CN103810532A - 优化城市排水系统运行状况的方法 - Google Patents

Abstract

一种优化城市排水系统运行状况的方法，包括以下步骤：（a）用所述城市排水系统的多个运行方案的运行参数值计算各个运行方案的多个三级指标的值；（b）选取一个或多个三级指标，分别计算所选三级指标的归一化处理值，对所选三级指标的归一化处理值与其权重的乘积进行求和以得到相应的二级指标值；（c）选取一个或多个二级指标，对所选二级指标的值与其权重的乘积进行求和以得到相应的一级指标值，并且根据一级指标值选择运行方案并用于优化城市排水系统的运行状况。本发明的方法可用于辅助进行排水系统运行决策包括排水系统现状评估、控制方案的筛选、排水规划方案比选以及运行维护方案优选等。

Description

优化城市排水系统运行状况的方法

技术领域

本发明涉及一种用于优化城市排水系统运行状况的方法，特别是利用多级评价指标体系评估城市排水系统运行状况的方法，以及利用评估结果进行城市排水系统运行状况优化的方法。

背景技术

城市排水系统是城市基础设施的重要组成部分，不但承担着城市防洪、排涝和收集城市生活及工业生产等污水任务，而且关系到城市景观、环境卫生及水环境安全。随着我国经济社会的不断发展和城市化进程的不断推进，人们对居住环境的要求逐步提高。然而，目前我国城市排水系统的运行管理水平较低，排水管网设施日趋老化和排水管网连接关系的复杂化，导致了排水管网坍塌、污水溢流、城市内涝等问题日益突出。特别是近年来，我国众多城市面临突发性暴雨袭击，导致了严重的城市洪涝灾害，对社会秩序、城市功能、环境与资源等造成了不同程度的破坏，给人民生活、经济社会发展和城市的正常运转带来十分严重的影响。

由于排水系统复杂性、影响因素多样，仅通过局部、简单的经验判断，难以对排水系统运行状况做出准确评估，无法为系统优化决策提供科学依据，因此需要构建有效的多级排水系统评价指标体系，实现排水系统的综合评估并给出定量的评估结果，帮助管理人员进行排水系统现状评估、控制方案的筛选、排水规划方案比选以及运行维护方案优选等，从而提高排水系统运行效率。

发明内容

本发明的第一个方面，提供一种评估城市排水系统运行状况的方法，包括以下各项技术方案：

1、一种优化城市排水系统运行状况的方法，包括以下步骤：

（a）用所述城市排水系统的多个运行方案的运行参数值计算各个运行方案的多个三级指标的值，任选地将三级指标值不符合其标准参考值的运行方案排除；

（b）选取一个或多个三级指标，分别计算所选三级指标的归一化处理值，对所选三级指标的归一化处理值与其权重的乘积进行求和以得到相应的二级指标值，任选地将二级指标值不符合其标准参考值的运行方案排除；

（c）选取一个或多个二级指标，对所选二级指标的值与其权重的乘积进行求和以得到相应的一级指标值，任选地将步骤（a）中的多个运行方案或者步骤（a）或步骤（b）中剩余的运行方案按照其一级指标值进行排序。

在一些具体实施方式中，所述二级指标或三级指标的标准参考值是根据经验设定的范围。术语“不符合”意味着计算得到的二级指标值或三级指标值未落入其相应的标准参考值的范围。

2、根据技术方案1的方法，还包括以下步骤：

（d）将步骤（c）中一级指标值较小的运行方案，优选一级指标值最小的运行方案，应用于所述城市排水系统以优化其运行状况。

在一些具体实施方式中，将所述运行方案应用于所述城市排水系统是指根据所述运行方案调节和/或控制所述城市排水系统的运行参数。3、根据技术方案1或2的方法，其中所述三级指标包括：出水口流量标准差、峰值流量与平均值流量比值、水量波动范围、单一污染物浓度波动、综合污染物浓度波动、溢流量的统计值、节点过载时间的统计值、溢流风险平均值、管道满管时间、充满度算数平均值、充满度长度加权平均值、流速波动范围、易淤积管线长度、易冲刷管线长度、泵站运行时间、泵站启停次数和/或泵站提升能耗。

4、根据技术方案3的方法，其中根据以下步骤由相应的运行参数的值计算所述三级指标的值：

1）计算出水口流量标准差，包括根据式1计算出水口流量平均值

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i}{n}$ （式1）

和根据式2计算出水口流量标准差（SOUT）：

$S_{\mathrm{OUT}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_i-\stackrel{\‾}{Q})}^2}{n-1}}$ （式2）

其中n为计算期间内出水口入流量数据的个数，Q_i为第i个汇报的出水口入流量；

2）计算峰值流量与平均值流量比值，包括计算出水口入流量最大值（Q_max）与出水口入流量平均值

的比值；

3）计算水量波动范围，包括根据式3计算出水口流量波动偏差：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(Q_i-{\underset{\‾}{Q}}_i),({\stackrel{\‾}{Q}}_i-Q_i)\left]\right\}}^2$ （式3）

其中，Q _i表示污水厂i时刻的最小允许入流量，

表示污水厂i时刻的最大允许入流量，n为计算期间内出水口入流量数据的个数，Q_i为第i个汇报的出水口入流量；

4）计算单一污染物浓度波动，包括根据式4计算单一污染物浓度的波动范围：

$S_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(C_{x_i}-{\underset{\‾}{C}}_{x_i}),({\stackrel{\‾}{C}}_{x_i}-C_{x_i})\left]\right\}}^2$ （式4）

其中，S_x表示出水口污染物x的波动偏差，n表示计算期间内出水口污染物浓度数据的个数，

表示第i个汇报的出水中x的浓度，

表示污水厂i时刻x的最小允许浓度，

表示污水厂i时刻x的最大允许浓度；

5）计算综合污染物浓度波动，包括计算分别根据4）计算得到的多个污染物浓度波动S_x的加权平均值；

6）计算溢流量的统计值，包括计算各个节点溢流量的总和；

7）计算节点过载时间的统计值，包括计算各个节点过载持续时间的总和；

8）计算溢流风险平均值，包括根据式5和式6计算节点最大溢流风险平均值：

$r_{\max ,i}=\frac{\max \left(h_{\mathrm{above},i}\right)}{\max \left(h_{\mathrm{above},i}\right)+\min \left(d_{\mathrm{below},i}\right)}$ （式5）

$\stackrel{\‾}{R}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{t_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}\·r_{\max ,i})$ （式6）

其中，r_max，i表示节点i的最大溢流风险系数；max(h_above)表示节点i的超过管顶最大高度；min(d_below)表示节点i的低于节点边缘最小深度；表示节点最大溢流风险的加权平均值，权重根据节点过载时间确定；t_i则表示节点i的过载持续时间；

9）计算管道满管时间，包括计算管网内管线两端满管时间的总和；

10）计算充满度算数平均值，包括计算参与统计的所有管线的最大充满度的总和与管线数的比值；

11）计算充满度长度加权平均值，包括根据式7计算充满度长度加权平均值：

$\stackrel{\‾}{C^{\′}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{l_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i}\·C_{\max ,i})$ （式7）

其中，C_max，i表示管线i的最大充满度；l_i表示管线i的长度；n为参与统计的管线数；

12）计算流速波动范围，包括根据式8计算流速波动偏差：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(v_i-0.6),(5-v_i)\left]\right\}}^2$ （式8）

其中，S表示流速波动偏差，n表示管线个数，v_i表示第i个管线的最大流速；

13）计算易淤积管线长度，包括计算最大流速小于0.6m/s的管线长度的总和；

14）计算易冲刷管线长度，包括计算最大流速大于5m/s的管线长度的总和；

15）计算泵站运行时间，包括计算各个泵站运行时间的总和；

16）计算泵站启停次数，包括计算泵站启停次数的总和；和/或

17）计算泵站提升能耗，包括计算各个泵站能耗的总和。

5、根据技术方案1-4中任一项的方法，其中所述二级指标包括：水量稳定指标、水质稳定指标、节点溢流风险指标、管线负荷指标、故障风险指标和/或降低能耗指标，并且通过以下步骤计算所述二级指标的值：

i）计算水量稳定指标，包括：分别计算作为三级指标的出水口流量标准差、峰值流量与平均值流量比值和/或水量波动范围的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到水量稳定指标的值；

ii）计算水质稳定指标，包括：分别计算作为三级指标的单一污染物浓度波动和/或综合污染物浓度波动的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到水质稳定指标的值；

iii）计算节点溢流风险指标，包括：分别计算作为三级指标的溢流量的统计值、节点过载时间的统计值和/或溢流风险平均值的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到节点溢流风险指标的值；

iv）计算管线负荷指标，包括：分别计算作为三级指标的管道满管时间、充满度算数平均值、充满度长度加权平均值、流速波动范围、易淤积管线长度和/或易冲刷管线长度的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到管线负荷指标的值；

v）计算故障风险指标，包括：分别计算作为三级指标的泵站运行时间和/或泵站启停次数的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到故障风险指标的值；

vi）计算降低能耗指标，包括：计算作为三级指标的泵站提升能耗的归一化处理值，对所得三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到降低能耗指标的值。

6、根据技术方案5的方法，其中所述一级指标包括：污水厂稳定运行指标、管网安全稳定运行指标和/或泵站稳定低耗运行指标，并且通过以下步骤计算所述一级指标的值：

I）计算污水厂稳定运行指标，包括：对作为二级指标的水量稳定指标和/或水质稳定指标的值与其权重的乘积求和以得到污水厂稳定运行指标的值；

III）计算管网安全稳定运行指标，包括：对作为二级指标的节点溢流风险指标和/或管线负荷指标的值与其权重的乘积求和以得到管网安全稳定运行指标的值；

III）计算泵站稳定低耗运行指标，包括：对作为二级指标的故障风险指标和/或降低能耗指标的值与其权重的乘积求和以得到泵站稳定低耗运行指标的值。

7、根据技术方案1-6中任一项的方法，其中采用专家判断法和/或相似区域类比法为三级指标和/或二级指标提供权重。

8、根据技术方案1-7中任一项的方法，其中根据式9计算三级指标的归一化处理值：

$y=\frac{x-\mathrm{MinValue}}{\mathrm{MaxValue}-\mathrm{MinValue}}$ （式9）

其中，x、y分别为转换前、后的三级指标值，MaxValue、MinValue分别为同一三级指标的最大值和最小值。

9、根据技术方案1-8中任一项的方法，其中步骤（a）还包括：

（a1）构建所述城市排水系统的水力模型；

（a2）为所述水力模型提供一个或多个运行方案；

（a3）利用所述水力模型计算各个运行方案下所述城市排水系统的运行参数的值。

10、根据技术方案9的方法，其中所述运行方案包括各种不同的排水系统状况、各种规划或设计的运行方案、各种运行维护方案和/或各种控制方案。

本发明的上述方法涉及一种城市排水系统运行的多级评价指标体系，其主要包括污水厂稳定运行指标、管网安全稳定运行指标和泵站稳定低耗运行指标三个方面。为了综合反映上述方面，提高测量指标的可操作性，下设二级和三级指标，构建的排水系统运行多级评价指标体系如附图1所示。本指标体系共包括3个一级指标、6个二级指标和17个三级指标。其中一级指标主要指排水系统运行管理的三方面目标，二级指标是支持各一级指标的性能指标，三级指标是根据管网水力条件和监测数据等运行参数进行选择的、支持二级指标的具体计算指标。通过选择计算具体的三级指标，评价二级指标，并综合其他二级指标反映运行管理某一方面的效果。例如，通过计算出水口流量标准差（三级指标），可以用于评价水量稳定性（二级指标），并结合水质稳定性计算结果，综合反映污水厂稳定运行情况（一级指标）。

根据本发明的上述方法，所述污水厂稳定运行指标主要包括水量稳定指标和水质稳定指标两个二级指标。城市排水管网的水量水质由于受到服务区域类型、管网构筑物、季节及降雨因素等多种条件的综合影响呈现空间上和时间上的复杂多变特性，研究城市排水管网水量水质的动态特性，可以对污水处理厂进水负荷进行预测，掌握降雨等突发事件对排水管网运行的影响，从而保障污水收集和处理系统的稳定运行。

水量稳定指标主要包括出水口流量标准差、峰值流量与平均值流量比值和水量波动范围三个三级指标。

水质稳定指标主要指污染物浓度波动范围。当影响污水厂运行的污染物指标有多个时，可根据其对污水处理工艺正常运行的影响程度确定其权重系数，计算相应的加权平均值。

根据本发明的上述方法，所述管网安全稳定运行指标主要包括节点溢流风险指标和管线负荷指标两个二级指标。局部管网的负荷主要通过节点水深和管道充满度表征，并且呈现时间差异性和区域差异性。本发明提供的节点溢流风险指标和管线负荷指标利用一定时间内的节点水深和管道充满度综合反映该时段内整个管网系统的平均负荷状态，为管网运行负荷评估和调度分析提供科学依据。

节点溢流风险指标主要是通过溢流量统计、节点过载时间统计及溢流风险平均值三个三级指标来综合反映节点的溢流风险。当管网局部出现溢流时，溢流量可以粗略地反映溢流造成的影响范围和程度。对处于过载状态而未发生溢流的管网，节点的过载持续时间和过载水深则与过载程度和发生溢流的概率密切相关：节点过载时间越长、过载液位越高，则发生溢流的风险越大。

管线负荷指标主要通过管道充满度、管网内管道满管时间及淤积或冲刷来反映管网总体负荷情况，从而确保管网安全稳定运行。其中，管道充满度是衡量排水管网负荷状况的重要参数。通过统计、计算管网内管道满管时间，能够间接反映特定时段内管网总体负荷。而管线充满度峰值的算术平均值也能粗略地反映管网负荷状况，当考虑管线长度和管径后，还可将长度或管径作为权重系数引入，计算管线充满度峰值的加权平均值，使该指标能更准确地反映管网负荷状态。此外，管道流速也是管网运行中的重要控制指标。结合管道流速，通过易淤积管线长度及易冲刷管线长度的计算，能够为管道的清淤和维护提供参考，以提高管网使用效率。

根据本发明的上述方法，所述泵站稳定低耗运行指标主要包括故障风险指标和降低能耗指标两个二级指标。排水泵站作为市政建设和管理工程的主要设施，在管网中起着提升、输送污水的重要作用，同时也是管网中耗能较大的控制单元。要实现管网优化运行，就必须实现泵站稳定低耗运行。

故障风险指标是衡量泵站稳定运行的代表性指标，主要包括泵站运行时间指标和泵站启停次数指标两个三级指标。泵站运行时间是降低故障风险、保障管网正常运行的重要因素。泵的长时间连续运行和频繁启停会加速泵的老化，降低泵的使用寿命，并导致故障频繁发生，严重影响泵站安全运行和效益的发挥。因此，从降低故障风险的角度，要尽量减少泵的运行时间以及泵站启停次数。其中，泵站启停次数根据流量变化进行统计。

能耗指标主要是基于对泵站提升能耗的统计。结合泵的运行效率以及泵的建设与使用时间反映泵站的能耗，从而为泵站的节能评估提供数据支持。

根据本发明的上述方法，以上各个三级指标可以由城市排水系统的运行参数，例如出水口流量、污染物浓度、节点溢流量、节点过载持续时间、满管时间、管线数、管线的最大流速、泵站运行时间、泵站启停次数等，根据以下方法计算。

（1）出水口流量标准差

标准差是一组数据平均值分散程度的一种度量。出水口流量标准差即计算期间内，一组出水口流量数据平均值分散程度的度量，以评价水量稳定性。要使水量指标稳定，就需要尽可能小的出水口流量标准差。

假设计算期间内，出水口入流量数据的个数为n，第i个汇报的出水口入流量为Qi，则出水口流量平均值计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i}{n}$ （式1）

出水口流量标准差（S_OUT）计算公式为：

$S_{\mathrm{OUT}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_i-\stackrel{\‾}{Q})}^2}{n-1}}$ （式2）

如果存在多个污水厂时，可根据处理能力求出水口流量标准差（S_OUT）的加权平均值。

（2）峰值流量与平均值流量比值峰值流量与平均值流量比值即出水口入流量最大值（Q_max）与出水口入流量平均值

的比值。

（3）水量波动范围

水量波动范围用出水口流量波动偏差进行描述，计算公式如下：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(Q_i-{\underset{\‾}{Q}}_i),({\stackrel{\‾}{Q}}_i-Q_i)\left]\right\}}^2$ （式3）

其中，Q _i表示污水厂i时刻的最小允许入流量，

表示污水厂i时刻的最大允许入流量，其他参数与式1和式2中的含义相同。

如上，通过计算出水口流量标准差、峰值流量与平均值流量比值以及水量波动范围可用于评价水量稳定性，上述3个三级指标计算值越小，水量稳定性（二级指标）就越高。

（4）污染物浓度波动范围

污染物浓度波动范围使用出水口污染物浓度波动偏差进行描述，当出水口出水中只存在一个污染物指标时，计算公式如下：

$S_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(C_{x_i}-{\underset{\‾}{C}}_{x_i}),({\stackrel{\‾}{C}}_{x_i}-C_{x_i})\left]\right\}}^2$ （式4）

其中，S_x表示出水口污染物x的波动偏差，n表示计算期间内，出水口污染物浓度数据的个数，

表示第i个汇报的出水中x的浓度，

表示污水厂i时刻x的最小允许浓度，

表示污水厂i时刻x的最大允许浓度。

当出水口出水中存在多个污染物指标时，根据污染物对处理工艺的影响，求S_x的加权平均值即为污染物浓度波动范围。计算的污染物浓度波动范围越小，水质稳定性（二级指标）也越高，结合水量稳定性（二级指标），综合反映污水厂稳定运行情况（一级指标）。

（5）溢流量统计

溢流量统计为各个节点溢流量的总和。

（6）节点过载时间统计

节点过载时间统计为各个节点过载持续时间的总和。

（7）溢流风险平均值

为了有效降低节点溢流风险，往往需要降低节点最大溢流风险平均值，节点最大溢流风险平均值计算公式如下：

$r_{\max ,i}=\frac{\max \left(h_{\mathrm{above},i}\right)}{\max \left(h_{\mathrm{above},i}\right)+\min \left(d_{\mathrm{below},i}\right)}$ （式5）

$\stackrel{\‾}{R}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{t_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}\·r_{\max ,i})$ （式6）

其中，r_max，i表示节点i的最大溢流风险系数；max(h_above)表示节点i的超过管顶最大高度；min(d_below)表示节点i的低于节点边缘最小深度；表示节点最大溢流风险的加权平均值，权重根据节点过载时间确定；t_i则表示节点i的过载持续时间，以小时（h）计量。

上述溢流量统计、节点过载时间统计、溢流风险平均值3个三级指标综合反映节点溢流风险（二级指标），溢流量越小、节点过载时间越短、溢流风险平均值越小，则节点溢流风险就越小。

（8）管道满管时间

管道满管时间是管线两端满管时间的总和，满管时间是表征管线负荷的重要指标，要降低管线负荷，就要使满管时间尽可能小。

（9）充满度算术平均值

充满度算术平均值为参与统计的所有管线的最大充满度的总和与管线数的比值。其中，管线数既可以统计全部管线，也可以只统计充满度大于某临界值的管线。

（10）充满度长度加权平均值

为了有效地降低管线平均充满度，充满度长度加权平均值要尽可能达到最小。充满度长度加权平均值计算公式如下：

$\stackrel{\‾}{C^{\′}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{l_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i}\·C_{\max ,i})$ （式7）

其中，C_max,i表示管线i的最大充满度；l_i表示管线i的长度；n为参与统计的管线数，既可以统计全部管线，也可以只统计充满度大于某临界值的管线。

（11）流速波动范围

管道中流速过大或者过小都会对管道造成影响：流速过大，会增加管道冲刷的风险；流速过小，则会增加管道淤积的风险。因此，为了减少管道的淤积或冲刷发生的风险，应将流速控制在0.6~5.0m/s的范围内。流速波动范围是直接表征管道淤积或冲刷风险的指标。流速波动范围使用流速波动偏差进行描述，计算公式如下：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(v_i-0.6),(5-v_i)\left]\right\}}^2$ （式8）

其中，S表示流速波动偏差，n表示管线个数，v_i表示第i个管线的最大流速。

（12）易淤积管线长度

尽可能地使易淤积管线长度最短，也是有效减少管道淤积发生风险的主要途径之一。易淤积管线通常是指最大流速小于0.6m/s的管线，易淤积管线长度为最大流速小于0.6m/s的管线长度的总和。

（13）易冲刷管线长度

易冲刷管线通常是指最大流速大于5m/s的管线，易冲刷管线长度为最大流速大于5m/s的管线长度的总和。

上述管道满管时间、充满度算术平均值、充满度长度加权平均值、流速波动范围、易淤积管线长度、易冲刷管线长度等6个三级指标综合反映管线负荷（二级指标）。在保证上述6个三级指标尽量小的情况下，才能使管线负荷尽可能小。结合节点溢流风险（二级指标），综合反映管网安全稳定运行情况（一级指标）。

（14）泵站运行时间

泵站运行时间是各个泵站运行时间的总和，以小时（h）计量。泵站运行时间越长，存在的故障风险就越大。因此，为了降低故障风险，要尽可能缩短泵站的运行时间。

（15）泵站启停次数

该指标主要根据流量变化进行统计。

（16）泵站提升能耗

该指标是各个泵站能耗的总和，是一个统计值，以千瓦·时（kw·h）计量。

上述泵站运行时间、泵站启停次数2个三级指标用于评价故障风险（二级指标），结合泵站提升能耗的计算，综合反映泵站稳定低耗运行情况（一级指标）。由计算可知，为了保证泵站稳定低耗运行，上述3个三级指标都要尽可能达到最小的状态。

在进行管网运行评估的过程中，各地管网运行状况存在一定的差异，管理决策者对各指标的重视程度不同，而且各个指标对管网运行的影响程度不同，因而各个指标在决策中的地位是不同的。因此，为了描述这些差异，可以为各个指标分配权重值，以体现各个指标在决策中的相对重要程度。由于管网运行状况受到研究区域降雨、水力状况等因素的影响，权重存在很大的不确定性，通常可以依据专家判断、区域类比以及管理者经验来进行初始权重的确定。在评价体系应用过程中还可以根据具体情况对初始权重进行不断调整和修正，使权重值能够更加真实地反映管网实际情况。

（A）排水管网水力模型构建

在基础空间地形数据、排水管网数据、遥感卫星数据、社会经济统计数据等基础数据收集的基础上进行排水管网水力模型的构建，构建过程包括根据排水管网数据库中建模片区的相关空间和属性数据，构建“管线-节点-汇水区”之间的空间网络对应关系，借助已知的专业建模工具进行拓扑关系检查及修正；制定科学的监测方案并进行实施，对获取的监测数据进行及时的分析、判断和整理，以得到模型真实的输入和验证模型参数。在模型初步建立后，对模型中的关键参数进行识别并根据监测结果进行验证。最终得到能真实反映排水管网客观规律的水力模型，为排水系统综合评估指标的计算提供数据来源和分析依据。

（B）运行方案生成

根据需求设定一个或多个不同的模拟情景，并计算给定模拟情景下的各个指标，所述的不同模拟情景包括不同的排水系统状况、不同的规划设计方案、不同的运行维护方案、不同的控制方案如应用拉丁超立方法（LatinHypercube Sampling，简称LHS）生成的多个控制方案等。通过设置不同的输入条件，包括降雨条件、污水排放条件、降雨入渗条件、径流控制措施等设定不同的模拟情景方案。

（C）权重设置

根据评估目的以及排水系统实际状况，综合运用专家判断法、相似区域类比方法以及管理者经验进行三级指标和二级指标的权重设置，此值设置在0~1之间。需要说明的是，在实际应用过程中，权重需要经过长期的修正和优化，才能更为准确地反映排水系统实际状况。

（D）标准参考值设定

为了保证最终得到的优选方案符合实际需求，减少后期的计算量，通过设定标准参考值，与三级指标或二级指标作对比，从多个运行方案中筛选掉不符合其标准参考值的运行方案。标准参考值可通过历史监测数据统计方法以及模拟结果评估，结合专家判断、相似区域类比以及管理者经验进行设定。例如，发生溢流的方案肯定不符合要求，可以首先剔除。

（E）评估指标计算

具体评估指标计算步骤如下：

1）三级指标计算：根据本发明涉及的各个三级指标的计算方法计算所有运行方案下的各个三级指标。为了减少后期计算量，可根据实际情况选择通过将计算得到的三级指标与其相应的标准参考值对比来筛选掉不符合要求的运行方案；

2）三级指标归一化处理：由于三级指标计算结果量纲有别，数值差别较大，如不对其进行处理，无法得到统一、有意义的综合指标值。因此，对所有运行方案或者筛选后运行方案的各个三级指标计算结果进行归一化处理，保证数据变化趋势一致。本发明采用的归一化方法是最值法，计算公式如下：

$y=\frac{x-\mathrm{MinValue}}{\mathrm{MaxValue}-\mathrm{MinValue}}$ （式9）

其中，x、y分别为转换前、后的三级指标值，MaxValue、MinValue分别为所有运行方案或者筛选后运行方案的同一三级指标计算值的最大值和最小值，此归一化值在0~1之间；

3）二级指标计算：根据步骤（C）设置的各个三级指标的权重，与步骤2）中得到的对应的三级指标归一化处理值进行乘积加和，计算得到6个二级指标的综合指数。为了减少后期计算量，可根据实际情况选择通过将计算得到的二级指标与其相应的标准参考值对比来筛选掉不符合要求的运行方案；

4）一级指标计算：根据步骤（C）设置的二级指标的权重，与步骤3）中得到的二级指标综合指数进行乘积加和，计算得到3个一级指标并根据一级指标值对运行方案进行排序。

（F）状态评估

运用步骤（E）计算得到的一级指标计算结果来评估排水系统的三个方面，即污水厂稳定运行、管网安全稳定运行和泵站稳定低耗运行。最终的计算结果值越小则说明排水系统的污水厂运行越稳定，管网运行越安全稳定，泵站的运行稳定低耗。由此，优选出一级指标值最小的运行方案，应用于所述城市排水系统以优化其运行状况。

根据本发明的评估排水系统运行状况的方法，所用的多级评价指标体系综合反映了排水系统的整体运行状况，可应用于排水系统的现状评估，包括污水厂、管网以及泵站的运行情况评估，为系统整体管理和运行调整提供定量依据，从而提高排水系统运行效率。同时还可应用于系统决策方案的筛选，如管网泵站调度方案、管网局部改造规划方案、事故应急方案等。

本发明的优点至少在于：

（1）衡量指标客观：本发明所用的指标体系涉及的三级指标均是结合管网水力条件和监测数据获取情况进行筛选的，各级指标均是通过专家判断、区域类比以及管理者经验进行权重赋值，使得指标能够客观、真实的反映排水系统的运行状况。

（2）综合性：本发明所用的指标体系属于综合性指标，涉及排水系统运行中的3个一级指标、6个二级指标以及17个三级指标，具有综合性，能够全面、客观地对排水系统运行状况进行评估，并辅助系统决策方案的筛选等。

（3）可操作性强：本发明所用的指标体系中各级指标含义明确且易被理解，指标量化能够用现有的方法或者公式进行求解，可操作性强。

（4）适用范围广：本发明所用的指标体系适用于不同规模、具有不同问题的排水系统现状评估和系统运行辅助决策，并可根据评价目的通过权重设定进行指标的选择和组合。

本发明的评估排水系统运行状况的方法，具有客观、综合、可操作性强、适用范围广等特征，不仅能对当前系统状态进行评估和诊断，识别系统存在的问题，如节点溢流、管道堵塞等问题，以保证排水系统长期安全稳定运行；而且还可应用于系统控制方案的筛选，如管网泵站调度方案、管网局部改造规划方案、事故应急方案等，为排水管网的规划、设计以及运行维护提供客观、科学的评估手段和决策依据。

本发明的评估排水系统运行状况的方法，结合计算机水力模型，使其不仅可以实现对已建排水管网系统运行状况进行诊断并根据系统水力特性及整体运行状况对系统进行合理的优化，而且有助于对管网决策进行优选评估，从而确保管网稳定、安全运行，并为排水系统布局优化分析提供科学依据，使流域级别的综合管理得以实现。

附图说明

图1是用于本发明的排水系统运行多级评价指标体系的框架示意图。

具体实施方式

以下实施方式对本发明进行更为详细的描述，但其并不限制本发明的范围。具体而言，下面以泵站调度方案筛选评估为例来说明本发明的一些具体实施方式。

某区域某泵站运行由某区域管网所统一调度，控制泵的启停。该泵站每天设计流量3.5万吨，设有4台（3台使用1台备用）型号均为350WQ1100-10-45的潜污泵，该泵站只有1台泵在早晚排水高峰定时开启且开启时间较短，由此造成管道过载和溢流的风险。因此，应当在保证管网安全稳定运行的情况下，对该泵站进行调度方案筛选评估。

（1）排水管网水力模型构建

通过基础数据收集整理、初步模型构建、监测方案制定和实施、模型参数识别验证等步骤构建某片区排水管网模型，该片区排水管网模型共包括2812个节点、2803条管道（总长度100.6公里），393个子服务区。选取了主干管、典型居民区、工业区、老区混合区等5个流量点和2个液位点进行半年的流量和液位监测，为模型构建和验证提供了数据支撑。验证结果表明，流量模拟结果的相关性系数为0.75，总水量误差为-2.4%；液位模拟结果的相关性系数为0.92，满足模型计算要求。

潜污泵生产厂家提供的技术参数以及泵站管理部门提供的当前开关泵控制数据作为模型输入，设置泵的水头-流量特性曲线，模拟分析当前控制方案下的管网运行状态，根据排水系统运行多级评价指标体系进行评估指标计算并对当前方案下管网的运行状况进行分析。通过计算得：污水厂稳定运行指标值为0.331，管网安全稳定运行指标值为0.562，泵站稳定低耗运行指标值为0.427。

结果表明：停泵时段，污水积存在泵站上游管道内，由于流速缓慢，容易出现淤积；排水高峰来临，泵站开启，污水排放至泵站下游，但是由于开泵时间较短，上游管道内积水仍未完全排出，致使管道内长期积存污水，导致淤积严重，且由于淤积造成管道粗糙度增大，流速减小，进一步增大了淤积风险，因此当前控制方案已不能满足实际需求，需要进行策略筛选；

（2）控制方案生成

基于不确定性理论，在某节点入流情景的基础上，增加更符合客观情况的入流扰动（±5%）影响，生成多个不同的节点入流曲线，利用拉丁超立方法（Latin Hypercube Sampling，简称LHS）生成4000个控制方案，每个控制方案由随机采样获取的开泵液位和关泵液位组成；

（3）权重设置

根据评估目的以及排水系统实际状况，综合运用专家判断法、相似区域类比方法以及管理者经验进行三级指标和二级指标的权重设置，此值设置在0~1之间；

（4）标准参考值设定

为了保证最终得到的优选方案符合实际需求，减少后期的计算量，根据模拟分析，结合管网实际运行状况，综合运用专家判断、相似区域类比以及管理者经验设定标准参考值，即无溢流发生，泵站启停次数≤10次，出水口流量时变化系数≤1.80，节点总过载时间≤5000h，满管时间≤5000h，易发生淤积管道总长度≤6000m；

（5）评估指标计算

分别计算各个控制方案下的三级指标，包括溢流量、泵站启停次数、出水口流量时变化系数、节点总过载时间、满管时间、易发生淤积管道总长度；然后将计算得到的三级指标与标准参考值对比进行筛选，共得到2020个满足条件的“可行控制方案”；利用排水系统运行多级评价指标体系分别对当前控制方案和“可行控制方案”进行评估指标计算；

（6）优选方案效果评估

通过一级评估指标的计算对比，筛选出能够在保证管网安全稳定运行和污水厂进水稳定的前提下尽量减少泵站启停次数的控制方案作为优选方案。筛选得到的最终优选控制方案为开泵液位为1.8m、关泵液位为0.5m。如表1所示为优选方案与当前控制方案指标的计算结果对比，结果表明，采用优化后的控制方案可以显著改善管网过载情况以及泵站故障风险，对于污水厂稳定运行也有一定的提高。

表1

	原始方案	优选方案	提升效果
				管网安全稳定运行指标	0.562	0.232	58.7%
泵站稳定低耗运行指标	0.427	0.305	28.6%
				污水厂稳定运行指标	0.331	0.298	9.96%

基于不确定性理论进行泵站调度方案筛选评估，包括排水管网水力模型构建、控制方案生成、权重设置、标准参考值设定、评估指标计算以及优选方案效果评估等。由于管网系统结构复杂、包含要素较复杂，泵站调度运行策略需要综合考虑管网安全稳定运行、污水厂稳定运行和泵站稳定低耗运行等目标，但实际管理过程中很难通过单一的指标或者计算来综合评定和优选控制方案，而通过本发明的评估排水系统运行状况的方法，可以快速地进行方案的筛选，辅助进行泵站调度的科学决策。

上面已经描述了本发明的许多示例性实施方式。然而，应当理解本发明，特别是上述示例性实施方式，还可以做出各种改变以形成其他实施方式。例如，如果所述示例性实施方式的步骤按不同顺序执行和/或技术特征以其它方式组合和/或被其等同技术特征替换或增补可以获得相同或类似的技术效果，那么这些改变的实施方式也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种优化城市排水系统运行状况的方法，包括以下步骤：

（a）用所述城市排水系统的多个运行方案的运行参数值计算各个运行方案的多个三级指标的值，任选地将三级指标值不符合其标准参考值的运行方案排除；

（b）选取一个或多个三级指标，分别计算所选三级指标的归一化处理值，对所选三级指标的归一化处理值与其权重的乘积进行求和以得到相应的二级指标值，任选地将二级指标值不符合其标准参考值的运行方案排除；

（c）选取一个或多个二级指标，对所选二级指标的值与其权重的乘积进行求和以得到相应的一级指标值，任选地将步骤（a）中的多个运行方案或者步骤（a）或步骤（b）中剩余的运行方案按照其一级指标值进行排序。

2.根据权利要求1的方法，还包括以下步骤：

（d）将步骤（c）中一级指标值较小的运行方案，优选一级指标值最小的运行方案，应用于所述城市排水系统以优化其运行状况。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述三级指标包括：出水口流量标准差、峰值流量与平均值流量比值、水量波动范围、单一污染物浓度波动、综合污染物浓度波动、溢流量的统计值、节点过载时间的统计值、溢流风险平均值、管道满管时间、充满度算数平均值、充满度长度加权平均值、流速波动范围、易淤积管线长度、易冲刷管线长度、泵站运行时间、泵站启停次数和/或泵站提升能耗。

4.根据权利要求3的方法，其中根据以下步骤由相应的运行参数的值计算所述三级指标的值：

1）计算出水口流量标准差，包括根据式1计算出水口流量平均值

$\stackrel{\‾}{Q}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i}{n}$ （式1）

和根据式2计算出水口流量标准差（S_OUT）：

$S_{\mathrm{OUT}}=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(Q_i-\stackrel{\‾}{Q})}^2}{n-1}}$ （式2）

其中n为计算期间内出水口入流量数据的个数，Q_i为第i个汇报的出水口入流量；

2）计算峰值流量与平均值流量比值，包括计算出水口入流量最大值（Q_max）与出水口入流量平均值

的比值；

3）计算水量波动范围，包括根据式3计算出水口流量波动偏差：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(Q_i-{\underset{\‾}{Q}}_i),({\stackrel{\‾}{Q}}_i-Q_i)\left]\right\}}^2$ （式3）

其中，Q _i表示污水厂i时刻的最小允许入流量，表示污水厂i时刻的最大允许入流量，n为计算期间内出水口入流量数据的个数，Q_i为第i个汇报的出水口入流量；

4）计算单一污染物浓度波动，包括根据式4计算单一污染物浓度的波动范围：

$S_x=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(C_{x_i}-{\underset{\‾}{C}}_{x_i}),({\stackrel{\‾}{C}}_{x_i}-C_{x_i})\left]\right\}}^2$ （式4）

其中，S_x表示出水口污染物x的波动偏差，n表示计算期间内出水口污染物浓度数据的个数，

表示第i个汇报的出水中x的浓度，

表示污水厂i时刻x的最小允许浓度，表示污水厂i时刻x的最大允许浓度；

5）计算综合污染物浓度波动，包括计算分别根据4）计算得到的多个污染物浓度波动S_x的加权平均值；

6）计算溢流量的统计值，包括计算各个节点溢流量的总和；

7）计算节点过载时间的统计值，包括计算各个节点过载持续时间的总和；

8）计算溢流风险平均值，包括根据式5和式6计算节点最大溢流风险平均值：

$r_{\max ,i}=\frac{\max \left(h_{\mathrm{above},i}\right)}{\max \left(h_{\mathrm{above},i}\right)+\min \left(d_{\mathrm{below},i}\right)}$ （式5）

$\stackrel{\‾}{R}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{t_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i}\·r_{\max ,i})$ （式6）

其中，r_max，i表示节点i的最大溢流风险系数；max(h_above)表示节点i的超过管顶最大高度；min(d_below)表示节点i的低于节点边缘最小深度；

表示节点最大溢流风险的加权平均值，权重根据节点过载时间确定；t_i则表示节点i的过载持续时间；

9）计算管道满管时间，包括计算管网内管线两端满管时间的总和；

10）计算充满度算数平均值，包括计算参与统计的所有管线的最大充满度的总和与管线数的比值；

11）计算充满度长度加权平均值，包括根据式7计算充满度长度加权平均值：

$\stackrel{\‾}{C^{\′}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{l_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i}\·C_{\max ,i})$ （式7）

其中，C_max,i表示管线i的最大充满度；l_i表示管线i的长度；n为参与统计的管线数；

12）计算流速波动范围，包括根据式8计算流速波动偏差：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left\{\min \right[0,(v_i-0.6),(5-v_i)\left]\right\}}^2$ （式8）

其中，S表示流速波动偏差，n表示管线个数，v_i表示第i个管线的最大流速；

13）计算易淤积管线长度，包括计算最大流速小于0.6m/s的管线长度的总和；

14）计算易冲刷管线长度，包括计算最大流速大于5m/s的管线长度的总和；

15）计算泵站运行时间，包括计算各个泵站运行时间的总和；

16）计算泵站启停次数，包括计算泵站启停次数的总和；和/或

17）计算泵站提升能耗，包括计算各个泵站能耗的总和。

5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中所述二级指标包括：水量稳定指标、水质稳定指标、节点溢流风险指标、管线负荷指标、故障风险指标和/或降低能耗指标，并且通过以下步骤计算所述二级指标的值：

i）计算水量稳定指标，包括：分别计算作为三级指标的出水口流量标准差、峰值流量与平均值流量比值和/或水量波动范围的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到水量稳定指标的值；

ii）计算水质稳定指标，包括：分别计算作为三级指标的单一污染物浓度波动和/或综合污染物浓度波动的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到水质稳定指标的值；

iii）计算节点溢流风险指标，包括：分别计算作为三级指标的溢流量的统计值、节点过载时间的统计值和/或溢流风险平均值的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到节点溢流风险指标的值；

iv）计算管线负荷指标，包括：分别计算作为三级指标的管道满管时间、充满度算数平均值、充满度长度加权平均值、流速波动范围、易淤积管线长度和/或易冲刷管线长度的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到管线负荷指标的值；

v）计算故障风险指标，包括：分别计算作为三级指标的泵站运行时间和/或泵站启停次数的归一化处理值，对所得各个三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到故障风险指标的值；

vi）计算降低能耗指标，包括：计算作为三级指标的泵站提升能耗的归一化处理值，对所得三级指标的归一化处理值与其权重的乘积求和以得到降低能耗指标的值。

6.根据权利要求5的方法，其中所述一级指标包括：污水厂稳定运行指标、管网安全稳定运行指标和/或泵站稳定低耗运行指标，并且通过以下步骤计算所述一级指标的值：

I）计算污水厂稳定运行指标，包括：对作为二级指标的水量稳定指标和/或水质稳定指标的值与其权重的乘积求和以得到污水厂稳定运行指标的值；

III）计算管网安全稳定运行指标，包括：对作为二级指标的节点溢流风险指标和/或管线负荷指标的值与其权重的乘积求和以得到管网安全稳定运行指标的值；

III）计算泵站稳定低耗运行指标，包括：对作为二级指标的故障风险指标和/或降低能耗指标的值与其权重的乘积求和以得到泵站稳定低耗运行指标的值。

7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中采用专家判断法和/或相似区域类比法为三级指标和/或二级指标提供权重。

8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中根据式9计算三级指标的归一化处理值：

$y=\frac{x-\mathrm{MinValue}}{\mathrm{MaxValue}-\mathrm{MinValue}}$ （式9）

其中，x、y分别为转换前、后的三级指标值，MaxValue、MinValue分别为同一三级指标的最大值和最小值。

9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中步骤（a）还包括：

（a1）构建所述城市排水系统的水力模型；

（a2）为所述水力模型提供一个或多个运行方案；

（a3）利用所述水力模型计算各个运行方案下所述城市排水系统的运行参数的值。

10.根据权利要求9的方法，其中所述运行方案包括各种不同的排水系统状况、各种规划或设计的运行方案、各种运行维护方案和/或各种控制方案。

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