，使用冲击钻配φ10mm钻头在竖井或箱涵上(钢管安装位置所在垂线)开孔，根据现场情况至少使用3个以上不锈钢膨胀吊卡固定(要保证安装牢靠，流速高的情况下需要更多不锈钢膨胀吊卡)；第四步，将线缆进行穿管保护，并将线管固定渠边，往立杆所在位置走线，线管采用不锈钢骑马卡(管卡)进行保护，使用φ6的塑料膨胀螺丝固定，需要使用6mm钻头在安装位置钻孔，在岸上的可以进行预埋走线，接入岸边或者防水盒内的电源和遥测通讯终端，实现数据交互。

[0028] 悬浮安装：第一步，将监测终端探头朝迎水流方向固定在悬浮球底部，接线与线管在岸上固定好，放入水中测试，设备正常通讯为防水密闭性良好；第二步，在岸边或者固定基面立桩，深度≥30cm，通过钢丝绳穿过悬浮球固定位置与对面桩位连接，并加固，钢丝绳牵引力≥1t；第三步，调节钢丝绳松紧程度，使之能承受历史最大流速冲击，且在枯水时节不至于悬浮在空中；第四步，线缆通过穿线管固定在岸边设备箱内，预留孔应用橡胶圈包裹，防止磨损造成线缆绝缘皮破损，同时接入岸边或者防水盒内的电源和遥测通讯终端，实现数据交互。

[0029] S2、将监测终端与遥测通讯终端设备通信连接，并通过遥测通讯终端设备进行排水管网类型和计算横截面积，再根据流量计算公式进行流量计算，并将结果发送到系统展示平台；

[0030] 所述流量计算公式如下：

[0031] Q＝S*V*a

[0032] 其中，S表示当前过流面积；V表示当前瞬时流速；a表示系数，取值为1。如果渠道有淤积，淤积部分面积需要单独计算，并且在最终过流面积中进行减去,如果流速仪不是安装在最低处，水深需要补偿流速仪安装高度。该算法的核心在于过流面积计算，不同形状的渠道计算方式不一样，但是均是通过水深与断面数据进行计算，具体计算方式如下(只做矩形，梯形，圆管，非规则示例，其它U型，三角形等计算方式类似，主要为面积计算公式)。

[0033] 所述过流面积包括箱涵断面面积、管道断面面积或沟渠断面面积。

[0034] 所述箱涵断面面积计算包括：

[0035] 当箱涵为矩形时，，则过流面积为S＝W*SH，W表示渠道宽度，SH表示水深；

[0036] 当箱涵为梯形时，先计算水面宽度WL＝W2+(W1‑W2)*SH/H；再计算梯形面积＝(窄底+宽底)*高/2，最后计算面积S＝(WL+W2)*SH/2，W1表示梯形的宽底、W2表示梯形的窄底和H表示梯形的高度。

[0037] 所述管道断面面积计算包括：

[0038] 满管：S＝pi*(D/2)*(D/2)；

[0039] 半管：S＝pi*(D/2)*(D/2)/2；

[0040] 小于半管：即水位h＜D/2时，S＝(θ‑sinθcosθ)r2，湿周ρ＝2θr；

[0041] 大于半管：即水位h＞D/2时，S＝(pi‑θ+sinθcosθ)r2，湿周ρ＝2(pi‑θ)r；

[0042] 其中D为管道直径，pi为圆周率，θ为平面角。

[0043] 所述沟渠断面面积计算采用分割法进行包括：

[0044] 沟渠属于非规则管道需要计算河床断面，河床断面与水面形成封闭多边形；利用任意多边形都可以分割为N个三角形，将封闭多边形分割成多个三角形，然后计算每个三角形面积；将多个三角形面积进行累加得到沟渠断面面积。

[0045] 例如，给定多边形(A,B,C,D,E,F,S)的顶点坐标(有序)，来求这个多边形的面积，那么第一步就是把给定的多边形，分割为数个三角形，然后分别求面积，最后累加就可以了，把多边形分割为三角形的方式多种多样，在这里，我们按照图3的方法分割，则不规则多边形面积为：

[0046] S(A,B,C,D,E,F,S)＝SΔ(A,B,S)+SΔ(B,C,S)+SΔ(C,D,S)+SΔ(D,E,S)+SΔ(E,F,S)，对凸多边形同样适用。

[0047] S3、系统展示平台设定阈值范围以便于进行自动报警。

[0048] 对前端数据采集终端采集数据进行入库操作；对有效信息进行配置和分类，例如水位定义为“SW”、流速定义为“LS”、流量定义为“LL”等等，以此类推；设定上下阈值约束，人工判断阈值限值设定，分别给SW、LS、LL设定上限阈值和下限阈值，并对采集数据进行判断；利用计算机代码进行代码自动判断；当SW低于设定下限阈值或高于上限阈值，自动向后台推送报警信息；当LS低于设定下限阈值或高于上限阈值，自动向后台推送报警信息；当LL低于设定下限阈值或高于上限阈值，自动向后台推送报警信息；并将报警信息通过页面推送或短信提醒方式，提醒指定用户。

[0049] 与相关技术相比较，本发明具有简易安装、性能稳定、长时间工作不受干扰；安装环境不受限制，不受市电、光纤、河流宽度、水质条件、河床结构限制；多种安装方式适应不同监测条件，确保数据准确和有效；通过阈值设定，水位、流量激增或突降等异常情况实时预警。

[0050] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。