专利名称：一种新型的排水管网水力学系统建模与控制方法
技术领域：
本发明属于城市排水领域，具体是一种在圣维南方程组基础上，推导出适用于排水管道的水力学模型的方法。
背景技术：
国内外很多大城市的排水系统依然采用合流制排水系统，它是将生活污水、工业废水和雨水混合在同一套沟道内排除的系统。但随着城市规模的不断扩大和降雨的频繁发生，导致了合流制排水管道污水溢出，从而带来了严重的环境污染问题。
基于圣维南方程组的排水管道管流水力学模型的解法，一种方法是采用隐式有限差分数值求解。另一种方法是特征线法。两种方法都是数值计算方法。但两者的不足之处在于
1.模型需要的变量较多，计算比较复杂。
2.都是数值计算方法，结果不够准确。
3.数值计算方法比较耗时，不利于实时控制。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种在圣维南方程组基础上，利用传递函数模型来快速计算管道水深的方法。该发明是在充分利用系统所有蓄水设备的前提下，使区域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗涝能力，并为合流制排水系统的操作从手动向自动转化奠定了基础。避免在一个特定的区域发生了污水溢出而剩余的蓄水系统却闲置的情况发生，最终达到区域污水溢出污染最小化。
本发明的技术方案是
合流制排水系统在圣维南方程组的基础上获得传递函数的水力学模型计算管道水深， 利用阀门等控制设施和蓄水设备达到两个总的控制目标
(1)使区域总的污水溢出量最小化，避免在一个特定的区域发生了污水溢出而剩余的蓄水系统却闲置的情况发生。
(2)充分利用现有的蓄水设备纳洪，避免发生污水溢出，直到所有蓄水设备都满了为止。
本发明方法的步骤包括 1)建立圣维南方程组通过分析我国城市排水管道中水流的水力学特性，再结合质量守恒定律和动量守恒定律得到适用于排水管道水流特性圣维南方程组
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权利要求
1. 一种新型的排水管网水力学系统建模与控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤1)建立圣维南方程组通过分析我国城市排水管道中水流的水力学特性，再结合质量守恒定律和动量守恒定律得到适用于排水管道水流特性圣维南方程组
其中
，表示在管污水W高度，表示污^fC流fi， 表示Tfc流方向W X yq距离；α表示垂直于向的管道的横截面积表示地面坡度表示摩「且坡度ι表亍流体的统一速度， 表示曼林粗糙系数，τ表示排水管道的直径，i表示旁侧流量，t表示时间，g表示重力加速度；2)线性化圣维南方程组方程组采用泰勒级数展开的方法进行线性化；将排水管道的入口处，即x=o处的水流流速^和水位高度凡作为初始条件；线性化后方程组如下
其中
表示排水管道的直径；G表示水波的初始速度；ij表示管道周长，4代表入口处水流的横截面积；3)对线性化后的方程组进行拉斯变换及矩阵求解首先对方程组中两个方程分别进行拉斯变换，其中Λ ￠4和& 分别代表.V(X)和 《O)的拉普拉斯变换变量；然后通过转化把方程组表示为如下的矩阵形式；
上述矩阵在均勻流条件下的解是通过转移矩阵获得，满足矩阵微分方程
为系数矩阵，所述的矩阵微分方程的解可以通过Picard迭代计算,其解形式为
为了获得该解，需要对系数矩阵4 (x)进行对角化； 通过重新整理和应用上游和下游边界条件，圣维南的转移矩阵表示如下
其中
计算
即可获得最终应用于排水管道的水力学传递函数模型，利用管道的输入流量和阀门前的流量；即可利用该模型计算出管道中X处的水深
4)确定矩阵系数对圣维南的转移矩阵通过低频近似简化，计算出本来的增益和极点
和
和
通过
处求极限获得；通过相似的方法可知
和
；其中
和
,,将
和
利用泰勒级数展开，等式变为
其中
排水管道的长度；5)调节阀门，控制水位高度增加了阀门控制的排水管道水力学计算模型如下
通过相应的阀门控制，得出通过阀门后的流量模型如下
-阀门随时间的开度，B-阀门的宽度，C,-流量系数，g-重力加速度,i^U；!-阀门前的水位高度，L-管道的长度。
全文摘要
本发明涉及一种新型的排水管网水力学系统建模与控制方法。现有的计算方法比较耗时，不利于实时控制。本发明利用传递函数模型来快速计算管道水深的方法。该发明是在充分利用系统所有蓄水设备的前提下，使区域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗涝能力，并为合流制排水系统的操作从手动向自动转化奠定了基础，同时避免了在一个特定的区域发生污水溢出而剩余的蓄水系统却闲置的情况发生，最终达到区域污水溢出污染最小化。
文档编号G05B17/02GK102183895SQ20111007228
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者王建中, 鲁仁全, 薛安克, 徐哲, 何杨 申请人:杭州电子科技大学