CN101692273A - 城市排水管网在线水力模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市排水管网系统在线模型建模方法，属于市政工程信息技术领域。该建模方法可以构建城市排水管网在线模型，并实现汛情预报时不断向在线模型输入实时降雨数据，模型进行模拟计算，同时，模型不断向用户提供排水管网系统未来整个退水过程的模拟计算数据，从而达到实时预测水情，及时预警的作用。该方法克服常规排水管网事件模型在模拟城市洪水中只能模拟完整降雨事件，不能模拟实时降雨事件的不足，可以实时有效地在线预报城市洪水的产生、变化过程，并能保证在线模型系统长期稳定运行，为城市防汛决策提供技术支持。

Description

城市排水管网在线水力模型建模方法

技术领域

本发明涉及一种城市排水管网系统在线模型建模方法，属于市政工程信息技术领域。

背景技术

全球气候变化和城市化进程的加剧使得城市洪涝灾害日益严重，近些年来国内大、中城市屡遭暴雨洪涝灾害侵袭，损失严重。城市地区的特殊性使得城市暴雨洪涝灾害不同于江河洪水，城市暴雨洪涝具有爆发突然，损失巨大的特点。城市区域排水管网是人工设计、铺设的管渠系统。在大中城市管网规模庞大，增加了防治洪涝灾害的难度。

排水管网模型是用来模拟城市排水系统运行能力的有效工具，它与江河模型基础计算原理相似，但计算复杂度高于江河模型，中等规模城市排水管网模型可达几千根计算管段(求解方程数)。长期以来，城市排水系统设计、管理由市政给排水专业人员负责，因此，城市排水管网系统洪涝灾害防治属于市政工程学科研究领域，是研究城市区域内小尺度微观模型，关注于排水管网各管段和各检查井的洪涝灾害情况，这与与水利学科研究略有不同。

目前，国内外通用的排水管网模型是基于事件模拟的模型，即可以模拟整个降雨过程的径流排除情况，即称之为排水事件模型，而适用于降雨期间在线预报排水管网未来若干时段降雨径流排除情况的模型研究较少。事件模型用于根据现有的数据评估排水系统的排除能力并分析洪灾风险。但是，由于事件模型只能模拟给定情形下完整的降雨径流过程，事件模型就不能用于长期在线水情、汛情预测。与之不同的是，排水管网在线模型系统却能够长期稳定运行，预测降雨期间模拟区域洪水演变过程。

事件模型构建的洪灾预报模型系统是遵循“事件累加”的原则，即在输入新的降雨数据后，模型重新进行自降雨开始至当前时刻整个降雨过程的模拟计算，并模拟完成整个退水过程。新的降雨数据不断输入，模型不断从降雨开始时刻重新进行模拟，模型不断向用户提供计算结果，完成模拟预报功能。但是，用户关心的总是当前时刻之后的退水过程。因此，最后提供给用户的模拟结果是当前时刻之后的全部计算结果，当前时刻之前的计算结果只是模型计算所需，用户已经在之前的模拟中知晓了这些结果。这样就是事件模型的一个缺点，即不能进行长期在线模拟。随着模型运行时间的增加，模型计算时间也不断增加。当模型模拟计算所需要的时间超过降雨数据输入的时间间隔时，就无法完成在线预报功能。(注：模拟耗时也与排水管网系统规模有关，系统越大，耗时越长。)因此，用事件模型构建的系统仅适用于单场或短历时降雨的情形。而在线水力模型每次预报计算都是以当前输入的新降雨量时刻的管网系统状态开始重新进行模拟，可以长期稳定运行。

另外，在水利科学领域现有的在线模型的应用范围和特征不同于本发明的排水管网在线模型。水利在线模型应用于江、河等自然水系流域的洪水实时预报，而本发明排水管网在线模型是针对城市地区排水系统的建模应用的。另外，水利在线模型预报成果通常是江、河某特定断面的水力特征值，而本发明排水管网在线模型预报成果是整个城市排水管网任何管网部件处的水力特征值(流量、流速、水位等)。因此，本发明的在线模型在功能和计算复杂度上都高于江河水利模型。

发明内容

本发明的目的在于提供城市排水管网在线水力模型建模方法，该方法克服常规排水管网事件模型建模在模拟城市洪水中只能模拟完整降雨事件，不能模拟实时降雨事件的不足。该在线水力模型建模方法可以构建城市排水管网在线模型，并实现不断向在线模型输入实时降雨数据，模型进行模拟计算，同时，模型不断向用户提供排水管网系统未来整个退水过程的模拟计算数据，从而达到实时预测水情，及时预警的作用。

本发明通过软件工程、数学建模、计算流体力学等科技手段，建立了城市排水管网在线水力模型建模方法，利用该模型可以实时有效地预报城市洪水的产生、变化过程，为城市防汛决策提供技术支持。

本发明提出的排水管网在线水力模型建模方法，其基本原理在于：它是基于“继承”的原则进行模拟计算的在线模型，其实现理论基础是模型计算过程中数据流的“时空分离”(时——时间步长级迭代计算，空——空间各系统组成的迭代计算)。在线模型在有新的降雨数据输入时，都是以当前时刻排水系统状态为计算起点，进行未来退水过程模拟计算。因此，在线模型每次计算的模拟时间都是相同的，这样避免了模型模拟耗时超过降雨数据输入的时间间隔的问题，可以保证系统稳定运行，实现长期在线模拟，具体原理见附图1。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种城市排水管网在线水力模型建模方法，包括模型输入模块、模型计算引擎主模块、模型输出模块以及模型控制模块，其特征在于：该方法建模步骤如下：

(1)基于地理信息系统的城市排水管网水力模型的建立，具体包括：

a.建立基于地理信息系统的排水管网静态数据库

排水管网静态数据库存储在线水力模型所需的检查井、管道、泵站、堰、排水口、雨水池等静态属性数据。这些数据可以通过纸质技术档案、CAD电子图纸、实际勘察技术报告等形式转入地理信息系统。这些静态数据将作为在线模型输入模块的数据源在建模中使用。

b.创建管网事件水力模型

按照排水管网水力模型组建要求，创建管网事件模型。事件模型由4个子模块组成，分别是模型初始化子模块、步长计算子模块、计算控制子模块、模型终止子模块，见附图3。

(2)率定管网事件水力模型：

在将排水管网数据录入事件水力模型后，仅模型的管网静态数据与实际管网一致，为了使模拟结果与管网运行实际情况一致，必须对水力模型进行率定，调整模型中汇水区与管网参数，使得模型结果吻合实测数据。管网模型需率定参数一般较多，需要采用数学优化技术进行率定。

(3)在线模型控制模块的建立：

在线水力模型是在线模型建模的计算引擎部分，在线建模的实现需要在线模型控制模块的建立。本发明采用Delphi工具构建在线模型控制模块，模型控制运行流程见附图4。

(4)在线水力模型的建立：

对排水管网事件水力模型进行在线化改造成为在线模型计算引擎主模块，将事件计算引擎主模块中步长计算子模块进行时间-空间计算分离，在特定时间点处(如5分钟时刻)保存管网模型状态数据文件。模型状态数据文件是在线模型运行的关键，保存了输入新降雨数据时刻后特定时间点处汇水区和管网的状态参数值。当新的降雨数据输入后，在线模型即可以中间状态文件确定的系统状态开始新的模拟计算。模型状态数据文件保存的状态参数是与模拟计算有关的关键参数。这些参数分别是渗透曲线时间、各汇水区当前时刻出流流量、各汇水区前一计算时刻出流流量、其它汇水区入流径流量、各汇水区当前时刻积水深度、各检查井处当前时刻积水深度、各管道内当前时刻流量。在当前模型模拟计算完毕后，在线模型计算引擎自动生成新的模型状态数据文件，为后续模拟计算做好准备。总之，在线水力模型运行方式是在控制模块的控制下，以当前排水管网状态为计算起点开始计算，预报未来若干时期的排水管网水情，最终当前次模型计算结束后，自动保存下次预报模拟所需的模型状态数据文件，从而周而复始实现长期在线运行，具体在线模型计算引擎主模块组成见附图5。

(5)在线模型实时预报水情的实现：

在线模型系统在用户计算机上安装运行，不断接收、处理实时降雨量监测数据，通过在线水力模型模拟计算，并通过模型输出模块不断预报未来若干时段排水管网水情数据(水深、流量、流速)。

所述的模型输入模块包括静态数据输入子模块和动态数据输入子模块。静态数据子模块提供：①排水检查井的井底、井盖处高程，井深，井型，井筒直径等参数；②排水管道管长、管径、管材、管道断面尺寸、管壁摩擦特征等参数；③雨水池池底部高程，水池尺寸，进、出口高程，设计水位等参数；④堰的类型、堰顶、底高程、堰顶宽度等参数；⑤泵站水泵机组型号、进、出水口高程等参数⑥排出口类型、底部高程、排出口尺寸等参数；⑦整个排水管网系统空间拓扑关联信息。动态数据输入子模块提供：①泵站运行参数；②实时降雨量数据；③管网运行监测参数(测点处水位、流量、流速等)。

所述的模型计算引擎主模块是整个在线模型的核心部分，该模块可以辨识排水管网空间拓扑关系，自组织排水管网网络水力模拟计算，完成在初始排水管网系统条件下的汇水区地面径流计算和管网水力演进计算。在指定的时间控制点存储模型状态数据文件，实现模型计算过程的数据流“时空分离”，作为下次预报模拟的计算初始条件。从而计算引擎主模块在控制模块的控制下完成在线实时预报模拟。当每次计算引擎主模块被触发进行模拟计算后，主模块生成二进制形式排水管网系统水力结果文件，并实现结果文件的实时更新。

所述的模型输出模块完成三个功能：①可视化显示动态降雨量数据，实现降雨量输入数据的实时监控；②读取控制程序(用户)指定的排水管网水力结果数据；③将已读取的水力结果数据通过可视化方式(曲线、剖面图、平面图、动画等)展现给用户。

所述的模型控制模块完成整个在线模型预报模拟的控制功能，控制在线模型运行的启闭与数据的展示。

本发明主要具有以下优点：(1)在线水力模型的建模方法实现了在降雨期间连续预报城市排水管网水情的功能；(2)通过在线水力模型可以实时查看城市排水管网各部分未来任意时刻水力参数，为处置城市暴雨洪涝灾害提供了强有力的技术支持；(3)在线模型可以长期稳定运行，不会产生由于常规事件模型长期在线运行引起的计算系统负荷剧增，达到一定程度模型计算时间超过预报时间，迫使模型终止的情形，有效减小计算系统的运行负荷。

附图说明

图1是本发明事件模型与在线水力模型系统原理图；

图2是本发明在线水力模型组成图；

图3是本发明事件模型计算引擎模块组成图；

图4是本发明在线模型系统运行流程图；

图5是本发明在线水力模型计算引擎模块组成图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式方案，详细叙述本发明的方法。

如图1-5所示，以某城市街区的排水管网系统为例，采用本发明提出的在线水力模型建模方法进行建模，并用于城区洪涝灾害预报。该街区管网系统共有273个排水检查井，排水管道总长17.3公里，模型内管段数为256根，管网系统排出口5个。采用实时降雨量监测设备为在线模型提供实时降雨数据，降雨量监测设备的监测周期为5分钟，使用本发明的在线水力模型建模方法构建在线预报模型系统，预报时间区间为未来6小时管网水情。整个在线模型系统连续运行，预报该街区排水管网系统水情，为防汛抢险提供技术支持。建模步骤如下：

1.建立排水管网静态数据库：将该街区排水管网数据的CAD电子图、纸质图纸和实际勘察报告中管网组件数据录入地理信息系统，并按照建模要求确定数据库字段，为创建水力模型做好准备；

2.根据排水管网静态数据库创建管网水力模型(静态属性)；

3.采用数学优化技术(启发式算法)对水力模型参数进行率定，使得模型模拟结果与实测结果吻合；

4.将创建的管网水力模型数据通过在线模型的输入模块导入在线水力模型，为在线模型系统启动运行做好数据准备；

5.启动在线模型控制程序(模型控制模块)，启动在线水力模型，在线模型计算引擎主模块开始运行，按照实时降雨量监测设备的采集周期，不断向在线模型系统输入实时降雨量数据；

6.在首次获得降雨量数据时，在线水力模型以排水管网初始零状态为模拟初始条件，进行水力模拟计算，完成未来6小时管网水情预报计算。当在线模型当前次计算结束时，已保存自计算开始后5分钟时的管网状态数据文件，作为后续预报计算的初始条件；

7.在后续若干次水情预报模拟时，在线水力模型以前次模拟保存的管网状态作为本次模拟的初始条件进行模拟计算，预报模拟未来6小时管网水情，从而实现在线水力模型系统周而复始连续稳定运行。在运行过程中，每次预报模拟的历时都是相同的，计算机系统资源得到有效保证；

8.在在线水力模型连续预报计算同时，可以通过系统控制程序(模型控制模块)实时查看当前时刻起未来6小时内排水管网任意部分水力状态。

在管网在线水力模型运行一段时期后(经历若干场降雨事件后)，可将在线模型暂时终止运行，将当前的在线模型以事件模型运行形式用已记录的降雨和管网实测数据进行再率定，模型率定结果达到误差要求后，可保存当前模型状态，重新启动在线模型系统，用于排水管网在线模拟预报。经过上述周期性率定过程，可保证在线水力模型的稳定性。

以上是本发明的一个典型实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (5)

1.一种城市排水管网在线水力模型建模方法，包括模型输入模块、模型计算引擎主模块、模型输出模块以及模型控制模块，其特征在于：该方法建模步骤如下：

(1)基于地理信息系统的城市排水管网水力模型的建立，具体包括：

a.建立基于地理信息系统的排水管网静态数据库：

排水管网静态数据库存储在线水力模型所需的检查井、管道、泵站、堰、排水口、雨水池这些静态属性数据，这些静态数据作为在线模型输入模块的数据源在建模中使用；

b.创建管网事件水力模型：

按照排水管网水力模型组建要求，创建管网事件模型，事件模型由4个子模块组成，分别是模型初始化子模块、步长计算子模块、计算控制子模块、模型终止子模块；

(2)率定管网事件水力模型：

调整模型中汇水区与管网参数，使得模型结果吻合实测数据，并采用数学优化技术进行率定；

(3)在线模型控制模块的建立：

采用Delphi工具构建在线模型控制模块；

(4)在线水力模型的建立：

对排水管网事件水力模型进行在线化改造成为在线模型计算引擎主模块，将事件计算引擎主模块中步长计算子模块进行时间-空间计算分离，在特定时间点处保存管网模型状态数据文件，即：在线水力模型运行方式是在控制模块的控制下，以当前排水管网状态为计算起点开始计算，预报未来若干时期的排水管网水情，最终当前次模型计算结束后，自动保存下次预报模拟所需的模型状态数据文件，从而周而复始实现长期在线运行；

(5)在线模型实时预报水情的实现：

在线模型系统不断接收、处理实时降雨量监测数据，通过在线水力模型模拟计算，并通过模型输出模块不断预报未来若干时段排水管网水情数据。

2.根据权利要求1所述的城市排水管网在线水力模型建模方法，其特征在于：所述的模型输入模块包括静态数据输入子模块和动态数据输入子模块；静态数据子模块提供：检查井、管道、泵站、堰、排水口、雨水池、泵站水泵机组以及整个排水管网系统空间拓扑关联信息这些参数；动态数据输入子模块提供泵站运行参数、实时降雨量数据、管网运行监测参数。

3.根据权利要求2所述的城市排水管网在线水力模型建模方法，其特征在于：所述的模型计算引擎主模块是整个在线模型的核心部分，该模块可以辨识排水管网空间拓扑关系，自组织排水管网网络水力模拟计算，完成在初始排水管网系统条件下的汇水区地面径流计算和管网水力演进计算，在指定的时间控制点存储模型状态数据文件，实现模型计算过程的数据流“时空分离”，作为下次预报模拟的计算初始条件，从而计算引擎主模块在控制模块的控制下完成在线实时预报模拟；当每次计算引擎主模块被触发进行模拟计算后，主模块生成二进制形式排水管网系统水力结果文件，并实现结果文件的实时更新。

4.根据权利要求3所述的城市排水管网在线水力模型建模方法，其特征在于：所述的模型输出模块完成三个功能：①可视化显示动态降雨量数据，实现降雨量输入数据的实时监控；②读取控制程序指定的排水管网水力结果数据；③将已读取的水力结果数据通过可视化方式展现给用户。

5.根据权利要求4所述的城市排水管网在线水力模型建模方法，其特征在于：所述的模型控制模块完成整个在线模型预报模拟的控制功能，控制在线模型运行的启闭与数据的展示。

Images