[发明专利]基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统，包括：拟定预设工况表；获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，构建物理模型和数值模型；将预设工况代入模型进行试验，得到流量数据；将结构尺寸、水力参数、流量数据及其对应的水位数据放入水文特征参数数据集；根据数据集计算预设工况下的系数及其表征物理量；分别汇总不同出流条件下的系数及其表征物理量，进行拟合，得到系数拟合公式；将拟合公式代入流量计算公式，得到算法模型；对系统流量进行计算，能够实现对数字孪生的城市合流制溢流系统流量进行精确度较高的监测。

技术领域

本发明涉及城市水环境治理技术领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，数字孪生技术作为继人工智能、云计算后的又一前沿技术，数字孪生技术的实现基于某种规则的虚拟空间对物理实体的仿真预测，数字孪生技术逐步从制造业延伸至城市空间，与城市规划、建设与发展紧密联系在一起，搭建成了数字孪生城市。数字孪生的城市合流制溢流（CSO）系统承担着生活污水、工业废水、雨水的汇集与排放功能；晴天或小雨时，合流污水送入污水处理厂，当雨天运输水量超过管网纳污能力就会出现溢流，影响城市河湖的生态环境。

中国在CSO污染研究方面起步较晚，缺乏CSO溢流量、溢流频次以及溢流水质等基础监测数据，致使CSO污染控制目标难以确定。目前，人们大多通过监测或者模拟获得CSO的流量数据。

但受城市土地资源紧缺的影响，承担溢流功能的异型结构的薄壁堰大量存在，受城市场地与工程结构的影响，常规的流量监测设施难以设置，无法监测CSO系统流量，从而导致CSO污染控制更加困难，亟需可靠、简便的流量监测方法。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法及系统，以解决现有技术中因常规流量监测设施难以设置而导致无法监测合流制溢流系统流量的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种基于数字孪生的城市合流制溢流系统流量监测方法，包括：

拟定预设工况表，所述预设工况表包括上游水头、下游水位；

获取目标溢流装置的结构尺寸和水力参数，并根据所述结构尺寸和水力参数构建物理模型和数值模型；

将预设工况表中的上游水头和下游水位代入物理模型和数值模型进行试验和模拟，得到流量数据，将所述结构尺寸、水力参数以及流量数据及其对应的上游水头和下游水位放入水文特征参数数据集；

从水文特征参数数据集中调取数据，计算得到预设工况下的系数及其表征物理量，所述系数包括自由出流条件下的流量拟合系数，淹没出流条件下的淹没拟合系数，孔口出流条件下的折减拟合系数；所述表征物理量包括雷诺数的倒数，韦伯数的倒数，上游水头与下游水位之差，上游水头与堰高之差，上游水头与堰口上边缘高程之差；

分别汇总不同出流条件下所有预设工况下计算得到的系数及其表征物理量，并使用遗传算法对其进行函数拟合，得到不同出流条件下的系数拟合公式，所述拟合公式包括自由出流条件下的流量拟合系数拟合公式，淹没出流条件下的淹没拟合系数拟合公式，孔口出流条件下的折减拟合系数拟合公式；

将不同出流条件下的系数代入对应出流条件下的流量计算公式，得到城市合流制溢流系统流量算法模型；

将下游水位数据输入城市合流制溢流系统流量算法模型，根据下游水位数据判定出过堰水流的出流方式，根据不同的出流方式选择对应的系数拟合公式，将选中的系数代入对应的流量计算公式中，计算出城市合流制溢流系统流量。

可以理解的是，流量拟合系数拟合公式即流量拟合系数的函数，简称流量拟合系数；淹没拟合系数拟合公式即淹没拟合系数的函数，简称淹没拟合系数；折减拟合系数拟合公式即折减拟合系数的函数，简称折减拟合系数。