一种考虑关键节点的城市排水管网诊断评估方法与流程

本发明涉及市政工程信息技术领域，尤其是涉及一种考虑关键节点的城市排水管网诊断评估方法。

背景技术：

城市地下排水管网错综复杂，加之材质老化、腐蚀严重、城市内涝、道路塌陷、管网破裂等各种因素，如何及时科学的诊断现有排水管网设施的健康状况亟待解决。目前，国内外针对不同专业的地下管网诊断方法层出不穷，包括管道CCTV内窥监测技术、声纳技术、钢材质管道的腐蚀检测技术，根据检测结果对特定管道进行功能性结构性评估。上述诊断评估方法是在确定某一问题管道后进行的内部专项检测，有明确的调查的对象，但排水管网是一个复杂的联通的系统，支管与总管、收集片区与系统干管、上游与下游、管网系统与末端泵站关系较为复杂，如何判断该系统运行中的关键问题与薄弱管位至关重要，通常采用的方法是对系统进行大规模详细检测排查，耗费大量的人力财力，且只考虑当前研究管段，而忽略了其他相连管道运行时水流之间的影响，因此并不能准确反应系统真实的运行状态；或根据设施基本情况与运行情况做粗略判断，但结果具有不确定性。为此，寻求一套科学合理、简单易行的排水管网运行状况综合诊断方法对排水管网管理人员具有重要的现实指导意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑关键节点、建模准确、组合评估、真实有效、提高效率的考虑关键节点的城市排水管网诊断评估方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑关键节点的城市排水管网诊断评估方法，包括以下步骤：

1)获取城市排水管网的关键节点，在关键节点处加设水位监测器和流量监测器，获取关键节点的实际运行的水位和流量数据，并且采用CCTV测量获取关键节点处的现场管道数据；

2)结合关键节点的实际运行的水位和流量数据、排水管网的拓扑数据、现场管道数据、边界水位数据、GIS数据、地面高程数据以及其他数据构建考虑关键节点的城市排水管网水力模型；

3)对城市排水管网水力模型进行率定，采用率定后的城市排水管网水力模型模拟实际城市排水管网系统的运行状态，并对系统的运行状态进行评估。

所述的步骤1)中，城市排水管网的关键节点的位置包括日常或降雨中雨污水井盖出现冒溢的位置、降雨条件下积水严重且退水慢的区域、雨污水管道的混接点位置、在下游泵机持续开启条件下管道中水位持续高位的位置、管网与河道相连通的位置、系统管网管底标高最低位置处。

所述的步骤2)中，所述的排水管网的拓扑数据包括管径、管长、坡度、管道上下游标高、检查井的位置信息以及井底和井顶标高，所述的排水系统内下垫面数据包括土地利用分布信息，所述的其他数据包括人口、工商废水和土壤类型。

所述的步骤3)中城市排水管网水力模型进行率定包括以下步骤：

在降雨或非降雨情况下，根据泵站的泵机启闭记录及前池水位实际值与城市排水管网水力模型自动模拟的数据进行对比，对建立好的模型进行率定验证，并调整模型中的管网参数，使得模型的模拟结果与系统实际运行数据相符合。

所述的步骤3)中，系统的运行状态进行评估的内容包括：

城市排水管网系统排水设施的排水能力是否与该区域内雨污水产生量相匹配、城市排水管网系统的内涝情况、城市排水管网系统的污水溢流情况、城市排水管网系统运行调度方案是否合理以及影响系统运行的因素及瓶颈。

该方法还包括以下步骤：

4)根据模拟运行状态进行评估的结果，根据评估的内容产生解决方案，包括：

对于系统设施能力配备不足，开展系统的升级改造研究；

对于系统内涝应根据内涝的原因进行系统改造或优化运行方案；

对于污水溢流采取增加截流设施或优化运行；

对于系统运行调度不合理，优化运行方案及调度；

对于系统局部的设施问题及瓶颈问题根据具体问题开展工程性及管理性措施。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、考虑关键节点、建模准确：传统的采用水力模型对排水系统的设施及运行方案进行诊断评估，往往直接采用系统末端泵站水位、泵机启闭方案对模型进行率定验证，调整模型的准确性，但具有一定的局限性。排水系统是一个复杂的有机体，管网内关键管段雨污水的实时运行水位、实时流量以及泵站的运行方案等均应得到模型的验证。本专利加设了关键节点的水位及流量监测，并将其结果应用到模型的率定验证中，大大提高了模型模拟与实际运行情况的吻合度，构建的模型及模拟结果的具有更高的准确性。

二、组合评估、真实有效：本专利采用的组合评估方法，较传统评估方法具有更强的实际指导意义。传统的水力模型模拟结果重点在于评估系统泵站运行方案的科学性与合理性，较少关注对管网详细关键节点与管段的流量分析及原因解析；仅仅简单的水位及流量实时监测分析，亦不能反映管网上下游的水流过程，而本专利提出的组合评估方法可将系统的实时监测数据应用到水力模型中，既保证了监测数据的真实有效，同时又实现了对管网局部关键部分及泵站运行情况的评估，关注整体的的同时亦可考察了局部管网现状。

三、提高效率：根据排水系统水力模型的模拟结果，发现系统的薄弱环节等异常问题，在此基础上，可以指导水位及流量实时监测的布点方案的优化，提高监测设备的使用效率。

附图说明

图1为构建考虑关键节点的城市排水管网水力模型的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

该组合诊断方法包括两个基本部分：水位监测与流量监测、建立系统水力模型。

(一)对管网重要管段及关键节点水位监测。

通过对排水系统管网拓扑关系的分析，以及日常运行中的经验，理顺该系统重要关键节点，主要包括流量关键节点、系统薄弱管段、与周边系统以及河道联通的大管径管道的、混接点位以及其他影响整个系统运行存疑区域管道等。在这些区域，根据调查需要及现场条件，安装水位仪和流量计，实时监测系统内关键节点旱天及雨天的运行情况变化，整体把握系统的基本运行情况。基于系统内部的联通特性，通过相关管段水位及流量的变化特征，初步判断排水系统运行的主要问题，以问题发生的区域，解析问题发生的主要原因及对系统的影响程度。上述对管网重要管段及关键节点水位的监测结果，一方面用以率定验证水力模型，大大提高系统的准确性；同时该管段及节点作为模型模拟评估重要的评估部位，亦可作为系统运行情况的重要参考指标。

(二)建立完整详尽的排水管网水力模型，并进行诊断评估。

充分利用详尽的排水管网、下垫面、河道等基础信息数据，以及系统内降雨情况、道路积水情况以及末端泵站泵机运行情况，建立完整准确的排水系统水力模型。在历史降雨、设计降雨或未来预测降雨条件下，利用水力模型的数字化、功能化和可视化，系统自动模拟城市的地表降雨径流和排水管网的汇流过程以及泵站泵机的启闭过程、预测地面道路积水的情况，如图1所示，建立完整详尽的排水管网水力模型及率定包括以下步骤：

(1)模型的建立

根据收集排水管网的拓扑数据，管径、管长、坡度、管道上下游标高、检查井的位置数据、井底及井顶标高；排水系统内下垫面数据，包括土地利用分布图，如房屋、街道、绿地、广场等并进行解析；边界水位数据，主要为周边联通河道实时水位数据等特征数据，在上述数据的基础上，建立管网及水文模型。

(2)模型的率定验证

在降雨或非降雨情况下，根据泵站的泵机启闭记录及前池水位实际值与系统自动模拟进行对比，对建立好的模型进行率定验证，调整模型中的汇水区及管网参数，似的模型结果吻合系统实际运行数据。

模型的率定验证需要较多场次事件。本发明提出采用管网关键节点实测数据，用于率定验证模型，其目的避免传统率定中仅采用局部泵站数据的局限性与片面性而可能造成的模型失准，扩大模型率定验证的范围，提高模型经调整后与实际数据的吻合度。

(3)水力评估

在模型的基础上，模拟目标事件下系统的整体运行情况。诊断评估系统各区域、管网、窨井以及泵站等方位的水位、流量、冒溢等情况，系统运行是否稳定、雨污水流是否顺畅，重点关注关键节点及目标节点的运行数据的变化，解析系统运行中的问题及瓶颈。

(4)解决方案

根据系统中存在的问题，提出科学的运行优化管理方案或合理的系统改造等工程性方案，并通过模型验证目标方案的可行性，判断方案实施后对系统问题的影响及改善效果，确定最终方案。

该水力模型可实现以下功能：

1、评估现有排水资产的运行效能，包括管网淤塞、管道过流能力、现有设施与实际情况的匹配程度、资产的使用效率等。

2、评估系统运行的科学性与合理性，包括系统管网总体运行水位、泵站泵机启闭方案、系统运行问题与瓶颈、运行优化的潜能及措施。

3、根据区域规划及系统暂存目前，为系统后续提供改造方案，模拟评估改造方案的效果，以及对区域整体排水环境的改善。