CN115048759A - 一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计方法，通过建立一种污水管网模型，可以对进入污水管网的河水入流量和入流点进行精确估计，并且获得外水进入量的动态变化，避免解读管网流量计读数时泵站运行工况的影响，为污水管网的外水排查、运行和维护提供一种量化管理工具。减少外水进入是保证污水管网正常运行的重要保障，降低污水管网的外水后，可以降低污水管网的液位，防止雨季时污水外溢，减少污水外溢导致的水环境污染物事件的发生。另外减少外水进入污水管网，也可以增加污水管网的实际污水收集能力，提高污水污染物浓度，提升城市污水处理厂的污水处理效率。外水封堵后，污水泵站流量显著下降，污水浓度显著提高。

Description

一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计 方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计方法，属于市政工程领域。

背景技术

外水入侵是污水管网运行低效的主要原因。大量外水进入导致污水管网长期保持高水位运行，雨季时极易造成污水外溢，严重影响水环境质量。外水进入也降低污水管网的实际污水收集能力，导致污水收集效率下降，污水浓度降低。大量还有外水的低浓度污水也使得污水处理厂运行效率难以提升。

进入污水管网的外水主要包括河水、地下水和雨水等源头。在大部分地区，河水入流是污水管网外水入侵的主要方式。部分城市在雨污水管道建设过程中，存在雨水和污水管道错接、混接的情况。当河水水位较高时，河水会通过雨水排放口进入雨水管道，再通过雨污错接管道进入污水管道。查找河水入流点，减少河水进入污水管网，是提高污水管网运行效率的主要手段。在查找河水入流点之前，需要对进入污水管网的河水入流量进行精确估计。而目前又缺乏相关的技术手段对区域范围内的河水入流量进行估计。

在污水管网干管安装流量计，直接计量可以获得区域内的污水总量。但是流量计测量获得的污水流量和区域用水量相比，仍然难以获得外水量。这是因为流量计测量获得的污水流量会受到污水泵站运行工况的影响。泵站的抽水量也会影响污水管网的水位，从而改变河水和管网的液位差，进而改变外水入流量。由于外水流量、泵站运行工况、用水量、管网液位和河道液位之间存在相互影响的关系，精确估计污水管网的外水入流量比较困难。同时由于污水埋设在地下，精确定位外水的入流点也相当困难。

本发明通过建立一种污水管网模型，可以对进入污水管网的河水入流量进行精确估计，并且对入流点进行精确定位，为污水管网的高效运维提供一种重要工具。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，针对污水管网运行中存在的外水入侵，并且缺乏对外水入流量和入流点的定量界定方法的问题，提出了一种能够界定污水管网入流量的界定方法，即一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)、调查某一区域范围内污水管网外水入流量；

(1-1)、获得该区域内的人口统计数据，根据该区域人均生活用水量，可以获得该区域内的生活用水量；

(1-2)、获得区域生活用水量在24小时内的分布，选取区域内典型居住小区，记录该小区内的总水表读数在一天24小时内的变化，获得该小区的用水量时间变化；

(1-3)、调取该区域范围内企事业单位的用水量数据，并获取用水量较大的单位的24小时内用水量的分布，作为整个区域内企事业单位的用水量分布；

(1-4)、考虑用水量部分并不能全部成为污水，损耗系数按照用水量的20％进行估计，地下水入渗量也按照20％考虑，两者抵消后，用水量即在真实污水量的合理范围内；

针对外水入流量较大的情况，污水损失量和地下水入渗量、外水入流量相比较小，因此其取值对整体污水流量的影响较小；

(1-5)、在区域污水泵站前主污水管道安装污水流量和液位计，同时在污水管网上游主干管道液位较深的检查井内安装液位计；根据地面和检查井管低高程，将测定的液位转化为液面高程数据；

(1-6)、建立污水管网流量模型，流量模型等式如下：

其中，等式(1)用于计算即时外水流量(Q_外水)，h_上游为上游检查井的液位高程，h_泵前为泵站进水管前检查井的液位高程，外水流量(Q_外水)的计算；上游液位(h_上游)主要受到入流河道液位的影响，其动态变化可以不包括在污水管网模型中，其值可以通过液位计测量获得；

泵前液位(h_泵前)的动态变化可以用等式(2)计算，其中，Q_外水由等式(1)计算，Q_家庭和Q_工业由步骤(1-2)和(1-3)获得,Q_泵站为安装在泵站前的流量计在线获取；

(1-7)、模型参数的估计，模型等式(1)和(2)中有两个参数K_inf和A需要估计,通过比较模型预测的泵前液位和实测的泵前液位，获得两个参数K_inf和A的值。将测量数据分为两部分，一部分用于两个模型参数的估计，剩余部分的数据用于验证获得模型参数能否准确地预测出测量值，测量值和预测值偏差在5％以内时，可认为模型参数估计符合精度要求；

(1-8)、利用估计的模型参数值，和测定上游和泵前液位，根据等式(1)估计外水进入量；

(2)、外水入流点的定位；

(2-1)、分析总结现有污水管网资料，包括其拓扑结构、检查井的管点的位置，管线的长度、管径、管低高程和管井深度等；

(2-2)、根据污水管网资料，判断是否需要对管网管线进行简化后建立管网数学模型，在管网资料较为完善，与实际情况较为吻合，并且管网调查区域范围较小时，即，区域范围小于10平方公里，可以直接采用管网测绘数据进行建模；

(2-3)、对管网资料不完善，管网测绘数据存在部分管点和管段缺失，或者调查区域范围较大时，需要通过实地调查，对现有管网数据，进行合理化补充和简化，以满足模型运算的需要；

(2-4)、根据不同污水管网支管污水收集范围，对调查范围区域进行子分区划分，确保子分区范围内的污水就近流入附近污水管网节点；

(2-5)、将管网测绘资料或简化污水管网资料中的管点、管线，管点的深度、管低高程、管径长度、坡度、管径和管材信息，子分区内的用水户排水信息，导入在GIS操作软件；

(2-6)、将GIS信息操作完成后，导入至污水管网模拟软件EPA SWMM5.0，建立污水管网数学模型；

(2-7)、将上述外水入流量计算值分配至不同污水管网节点，运算污水管网数学模型；

(2-8)、计算在不同管网节点外水入流条件下，污水管网的水力状态，并和实际污水管网水力状态比对，确定和和实际污水管网水力状态相符合的计算水力状态；

(2-9)、由步骤(2-8)获得计算水力状态对应的管网入流节点，作为计算外水入流点；

(2-10)、在计算外水入流点进行现场外水入流勘察，确认外水入流点后，计算外水入流点可以认为是实际外水入流点，外水入流点查找结束。

本发明方法先进科学，通过建立一种污水管网模型，可以对进入污水管网的河水入流量和入流点进行精确估计，并且获得外水进入量的动态变化，避免解读管网流量计读数时泵站运行工况的影响，为污水管网的外水排查、运行和维护提供一种量化管理工具。

减少外水进入是保证污水管网正常运行的重要保障，降低污水管网的外水后，可以降低污水管网的液位，防止雨季时污水外溢，减少污水外溢导致的水环境污染物事件的发生。另外减少外水进入污水管网，也可以增加污水管网的实际污水收集能力，提高污水污染物浓度，提升城市污水处理厂的污水处理效率。外水封堵后，污水泵站流量显著下降，污水浓度显著提高。

附图说明

图1为外水入流量估计流程示意图；

图2为实施例中对应区域的每个时刻的人均用水量图；

图3为实施例中污水管网模型进行曲线拟合；

图4为实施例中利用曲线模拟获得的模型参数(19000(m^2.5/d)和2100(m²))和管网模型计算获得该时段的外水量结果图；

图5为实施例中扬州市宏溪路泵站服务区域管点和管线布置图；

图6为实施例中外水入流点估计区域图；

图7为实施例中外水入侵条件下晴天宏溪路泵站服务区域污水管网污水流态模拟结果图；

图8为外水入流点封堵前后污水泵站日累积流量大部分下降图；

图9为外水封堵前后泵站集水井污水浓度显著提高图。

具体实施方式

下面结合附图以及附图说明对本发明做进一步说明。

以扬州市宏溪路污水泵站污水收集范围为例，说明本发明的具体实施方式：

(1)外水入流量估计流程；

1、该区域面积为6平方公里，有常住人口2.5万人，按照人均生活用水量140升/天计算，该区域内的生活用水量3500吨/天。

2、调查该区域内5个典型住宅小区A、B、C、D、E的24小时用水量变化，每小时记录各个小区总水表在24小时内的读数变化，根据各个小区的常住人口数，获得5个小区的人均每个时刻用水量，将5个小区取平均值，得到该区域的每个时刻的人均用水量，见图1；

3、调取该区域范围内企事业单位的用水量数据，并获取用水量较大的5家单位F、G、H、I、J的24小时内用水量的分布，作为整个区域内企事业单位的用水量分布。

4、考虑用水损耗、合理的地下水入渗量，包括生活污水和企事业单位用水产生的污水量的合理范围确定为5000吨左右。

5、在区域污水泵站前主污水主干管道安装污水流量和液位计，同时在污水管网上游主干管道液位较深的检查井内安装液位计。在旱季时，连续监测液位和流量36小时。

6、利用步骤5获得的在线监测和流量数据，应用上述污水管网模型进行曲线拟合。

7、曲线模拟的结果用于模型参数K_inf和A的估计，其估计值分别为19000(m^2.5/d)和2100(m²)。图3为曲线模拟的结果。

8、利用曲线模拟获得的模型参数(19000(m^2.5/d)和2100(m²))和管网模型，可以计算获得该时段的外水量，计算结果如图4所示。

(2)、外水入流点定位流程；

1、分析区域的管网拓扑结构，在管网管理部门的前期工作中，对污水管网做过管网调查，包括管点(检查井)的位置，管线的长度、管径、管低高程和管井的深度等。管点和管线的布置如下图所示，区域内的污水经管网收集后，进入下图右下角宏溪路污水提升泵站，再进入污水主干管，最后进入扬州市汤汪污水处理厂；

2、本区域管网测绘数据存在部分管点和管段缺失，不能直接使用现有管网测绘数据直接建模，需要通过实地调查，对现有管网数据，进行合理化补充，以满足模型运算的需要；

3、在根据管网现状补充完整管网资料的同时，将对管网进行简化，建立图6所示的简化管网模型(图6左边)。

4、如图6所示，整个宏溪路泵站服务区域被分为7个子分区，区域内55个主要用水户(居民小区，企事业单位)按照其地理位置，被分配到相应的子分区内；根据管网测绘资料和现场调查，将污水管网简化为9个管点和8根管线，管点的深度、管低高程、管径长度、坡度、管径和管材等信息根据测绘资料确定，子分区内的用水户排水排入相应的管点，简化管网的管点(Out1)连接宏溪路泵站。

5、区域的子分区划分、用水户、管点和管线信息导入等在QGIS操作软件内完成；

6、GIS操作完成后，将文件导入至污水管网模拟软件EPA SWMM5.0进行模拟(上图右图)。本研究中取得用水户数据为日平均用水数据，为获得用水动态变化数据，选取典型用水户5家，测定其24小时内动态用水数据。

7、根据前述外水量的计算结果，在晴天宏溪路泵站正常运行情况下，进入区域污水管网的外水在1.5-2万吨之间。根据前期管网探测情况，该区域管网完整性较好，暂不考虑外水是多点进入污水管网，首先考虑外水是从某个位置集中进入污水管网。选取液位高程较高的J1检查井作为外水入流点，按照外水入流量为1.5万吨/天，模拟污水管网运行情况。

8、若模拟结果和实际情况偏差较大，再更换外水入流点，重新进行模拟。图7为外水入侵条件下，晴天宏溪路泵站服务区域污水管网污水流态模拟结果。在1.5万吨/天外水入流量条件下，即使在晴天，并且泵站流量为0.22立方米/秒(1.9万吨/天)，远超用水量5000吨/天的情况下，污水管网仍然处于满管流，与宏溪路泵站服务区域污水管网现状相符。

9、由步骤8获得计算水力状态对应的管网入流节点，作为计算外水入流点；

10、在计算外水入流点进行现场外水入流勘察，确认外水入流点后，计算外水入流点可以认为是实际外水入流点，外水入流点查找结束。

Claims (1)

1.一种基于模型预测的污水管网外水入流量和入流点精确估计方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)、调查某一区域范围内污水管网外水入流量；

(1-1)、获得该区域内的人口统计数据，根据该区域人均生活用水量，可以获得该区域内的生活用水量；

(1-2)、获得区域生活用水量在24小时内的分布，选取区域内典型居住小区，记录该小区内的总水表读数在一天24小时内的变化，获得该小区的用水量时间变化；

(1-3)、调取该区域范围内企事业单位的用水量数据，并获取用水量较大的单位的24小时内用水量的分布，作为整个区域内企事业单位的用水量分布；

(1-4)、考虑用水量部分并不能全部成为污水，损耗系数按照用水量的20％进行估计，地下水入渗量也按照20％考虑，两者抵消后，用水量即在真实污水量的合理范围内；

针对外水入流量较大的情况，污水损失量和地下水入渗量、外水入流量相比较小，因此其取值对整体污水流量的影响较小；

(1-5)、在区域污水泵站前主污水管道安装污水流量和液位计，同时在污水管网上游主干管道液位较深的检查井内安装液位计；根据地面和检查井管低高程，将测定的液位转化为液面高程数据；

(1-6)、建立污水管网流量模型，流量模型等式如下：

其中，等式(1)用于计算即时外水流量(Q_外水)，h_上游为上游检查井的液位高程，h_泵前为泵站进水管前检查井的液位高程，外水流量(Q_外水)的计算；上游液位(h_上游)主要受到入流河道液位的影响，其动态变化可以不包括在污水管网模型中，其值可以通过液位计测量获得；

泵前液位(h_泵前)的动态变化可以用等式(2)计算，其中，Q_外水由等式(1)计算，Q_家庭和Q_工业由步骤(1-2)和(1-3)获得,Q_泵站为安装在泵站前的流量计在线获取；(1-7)、模型参数的估计，模型等式(1)和(2)中有两个参数K_inf和A需要估计,通过比较模型预测的泵前液位和实测的泵前液位，获得两个参数K_inf和A的值。将测量数据分为两部分，一部分用于两个模型参数的估计，剩余部分的数据用于验证获得模型参数能否准确地预测出测量值，测量值和预测值偏差在5％以内时，可认为模型参数估计符合精度要求；

(1-8)、利用估计的模型参数值，和测定上游和泵前液位，根据等式(1)估计外水进入量；

(2)、外水入流点的定位；

(2-1)、分析总结现有污水管网资料，包括其拓扑结构、检查井的管点的位置，管线的长度、管径、管低高程和管井深度等；

(2-2)、根据污水管网资料，判断是否需要对管网管线进行简化后建立管网数学模型，在管网资料较为完善，与实际情况较为吻合，并且管网调查区域范围较小时，即，区域范围小于10平方公里，可以直接采用管网测绘数据进行建模；

(2-3)、对管网资料不完善，管网测绘数据存在部分管点和管段缺失，或者调查区域范围较大时，需要通过实地调查，对现有管网数据，进行合理化补充和简化，以满足模型运算的需要；

(2-4)、根据不同污水管网支管污水收集范围，对调查范围区域进行子分区划分，确保子分区范围内的污水就近流入附近污水管网节点；

(2-5)、将管网测绘资料或简化污水管网资料中的管点、管线，管点的深度、管低高程、管径长度、坡度、管径和管材信息，子分区内的用水户排水信息，导入在GIS操作软件；

(2-6)、将GIS信息操作完成后，导入至污水管网模拟软件EPA SWMM5.0，建立污水管网数学模型；

(2-7)、将上述外水入流量计算值分配至不同污水管网节点，运算污水管网数学模型；

(2-8)、计算在不同管网节点外水入流条件下，污水管网的水力状态，并和实际污水管网水力状态比对，确定和和实际污水管网水力状态相符合的计算水力状态；

(2-9)、由步骤(2-8)获得计算水力状态对应的管网入流节点，作为计算外水入流点；

(2-10)、在计算外水入流点进行现场外水入流勘察，确认外水入流点后，计算外水入流点可以认为是实际外水入流点，外水入流点查找结束。

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