[发明专利]一种基于三维地理信息的污水管网水力模型建立方法

说明书

本发明属于市政工程城市污水管网领域，本发明提供一种基于三维地理信息的污水管网水力模型建立方法，通过三维地理信息获取污水管网每个检查井节点与其周围建筑的物理对应关系，再根据此对应关系估算其人口数量作为先验信息，基于此人口比例使用优化算法确定区域内所有检查井节点的总入流量时间序列，再对每个检查井节点的流量波动系数进行优化计算，从而确定每个检查井节点的入流量时间序列，实现污水管网水力模型的准确建立，本发明提出了利用人口数据来代替污水管长/汇水面积数据作为污水管网流量校核的先验信息的方法，更加合理的解决了污水管网现有模拟技术普遍存在的多解问题，使在缺乏足够监测数据时的污水管网流量校核结果更加准确。

技术领域

本发明属于市政工程城市污水管网领域，具体涉及污水管网水力模型建立方法。

背景技术

城市污水管网是维护城市水环境、防止疾病传播的重要城市基础设施，对保障城市的公共卫生和生态健康至关重要。近年来，随着人口增长和城市化加剧，污水管网的空间规模和结构复杂性也显著增加，加上系统老化现象，使污水管网的运行和管理过程中出现许多问题，其中一些典型问题包括管道淤塞、管道泄漏、雨污错接、非法排放、污水溢流等。这些问题严重污染城市水环境，威胁城市水安全，影响下游污水处理厂的正常运行，是城市黑臭水体的根本成因，亟待解决。

解决上述问题的一种方法是建立污水管网在线监测系统，通过在污水管网关键位置安装传感器以实时监测水深与流量，可以有效预警并定位淤塞、泄漏及非法排放等异常事件。但污水系统的监测传感器往往造价昂贵，维护困难，无法大范围高密度的覆盖整个城市污水管网，只能对监测点覆盖的小范围区域进行异常报警与诊断。因此，该方法通常需要结合精确的污水管网模型，通过模拟水力变量的动态行为并将其与有限的监测点数据作比较，判断是否出现异常情况。污水管网模型还可以模拟管网任意位置的水力参数，以便预测非监测点的水深和流量变化，帮助诊断与定位发生在非监测点的异常情况。

污水管网水力模型的准确程度会极大影响该方法中在线监测系统的预警性能，是在线监测系统的关键部分。而要保证水力模型的准确性，需要高时空分辨率的流量数据用以校核模型，这在实际工程中是很难获得的。为了解决这个问题，常用离线校准的方法，利用有限的监测数据来推算确定每个检查井节点的流量时间序列。此外，还有一些研究基于不同日之间的相同时间段的流量总体应该相近似这一假设，通过使用单日流量时间序列期望值来代表不同日的流量变化，来减少运算时间，但该方法存在的一个巨大缺陷是未考虑优化获得的污水流量时间序列的多解性，更具体的说，该方法仅能保证监测点处模拟值与监测值近似，无法保证非监测点的模拟值是否与真实情况近似，因为不同组合的非监测点模拟值都可能可以保证监测点的结果吻合，从而难以确定一个特定且唯一的、可以反映真实管网水力情况的流量合集，进而严重影响污水管网在线监测系统的效率和准确性。解决多解问题的常见办法是使用先验信息来约束校核结果，传统方法通常是按照管道长度或汇水面积来分配流量，因为通常较长的管道和较大的汇水区往往会排入更多污水。但这种预设不一定符合实际情况，如对于起传输作用的污水管道而言，尽管管道较长，但周围用户密度很低，污水流入量很小；而对搭设在大人口密度区域的管道，可能较短长度就会对应大量污水。同理，较大面积的汇水区也可能只有很低密度的建筑，导致其排放的污水量偏低。若直接使用管长和汇水面积作为先验信息校核污水管网模型，可能造成流量校核结果偏离实际，进而造成监测系统的误报和漏报。更合理的方法是使用对应的人口数量作为先验，因为人口即用户量与污水排放量是息息相关的，但人口数据相较管长而言更难获得，且存在较大波动性，难以直接在实际工程中应用。

发明内容