CN103697934B - 城市市政污水管网的带压监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种城市市政污水管网的带压监测方法，包括：建立城市市政污水管网图；将各个区域的污水排水量标注在所述城市市政污水管网图上以获取污水荷载空间分布图；根据标注后的所述城市市政污水管网图选定监测点；根据在典型小区的出水口监测点位的流量监测数据，识别出典型小区的排放过程形态参数；建立城市市政污水管网流体动力学模型，并对城市市政污水管网流体动力学模型的参数进行识别；根据建立的管网建立管网流体力学模型及识别的参数，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。上述方案中，通过建立的管网流体力学模型来获取得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布，提高对各个带压管路的状态和位置的监测效果。

Description

城市市政污水管网的带压监测方法

技术领域

本发明涉及市政技术领域，尤其设计一种城市市政污水管网的带压监测方法。

背景技术

随着城市的发展和人口的增加，城市污水管网变得更加不堪重负。因此城市污水管网的监测越来越重要。

现有的市政污水管网带压监测方案，主要是在主干网的部分检查井中安装液位计等监测设备来监测井的液位，再根据与此检查井相连接管道的埋深和管径来确定管道是否被阻塞或是满溢。

城市市政污水管网数量庞大，在每条管线上都安装监测设备显然在经济上不可行，因此一般只能选取部分管线节点（一半是主干管路）加以监测。

这种监测方法只能针对部分主干管道的带压监测，并不能对于整个管网所有管道进行有效的带压监测。基于零散点位的液位计监测，只能识别监测点位处管段的带压情况，然而对整体管网系统的带压情况缺乏全面的掌握，导致局部地区出现事故时完全无法及时采取应对措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种监测效果更好的城市市政污水管网的带压监测方法。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种城市市政污水管网的带压监测方法，包括：

步骤1、建立城市市政污水管网图；

步骤2、将各个区域的污水排水量标注在所述城市市政污水管网图上以获取污水荷载空间分布图；

步骤3、根据标注后的所述城市市政污水管网图选定监测点；

步骤4、根据在典型小区的出水口监测点位的流量监测数据，识别出典型小区的排放过程形态参数；

步骤5、获取城市市政污水管网流体动力学模型，并对城市市政污水管网流体动力学模型的参数进行识别；

步骤6、根据建立的管网建立管网流体力学模型及识别的参数，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过建立的管网流体力学模型来获取得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布，这样可以对各个带压管路的状态和位置进行实时监测，以提高监控的效果。

附图说明

图1为本发明的实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提出的城市市政污水管网的带压监测方法包括：

步骤1、建立城市市政污水管网图；

该步骤中包括：

步骤11、获取城市市政污水管网分布及管网属性；其中所述管网属性包括检查井属性数据和管道属性数据；

步骤12、根据所述管网属性将城市影像图中建筑物图层的建筑物空间位置逐个离散化划分排水区，并将城市影像图与排水区叠加以形成排水区图；

步骤13、根据排水区内的管道属性数据以确定排水区中的城市市政污水管网的支管，以及支管的上下游高程以确定该支管的污水流向，并确定排水区污水流入的检查井，以建立每一排水区与检查井的对应关系；

步骤14、针对所有排水区与检查井的对应关系形成完整的城市市政污水管网图。

步骤2、将各个区域的污水排水量标注在所述城市市政污水管网图上以获取污水荷载空间分布图；

该步骤中包括：

步骤21、根据污水厂日处理的污水总量，扣除城市工业排水大户排水量；

步骤22、依据城市建筑面积密度分布图或者城市人口密度分布图，将污水荷载进行空间展布；

步骤23、结合排水大户空间位置以及排水量，标注在步骤14的城市市政污水管网图上以得到污水荷载空间分布图；其中根据以下公式计算污水荷载空间分布图中每个排水区的污水量：

QC=1000000·(QT-QE)·SC·BD/BT

其中：

QC:排水区污水量；QT:污水厂日处理的污水总量；QE:城市工业排水大户排水量；SC:排水区面积；BD:排水区内建筑面积密度；BT:城市建筑总面积。

步骤3、根据标注后的所述城市市政污水管网图选定监测点；

该步骤中包括：

步骤31、依据污水荷载空间分布，反演污水主干管各段的流量变化，并获取所有导致主干管流量变化超过30%的支管处作为备选点；

步骤32、获取城市典型小区的污水出水口处作为备选点；

步骤33、从备选点中找出水利特征、安全特征、通讯条件符合预设条件的建立监测点。

其中，所述步骤33包括：

步骤331、判断该备选点是否水深大于1米、淤泥厚度大于0.05米、污水流速大院0.1米/秒，如果是，进入步骤332，否则步骤结束；

步骤332、判断临近该备选点的检查井是否有梯子、通道是否无浮渣堆积甚至板结，如果是，进入步骤333，否则步骤结束；

步骤333、判断该备选点是否能安装GPRS通讯设备，如果是则将该备选点作为监测点，如果否则步骤结束。

步骤4、根据在典型小区的出水口监测点位的流量监测数据，识别出典型小区的排放过程形态参数；

该步骤中包括：

步骤41、根据所述典型小区的出水口监测点位的流量监测数据获取该典型小区的日排水过程线，并将所述日排水过程线与平均每小时的排放量相比较得到典型排水户的排放变异系数，获得定量描述此种典型用户的排放过程形态参数。

步骤5、获取城市市政污水管网流体动力学模型，并对城市市政污水管网流体动力学模型的参数进行识别；

该步骤中包括：

步骤51、根据划分的排水区、污水荷载空间分布图、典型用户的日排水过程形态的参数，以及排水区管网中排水区与检查井的对应关系，得到排水区对应检查井的日污水排放过程曲线与概化的管网建立管网流体力学模型；

其中，管网流体力学模型通过求解以下的方程组获得:

动量守恒方程： $\frac{\∂H}{\∂x}+\frac{v}{g}\·\frac{\∂v}{\∂x}+\frac{1}{g}\·\frac{\∂v}{\∂t}=S_o-S_f$

连续方程： $\frac{\∂Q}{\∂x}+\frac{\∂A}{\∂t}=0$

其中，H为静压水头；x为管长；t为时间；g为重力加速度；S_f摩擦阻力；Q为流量；A为过水断面面积；

为压力项；为对流加速度；为当地加速度；S_o为重力项；S_f为摩擦力项；为进出单元体的流量变化项；为在控制单元体中的水体体积变化项；模型的时间范围为24小时，模拟运算的步长为5分钟，选择动力波计算方法；

步骤52、对管网流体力学模型中管道的粗糙系数、管道淤积厚度参数进行识别；

步骤53、根据所述管网流体力学模型的模拟流量与实际监测到的流量，通过GLUE方法来调整管道的粗糙系数、管道淤积厚度参数。

其中，GLUE方法是指设定参数先验分布，在其分布空间内通过拉丁超立方随机采样，并在不同参数组合下运行，模拟结果根据似然度函数进行筛选排序。若某组模型参数的似然度在规定范围之内，则该组参数可接受的；反之不可接受的。

其中，所述粗糙度系数包括：混凝土管为0.013、PVC管为0.008、砖石管渠和陶土管为0.02；

所述管道淤积厚度参数包括：坡度＜0.003的管道，其沉积物高度为管径的8%；坡度≥0.003的管道，其沉积物高度为管径的4%。

步骤6、根据建立的管网建立管网流体力学模型及识别的参数，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。

该步骤6包括：

步骤61、依据识别出参数，通过管网流体力学模型计算出每段管道的24小时内每5分钟充满度数据，并计算出每段管道带压时长；

步骤62、按照每段管道带压时长，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。

其中，所述步骤6还包括：

步骤63、按照带压时长1小时、2小时、5小时、10小时、24小时分类统计各个带压时长管道的总长度和空间分布。

下面以一个具体的实例来对本发明进行详细说明：

1.城市市政污水管网拓扑关系建立及主干管网概化。

其中包括管网空间布局以及属性的数据收集整理、拓扑关系的建立及主干管网的概化，城市污水排水区离散化划分过程、与管网对应关系建立。

管网空间布局以及属性数据收集整理，管网空间布局基于检查井的空间位置X、Y坐标，以及与检查井相连的管道流向建立。管网属性数据分为检查井属性数据和管道属性数据，检查井属性数据：检查井编码、检查井地面高程、检查井底高程，管道属性数据：管道编码、管道长度、管材、管道横截面形态、管道横截面形态参数：如圆管的管径、方沟的长度和宽度、管道的上下游管底高程。

管网拓扑关系建立：通过整理与每条管道上下游相连检查井的编码。

主干管网的概化：将管径小于DN500的与主干管相连的排水支管不纳入到管网流体动力学模型计算中。

城市污水排水区离散化划分过程：根据实地调查，以及根据城市的高精度的城市影像图，如Google影像图、航拍影像图、或小比例尺城市地形图，如1:2000、1:1000、1:500的DEM中建筑物图层的建筑物空间位置逐个离散化划分排水区。

城市污水排水区与管网对应关系建立:将概化完成的污水管网图纸作为底图，叠加离散划分的排水区，对每块排水区进行分析：查找排水区污水排放进入的支管，根据支管的管道上下游高程确定支管的流向，由流向确定排水区污水最终流入概化管网的检查井，建立排水区与检查井的对应关系。对所有排水区完成此分析，建立城市污水排水区与管网对应关系。

2.污水荷载空间展布。

根据污水厂日处理的污水总量，扣除城市工业排水大户排水量，依据城市建筑面积密度分布图，或者城市人口密度分布图，将污水荷载进行空间展布，结合排水大户空间位置以及排水量，得到污水荷载空间分布图。污水荷载空间分布图中每个排水区的污水量计算公式：

QC=1000000(QT-QE)SCBD/BT

式中：

QC:排水区污水量（m³）

QT:污水厂日处理的污水总量（m³）

QE:城市工业排水大户排水量（m³）

SC:排水区面积（m²）

BD:排水区内建筑面积密度（m²/km²）

BT:城市建筑总面积（m²）

3.管网控制点位甄选及流量、液位数据监测。

由于排水管网埋藏于地下，管网数量多、范围广，管道材质各异，建设年代和运行环境不同，造成管道内部水力和水质条件复杂，环境恶劣。排水管网监测需要综合考虑管网现状情况、以及监测方案的经济成本和安装运行维护风险，制定监测方案进行监测点位选择和液位数据监测时需具备合理性、典型性、安全可行性。

合理性：全面调查当地的排水系统现状，管网布局、排水大户和管网流量变化，识别管网污水排放规律，为管网流体动力学模型的参数识别和精度验证提供可靠数据，进而动态全面地检测管网系统的带压状况，科学合理地布置监测点:依据污水荷载空间分布，反演污水主干管各段的流量变化，在导致主干管流量30%变化的分支干管处设立监测点位。典型性：用于排水管网流体动力学模型参数识别的监测点应选择主干管，布置于城市不同类型的区域，如城市的工业区、商业区、居住区、文教卫等不同性质区域的管网下游干管处。识别典型排放单元的时需要将监测点布置于典型小区的出水口,典型小区如：工业园区中平均污水排放规模的企业小区、建筑面积大于1万平方米的商业办公区、住户大于500户的生活居住社区、城市二甲以上医院社区、城市中等规模学校小区。

安全可行性：需要综合考虑监测点位现场处水力特征、安全因素和通讯条件。水力特征：水深高度大于0.1米，当有淤泥时淤泥以上高度大于0.05米，流速大于0.1米/秒；安全因素：检查井处需有梯子、管道无因长时间过载导致浮渣堆积甚至板结情况；通讯条件：监测设备安装处有GPRS通讯信号。

监测时间和监测频率：连续监测时间为1个月，监测频率为1小时。

4.典型排水用户日排水过程形态识别。

根据在典型小区的出水口监测点位的流量监测数据，识别出典型小区的日排水过程线，与平均每小时的排放量相比较，得到典型排水户的排放变异系数，获得定量描述此种典型排放用户的排放过程形态参数。

5.城市市政污水管网流体动力学模型参数智能识别及精度验证。

根据划分的排水区和污水荷载分布，排水用户日排水过程形态的参数，以及排水区管网中检查井的对应关系，得到排水区对应检查井的日污水排放过程曲线，与概化的管网建立管网流体力学模型。管网流体力学模型原理是求解完整一维非恒定流质量和动量守恒方程，即圣维南流量方程组:

动量方程： $\frac{\∂H}{\∂x}+\frac{v}{g}\·\frac{\∂v}{\∂x}+\frac{1}{g}\·\frac{\∂v}{\∂t}=S_o-S_f$

连续方程： $\frac{\∂Q}{\∂x}+\frac{\∂A}{\∂t}=0$

其中：H为静压水头(m)；x为管长(m)；t为时间(s)；g为重力加速度(9.8m/s)；

S_f摩擦阻力(m/m)；Q为流量(m³/s)；A为过水断面面积(m²)；

为压力项；

为对流加速度；

为当地加速度；

S_o为重力项；

S_f为摩擦力项；

为进出单元体的流量变化项；

为在控制单元体中的水体体积变化项；

模型的时间范围为24小时，模拟运算的步长为5分钟，选择动力波计算方法。

模型需要识别的参数有管道的粗糙系数、管道淤积厚度等参数。

粗糙度设定的初始取值如下：混凝土管为0.013、PVC管为0.008、砖石管渠和陶土管为0.02

管道中沉积物初始高度参考以下规则设定：

1）坡度＜0.003的管、渠，取8%管径对应的高度为该管段的沉积物高度；

2）坡度＞0.003的管、渠，取4%管径对应的高度为该管段的沉积物高度。

在模型参数识别中，通过调整上述参数使模拟流量与监测流量吻合度高，使用GLUE方法对参数进行识别。设定参数先验分布，在其分布空间内通过拉丁超立方随机采样，并在不同参数组合下运行，模拟结果根据似然度函数进行筛选排序。若某组模型参数的似然度在规定范围之内，则该组参数可接受的；反之不可接受的。

模拟效果采用百分标准偏差作为似然度衡量标准,在城市市政污水管网中，在20%以内的模拟效果基本满足应用的要求。

选择对于满足要求的参数，进行模拟计算，并将计算结果与关键监测点流量，进行精度验证。

6.城市市政污水管网带压检测模型建立，典型日管网系统带压检测及统计。

依据识别满足精度要求的参数进行模型运算，获得每段管道的24小时内每5分钟充满度数据，根据充满度值为1作为管道是否带压的标准，统计每段管道带压时长。

基于按照带压管道统计数据，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。

按照带压时长1小时、2小时、5小时、10小时、24小时分类统计各个带压时长管道的总长度和空间分布。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，包括：

步骤1、建立城市市政污水管网图；

步骤2、将各个区域的污水排水量标注在所述城市市政污水管网图上以获取污水荷载空间分布图；

步骤3、根据标注后的所述城市市政污水管网图选定监测点；

步骤4、根据在典型小区的出水口监测点位的流量监测数据，识别出典型小区的排放过程形态参数；

步骤5、建立城市市政污水管网流体力学模型，并对城市市政污水管网流体力学模型的参数进行识别；

步骤6、根据建立的管网流体力学模型及识别的参数，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。

2.根据权利要求1所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤1包括：

步骤11、获取城市市政污水管网分布及管网属性；其中所述管网属性包括检查井属性数据和管道属性数据；

步骤12、根据所述管网属性将城市影像图中建筑物图层的建筑物空间位置逐个离散化划分排水区，并将城市影像图与划分出的排水区叠加以形成排水区图；

步骤13、根据排水区内的管道属性数据以确定排水区中的城市市政污水管网的支管，以及支管的上下游高程以确定该支管的污水流向，并确定排水区污水流入的检查井，以建立每一排水区与检查井的对应关系；

步骤14、针对所有排水区与检查井的对应关系形成完整的城市市政污水管网图。

3.根据权利要求2所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21、根据污水厂日处理的污水总量，扣除城市工业排水大户排水量；

步骤22、依据城市建筑面积密度分布图或者城市人口密度分布图，将污水荷载进行空间展布；

步骤23、结合排水大户空间位置以及排水量，标注在所述城市市政污水管网图上以得到污水荷载空间分布图；其中根据以下公式计算污水荷载空间分布图中每个排水区的污水量：

QC＝1000000·(QT-QE)·SC·BD/BT

其中：

QC:排水区的污水量；QT:污水厂日处理的污水总量；QE:城市工业排水大户排水量；SC:排水区面积；BD:排水区内建筑面积密度；BT:城市建筑总面积。

4.根据权利要求3所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤31、依据污水荷载空间分布，反演污水主干管各段的流量变化，并获取所有导致主干管流量变化超过30％的支管处作为备选点；

步骤32、获取城市典型小区的污水出水口处作为备选点；

步骤33、从备选点中找出水力特征、安全特征及通讯条件符合预设条件的建立监测点。

5.根据权利要求4所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤33包括：

步骤331、判断该备选点是否水深大于1米、淤泥厚度大于0.05米以及污水流速大于0.1米/秒，如果是，进入步骤332，否则步骤结束；

步骤332、判断临近该备选点的检查井是否有梯子以及通道是否无浮渣堆积甚至板结，如果是，进入步骤333，否则步骤结束；

步骤333、判断该备选点是否能安装GPRS通讯设备，如果是则将该备选点作为监测点，如果否则步骤结束。

6.根据权利要求5所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤41、根据所述典型小区的出水口监测点位的流量监测数据获取该典型小区的日排水过程线，并将所述日排水过程线与平均每小时的排放量相比较得到典型排水户的排放变异系数，获得定量描述此种典型排水户的排放过程形态参数。

7.根据权利要求6所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤51、根据划分的排水区、污水荷载空间分布图、典型排水户的日排水过程形态的参数，以及排水区管网中排水区与检查井的对应关系，得到排水区对应检查井的日污水排放过程曲线与概化的管网建立管网流体力学模型；

其中，管网流体力学模型通过求解以下的方程组获得:

动量守恒方程： $\frac{\∂H}{\∂x}+\frac{v}{g}\·\frac{\∂v}{\∂x}+\frac{1}{g}\·\frac{\∂v}{\∂t}=S_o-S_f$

连续方程： $\frac{\∂Q}{\∂x}+\frac{\∂A}{\∂t}=0$

其中，H为静压水头；x为管长；t为时间；g为重力加速度；S_f摩擦阻力；Q为流量；A为过水断面面积；为压力项；为对流加速度；为当地加速度；S_o为重力项；为进出单元体的流量变化项；

为在控制单元体中的水体体积变化项；模型的时间范围为24小时，模拟运算的步长为5分钟；

步骤52、对管网流体力学模型中管道的粗糙系数、管道淤积厚度参数进行识别；

步骤53、根据所述管网流体力学模型的模拟流量与实际监测到的流量，通过GLUE方法来调整管道的粗糙系数、管道淤积厚度参数。

8.根据权利要求7所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，粗糙系数包括：混凝土管为0.013、PVC管为0.008、砖石管渠和陶土管为0.02；

所述管道淤积厚度参数包括：坡度＜0.003的管道，其沉积物高度为管径的8％；坡度≥0.003的管道，其沉积物高度为管径的4％。

9.根据权利要求8所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤6包括：

步骤61、依据识别出参数，通过管网流体力学模型计算出每段管道的24小时内每5分钟充满度数据，并计算出每段管道带压时长；

步骤62、按照每段管道带压时长，得到城市市政管网带压管道的总长度和空间分布。

10.根据权利要求9所述的城市市政污水管网的带压监测方法，其特征在于，所述步骤6还包括：

步骤63、按照带压时长1小时、2小时、5小时、10小时、24小时分类统计各个带压时长管道的总长度和空间分布。