CN110334468B - 一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法 - Google Patents
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Abstract
一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，它属于环境工程领域。本发明解决了目前无法根据不同的降雨情况，获得城市排水管网入河排放口的溢流量的问题。本发明根据城市排水管网的数据信息构建城市排水管网的模型，然后根据排水系统的实际运行情况添加截留管线、截留泵站和调蓄水池等截留构筑物，通过模拟多种不同降雨场景，最后分析降雨量与入河排放口溢流量的关系，拟合得出降雨量‑入河排放口溢流量函数，最终确定入河排放口的最小临界降雨量以及任意降雨量下的入河排放口溢流量，从而为城市内河管理以及排水管网的升级优化提供理论参考依据。本发明可以应用于市政工程、环境工程以及计算机数值仿真模拟技术交叉领域。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域，具体涉及一种多模型融合的城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法。
背景技术
城市内河是城市重要组成部分，作为城市的血液命脉，其承担着生活供水、农业灌溉、河道运输、泄洪防涝、稀释污水以及调节气候等重要作用，是城市的名片和一道靓丽的风景线。近些年来，随着城市化进程的加快，人口增长和生产力的发展加剧了人与自然的冲突，城市内河的生态保护被人们忽视，雨污废水随意排放现象经常发生，导致河流水质污染、黑臭现象等频出，人类生命和财产受到威胁。造成河流水体恶化黑臭的原因众多，其中合流制排水系统溢流污染是重要的原因之一。
我国在早期建设中较多地采用直排式合流制排水系统，收集污水后直排进入河流水体，对河流水体产生严重的污染。随着城市的发展，直流式合流制排水系统逐渐升级改造为截留式合流制排水系统，即临河建造截流干管，同时在合流干管与截流干管相交前或相交处设置溢流井，截流干管连接污水处理厂，当混合污水的流量超过截流干管的输水能力后，部分污水经溢流井溢出，直接排入河流水体。针对排水系统的研究，目前国内外大部分学者主要着眼于利用管网模型解决排水系统的管线优化、截留泵站调度优化等方面问题，而忽视一个城市排水管网的运行基本问题，即针对不同降雨情况，入河排放口的溢流量是多大？此方面的研究多集中在历史资料的总结与统计，在模型解决思路方面仍是空白，故目前缺少一种利用计算机模拟的城市管网系统降雨量与入河排放口溢流量的定量关系探究方法，因此，目前还无法根据不同的降雨情况，获得城市排水管网入河排放口的溢流量。
发明内容
本发明的目的是为解决目前无法根据不同的降雨情况，获得城市排水管网入河排放口的溢流量的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据城市排水管网的数据信息进行汇水区、管网和检查井节点的建模，搭建城市排水管网模型；
步骤二、在步骤一搭建的城市排水管网模型中进行截留设施建模，并设置截留设施的运行参数，获得包含截留设施的城市排水管网模型；
步骤三、向步骤二的包含截留设施的城市排水管网模型中输入N组相同降雨时长、不同降雨强度下的气象数据进行模拟运行，分别得出每组降雨数据对应的入河排放口溢流量数据；
步骤四、利用Matlab对步骤三获得的数据进行高次非线性多项式拟合，获得降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线，利用每组降雨数据对应的实际入河排放口溢流量监测数据对曲线进行校核，获得校核好的降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线；
对校核好的降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线进行分析，得到入河排放口溢流的最小临界降雨量；
步骤五、将天气预报的降雨数据代入步骤四校核好的降雨量-入河排放口溢流量关系曲线，预测当前降雨数据下的各个入河排放口的溢流量。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，本发明从城市内河雨污合流污染源整治与管理的实际需求出发，根据城市排水管网的数据信息构建城市排水管网的模型，然后根据排水系统的实际运行情况添加截留管线、截留泵站和调蓄水池等截留构筑物，通过模拟多种不同降雨场景，最后分析降雨量与入河排放口溢流量的关系，拟合得出降雨量-入河排放口溢流量函数，最终确定入河排放口的最小临界降雨量以及任意降雨量下的入河排放口溢流量，从而为城市内河管理以及排水管网的升级优化提供理论参考依据。
1、本发明可以结合城市排水管网的复杂水流情景，给出不同降雨条件下入河排放口的溢流量与污染物入河量，与人工探究方法相比，大大增加了入河污染物的探究精度；
2、本发明给出降雨量-入河排放口溢流量对应曲线，可以得出入河排放口溢流的最小临界降雨量，以及预测每场降雨的入河排放口溢流量，河道管理人员即可根据预报降雨量提前计算每个入河排放口的溢流量，便于对入河排放口进行调节与管理，大大减轻了河道管理工作量。
附图说明
图1是本发明的一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据城市排水管网的数据信息进行汇水区、管网和检查井节点的建模，搭建城市排水管网模型；
步骤二、在步骤一搭建的城市排水管网模型中进行截留设施建模，并设置截留设施的运行参数，获得包含截留设施的城市排水管网模型；
步骤三、向步骤二的包含截留设施的城市排水管网模型中输入N组相同降雨时长、不同降雨强度下的气象数据进行模拟运行，分别得出每组降雨数据对应的入河排放口溢流量数据；
本步骤中的每组降雨数据均由降雨时长和降雨强度组成，共组成N组降雨数据；
步骤四、利用Matlab对步骤三获得的数据进行高次非线性多项式拟合，获得降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线，利用每组降雨数据对应的实际入河排放口溢流量监测数据对曲线进行校核，获得校核好的降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线；
对校核好的降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线进行分析，得到入河排放口溢流的最小临界降雨量；
入河排放口溢流的最小临界降雨量是指：分析校核好的降雨量-入河排放口溢流量数据的关系曲线，在降雨量较小的情况下，由于地表下渗，雨水不进入管网，从而入河排放口不出现溢流。当下渗饱和时，雨水收集至排水管网，经管道运输后，在入河排放口溢流。当入河排放口恰好开始溢流时，对应的降雨量为最小临界降雨量；
步骤五、将天气预报的降雨数据代入步骤四校核好的降雨量-入河排放口溢流量关系曲线，预测当前降雨数据下的各个入河排放口的溢流量。
本发明方法可以在多种排水管网模型下完成，不局限于某个建模软件，现有主流的排水管网建模软件包括SWMM INFOWORKS-ICM以及MIKE URBAN等。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一的具体过程为：
汇水区建模需要的数据信息为：平均坡度、不渗透百分比、不渗透性曼宁系数、渗透性曼宁系数、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水和无洼地蓄水百分比；
管道建模需要的数据信息为：管道形状、管道长度、管道粗糙系数、管道连接偏移量、初始流量和进出口损失系数；
检查井节点建模需要的数据信息为：检查井节点内底标高、检查井节点深度、检查井节点积水面积、检查井节点超高和检查井节点初始水深；
对汇水区、管道和检查井节点建模后，完成城市排水管网模型的搭建。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤二的具体过程为：
在步骤一搭建的城市排水管网模型中进行截留设施建模，建模的截留设施包括节点污水入流、泵站、调蓄水池、截留管段和污水处理厂；
节点污水入流建模：在出现雨污合流的检查井节点处设置平均污水入流流量与污水水质，并设置污水入流规则；
检查井节点可分为两类：一类接纳污水进入，一类接纳雨水进入；
泵站建模：设置泵站进水出水节点、水泵曲线、泵站初始液位、泵站开启深度和泵站闭合深度；
调蓄水池建模：设置调蓄水池内底标高、调蓄水池最大深度、调蓄水池池体面积、蒸发因子和蓄水曲线；
截留管段建模：截留堰长度、截留堰宽度和流量系数；
污水处理厂建模：设置为有水质净化功能的节点-管道-节点模块组，设置参数为污水处理厂进出水标高以及污染去除率。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤三的具体过程为：
以N场实际降雨过程中，监测的N组气象数据作为样本，将样本导入步骤二的包含截留设施的城市排水管网模型，运行包含截留设施的城市排水管网模型后，模型输出每组气象数据对应的入河排放口溢流量数据；
将模型输出的入河排放口溢流量数据与实际监测的入河排放口溢流量数据做对比，判断的值是否小于等于20％；
若的值小于等于20％，则直接利用模型输出的入河排放口溢流量数据来执行步骤四；
若的值大于20％，则对汇水区的不渗透性曼宁系数、渗透性曼宁系数、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水、无洼地蓄水百分比，管道的粗糙系数、连接偏移量、初始流量、进出口损失系数，以及检查井节点积水面积、超高、初始水深进行调整，直至模型输出的入河排放口溢流量数据满足：的值小于等于20％，利用模型最终输出的入河排放口溢流量数据来执行步骤四；
本步骤中对汇水区的不渗透性曼宁系数、渗透性曼宁系数、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水、无洼地蓄水百分比，管道的粗糙系数、连接偏移量、初始流量、进出口损失系数，以及检查井节点积水面积、超高、初始水深进行调整时，可以先对这些参数进行敏感性分析，即利用计算机自动生成不同的参数范围，观察模型输出值在参数范围内的浮动，将使模型输出值浮动大的参数作为敏感参数，参数调整时则重点调整敏感参数。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤三中的气象数据包括风速、风向、降雨强度和气温，降雨强度的单位是mm/min。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤三中N的取值为N≥5。
结合图1给出本发明实施例，以详细说明本发明的技术方案，具体操作流程说明如下。
实际案例中，包含截留设施的城市排水管网模型管网模型的降雨量输入条件为时长为3h、雨峰位置系数0.4、总降雨量分别为0～200mm、计算间隔5mm的基于芝加哥雨型的降雨时序数据，在包含截留设施的城市排水管网模型中导入并进行模拟运行，程序自动运行40次，得到计算结果，并整理不同入河排放口的降雨量-入河溢流量数据对应关系。
降雨量-入河排放口溢流量数据导入Matlab进行高次非线性多项式拟合，根据曲线变化趋势，分为四段式，分别是：
常数项段 y1＝0 (0<x≤n1)
三次项段 y2＝a1x3+a2x2+a3x (n1<x≤n2)
二次项段 y3＝b1x2+b2x+b3 (n2<x≤n3)
一次项段 y4＝c1x+c2 (x>n3)
各个段的转折点(n1/n2/n3)的确定由Matlab进行斜率分析求得。
其中：a1/a2/a3/b1/b2/b3/c1/c2均为拟合系数，由Matlab分段拟合求得。
将本发明方法应用于某一线城市内河的入河排放口的降雨量-溢流量关系曲线的探究，其中该城市的沿河主要入河排放口为9个。进行模型率定与校核后，由计算机执行降雨量分别为3h累计降雨量为0mm～200mm，计算间隔为5mm，共计40次计算，其降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线为：
利用两个主要入河排放口对相关结果进行验证，结果有效性大于80％。
其中：y为入河排放口的溢流量，单位为m3
x为单次降雨的降雨总量，单位为mm。
其他入河排放口处理情况类似。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (3)
1.一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据城市排水管网的数据信息进行汇水区、管网和检查井节点的建模，搭建城市排水管网模型；
所述步骤一的具体过程为：
汇水区建模需要的数据信息为：平均坡度、不渗透百分比、不渗透性曼宁系数、渗透性曼宁系数、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水和无洼地蓄水百分比；
管道建模需要的数据信息为：管道形状、管道长度、管道粗糙系数、管道连接偏移量、初始流量和进出口损失系数；
检查井节点建模需要的数据信息为：检查井节点内底标高、检查井节点深度、检查井节点积水面积、检查井节点超高和检查井节点初始水深；
对汇水区、管道和检查井节点建模后，完成城市排水管网模型的搭建；
步骤二、在步骤一搭建的城市排水管网模型中进行截留设施建模，并设置截留设施的运行参数，获得包含截留设施的城市排水管网模型；
所述步骤二的具体过程为：
在步骤一搭建的城市排水管网模型中进行截留设施建模，建模的截留设施包括节点污水入流、泵站、调蓄水池、截留管段和污水处理厂；
节点污水入流建模：在出现雨污合流的检查井节点处设置平均污水入流流量与污水水质，并设置污水入流规则；
泵站建模：设置泵站进水出水节点、水泵曲线、泵站初始液位、泵站开启深度和泵站闭合深度；
调蓄水池建模：设置调蓄水池内底标高、调蓄水池最大深度、调蓄水池池体面积、蒸发因子和蓄水曲线；
截留管段建模：截留堰长度、截留堰宽度和流量系数；
污水处理厂建模：设置为有水质净化功能的节点-管道-节点模块组，设置参数为污水处理厂进出水标高以及污染去除率；
步骤三、向步骤二的包含截留设施的城市排水管网模型中输入N组相同降雨时长、不同降雨强度下的气象数据进行模拟，分别得出每组气象数据对应的入河排放口溢流量数据；
所述步骤三的具体过程为：
以N场实际降雨过程中，监测的N组气象数据作为样本，将样本导入步骤二的包含截留设施的城市排水管网模型，运行包含截留设施的城市排水管网模型后，模型输出每组气象数据对应的入河排放口溢流量数据；
将模型输出的入河排放口溢流量数据与实际监测的入河排放口溢流量数据做对比，判断的值是否小于等于20％；
若的值小于等于20％，则直接利用模型输出的入河排放口溢流量数据来执行步骤四；
若的值大于20％，则对汇水区的不渗透性曼宁系数、渗透性曼宁系数、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水、无洼地蓄水百分比，管道的粗糙系数、连接偏移量、初始流量、进出口损失系数，以及检查井节点积水面积、超高、初始水深进行调整，直至模型输出的入河排放口溢流量数据满足：的值小于等于20％，利用模型最终输出的入河排放口溢流量数据来执行步骤四；
步骤四、利用Matlab对步骤三获得的数据进行高次非线性多项式拟合，获得降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线，利用每组降雨数据对应的实际入河排放口溢流量监测数据对曲线进行校核，获得校核好的降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线；
所述对步骤三获得的数据进行高次非线性多项式拟合，所获得的降雨量-入河排放口溢流量的关系曲线为：
常数项段：y1＝0,0<x≤n1
三次项段：y2＝a1x3+a2x2+a3x,n1<x≤n2
二次项段：y3＝b1x2+b2x+b3,n2<x≤n3
一次项段:y4＝c1x+c2,x>n3
各个段的转折点n1、n2、n3的确定由Matlab进行斜率分析求得；
其中：a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2均为拟合系数，由Matlab分段拟合求得；
步骤五、将天气预报的气象数据代入步骤四校核好的降雨量-入河排放口溢流量关系曲线，预测当前气象数据下的各个入河排放口的溢流量。
2.根据权利要求1所述的一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，其特征在于，所述步骤三中的气象数据包括风速、风向、降雨强度和气温，降雨强度的单位是mm/min。
3.根据权利要求2所述的一种城市排水管网雨水汇入量与溢流量的定量方法，其特征在于，所述步骤三中N的取值为N≥5。
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