CN117786307A - 基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及城镇污水治理技术，具体为基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法与系统，其方法包括：基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线；基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理；基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌或管网淤积异常情形；基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗情形。本发明通过分析监测数据与规律曲线间的差别，逐步分解确定管道上游是否存在地下水渗入、偷排、河湖水倒灌、管道淤堵等异常状况，解决了现有技术对基础及监测数据要求高、实施难等问题。
Description
技术领域
本发明属于城镇污水治理技术，具体为一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法与系统。
背景技术
现有城镇大多数污水管道建设较早、服务年限久，随着城市化发展，存在多排水体制并存现象。由于日常养护及监管不到位，污水系统出现偷排、雨污混接，污水管道出现裂缝或破损等情形，致使外水入侵污水系统，为污水系统提质增效运营管理带来极大的挑战。
污水系统受外水入侵主要包括地下水渗入、排水户\工地偷排、河湖水倒灌、雨水入流入渗等。目前排查污水系统是否受外水入侵的常用方法较多，但均存在一定的缺陷：
(1)当城市地下管网资料不全、不准确的情况下，主要利用人工巡检的方式进行排查，例如基于单纯QV、CCTV等检测技术对排水管道的缺陷进行排查，但这类方法存在工期长、费用高等特点，易造成投资浪费。
(2)在有排水监测数据的情况下，利用监测阈值或水量平衡方法对污水管网是否发生外水入侵进行预警及诊断。但该方法监测要素多、监测数据质量要求高、对异常值阈值大小难以把握，目前实际应用的效果欠佳。
(3)基于城市排水管网数据构建水文水动力模型并进行模拟分析，通过比对管道监测量与模拟量对管道外水入侵情况进行分析也是常见的方法之一。该方法对城市水文循环系统的基础数据、管网数据质量要求高，建模及率定过程复杂、模型更新迭代工作量大。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法，基于污水管网旱季液位监测数据，提取旱季液位/流量的规律曲线，分析监测数据与规律曲线之间的差别，逐步分解确定管道上游是否存在地下水渗入、偷排、河湖水倒灌、管道淤堵、降雨入流入渗等异常状况，解决了现有技术对管网及基础地形数据依赖程度高、对监测要素及监测数据质量要求高、实施过程难等问题。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析系统。
本发明实施例中的一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法，包括以下步骤：
S1、基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线；
S2、基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理；
S3、基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌或管网淤积异常情形；
S4、基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗的情形。
本发明实施例中的一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析系统，包括以下模块：
规律曲线计算模块，用于基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线；
渗入量分析模块，用于基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理；
异常情形分析模块，用于基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌或管网淤积异常情形；还用于基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗的情形。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果包括：
1、基于旱季液位/流量的规律曲线，能够逐步分解确定污水管道水位异常引起的具体原因为地下水入渗、偷排、河湖水倒灌、管网淤积、降雨入流入渗等一种或多种。
2、与单纯QV、CCTV检测技术相比，检测前期利用本发明能够确定具体汇水范围的具体缺陷问题，避免盲目检测，节约投资。
3、与利用单一监测阈值诊断外水入侵方法相比，本发明基于旱天液位/流量的规律曲线，使用皮尔逊相关系数及平均绝对误差指数对日监测数据进行评价，避免个别或短暂异常数据造成结果的误判，数据容错性较好。
4、与利用水量平衡法诊断外水入侵方法相比，本发明主要基于液位监测数据及经验公式进行数据评估，而不需要采集流速、流量等监测要素，具有对监测数据采集要求低、成本低、自动化程度高等优点。
5、与基于城市排水管网数据构建水文水动力模型相比，本发明对分析区域基础、管网数据资料精度要求低，避免繁琐的建模及率定过程。
附图说明
图1为本发明实施例中污水管网来水异常分析方法的总体流程图；
图2为本发明实施例中旱季液位数据集曲线图；
图3为本发明实施例中旱季液位特征规律曲线图；
图4为本发明实施例中旱天流量特征规律曲线图；
图5为本发明实施例中污水管道上游存在偷排、外水渗入的液位规律曲线示意图；
图6为本发明实施例中污水管道上游存在淤积、连续外水渗入的液位规律曲线示意图；
图7为本发明实施例中污水管道上游存在降雨入流入渗的液位规律曲线示意图。
具体实施方式
本发明对污水管网来水异常分析的主要原理为，污水管旱天流量一般以日为单位呈周期特征，即监测点日液位监测数据具有明显的波峰与波谷特征；若某日液位监测数据曲线与一般规律周期特征符合度较差，则认为污水管上游存在来水异常问题。本发明适用于监测点位液位规律曲线具有明显的波峰与波谷特征的情形，主要包括以下分析过程：获取污水管旱天排水水位/流量规律曲线；分析污水管道地下水渗入量是否合理；分析污水系统在旱天是否存在偷排、河湖水倒灌、管网淤积等问题；分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗问题。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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1
本实施例提出一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，并基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线。
本步骤提取液位规律曲线、计算旱天流量规律曲线的过程，可包括以下步骤：
S11、对提取的旱天日期液位数据进行预处理，剔除数据不全、偏差较大日的旱天数据，得到旱天液位数据集。根据旱天液位数据集绘制的曲线，如图2所示。
S12、计算旱天液位数据集各个时刻的均值液位，得到污水管道旱天液位规律曲线，如图3所示。
S13、基于曼宁公式，根据旱天液位规律曲线推算污水管道旱天流量规律曲线，如图4所示。本实施例所采用的曼宁公式如下：
A＝(D2/8)(θ-sinθ) (2)
P＝D·θ/2 (3)
其中，θ为水流中心夹角；D为管径；h为液位；n为管道粗糙系数；S为水力坡度；A为流体横截面；P为湿周，即水截面的周长。
本实施例在旱天液位规律曲线提取过程中，为充分体现污水管网液位全年变化特征，旱天液位数据集应满足如下几个条件：
(1)单点历史液位监测数据应覆盖全年12个月份，且监测频率小于等于5分钟，即每日按照固定频率最少产生288条液位监测数据；
(2)选取旱天日期的标准为，污水管上游汇水区72小时内未发生降雨，旱天时间跨度不宜少于连续7天；
(3)为充分体现污水管网液位全年变化特征，旱天日期应从全年每个月份中选取1天及以上作为提取旱天液位规律曲线的原始数据。
S2、基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理。
在本实施例中，本步骤包括以下步骤：
S21、根据人均排水定额及管道上游服务人口数，计算测点上游区域的实际用水量，即日基本用水量。其中，人均排水定额可根据地方用水情况取值，默认为275L/人/天。
S22、基于用水折算系数法，利用实际用水量乘以折算系数，得到日基本污水量。
即利用日基本用水量乘以折算系数，计算得到日基本污水量。其中，折算系数取0.85-0.9。
S23、根据旱天流量规律曲线计算管道日旱天一般总流量。
S24、计算污水管网上游日地下水渗入量，即利用日旱天一般总流量减去日基本污水量得到日地下水渗入量，根据日地下水渗入量计算得到管道瞬时地下水渗入量。
S25、根据曼宁公式(1)-(4)，计算污水管道流量与水深的对应关系，并进一步计算得到地下水渗入量引起的管道初始液位。
S26、根据阈值法，判断地下水渗入量引起的管道初始液位是否高于第一预设阈值；若地下水渗入量引起的管道初始液位高于第一预设阈值，则认为管道上游地下水渗入量过大。所述第一预设阈值可根据实际情况取值，默认1/4管径。
S3、基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌、管网淤积等异常情形。
在本实施例中，本步骤具体包括如下步骤：
S31、计算旱天液位规律曲线X，与某旱天液位监测数据Y的皮尔逊相关系数，用于衡量两曲线趋势是否一致。计算公式如下：
r＝Cov(X,Y)/(σX·σY) (5)
其中，Cov(X,Y)表示变量X和变量Y的协方差，σX表示变量X的标准差，σY表示变量Y的标准差。
S32、若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第二预设阈值，则认为该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，该日污水管道上游存在偷排或河湖水倒灌等液位异常问题，见图5。其中，第二预设阈值可根据识别精度要求自行设定，默认为0.7。
S33、为进一步确定液位异常具体是由偷排还是河湖水倒灌引起的，利用该旱天液位监测数据与周边河湖水位进行对比叠加分析，计算旱天液位监测数据与周边河湖水位的皮尔逊相关系数，若所计算的皮尔逊相关系数大于第三预设阈值，则认为污水管道液位与周边河湖水位具有趋势关联，该日污水管道出现河湖水倒灌异常问题；反之，则表明该日污水管道存在偷排异常问题。其中，第三预设阈值可根据识别精度要求自行设定，默认为0.7。
S34、若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数大于第二预设阈值，则进一步计算该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的平均绝对误差MAE，用于衡量两曲线偏差程度。其中，第二预设阈值可根据识别精度要求自行设定，默认为0.7。平均绝对误差的计算公式如下：
其中，xi表示旱天液位监测数据，yi表示旱天液位规律曲线。
若旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的平均绝对误差大于第四预设阈值，则表明旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势虽然一致，但存在较大偏差，表明该日污水管道可能存在淤积等异常问题，如图6所示；反之，则表明该日污水管道来水正常。
其中，第四预设阈值可根据识别精度要求自行设定，默认为0.1。
S4、基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗的情形。
本实施例中，具体包括如下步骤：
S41、基于皮尔逊相关系数公式，计算旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数，用于衡量两曲线趋势是否一致。
S42、若旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第五预设阈值，则认为该雨天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，该日污水管道上游存在降雨入流入渗等异常问题，如图7所示；反之，则表明该日污水管道来水正常。
其中，第五预设阈值可根据识别精度要求自行设定，默认为0.7。
实施例2
与实施例1基于相同的发明构思，本实施例提出的是一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析系统，具体包括以下模块：
规律曲线计算模块，用于基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线；
渗入量分析模块，用于基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理；
异常情形分析模块，用于基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌或管网淤积异常情形；还用于基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗的情形。
其中，规律曲线计算模块提取液位规律曲线、计算旱天流量规律曲线的过程包括：
对提取的旱天日期液位数据进行预处理，得到旱天液位数据集；
计算旱天液位数据集各个时刻的均值液位，得到污水管道旱天液位规律曲线；
基于曼宁公式，根据旱天液位规律曲线推算污水管道旱天流量规律曲线。
在本实施例中，异常情形分析模块的分析过程包括：
计算旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数，用于衡量两曲线趋势是否一致；
若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第二预设阈值，则认为该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，该日污水管道上游存在偷排或河湖水倒灌液位异常问题；
利用该旱天液位监测数据与周边河湖水位进行对比叠加分析，计算旱天液位监测数据与周边河湖水位的皮尔逊相关系数，若所计算的皮尔逊相关系数大于第三预设阈值，则认为污水管道液位与周边河湖水位具有趋势关联，该日污水管道出现河湖水倒灌异常问题；反之，则表明该日污水管道存在偷排异常问题；
若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数大于第二预设阈值，则进一步计算该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的平均绝对误差；若所述平均绝对误差大于第四预设阈值，则表明旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势虽然一致，但存在偏差，表明日污水管道存在淤积等异常问题；反之，则表明日污水管道来水正常；
基于皮尔逊相关系数公式，计算旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数；
若旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第五预设阈值，则认为该雨天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，日污水管道上游存在降雨入流入渗异常问题；反之，则表明该日污水管道来水正常。
本实施例的上述各模块分别用于执行实施例1的相应步骤，其更多的实现技术手段请参见实施例1。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线；
S2、基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理；
S3、基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌或管网淤积异常情形；
S4、基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗的情形。
2.根据权利要求1所述的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，步骤S1提取液位规律曲线、计算旱天流量规律曲线的过程，包括以下步骤：
S11、对提取的旱天日期液位数据进行预处理，得到旱天液位数据集；
S12、计算旱天液位数据集各个时刻的均值液位，得到污水管道旱天液位规律曲线；
S13、基于曼宁公式，根据旱天液位规律曲线推算污水管道旱天流量规律曲线。
3.根据权利要求2所述的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，所述旱天液位数据集应满足的条件包括：
单点历史液位监测数据应覆盖全年12个月份，且监测频率小于等于5分钟；
选取旱天日期的标准为，污水管上游汇水区72小时内未发生降雨，旱天时间跨度不少于连续7天；
旱天日期从全年每个月份中选取1天及以上，作为提取旱天液位规律曲线的原始数据。
4.根据权利要求1所述的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，步骤S2包括：
S21、根据人均排水定额及管道上游服务人口数，计算测点上游区域的实际用水量；
S22、基于用水折算系数法，利用实际用水量乘以折算系数，得到日基本污水量；
S23、根据旱天流量规律曲线计算管道日旱天一般总流量；
S24、利用日旱天一般总流量减去日基本污水量得到日地下水渗入量，根据日地下水渗入量计算得到管道瞬时地下水渗入量；
S25、根据曼宁公式，计算污水管道流量与水深的对应关系，并进一步计算得到地下水渗入量引起的管道初始液位；
S26、根据阈值法，判断地下水渗入量引起的管道初始液位是否高于第一预设阈值；若高于第一预设阈值，则认为管道上游地下水渗入量过大。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，所述曼宁公式为：
A＝(D2/8)(θ-sinθ)
P＝D·θ/2
其中，θ为水流中心夹角；D为管径；h为液位；n为管道粗糙系数；S为水力坡度；A为流体横截面；P为水截面的周长。
6.根据权利要求1所述的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，步骤S3包括：
S31、计算旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数，用于衡量两曲线趋势是否一致；
S32、若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第二预设阈值，则认为该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，该日污水管道上游存在偷排或河湖水倒灌液位异常问题；
S33、利用该旱天液位监测数据与周边河湖水位进行对比叠加分析，计算旱天液位监测数据与周边河湖水位的皮尔逊相关系数，若所计算的皮尔逊相关系数大于第三预设阈值，则认为污水管道液位与周边河湖水位具有趋势关联，该日污水管道出现河湖水倒灌异常问题；反之，则表明该日污水管道存在偷排异常问题；
S34、若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数大于第二预设阈值，则进一步计算该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的平均绝对误差；若所述平均绝对误差大于第四预设阈值，则表明旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势虽然一致，但存在偏差，表明日污水管道存在淤积异常问题；反之，则表明日污水管道来水正常。
7.根据权利要求1所述的污水管网来水异常分析方法，其特征在于，步骤S4包括：
S41、基于皮尔逊相关系数公式，计算旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数；
S42、若旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第五预设阈值，则认为该雨天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，日污水管道上游存在降雨入流入渗异常问题；反之，则表明该日污水管道来水正常。
8.一种基于旱天液位监测数据的污水管网来水异常分析系统，其特征在于，包括以下模块：
规律曲线计算模块，用于基于污水管历史液位监测数据，提取污水管道旱天液位规律曲线，基于旱天液位规律曲线计算旱天流量规律曲线；
渗入量分析模块，用于基于污水管旱天流量规律曲线，分析污水管道地下水渗入量是否合理；
异常情形分析模块，用于基于污水管旱天液位规律曲线，分析污水系统在某旱天是否存在偷排、河湖水倒灌或管网淤积异常情形；还用于基于污水管旱天水位规律曲线，分析污水系统在雨天是否存在降雨入流入渗的情形。
9.根据权利要求8所述的污水管网来水异常分析系统，其特征在于，规律曲线计算模块提取液位规律曲线、计算旱天流量规律曲线的过程包括：
对提取的旱天日期液位数据进行预处理，得到旱天液位数据集；
计算旱天液位数据集各个时刻的均值液位，得到污水管道旱天液位规律曲线；
基于曼宁公式，根据旱天液位规律曲线推算污水管道旱天流量规律曲线。
10.根据权利要求8所述的污水管网来水异常分析系统，其特征在于，异常情形分析模块的分析过程包括：
计算旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数，用于衡量两曲线趋势是否一致；
若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第二预设阈值，则认为该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，该日污水管道上游存在偷排或河湖水倒灌液位异常问题；
利用该旱天液位监测数据与周边河湖水位进行对比叠加分析，计算旱天液位监测数据与周边河湖水位的皮尔逊相关系数，若所计算的皮尔逊相关系数大于第三预设阈值，则认为污水管道液位与周边河湖水位具有趋势关联，该日污水管道出现河湖水倒灌异常问题；反之，则表明该日污水管道存在偷排异常问题；
若旱天液位规律曲线与某旱天液位监测数据的皮尔逊相关系数大于第二预设阈值，则进一步计算该旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的平均绝对误差；若所述平均绝对误差大于第四预设阈值，则表明旱天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势虽然一致，但存在偏差，表明日污水管道存在淤积异常问题；反之，则表明日污水管道来水正常；
基于皮尔逊相关系数公式，计算旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数；
若旱天液位规律曲线与某雨天液位监测数据的皮尔逊相关系数小于第五预设阈值，则认为该雨天液位监测数据与旱天液位规律曲线的趋势存在较大偏差，日污水管道上游存在降雨入流入渗异常问题；反之，则表明该日污水管道来水正常。
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