CN112560209A - 一种初雨水收集调度方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种初雨水收集调度方法和系统，涉及降雨分析和处理的技术领域，包括：采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对历史水体样本进行检测，得到历史样本指标；利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型；在得到分析模型之后，实时采集目标区域的当前样本指标，并将当前样本指标发送给分析模型，以使分析模型根据当前样本指标对目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；基于分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于专项定量指标，生成时间调度方式，并控制目标区域的排水系统按照时间调度方式进行工作，解决了现有技术中无法对初雨水污染物高效精准处理的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及降雨分析和处理的技术领域，尤其是涉及一种初雨水收集调度方法和系统。
背景技术
城市地表污染物具有晴天积累、雨天排放的特点。即晴天时地表污染物的累积过程和雨时被雨水冲刷、脱离地面进入径流的过程。影响城市地表污染物累积的因素较多且随机性较大。通常认为，累积过程取决于土地使用类型、气候状况、交通状况等因素。因此，地表污染物的净累积率并不是一个常数，污染物的累积随着无雨期或清扫间隔时间的增长而呈现一些特征。城市不同的土地利用类型污染物累积速率不同，与该区的污染状况有很大关系。但是，现有的雨水收集和调度系统无法随污染物的累积量实时的对雨水进行调度。
针对上述问题，还未能提出有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种初雨水收集调度方法和系统，以缓解了现有技术中无法对初雨水污染物高效精准处理的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种初雨水收集调度方法，包括：采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对所述历史水体样本进行检测，得到历史样本指标，其中，所述水体样本包括：雨天情况下的水体样本和晴天情况下的水体样本，所述多种下垫面至少包括：道路，绿地，公园，铺装和屋顶，所述样本指标包括：悬浮物，化学需氧量，氨氮和总磷；
利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，其中，所述分析模型用于计算所述目标区域的雨水参数，以及模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化，所述雨水参数包括：污染物累积量，污染负荷冲刷率，降雨径流污染物浓度；在得到所述分析模型之后，实时采集所述目标区域的当前样本指标，并将所述当前样本指标发送给所述分析模型，以使所述分析模型根据所述当前样本指标对所述目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；基于所述分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于所述专项定量指标，生成时间调度方式，并控制所述目标区域的排水系统按照所述时间调度方式进行工作，其中，所述时间调度方式包括：所述排水系统中各个闸口的开启和/或闭合时间，所述专项定量指标为所述样本指标随时间变化的指标数据。
进一步地，利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，包括：利用饱和函数累积公式，构建地表污染物累积模型，其中，所述地表污染物累积模型用于模拟确定污染物的累计过程，以及用于计算污染物的最大累积量；利用指数函数，构建地表污染物冲刷模型，其中，所述地表污染物冲刷模型用于确定污染物冲刷量与污染物的地表累积总量和径流量的函数关系；利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，所述流域水质水量模型用于模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化。
进一步地，所述SWMM模型包括：水文模块，水力模块和水质模块，其中，所述水文模块，用于模拟水资源在每个自汇水分区中的循环过程，其中，所述循环过程包括：降雨随时间及空间变化、地面的蒸发及蒸腾、降雪的累积融化、地面的存水能力、土地的渗透能力、地下水的影响、地表径流的洪水演算、以及LID设施对雨水调蓄的影响效应；所述水力模块，用于利用运动波或动力波模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；所述水质模块，用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
进一步地，利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，利用Horton模型，构建地表产流模型，所述地表产流模型用于模拟透水下垫面的渗透过程；利用非线性水库法，连续方程和曼宁方程，构建地表汇流模型，其中，所述地表汇流模型模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；根据预设参数和SWMM模型，构建水质模型，其中，所述预设参数包括：道干旱时间基流水质，再生水厂的补水和再生水厂的平均出水水质，所述地表污染物累积模型的参数和所述地表污染物冲刷模型的参数，所述水质模型用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
进一步地，所述分析结果包括：单位面积污染物累积负荷平均水平，排口污染物浓度随降雨强度的变化结果，流域面源污染负荷，污染物冲刷负荷总量，污染物冲刷负荷随降雨时间和径流量的变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，河道水质水量变化过程。
第二方面，本发明实施例还提供了一种初雨水收集调度系统，包括：采集单元，构建单元，分析单元和调度单元，其中，所述采集单元，用于采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对所述历史水体样本进行检测，得到历史样本指标，其中，所述水体样本包括：雨天情况下的水体样本和晴天情况下的水体样本，所述多种下垫面至少包括：道路，绿地，公园，铺装和屋顶，所述样本指标包括：悬浮物，化学需氧量，氨氮和总磷；所述构建单元，用于利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，其中，所述分析模型用于计算所述目标区域的雨水参数，以及模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化，所述雨水参数包括：污染物累积量，污染负荷冲刷率，降雨径流污染物浓度；所述分析单元，用于在得到所述分析模型之后，实时采集所述目标区域的当前样本指标，并将所述当前样本指标发送给所述分析模型，以使所述分析模型根据所述当前样本指标对所述目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；所述调度单元，用于基于所述分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于所述专项定量指标，生成时间调度方式，并控制所述目标区域的排水系统按照所述时间调度方式进行工作，其中，所述时间调度方式包括：所述排水系统中各个闸口的开启和/或闭合时间，所述专项定量指标为所述样本指标随时间变化的指标数据。
进一步地，所述构建单元，用于：利用饱和函数累积公式，构建地表污染物累积模型，其中，所述地表污染物累积模型用于模拟确定污染物的累计过程，以及用于计算污染物的最大累积量；利用指数函数，构建地表污染物冲刷模型，其中，所述地表污染物冲刷模型用于确定污染物冲刷量与污染物的地表累积总量和径流量的函数关系；利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，所述流域水质水量模型用于模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化。
进一步地，所述SWMM模型包括：水文模块，水力模块和水质模块，其中，所述水文模块，用于模拟水资源在每个自汇水分区中的循环过程，其中，所述循环过程包括：降雨随时间及空间变化、地面的蒸发及蒸腾、降雪的累积融化、地面的存水能力、土地的渗透能力、地下水的影响、地表径流的洪水演算、以及LID设施对雨水调蓄的影响效应；所述水力模块，用于利用运动波或动力波模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；所述水质模块，用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
进一步地，所述构建单元，用于：利用Horton模型，构建地表产流模型，所述地表产流模型用于模拟透水下垫面的渗透过程；利用非线性水库法，连续方程和曼宁方程，构建地表汇流模型，其中，所述地表汇流模型模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；根据预设参数和SWMM模型，构建水质模型，其中，所述预设参数包括：道干旱时间基流水质，再生水厂的补水和再生水厂的平均出水水质，所述地表污染物累积模型的参数和所述地表污染物冲刷模型的参数，所述水质模型用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
进一步地，所述分析结果包括：单位面积污染物累积负荷平均水平，排口污染物浓度随降雨强度的变化结果，流域面源污染负荷，污染物冲刷负荷总量，污染物冲刷负荷随降雨时间和径流量的变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，河道水质水量变化过程。
在本发明实施例中，通过采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对历史水体样本进行检测，得到历史样本指标；利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型；在得到分析模型之后，实时采集目标区域的当前样本指标，并将当前样本指标发送给分析模型，以使分析模型根据当前样本指标对目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；基于分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于专项定量指标，生成时间调度方式，并控制目标区域的排水系统按照时间调度方式进行工作，达到了对初雨水污染物进行高效准确的处理的目的，进而解决了现有技术中无法对初雨水污染物高效精准处理的技术问题，从而实现了保证水环境持续稳定的技术效果。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种初雨水收集调度方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的分析模型的构建方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的时间调度方式的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种初雨水收集调度系统的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电子设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
根据本发明实施例，提供了一种初雨水收集调度方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是根据本发明实施例的一种初雨水收集调度方法的流程图，如图1 所示，该方法包括如下步骤：
步骤S102，采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对所述历史水体样本进行检测，得到历史样本指标，其中，所述水体样本包括：雨天情况下的水体样本和晴天情况下的水体样本，所述多种下垫面至少包括：道路，绿地，公园，铺装和屋顶，所述样本指标包括：悬浮物，化学需氧量，氨氮和总磷；
步骤S104，利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，其中，所述分析模型用于计算所述目标区域的雨水参数，以及模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化，所述雨水参数包括：污染物累积量，污染负荷冲刷率，降雨径流污染物浓度；
需要说明的是，所述SWMM模型包括：水文模块，水力模块和水质模块。
所述水文模块，用于模拟水资源在每个自汇水分区中的循环过程，其中，所述循环过程包括：降雨随时间及空间变化、地面的蒸发及蒸腾、降雪的累积融化、地面的存水能力、土地的渗透能力、地下水的影响、地表径流的洪水演算、以及LID设施对雨水调蓄的影响效应；
所述水力模块，用于利用运动波或动力波模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；
所述水质模块，用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
步骤S106，在得到所述分析模型之后，实时采集所述目标区域的当前样本指标，并将所述当前样本指标发送给所述分析模型，以使所述分析模型根据所述当前样本指标对所述目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；
需要说明的是，所述分析结果包括：单位面积污染物累积负荷平均水平，排口污染物浓度随降雨强度的变化结果，流域面源污染负荷，污染物冲刷负荷总量，污染物冲刷负荷随降雨时间和径流量的变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，河道水质水量变化过程。
步骤S108，基于所述分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于所述专项定量指标，生成时间调度方式，并控制所述目标区域的排水系统按照所述时间调度方式进行工作，其中，所述时间调度方式包括：所述排水系统中各个闸口的开启和/或闭合时间，所述专项定量指标为所述样本指标随时间变化的指标数据。
在本发明实施例中，通过采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对历史水体样本进行检测，得到历史样本指标；利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型；在得到分析模型之后，实时采集目标区域的当前水体样本，并将当前样本指标发送给分析模型，以使分析模型根据当前样本指标对目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；基于分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于专项定量指标，生成时间调度方式，并控制目标区域的排水系统按照时间调度方式进行工作，达到了对初雨水污染物进行高效准确的处理的目的，进而解决了现有技术中无法对初雨水污染物高效精准处理的技术问题，从而实现了保证水环境持续稳定的技术效果。
在本发明实施例中，如图2所示，步骤S104包括如下步骤：
步骤S11，利用饱和函数累积公式，构建地表污染物累积模型，其中，所述地表污染物累积模型用于模拟确定污染物的累计过程，以及用于计算污染物的最大累积量；
步骤S12，利用指数函数，构建地表污染物冲刷模型，其中，所述地表污染物冲刷模型用于确定污染物冲刷量与污染物的地表累积总量和径流量的函数关系；
步骤S13，利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，所述流域水质水量模型用于模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化。
其中，步骤S13还包括如下步骤：
步骤S21，利用Horton模型，构建地表产流模型，所述地表产流模型用于模拟透水下垫面的渗透过程；
步骤S22，利用非线性水库法，连续方程和曼宁方程，构建地表汇流模型，其中，所述地表汇流模型模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；
步骤S23，根据预设参数和SWMM模型，构建水质模型，其中，所述预设参数包括：道干旱时间基流水质，再生水厂的补水和再生水厂的平均出水水质，所述地表污染物累积模型的参数和所述地表污染物冲刷模型的参数，所述水质模型用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
下面将举例对上述方法进行详细说明。
首先，通过对不同下垫面类型(道路、绿地、公园、铺装、屋顶等) 取其雨天和晴天的样品三场，检测样本指标。
接着，构建地表污染物累积模型，具体如下：
城市地表污染物具有晴天积累、雨天排放的特点。即晴天时地表污染物的累积过程和雨时被雨水冲刷、脱离地面进入径流的过程。影响城市地表污染物累积的因素较多且随机性较大。通常认为，累积过程取决于土地使用类型、气候状况、交通状况等因素。因此，地表污染物的净累积率并不是一个常数，污染物的累积随着无雨期或清扫间隔时间的增长而呈现一些特征。城市不同的土地利用类型污染物累积速率不同，与该区的污染状况有很大关系，对以时间为自变量的累积模型，污染物的累积系数为一级反应速率，污染物的累积量不是随无雨期的增长而无限增加。
现有的污染物累积模型中，一类为以雨前干期天数(ADWP)为主要变量的模型，另一类为以多种变量复合的较复杂的累积模型。以EPA资助开发的SWMM以ADWP为主要参数建立污染物累积模型，如饱和函数模型。
地表污染物的累积速率在降雨之后的最初几天最快，随干旱时间增加而逐渐减小，由此建立地表污染物累积的饱和函数模型，即地表污染物随着降雨过程的逐渐推进呈饱和函数关系，积累到最大值时停止累积。因此，饱和累积模型能够较好地反映污染物累积过程和最大累积量，其函数关系如下：
式中：B为污染物累积量；t为污染物累积时间；C1为最大累积可能； C2为半饱和常数。
构建地表污染物冲刷模型，具体过程如下：
冲刷过程即在一场降雨过程中，依据降雨强度及历时，积累于地表的污染物质一部分或者全部被冲刷进入径流的过程。由于受到雨滴的侵蚀力及降雨径流的溶蚀作用，沉积于地表的污染物进入径流，其中一部分溶解入径流，另一部分是处于悬浮状态的悬移质和较大颗粒的推移质。悬浮颗粒物在随径流输移过程中同时受到重力和径流剪切力的作用，临界剪切力相对应于径流的临界流速(即颗粒物的起动流速)，当实际流速大于临界流速时，地表累积物即随径流输移，当实际流速降低小于临界流速时，悬浮物将再次沉淀于地表。因此，冲刷过程也是悬浮-沉淀-再悬浮的动态过程。
国内外对径流污染冲刷模型研究较多，大多数认为污染径流冲刷过程是一个指数冲刷的过程。SWMM可设置的冲刷模型包括指数冲刷模型、流量特定曲线和场次降雨平均浓度，为同时反映污染物冲刷量与地表累积总量和径流量的函数关系，本申请选择指数冲刷模型，SWMM指数冲刷模型的原理如下：
1、污染负荷冲刷率
地表污染物的冲刷快慢程度受到降雨量、降雨强度、地表切切应力等因素的影响，一般用污染负荷冲刷率Wt表示，具体表达式为:
式中：P0为集水区污染负荷累积量，kg；Wt为t时刻集水区雨水径流污染负荷冲刷率，kg/h；qt为t时刻集水区单位面积径流率，mm/h；Wpt为 0～t时刻集水区雨水径流污染负荷冲刷累积量，kg；C1为冲刷系数，反映了冲刷时污染负荷的衰减清况，一般而言，集水区C1的越大，其内聚集的非点源污染物越容易(快)被冲刷干净。C2为冲刷指数，在式中为单位面积径流率的幂指数，它反映了降雨径流(可以qt用表示)对污染物冲刷强度影响。
2、降雨径流污染物浓度
在t时刻，集水区内污染负荷累积量与雨水径流污染负荷冲刷率之间的关系如下：
式中：Pt为t时刻集水区内污染负荷累积量，kg。
通过解微分方案，可得降雨径流污染物浓度表达式：
式中：Ct为t时刻降雨径流污染物质量浓度，mg/L。
构建流域水质水量模型的具体过程如下：
采用EPA-SWMM城市暴雨雨水管理模型进行流域水质水量模拟。 SWMM自开发至今已多次更新，目前发展至SWMM Version 5。SWMM5 实现在Windows环境中运行，具有友好的可视化界面和更完善的处理功能，能够用颜色标记汇流区域，导入导出系统地图，输出时间系列图、表格、管道剖面图和统计数据。
SWMM模型可模拟完整的城市降雨径流循环，包括地表径流和排水网络中水流、管路中串联或非串联的蓄水池、暴雨径流的处理设施以及受纳水体的水质变化，根据降雨输入(雨量过程线)和系统特性(流域、泄水、蓄水和处理等)模拟暴雨的径流及水质过程，主要包括水文、水力、水质三个模块。
1、水文模块
SWMM水文模块模拟水资源在每个自汇水分区中的循环过程，包括降雨随时间及空间变化、地面的蒸发及蒸腾(ET)、降雪的累积融化、地面的存水能力(DepressionStorage)、土地的渗透能力、地下水的影响、地表径流的洪水演算、以及LID设施对雨水调蓄的影响效应等。
2、水力模块
SWMM水力模块主要利用运动波或者动力波来进行模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动，包括管道网络如明渠、封闭渠道和自然渠道等，水工设施包括溢流井、调蓄池、泵站、堰、截留设施、孔流等，以及管道及各种设施中的溢流、回流等。
3、水质模块
SWMM水质模型用来处理城市区域内污染物的累积和随降雨径流的冲刷过程，以及在排水管网的传输和排放，包括不同土地利用中的旱季污染物聚集量；不同土地利用中的各种污染物冲刷能力；环卫的清洁工作(如扫街)对污染物聚集量的减少影响；低影响开发设施(LID)在系统的应用；点源污染(合流及分流制污水)入管产生的影响；各种设施(如存储池) 对水质的影响等。
SWMM模型的典型应用：设计及分析污水管网；防洪设施的设计；自然渠道的设计；合流制雨污系统(CSO)设计；低影响开发设施(LID)在暴雨管理中的设计；面源污染的累积和冲刷计算。
需要说明的是，面源污染水质模型包括污染物累积模型和冲刷模型，累积函数选用饱和函数累积公式，冲刷函数基于雨水径流的初期冲刷效应，选用指数函数。
最后，构建流域水质水量模型的具体过程如下。
根据收集的地形、下垫面、排水管网及相关水工设施等基础数据，筛选、整合和标准化数据信息，概化排水管网，划分流域的子汇水区。结合面源污染累积-冲刷规律的研究成果和相关研究经验确定SWMM模型参数，建立流域水质模型，进行典型降雨过程的水质模拟。
1、地表产流模型
地表产流模型通常将地表分为透水下垫面和不透水下垫面，透水下垫面上的雨水以下渗的形式进入土壤层，不透水下垫面的降雨直接转换为地表径流。本项目采用Horton模型模拟透水下垫面的渗透过程，Horton模型计算公式如下：
fp＝fc+(f0-fc)e-la
式中：fp为t时刻的入渗率，mm/h；fc为土壤最大入渗率，mm/h；f0为土壤最小下渗率，mm/h；k为下渗速率衰减常数，1/h，k值与土壤的物理性质有关。
参照文献研究资料、SWMM用户手册和借鉴相关研究成果，确定出不同下垫面类型的Horton模型的参数取值范围，如下表。
| 参数名称 | 模型字段 | 取值 | 单位 | 取值方法 |
| 最大入渗率 | Max.Infil.Rate | 250 | mm/hr | 根据干燥砂土类型 |
| 稳定入渗率 | Min.Infil.Rate | 120 | mm/hr | 根据干燥砂土类型 |
| 衰减系数 | Decay Constant | 4 | 1/hr | 2-7 |
| 干燥天数 | Drying Time | 7 | days | 7 |
| 最大入渗量 | Max.Volume | 0 | mm | 不可知，取0 |
2、地表汇流模型
地表汇流模型采用非线性水库法，由连续方程和曼宁方程联立求解。模型将汇水区概化成水库，当水库蓄水量达到最大容积后，雨水流入雨水口，而后进入所连接的雨水管段，由雨水管网进行输送，最后从排口流出。
3、水质模型
目前，针对初雨径流污染的主要控制指标以SS、COD和氨氮为主，而河道水环境容量及承载力主要通过COD、氨氮以及TP、TN进行总量控制的核算；故基于面源污染识别和产生规律以及水环境容量的研究成果，主要选取悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮和总磷(TP)作为污染物控制指标，建立流域典型下垫面的污染物累积-冲刷模型。
水质模型的河道干旱时间基流水质以地表Ⅲ类水水质标准作为输入参数，并考虑西丽再生水厂的补水，在再生水厂出水下游的河道断面节点设置直接入流，并以2018年再生水厂的平均出水水质作为直接入流的污染浓度参数。另外，水质模型忽略地下水和雨水对径流水质的影响。基于前述模型率定结果，确定流域累积-冲刷模型参数取值，具体如下表所示。其中对于单次降雨模拟，半饱和常数取值为0。
水质模型参数及取值一览表
累积模型饱和函数参数取值表
冲刷模型指数函数参数取值表
下面对分析结果进行说明，分析结果包括以下内容：
1、晴天监测分析。
目前，对典型下垫面(包括屋面、铺装和道路)的13个监测点位已进行了两次晴天监测，晴天天数分别为连续晴6天和连续晴30天。对监测结果进行分类计算，得出不同监测点位的单位面积污染物累积负荷平均水平。
2、雨天监测分析。
对典型下垫面(包括屋面、铺装、道路和绿地)和典型排口共17个监测点位进行了一次雨天监测。
根据典型排口雨水径流的监测结果，排口径流悬浮物SS和COD浓度呈现一定的初期冲刷趋势，浓度随降雨强度的增加而增大，而氨氮和总磷的随降雨强度的变化和初期冲刷不明显。
3、流域面源污染负荷分析。
模拟的降雨过程包括降雨量为10-60mm的5场降雨过程，分析不同降雨强度条件下，流域面源污染冲刷量和冲刷浓度、关键河道断面面源污染负荷以及河道水质水量变化情况。
4、污染物冲刷负荷总量分析。
通过分析不同设计降雨过程的污染物冲刷负荷可知，随着降雨强度的增大，流域地表径流中的污染物负荷逐渐增大；其中随径流量的增加，污染物冲刷量增长负荷大小为SS>COD>氨氮>TP，增长比例为SS>COD> TP>氨氮。
5、污染物冲刷负荷随降雨时间和径流量的变化过程分析。
针对不同降雨强度和降雨量的设计降雨过程，分析地表径流污染物冲刷负荷和径流总量随降雨时间的累积比例，以及污染物负荷和径流总量的累积关系。
在不同设计降雨条件下，流域地表污染物随降雨过程逐渐累积：在降雨初期0.5小时内，由于地表洼蓄和下渗，地表径流污染物的冲刷负荷较小；随降雨历时增加，雨水径流持续冲刷，在1小时地表污染物冲刷负荷达到场次降雨污染物冲刷总量的5-35％，在2小时达到43-88％，在3小时达到 70-97％，在12小时达到100％。
通过分析径流总量和污染物负荷的累积关系可知，在降雨量在10mm 左右时，地表径流污染物的冲刷负荷随径流量的累积而呈近似线性增长；随降雨强度增大，地表径流中的污染物负荷初期冲刷越显著，显著程度为 SS>TP>COD>氨氮。以设计降雨1(13.6mm)和设计降雨5(57.5mm)为例，当径流总量累积达到10％时，设计降雨1(13.6mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的12.2％，而设计降雨5(57.5mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的22.8％；当径流总量累积达到30％时，设计降雨1 (13.6mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的36.2％，而设计降雨5 (57.5mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的50％；当径流总量累积达到50％时，设计降雨1(13.6mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的 57.8％，而设计降雨5(57.5mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的72％；当径流总量累积达到80％时，设计降雨1(13.6mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的85.7％，而设计降雨5(57.5mm)降雨过程的COD冲刷累积占总负荷的93.9％。
6、污染物冲刷浓度变化过程分析。
以监测排水分区S27为例，分析在不同降雨强度的设计降雨条件下，污染物冲刷浓度随降雨历时和径流量变化过程。随降雨强度增大，雨水径流冲刷污染物最大浓度增加。由于随降雨强度增大，初期冲刷效应增强，则浓度峰值提前，但在达到最大浓度后衰退也较快。
7、污染物冲刷浓度变化过程分析。
结合河道断面分布及排水管网分布特征，对排入各断面的子汇水流域分区进行统计。依据累积-冲刷模型，分别推得在降雨量为13.6mm(重现期 16d)、24.8mm(重现期1month)、37.7mm(重现期2month)、44.9mm(重现期3month)、57.5mm(重现期6month)下，各河段的面源污染物负荷量最大累积量及负荷变化过程，为方便与环境容量相比较，此次统计以面源污染物负荷余量的方式进行统计。
8、河道水质水量变化过程分析。
在不考虑箱涵截流作用的情况下，模拟在不同设计降雨条件下的各子汇水区的雨水径流排放入河，在河道传输的过程，分析河道关键断面的水量水质变化。河道上-中-下游的关键断面的洪峰流量随集水面积汇流的增加而增大，且达到洪峰流量的时间逐渐滞后。但是，河道关键断面达到最大污染物浓度的时间主要受直接排入断面节点的雨水径流影响，因此河道各断面达到最大污染物浓度的时间基本相同。
基于平均基流水质达到地表Ⅲ类水标准的情况模拟分析可得，污染物冲刷浓度和基流浓度对河道断面水质变化过程影响较大，当冲刷浓度大于基流浓度时，对河道断面水质将在雨停后逐渐恢复到基流浓度；当冲刷浓度小于基流浓度时，对河道断面水质起稀释作用。
基于1、2采集分析数据及3至8模型分析数据确定得到专项定量指标，如图3所示，以COD指标为例，专项定量指标值为30mg/L，时间轴序列对应时间为10min、60min、80min、85min。时间调度方式为0至10min闸门开启，10至60min闸门关闭，超过60min闸门关闭状态。此种调度方式的优点在于避免因专项定量指标波动而造成闸门反复开启关闭，如在 80-85min期间，指标可能会异常拨打，若基于水质指标则会造成阀门刚开启即进入关闭状态，而基于时间方式避免此情形出现。
本申请在现有排水系统的基础上，结合截污箱涵和厂网系统，开展对初期雨水污染的精准收集及调度方案研究。
在流域尺度，本申请通过区域环境容量的整体控制思路，通过对各排水分区末端排口进行闸阀控制，实现“初雨污染进箱涵，清水入河”。基于此，本申请选择暴雨管理模型SWMM搭建流域水量水质模型，综合考虑区域面源污染在不同降雨条件下的河道水环境容量、污染负荷与变化过程、污水厂可容纳水力负荷、截污箱涵调蓄容积等，采用情景分析法，分别确定每个截污井的收集与调度方案。
在典型排水分区尺度，本申请旨在通过借助源头-过程-末端的控制措施，通过构建SWMM模型，比较源头化改造前后污染负荷的变化及其对调度方案的影响，并进一步评估典型排水分区在精准截污条件下的内涝影响，为精准截污工作与海绵城市建设等系统治理措施的衔接，提供相关依据，并进一步评估典型排水分区在精准截污条件下的内涝影响。
根据流域内雨污管网现状建设情况，大部分流域目前正处在雨污分流制兼具初雨截流的排水体制，同时存在局部雨污混流现象。随着河道环境整治的逐步深入，应进一步追根溯源，以河道水质达标为核心，对点、面源污染总量进行控制，使其最终排放满足河道水环境容量，实现河道水质稳定达标。此次针对面源污染控制将采用源头减量化、过程控制、末端净化的系统化整治理念，并提出相关策略措施。
实施例二：
本发明实施例还提供了一种初雨水收集调度系统，该初雨水收集调度系统用于执行本发明实施例上述内容所提供的初雨水收集调度方法，以下是本发明实施例提供的初雨水收集调度系统的具体介绍。
如图4所示，图4为上述初雨水收集调度系统的示意图，该初雨水收集调度系统包括：采集单元10，构建单元20，分析单元30和调度单元40。
所述采集单元10，用于采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对所述历史水体样本进行检测，得到历史样本指标，其中，所述水体样本包括：雨天情况下的水体样本和晴天情况下的水体样本，所述多种下垫面至少包括：道路，绿地，公园，铺装和屋顶，所述样本指标包括：悬浮物，化学需氧量，氨氮和总磷；
所述构建单元20，用于利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，其中，所述分析模型用于计算所述目标区域的雨水参数，以及模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化，所述雨水参数包括：污染物累积量，污染负荷冲刷率，降雨径流污染物浓度；
所述分析单元30，用于在得到所述分析模型之后，实时采集所述目标区域的当前样本指标，并将所述当前样本指标发送给所述分析模型，以使所述分析模型根据所述当前样本指标对所述目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；
所述调度单元40，用于基于所述分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于所述专项定量指标，生成时间调度方式，并控制所述目标区域的排水系统按照所述时间调度方式进行工作，其中，所述时间调度方式包括：所述排水系统中各个闸口的开启和/或闭合时间，所述专项定量指标为所述样本指标随时间变化的指标数据。
在本发明实施例中，通过采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对历史水体样本进行检测，得到历史样本指标；利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型；在得到分析模型之后，实时采集目标区域的当前样本指标，并将当前样本指标发送给分析模型，以使分析模型根据当前样本指标对目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；基于分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于专项定量指标，生成时间调度方式，并控制目标区域的排水系统按照时间调度方式进行工作，达到了对初雨水污染物进行高效准确的处理的目的，进而解决了现有技术中无法对初雨水污染物高效精准处理的技术问题，从而实现了保证水环境持续稳定的技术效果。
实施例三：
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储支持处理器执行上述实施例一中所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。
参见图5，本发明实施例还提供一种电子设备100，包括：处理器50，存储器51，总线52和通信接口53，所述处理器50、通信接口53和存储器 51通过总线52连接；处理器50用于执行存储器51中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器51可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口53(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线52可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图5中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器51用于存储程序，所述处理器50在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器50中，或者由处理器50实现。
处理器50可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器50中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器50可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器51，处理器50读取存储器51中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
实施例四：
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述实施例一中所述方法的步骤。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种初雨水收集调度方法，其特征在于，包括：
采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对所述历史水体样本进行检测，得到历史样本指标，其中，所述水体样本包括：雨天情况下的水体样本和晴天情况下的水体样本，所述多种下垫面至少包括：道路，绿地，公园，铺装和屋顶，所述样本指标包括：悬浮物，化学需氧量，氨氮和总磷；
利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，其中，所述分析模型用于计算所述目标区域的雨水参数，以及模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化，所述雨水参数包括：污染物累积量，污染负荷冲刷率，降雨径流污染物浓度；
在得到所述分析模型之后，实时采集所述目标区域的当前样本指标，并将所述当前样本指标发送给所述分析模型，以使所述分析模型根据所述当前样本指标对所述目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；
基于所述分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于所述专项定量指标，生成时间调度方式，并控制所述目标区域的排水系统按照所述时间调度方式进行工作，其中，所述时间调度方式包括：所述排水系统中各个闸口的开启和/或闭合时间，所述专项定量指标为所述样本指标随时间变化的指标数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，包括：
利用饱和函数累积公式，构建地表污染物累积模型，其中，所述地表污染物累积模型用于模拟确定污染物的累计过程，以及用于计算污染物的最大累积量；
利用指数函数，构建地表污染物冲刷模型，其中，所述地表污染物冲刷模型用于确定污染物冲刷量与污染物的地表累积总量和径流量的函数关系；
利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，所述流域水质水量模型用于模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述SWMM模型包括：水文模块，水力模块和水质模块，其中，
所述水文模块，用于模拟水资源在每个自汇水分区中的循环过程，其中，所述循环过程包括：降雨随时间及空间变化、地面的蒸发及蒸腾、降雪的累积融化、地面的存水能力、土地的渗透能力、地下水的影响、地表径流的洪水演算、以及LID设施对雨水调蓄的影响效应；
所述水力模块，用于利用运动波或动力波模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；
所述水质模块，用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，
利用Horton模型，构建地表产流模型，所述地表产流模型用于模拟透水下垫面的渗透过程；
利用非线性水库法，连续方程和曼宁方程，构建地表汇流模型，其中，所述地表汇流模型模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；
根据预设参数和SWMM模型，构建水质模型，其中，所述预设参数包括：道干旱时间基流水质，再生水厂的补水和再生水厂的平均出水水质，所述地表污染物累积模型的参数和所述地表污染物冲刷模型的参数，所述水质模型用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述分析结果包括：单位面积污染物累积负荷平均水平，排口污染物浓度随降雨强度的变化结果，流域面源污染负荷，污染物冲刷负荷总量，污染物冲刷负荷随降雨时间和径流量的变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，河道水质水量变化过程。
6.一种初雨水收集调度系统，其特征在于，包括：采集单元，构建单元，分析单元和调度单元，其中，
所述采集单元，用于采集目标区域的多种下垫面的历史水体样本，并对所述历史水体样本进行检测，得到历史样本指标，其中，所述水体样本包括：雨天情况下的水体样本和晴天情况下的水体样本，所述多种下垫面至少包括：道路，绿地，公园，铺装和屋顶，所述样本指标包括：悬浮物，化学需氧量，氨氮和总磷；
所述构建单元，用于利用SWMM模型和所述历史样本指标，构建分析模型，其中，所述分析模型用于计算所述目标区域的雨水参数，以及模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化，所述雨水参数包括：污染物累积量，污染负荷冲刷率，降雨径流污染物浓度；
所述分析单元，用于在得到所述分析模型之后，实时采集所述目标区域的当前样本指标，并将所述当前样本指标发送给所述分析模型，以使所述分析模型根据所述当前样本指标对所述目标区域的面源污染排放量和面源污染的空间分布进行分析，得到分析结果；
所述调度单元，用于基于所述分析结果，确定污染物的专项定量指标，并基于所述专项定量指标，生成时间调度方式，并控制所述目标区域的排水系统按照所述时间调度方式进行工作，其中，所述时间调度方式包括：所述排水系统中各个闸口的开启和/或闭合时间，所述专项定量指标为所述样本指标随时间变化的指标数据。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述构建单元，用于：
利用饱和函数累积公式，构建地表污染物累积模型，其中，所述地表污染物累积模型用于模拟确定污染物的累计过程，以及用于计算污染物的最大累积量；
利用指数函数，构建地表污染物冲刷模型，其中，所述地表污染物冲刷模型用于确定污染物冲刷量与污染物的地表累积总量和径流量的函数关系；
利用所述SWMM模型，构建流域水质水量模型，其中，所述流域水质水量模型用于模拟所述目标区域在降雨过程中的水质变化。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，
所述SWMM模型包括：水文模块，水力模块和水质模块，其中，
所述水文模块，用于模拟水资源在每个自汇水分区中的循环过程，其中，所述循环过程包括：降雨随时间及空间变化、地面的蒸发及蒸腾、降雪的累积融化、地面的存水能力、土地的渗透能力、地下水的影响、地表径流的洪水演算、以及LID设施对雨水调蓄的影响效应；
所述水力模块，用于利用运动波或动力波模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；
所述水质模块，用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述构建单元，用于：
利用Horton模型，构建地表产流模型，所述地表产流模型用于模拟透水下垫面的渗透过程；
利用非线性水库法，连续方程和曼宁方程，构建地表汇流模型，其中，所述地表汇流模型模拟降雨径流在各种管道和设施中的流动过程；
根据预设参数和SWMM模型，构建水质模型，其中，所述预设参数包括：道干旱时间基流水质，再生水厂的补水和再生水厂的平均出水水质，所述地表污染物累积模型的参数和所述地表污染物冲刷模型的参数，所述水质模型用于模拟污染物的累积过程，模拟污染物的降雨径流冲刷过程，以及模拟排水管网的传输和排放过程。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述分析结果包括：单位面积污染物累积负荷平均水平，排口污染物浓度随降雨强度的变化结果，流域面源污染负荷，污染物冲刷负荷总量，污染物冲刷负荷随降雨时间和径流量的变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，污染物冲刷浓度变化过程，河道水质水量变化过程。
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