CN113011903A - 基于gis和水力模型的水污染精准溯源方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法,包括如下步骤:建立城市污水管网GIS三维可视化模型;管网基本数据收集;建立管网节点流量模型;建立排污水质成分元数据库;污染源预定位;分析对比得到排污水源信息。本发明利用管网水力模型进行污染源在管网中的动态模拟,实现排水污染管段的快速溯源;利用GIS技术和排水管网水力模型技术相结合的方式,实现排水管网与排污源GIS可视化综合展示。
Description
技术领域
本发明涉及水污染溯源技术领域,尤其涉及基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法。
背景技术
随着我国社会经济的发展,城市的排水管网建设数量越来越多,其中排水管网分别由污水排水管网和雨水排水管网构成,污水排水管网又由城市生活污水管网和工业生产污水管网组成。由于管网错综复杂,城市管理部门缺乏有效的技术手段对管网污水进行实时监管,商家、企业等将不达标的污水偷排现象时有发生,导致含有大量超标有毒物质经过污水管网进入城市污水处理厂,甚至有部分污水直接经雨水排水管网进入江河湖泊,造成自然水体污染,对生态环境造成极大破环。
现有技术通过判断主干管道的污水采样数据达到预设污染值时,逐级回溯获取污水采样数据出现异常的上级管道,根据所属干管道的污水采样数据以及污水采样数据出现异常的各级管道的污水采样数据的记录时间,逐级回溯判断产生污水所在的初级管道。
现有的水污染溯源存在以下缺点:
如今城市管道错综复杂,采用逐级回溯的方式需要投入大量的人力,耗时比较久,不能实现动态监管、及时溯源;最终溯源只能回溯到某一条支管道,仍需要进一步溯源到产生污染的企业或商家,不能做到精准定位。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法,应用于排水管网监测系统,所述排水管网监测系统包括多个传感器检测端、物联网关、云服务平台与可视化数据展示终端;传感器检测端用于水质与水流数据检测;物联网关用于水质与水流数据汇聚;传感器检测端通过物联网关与云服务平台相连;云服务平台与可视化数据展示终端相连;云服务平台存储历史管网基本数据、当前管网基本数据与排污水源信息,包括如下步骤:
S1:建立城市污水管网GIS三维可视化模型:综合地理信息系统GIS、数据库与三维模型,显示地下污水管线的空间层次和位置;
S2:管网基本数据收集:包括管网的拓扑结构、水质数据、流量数据、水泵运行数据;
S3:基于GIS管网分区,建立管网节点流量模型:包括建立节点流量方程组、管段压降方程组以及环能量方程组,用于对管网排污流量数据、压力数据进行统计计算分析,并通过GIS地图显示;
S4:建立关联排污水源信息的排污水质成分元数据库;
S5:当管网中存在水质污染超标时,可视化数据展示终端通过GIS地图实时进行显示报警;
S6:可视化数据展示终端利用管网水力模型进行分析模拟计算,获取主管段的管网节点的水质成分数据,将污染源初步预定位到主管段的管网节点;
S7:将主管段的管网节点的水质数据与排污水质成分元数据库分析对比,若相同则得到排污水源信息,并通过GIS地图显示。
本发明的有益效果在于:本发明利用管网水力模型进行污染源在管网中的动态模拟,实现排水污染管段的快速溯源;利用GIS技术和排水管网水力模型技术相结合的方式,实现排水管网与排污源GIS可视化综合展示。
附图说明
图1是排水管网监测系统的系统图;
图2是基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法的流程图;
图3是管网的拓扑结构示意图。
图中:P1~P9-管网;J1~J19-管网节点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:
如附图1所示,本发明基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法,应用于排水管网监测系统,所述排水管网监测系统包括多个传感器检测端、物联网关、云服务平台与可视化数据展示终端;传感器检测端用于水质与水流数据检测;物联网关用于水质与水流数据汇聚;传感器检测端通过物联网关与云服务平台相连;云服务平台与可视化数据展示终端相连;云服务平台存储历史管网基本数据、当前管网基本数据与排污水源信息,包括如下步骤:
S1:建立城市污水管网GIS三维可视化模型:综合地理信息系统GIS、数据库与三维模型,显示地下污水管线的空间层次和位置;
S2:管网基本数据收集:包括管网的拓扑结构、水质数据、流量数据、水泵运行数据;
S3:基于GIS管网分区,建立管网节点流量模型:包括建立节点流量方程组、管段压降方程组以及环能量方程组,用于对管网排污流量数据、压力数据进行统计计算分析,并通过GIS地图显示;
S4:建立关联排污水源信息的排污水质成分元数据库;
S5:当管网中存在水质污染超标时,可视化数据展示终端通过GIS地图实时进行显示报警;
S6:可视化数据展示终端利用管网水力模型进行分析模拟计算,获取主管段的管网节点的水质成分数据,将污染源初步预定位到主管段的管网节点;
S7:将主管段的管网节点的水质数据与排污水质成分元数据库分析对比,若相同则得到排污水源信息,并通过GIS地图显示。
优选的,所述节点流量方程组具体包括:
设定节点关联管段方向,流量以流入节点为负,流出节点为正,则节点流量方程为:
其中:qi为节点j关联管段流量,Qj为节点流量。
优选的,所述管网节点流量方程组为:
优选的,所述管段压降方程组具体包括:
设定管段方向,管段水头差以起点水头与终点水头之差,则管段压降方程为:
其中:Fi为起点集合,Ti为终点集合,M为管段总数;
管段压降方程组为:
优选的,所述传感器检测端包括水质传感器与流量传感器。
优选的,所述可视化数据展示终端包括查询单元,用于查询存储于云服务平台的历史水质与水流数据、当前水质与水流数据与排污水源信息,并通过GIS地图显示。
具体的,本发明包括以下流程:
S1:建立城市污水管网GIS三维可视化平台,综合地理信息系统GIS技术、数据库技术和三维技术,直观显示地下污水管线的空间层次和位置,以仿真方式形象展现地下管理的埋深、材质、形状、走向以及工井结构和周边环境信息,周边环境信息包括排污对象如生产企业、商家、大型商超、洗车厂、洗浴中心等;
S2:管网基本信息的收集:
管网基本信息包括管网的拓扑结构、水质数据、流量数据、水泵运行数据;
获取管道(管长、管径、管材、敷设年代等)、调蓄池(内底标高、最大深度、容积、溢流水位)、管渠(横断面类型、深度、长度、上游节点标高偏移量、下游节点标高偏移量)、水泵(水泵曲线、开启深度、关闭深度)等,这些信息是建立管网拓扑结构、提供准确排水管网水力模型数据的基础;通过管网的基础数据收集,建立管网拓扑结构,实现排水管网分区网格化管理,为水力模型提供数据校核。
获取污水处理厂接驳户的排水量数据,生活污水排放量根据管网分区,根据管网区域内的各类建筑的污水排放系数以及面积、人口等计算节点平均流量(即根据建筑内企业数量、企业属性和人口的数据,获取建筑的污水排放;根据区域面积和人口,乘以人均日常生活污水量,计算该管网段的平均流量。)。同时对各个中途转输泵站水量按面积、人口等参数分配到相应的管网分区排放量;计算管网分区及各监测节点流量入流时变化曲线。
通过设置于管网的传感器采集排水管网的水质数据、流量数据、水泵运行数据等;
S3:基于GIS管网分区,建立管网节点流量模型:综合利用节点流量方程组、管段压降方程组以及环能量方程组对管网排污流量数据、压力数据进行统计计算分析,并通过GIS地图显示,能够实时可视化展示干管网、支管网中水质的动态数据;
S4:根据排污企业、商家的排污水质数据建立元数据库;
S5:通过对水质监测数据设置污染超标报警阈值,当管网中存在水质污染超标时,实时进行报警,实现污染的初步定位到主管段;
S6:利用管网水力模型进行分析模拟计算,实现污染的预定位;
S7:预定位到污染主管段位置后,系统通过调用该管段的排污企业、商家的排污水质成分元数据库,进行分析比对,实现精准定位,找出排污企业和商家,由此实现对排水管网的污水进行精准定位和溯源。
本发明能够实现排水管网与排污源(企业、商家)GIS可视化综合展示;利用GIS技术、软件技术、无线通信技术、传感器监测技术、物联网技术,将城市污水排水管网在显示屏、移动终端等进行可视化管理,通过GPRS、4G/5G无线通信技术将传感器的监测数据实时传输到排水管网水污染实时溯源云平台。通过GIS地图查看实时管网和水质监测数据数据,并通过数据查询功能可查看历史数据;通过列表、曲线等直观展示监测数据的每时、每日、每周、每月的水质数据。
本发明利用GIS技术和排水管网水力模型技术相结合的方式,实现快速排污溯源;利用管网水力模型进行污染源在管网中的动态模拟,实现排水污染管段的快速溯源。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制,凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法,应用于排水管网监测系统,所述排水管网监测系统包括多个传感器检测端、物联网关、云服务平台与可视化数据展示终端;传感器检测端用于水质与水流数据检测;物联网关用于水质与水流数据汇聚;传感器检测端通过物联网关与云服务平台相连;云服务平台与可视化数据展示终端相连;云服务平台存储历史管网基本数据、当前管网基本数据与排污水源信息,其特征在于,包括如下步骤:
S1:建立城市污水管网GIS三维可视化模型:综合地理信息系统GIS、数据库与三维模型,显示地下污水管线的空间层次和位置;
S2:管网基本数据收集:包括管网的拓扑结构、水质数据、流量数据、水泵运行数据;
S3:基于GIS管网分区,建立管网节点流量模型:包括建立节点流量方程组、管段压降方程组以及环能量方程组,用于对管网排污流量数据、压力数据进行统计计算分析,并通过GIS地图显示;
S4:建立关联排污水源信息的排污水质成分元数据库;
S5:当管网中存在水质污染超标时,可视化数据展示终端通过GIS地图实时进行显示报警;
S6:可视化数据展示终端利用管网水力模型进行分析模拟计算,获取主管段的管网节点的水质成分数据,将污染源初步预定位到主管段的管网节点;
S7:将主管段的管网节点的水质数据与排污水质成分元数据库分析对比,若相同则得到排污水源信息,并通过GIS地图显示。
5.根据权利要求1所述基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法,其特征在于,所述传感器检测端包括水质传感器与流量传感器。
6.根据权利要求1所述基于GIS和水力模型的水污染精准溯源方法,其特征在于,所述可视化数据展示终端包括查询单元,用于查询存储于云服务平台的历史水质与水流数据、当前水质与水流数据与排污水源信息,并通过GIS地图显示。
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