CN112381312B - 基于排水管网特征预测合流制溢流的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于排水管网特征预测合流制溢流的方法及其应用，排水区域内的至少一个干管网末端设有溢流堰，包括以下步骤：建立干管水量超过干管溢流口溢流堰堰高时所发生溢流的临界降雨强度Ic的计算公式；计算各干管网发生溢流所需的临界降雨强度Ic并作为溢流口发生的溢流阈值Ic’，得到排水区域内各汇水区的溢流阈值Ic’；将各汇水区溢流阈值Ic与最大降雨强度进行比较，当最大降雨强度大于汇水区的溢流阈值Ic，合流制溢流发生；反之，合流制溢流不发生。发明通过干管末端排口的特征参数预测合流制溢流是否发生，无需监测和模拟，简单易行，预测误差小，方法可靠，大幅度减少了溢流监测的工作量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于排水管网特征预测合流制溢流的方法及其应用，属于涉及城市面源污染控制及管网优化改造技术领域。
背景技术
合流制排水管网同时收集、转运污水和雨水。降雨时，地表径流汇入管网系统，水流往往超过管网的输运能力。管网末端设置有溢流堰，如果水量未超过堰高，则全部水量转送到下游污水厂进行处理，如果水量超过堰高，则形成合流制溢流（CSO），进入受纳水体，造成水环境污染。
合流制排水体系具有结构简单，造价低，建设周期短等优点。然而，排水管的容积是根据一定重现期的降雨设计的，一般是1-3年重现期。因而，管网容积不能满足超过设计值的水量输送。超过的水流通过溢流进入受纳水体，形成面源污染。近年，随着点源污染的有效控制，合流制溢流造成的面源污染成为受纳水体水质恶化的主因。以大肠杆菌为例，雨天受纳水体的大肠杆菌浓度较之晴天呈现出1-2个对数数量级的增长。
因此，通过管网优化改造及低影响开发技术控制合流制溢流的产生势在必行。首先应对区域的合流制溢流进行评估，对溢流频率高的汇水区进行优先控制。然而，由于各个汇水区域的土地利用方式，地形坡度，汇水面积，管网结构均不同，造成了合流制溢流的发生具有不确定性。同样的降雨条件下，有的区域可能产生溢流，有的区域可能不产生溢流。同一区域，在不同降雨条件下可能产生溢流，也可能不产生溢流。
如上，溢流的发生与否只能通过监测或者模拟获悉。但是，监测费时费力，效率低下，对所有区域进行监测几乎是不可能的。模拟虽然效率高，但是模型的建立要求精确的排水管网数据及其他地理信息参数，才能保证模拟结果的可靠。然而，很多区域不具备完善的排水管网台账，无法建模。即使可以通过模拟，计算出合流制溢流的发生，也无法识别影响溢流的主要因素，因而也就无法进行有效管控。此外，无论监测或者模拟，都无法提前判断溢流的发生与否，是一种滞后的溢流行为评估方法。
目前，已有的关于合流制溢流的发明，多集中在如何改善包括溢流井在内的溢流控制系统。现有的专利也是基于区域发生溢流的阈值，并结合降雨数据预测溢流的水力学行为。但是对于溢流阈值本身的简单预测方法，还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于排水管网特征预测合流制溢流的方法及其应用，不需要监测或模拟即可得到排水区域内各汇水区溢流阈值，能快速预测合流制的发生情况，预测误差小，方法可靠，能大幅度减少了溢流监测的工作量。
本发明为达到上述目的的技术方案是：一种基于排水管网特征预测合流制溢流的方法，其特征在于：所述排水区域内的至少一个干管末端设有溢流堰，各干管用于收集各自汇水区的雨水及生活污水，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立水量超过干管溢流口溢流堰堰高时所发生溢流的临界降雨强度Ic的计算公式，
Ic=Qw/CA，
其中：Qw是干管溢流口堰高所决定的临界流量，C为地表径流系数，A为汇水区面积；
所述的临界流量Qw计算公式为：
Qw=Aflow×V,
其中：Aflow是溢流口管段的过水断面面积，由堰高拦截干管的截面积确定；V为溢流口管段流速，
所述的溢流口管段流速的计算公式为：，
其中：n为管段粗糙系数；Rh是管段的水力半径；S是管段坡度；
步骤2：计算各干管发生溢流所需的临界降雨强度Ic并作为溢流口发生的溢流阈值Ic’，得到排水区域内各汇水区的溢流阈值Ic’；
步骤3：将各汇水区溢流阈值Ic’与最大降雨强度进行比较，预测合流制溢流，当最大降雨强度大于汇水区的溢流阈值Ic’，则合流制溢流发生；反之，合流制溢流不发生。
本发明基于排水管网特征预测合流制溢流的方法在市政排水管网改造优化中的应用，其特征在于：通过减少汇水区面积A，减少地表径流系数C以及增大临界流量Qw，以提高溢流阈值Ic’，对干管改造优化。
本发明采用上述技术方案后具有以下优点：
1、本发明建立干管网发生溢流的临界降雨强度Ic的计算公式，因此能通过干管网的溢流堰堰高所限定的临界溢量、汇水区面积以及地表径流系数，计算各干管网发生溢流所需的临界降雨强度Ic，并将该临界降雨强度Ic作为溢流口发生的溢流阈值Ic’，能快速方便获得排水区域内各汇水区的溢流阈值Ic’。本发明计算所涉及的参数都是该区域及干管网的已知性质参数，容易获得，计算方法简单高效，不需要监测或模拟即可获得溢流阈值Ic’，预测误差小，方法可靠，大幅度减少了溢流监测的工作量，为黑臭水体治理中的控源截污等工作奠定了基础。
2、本发明是通过对比溢流阈值Ic’和最大降雨强度，可提前预测溢流的发生。由于降雨可以提前预报，而各溢流阈值也是对应干管溢流口的固有特性，可根据汇水区及管网的特征参数提前计算出。如果最大降雨强度大于溢流阈值，则溢流发生；反之，溢流不发生，这与以往降雨发生时，进行模拟或检测不同，具有提前预测性。
4、本发明不针对特定降雨，如某一重现期的降雨，某一雨型的设计降雨，任何实际降雨，只要知道降雨强度，就可与溢流阈值Ic’进行对比，预测溢流的发生与否。
5、本发明是一种“白箱模型”，阐明了合流制溢流发生机理，预测所需参数少，简单易行，可对其他黑箱模型进行校验，提高监测预测的可靠性。同时对于缺乏排水管网台账，无法模拟溢流情况的汇水区，提供了一种判断溢流发生与否的快速简便方法。
6、本发明可以根据降雨量、汇水区面积、径流系数、管网的水量输送能力，结合水量平衡原理，通过用于预测的参数，提供了一种基于排水管网集水区以及管网末端排口的特征参数预测合流制溢流是否发生，对管网优化提供参考。
具体实施方式
本发明基于排水管网特征预测合流制溢流的方法，排水区域内的至少一个干管末端设有溢流堰，各干管用于收集各自汇水区的雨水及生活污水。当管网水量超过干管溢流口的堰高时，发生溢流。
该方法包括以下步骤：
步骤1：建立干管水量超过干管溢流口溢流堰堰高时所发生溢流的临界降雨强度Ic的计算公式，
Ic=Qw/CA，
其中：Qw是干管溢流口堰高所决定的临界流量，C为地表径流系数，A为汇水区面积，本发明的地表径流系数可根据汇水区土地利用情况，选择地表径流系数的数值，A为汇水区面积；可根据设计参数或通过地理信息系统（GIS）获得。
本发明的临界流量Qw计算公式为：
Qw=Aflow×V,
其中：Aflow是溢流口管段的过水断面面积，由堰高拦截干管的截面积确定；V为溢流口管段流速，而溢流口管段流速，可通过曼宁公式计算。
溢流口管段流速的计算公式为：
,
其中：n为干管段粗糙系数；Rh是干管段的水力半径；S是干管段坡度；
上述各参数可以通过地理信息系统GIS获得。
步骤2：计算各干管发生溢流所需的临界降雨强度Ic并作为溢流口发生的溢流阈值Ic’，得到排水区域内各汇水区的溢流阈值Ic’，无需监测和模拟即可获得溢流口的溢流阈值。本发明通过汇水区以及干管末端排口的特征参数，预测所需参数少，且无需监测和模拟，简单易行，大幅度减少了溢流监测的工作量。本发明溢流阈值计算方法有助于理解溢流发生的机理，即当降雨强度足够大，达到越过截留干管的堰高时，溢流发生，否则溢流不发生。
步骤3：在降雨时，将各汇水区溢流阈值Ic’与最大降雨强度进行比较，预测合流制溢流，当最大降雨强度大于汇水区的溢流阈值Ic’，则合流制溢流发生；反之，合流制溢流不发生。本发明最大降雨强度为任何期间的小时最大雨强，降雨不限制类型，不针对特定降雨，能提前预测溢流的发生。
本发明根据全年降雨，统计各汇水区年溢流频率，通过预测结果，可对排水区域内溢流频率高的汇水区干管改造优化。
本发明基于排水管网特征预测合流制溢流的方法在市政排水管网改造优化中的应用，通过减少汇水区面积A，减少地表径流系数C以及增大临界流量Qw，以提高溢流阈值Ic’，对干管改造优化。本发明可通过改变土地利用，来增加地表径流的渗透性，从而减小来地表径流系数C；通过增大干管容积，增加堰高，来增大临界流量Qw, 提高干管发生溢流所需的临界降雨强度。
某地区共集水区域内具有三个汇水区，三个汇水区对应的干管末端排口的特征参数如表1所示，
见表1
| 实施例 | C为地表径流系数C | 汇水区面积A(m2) | 干管溢流堰堰高(m) | 过水断面面积Aflow(m2) | 管段粗糙系数n | 干管段的水力半径Rh (m) | 干管段坡度S(°) | 溢流口管段流速V（m/s） | 溢流口临界流量（mm/h） |
| 1#干管 | 0.72 | 132000 | 0.15 | 0.055 | 0.013 | 0.088 | 0.005 | 1.08 | 0.059 |
| 2#干管 | 0.74 | 414300 | 0.45 | 0.228 | 0.013 | 0.181 | 0.008 | 2.20 | 0.502 |
| 3#干管 | 0.76 | 336100 | 0.60 | 0.404 | 0.013 | 0.241 | 0.01 | 2.98 | 1.204 |
根据表1的各参数，计算得到1#干管的临界降雨强度Ic即溢流阈值Ic’在2.25mm/h，2#干管的临界降雨强度Ic即溢流阈值Ic’在 5.89mm/h，3#干管的临界降雨强度Ic即溢流阈值Ic’在 16.97mm/h 。
通过雨量站降雨监测数据获得该区域每场降雨的最大降雨强度进行对比，预测合流制溢流，该区域场次降雨的最大降雨强度从1mm/h到约36mm/h。以一场降雨为例，其最大降雨强度为5mm/h,该值大于1#干管溢流阈值2.25mm/h，小于2#干管溢流阈值5.89mm/h，以及3#干管溢流阈值16.97mm/h，因此该场降雨中1#干管发生溢流，2#、3#干管不发生溢流。
统计各汇水区年溢流频率，该区域年降雨112次，1#干管末端发生溢流56次，2#干管末端发生溢流21次，3#干管末端发生溢流6次。如果要减少1#干管末端溢流，减少污染排放量，则需要提高管网末端溢流口的临界流量，可以将汇水区进行划分，减少其汇水面积；也可以在区域内建设海绵设施，减少地表径流量，从而减小地表径流系数；还可以增加堰高，增大截流量，而增大临界流量，提高干管发生溢流所需的临界降雨强度，减少溢流量。
Claims (4)
1.一种基于排水管网特征预测合流制溢流的方法，其特征在于：排水区域内的至少一个干管末端设有溢流堰，各干管用于收集各自汇水区的雨水及生活污水，该方法包括以下步骤：
步骤1：建立水量超过干管溢流口溢流堰堰高时所发生溢流的临界降雨强度Ic的计算公式，
Ic=Qw/CA，
其中：Qw是干管溢流口堰高所决定的临界流量，C为地表径流系数，A为汇水区面积；
所述的临界流量Qw计算公式为：
Qw=Aflow×V,
其中：Aflow是溢流口管段的过水断面面积，由堰高拦截干管的截面积确定；V为溢流口管段流速，
所述的溢流口管段流速的计算公式为：
，
其中：n为管段粗糙系数；Rh是管段的水力半径；S是管段坡度；
步骤2：计算各干管发生溢流所需的临界降雨强度Ic并作为溢流口发生的溢流阈值Ic’，得到排水区域内各汇水区的溢流阈值Ic’；
步骤3：将各汇水区溢流阈值Ic’与最大降雨强度进行比较，预测合流制溢流，当最大降雨强度大于汇水区的溢流阈值Ic’，则合流制溢流发生；反之，合流制溢流不发生。
2.根据权利要求1所述的基于排水管网特征预测合流制溢流的方法，其特征在于：根据全年降雨，统计各汇水区年溢流频率。
3.根据权利要求1所述的基于排水管网特征预测合流制溢流的方法，其特征在于：所述的最大降雨强度为任何期间的小时最大雨强。
4.根据权利要求1所述的基于排水管网特征预测合流制溢流的方法在市政排水管网改造优化中的应用，其特征在于：通过减少汇水区面积A，减少地表径流系数C以及增大临界流量Qw，以提高溢流阈值Ic’，对干管改造优化。
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|---|---|---|---|---|
| CN106250659A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-21 | 兰州理工大学 | 一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法及其应用 |
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN106250659A (zh) * | 2016-08-31 | 2016-12-21 | 兰州理工大学 | 一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法及其应用 |
Non-Patent Citations (1)
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| 合流制排水系统溢流调蓄技术研究及应用实例分析;张辰;;城市道桥与防洪(05);第1-5页 * |
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