城市地下排水管网改造及改造评价方法与流程

本发明属于地理信息系统与市政工程研究技术领域，具体涉及城市地下排水管网改造及改造评价方法。

背景技术：

近年来，由于地下排水管网系统建设的不完善、系统管理经验不足等原因，我国城市洪水内涝事故频发，市区长时间积水，道路堵塞，交通秩序混乱，严重影响了人民群众日常出行安全。

地下排水管网系统是城市发展的重要基础设施之一，承担着防治洪水、排泄雨水污水和保护生态环境的重要责任。因此必须采取有效的手段来加强对城市地下排水系统的检测、管理和维护，使得城市地下排水管网能真正发挥其功能，美化城市的环境，提升城市的经济效益。

现在排水管道的检测方法分为定性和定量两种，定性的方法是指进入管道内，利用人眼或机器拍摄图像，对排水管道进行定性评价。定量的方法是指借助烟雾、水压、空气压等手段，分析评价管网的破裂、堵塞、薄弱段。这些方法都停留在人工检测阶段，而针对整个城市的地下排水管网进行的大规模的人工检测既费时又费力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于排水管网数据的几何拓扑关系和数学模型的城市地下排水管网改造及改造评价方法，该方法可从复杂的地下排水管网结构中挖掘出瓶颈管道，并对瓶颈管道进行科学改造，从而为实地人工检测提供方向和经验。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一、城市地下排水管网改造方法，包括：

步骤1，根据排水管网数据构建排水管网系统模型，具体为：

将排水管网的节点、管道、城市汇水区分别概化为点、线、面，构建排水管网系统模型；所构建的排水管网系统模型中，每个城市汇水区内有一个出水口，所有的出水口连接在节点和排水管道所组成的排水网络中；

步骤2，识别排水管网系统模型中的瓶颈管道，具体为：

采用芝加哥雨型设计降雨，将降雨施加到排水管网系统模型，利用暴雨洪水管理模型模拟排水管网系统模型的水文水动力过程；统计降雨过程中达到满流状态的管道，即瓶颈管道；

步骤3，基于迭代法对瓶颈管道进行改造，本步骤进一步包括：

3.1采用步骤2所述的方法识别当前排水管网系统模型中的瓶颈管道，若无瓶颈管道，则改造结束，当前排水管网系统模型采用步骤1所构建的排水管网系统模型初始化；否则，将当前排水管网系统模型中满流时间最长的一条瓶颈管道记为Qm，m的初始值取为1；

3.2对Qm进行循环改造，本步骤进一步包括：

3.2a第一次改造，即将Qm改造至非瓶颈状态，将改造后的Qm记为C1；

3.2b基于C1、C2…Ck-1的状态进行第k次改造，k的初始值取2，具体为：

①采用步骤2所述的方法识别上一次改造后的排水管网系统模型中的瓶颈管道，若无瓶颈管道，结束本次循环改造，以当前C1的状态作为Qm的状态，然后执行步骤3.3；否则，将满流时间最长的一条瓶颈管道改造为非瓶颈状态，将该改造为非瓶颈状态的瓶颈管道记为Ck，然后，执行步骤②；

②采用步骤2所述的方法识别已改造的管道此时是否为瓶颈管道，将其中的瓶颈管道均改造至非瓶颈状态，然后执行步骤③；若所有管道均识别为非瓶颈管道，执行步骤④；

③采用步骤2所述的方法识别Ck此时是否为瓶颈管道，若是，再次将Ck改造至非瓶颈状态，然后，执行步骤②；否则，执行步骤④；

④判断当前的k值是否达到1+d*a％值，若达到，结束本次循环改造，以当前C1的状态作为Qm的状态，然后执行步骤3.3；若未达到，令k＝k+1，重复执行步骤3.2b；

3.3当Qm的循环改造结束后，执行如下：

3.3a采用步骤2所述的方法识别已改造的Q1、Q2、.....Qm-1此时是否存在瓶颈管道，若不存在，取出当前Qm作为当前待改造的瓶颈管道的改造结果，执行步骤3.4；若存在，执行步骤3.3b；

3.3b将Q1、Q2、......Qm-1中的瓶颈管道改造至非瓶颈状态，然后执行步骤3.3c；

3.3c识别Qm此时是否为瓶颈管道，若为瓶颈管道，将Qm改造为非瓶颈状态，重复执行步骤3.3a；否则，取出当前Qm作为当前待改造的瓶颈管道的改造结果，执行步骤3.4；

3.4判断m值是否达到n，若达到，改造结束；否则，令m＝m+1，重复执行步骤3.1；n为要求改造的瓶颈管道数，人为设定。

二，城市地下排水管网改造评价方法，包括：

基于改造前的排水管网系统模型，计算改造前能抵抗P年一遇降雨的管道总长度L₁，则改造前能抵抗P年一遇降雨的管道占比S为排水管网系统管道的总长度；

基于改造前的排水管网系统模型，计算改造后能抵抗P年一遇降雨的管道总长度L₂，则改造后能抵抗P年一遇降雨的管道占比

比较Q₁与Q₂的大小，若Q₂＞Q₁，则改造后排水管网系统的排水能力得到提升；反之，则未得到提升。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)人工检测之前，本发明通过分析排水管网数据的几何拓扑关系，利用数学模型等科学方法，定性的分析出瓶颈管道，为实地排查提供经验知识。

(2)本发明基于瓶颈管道，利用迭代法对管网进行改造及改造评价，实现了管网排水能力的优化。经评价，改造后管网排水能力得到了提升。

附图说明

图1为本发明方法的具体流程示意图；

图2为排水管网系统的基本构成要素示意图；

图3为排水管网系统的建模示意图，其中，图(a)为绞点、出水口、排水管道的提取示意图；图(b)为子汇水区的划分示意图；图(c)为排水管网系统建模示意图；

图4为瓶颈管道识别示意图，其中，图(a)为实施例中的降雨设计示意图，图(b)为实施例中的瓶颈管道示意图；

图5示出了基于迭代法的瓶颈管道改造的具体示意图。

具体实施方式

本发明基于SWMM模型实现，首先，通过水文模拟找出降雨过程中的瓶颈管道；然后，通过迭代实现管道的分步改造；最后，进行排水能力的比较评价。其方法流程如图1所示。下面将结合附图对本发明各步骤的具体实施实施进行详细说明。

1、排水管网系统的建模。

对研究区域的排水管网进行合理概划，将排水管网的节点概化为点，将排水管道概化为线，将城市汇水区概化为面，每个汇水区内有一个出水口，所有的出水口连接在节点和排水管道所组成的排水管网中。排水管网系统的基本构成要素见图2所示，所述的基本构成要素包括点要素、线要素和面要素。

以某研究区域为例，基于点要素提取出绞点和出水口。研究区域的雨水井、雨水篦子对应绞点，研究区域的末端节点为出水口；基于线要素提取排水管道，见图3(a)。对子汇水区的划分，通过泰森多边形方法，利用绞点数据，生成子汇水区，并根据街道走向进行人工调整，见图3(b)。最终概划出包含绞点、出水口、排水管道、子汇水区的排水管网系统模型，见图3(c)。排水管网系统模型中参数的率定，采用现场调查、模型手册及相关文件调研、实验测量的综合率定方法。

2、基于SWMM模型(暴雨洪水管理模型)的瓶颈管道识别。

本步骤基于排水管网系统模型，采用芝加哥雨型设计降雨，采用SWMM模型模拟排水管网系统模型的水文水动力过程，从而识别出瓶颈管道。

具体方法如下：

2.1根据暴雨公式，采用芝加哥雨型设计降雨，利用SWMM模型进行模拟。

城市管渠排水系统设计雨量的推求，一般采用暴雨公式。采用芝加哥雨型，推导出雨峰前和雨峰后的降雨强度(单位：mm/min)，见公式(1)和(2)。

雨峰前的降雨强度I₁：

雨峰后的降雨强度I₂：

式(1)和(2)中：

a＝167A(1+ClgP)，A表示重现期为1年的设计降雨量；C为雨量变动参数，是反映设计降雨各历时不同重现期的强度变化程度的参数之一；P为设计降雨重现期；

r为雨峰系数，在0～1范围取值；

b和n为常数，共同反映重现期的设计降雨随历史延长其强度递减变化的情况；

t₁为雨峰前时间与雨峰时间的间隔；

t₂为雨峰后时间与雨峰时间的间隔。

2.2降雨过程中的满流排水管道即瓶颈管道。

利用降雨公式(1)和(2)设计降雨，见图4(a)所示；将降雨施加到排水管网系统模型。采用SWMM模型模拟排水管网系统模型的水文水动力过程。模拟结束后，统计降雨过程中，达到满流状态的排水管道，即瓶颈管道，见图4(b)所示。所述的满流状态指管道被充满的状态。

3、基于迭代法的管道改造。

本步骤针对管道的改造需求，提出了“n条管道被改造时，每一条管道的改造进程满足：当这条管道改造完后，至少再改造原始瓶颈管道数目的a％数目的管道时才会轮到这条管道被改造”的迭代法，具体实施过程参见图5，具体步骤如下：

假设排水管网系统模型包含sum条管道，其中含有d条瓶颈管道。

3.1对当前待改造的瓶颈管道进行如下循环改造，首先，采用步骤2所述的方法识别当前排水管网系统模型中的瓶颈管道，若无瓶颈管道，则改造结束，当前排水管网系统模型采用步骤1所构建的排水管网系统模型初始化；否则，将当前排水管网系统模型中满流时间最长的一条瓶颈管道作为待改造的瓶颈管道，将当前待改造的瓶颈管道标记为Qm，m的初始值取为1，采用步骤1所构建的排水管网系统模型初始化当前排水管网系统模型。

3.1a第一次改造，即将Qm改造至非瓶颈状态，例如可增大管径以使瓶颈管道满足非瓶颈状态，将改造后的Qm标记为C1。

3.1b基于C1的状态进行第二次改造，具体为：

采用步骤2所述的方法识别第一次改造后的排水管网系统模型中的瓶颈管道，找出满流时间最长的一条瓶颈管道作为下一个改造的瓶颈管道，将其改造至非瓶颈状态，将改造后的瓶颈管道标记为C2。同时，基于C2的状态，采用步骤2所述的方法识别已改造的管道C1此时是否为瓶颈管道，若是瓶颈状态，将C1再次改造至非瓶颈状态。然后，采用步骤2所述的方法识别C2此时是否为瓶颈管道，若是瓶颈状态，再次对C2进行改造，如此循环，直至C1和C2同时为非瓶颈状态。

3.1c基于C1、C2…Ck-1的状态进行第k次改造，k的初始值为3，具体为：

采用步骤2所述的方法识别上一次改造后的排水管网系统模型中的瓶颈管道，找出满流时间最长的一条瓶颈管道作为下一个改造的瓶颈管道，将其改造至非瓶颈状态，将改造后的瓶颈管道标记为Ck。同时，基于Ck的状态，采用步骤2所述的方法识别已改造的C1、C2…Ck-1是否为瓶颈状态，将其中的瓶颈管道逐一改造至非瓶颈状态；然后，采用步骤2所述的方法识别Ck此时是否为瓶颈管道，若是瓶颈状态，再次对Ck进行改造，如此循环，直至C1、C2…Ck均为非瓶颈状态。

本循环改造中，每改造完一个瓶颈管道后，识别已改造的管道是否为瓶颈管道，若是，则需对瓶颈管道再次增大管径，直至改造的所有管道均为非瓶颈状态。

3.1d令k＝k+1，然后重复执行步骤3.1c，直至k值达到1+d*a％或者改造后的排水管网系统模型中无瓶颈管道，即可结束本次循环改造，然后执行步骤3.1e。其中，a％为改造期望率，其取值范围为0～100％；a％根据实际需求人为设值，当对管网工程改造要求较高时，a％取较大值；反之，a％取较小值。

3.1e仅以当前C1的状态作为Qm的状态。

3.2当单个瓶颈管道Qm的循环改造结束后，执行如下：

3.2a识别已改造的Q1、Q2、.....Qm-1此时是否存在瓶颈管道，若不存在，取出当前Qm作为当前待改造的瓶颈管道的改造结果，执行步骤3.3；若存在，执行步骤3.2b；

3.2b将Q1、Q2、......Qm-1中的瓶颈管道改造至非瓶颈状态，然后执行步骤3.2c；

3.2c识别Qm此时是否为瓶颈管道，若为瓶颈管道，将Qm改造为非瓶颈状态，重复执行步骤3.2a；否则，取出当前Qm作为当前待改造的瓶颈管道的改造结果，执行步骤3.3；

3.3判断m值是否达到n，若达到，管道改造结束；否则，令m＝m+1，重复执行步骤3.1。n为要求改造的瓶颈管道数，人为设定。

4排水管网系统改造评价。

本发明基于排水能力与降雨重现期的关联性，来评价排水管网系统改造前后的排水能力变化。某P年一遇的降雨中，能够抵抗P年一遇的排水管道长度记为L，整个排水管网系统管道的总长度记为S，则排水管网系统能够抵抗该强度降雨的管道占比

4.1基于改造前的排水管网系统模型，计算改造前能抵抗P年一遇降雨的管道总长度L₁，则改造前能抵抗P年一遇降雨的管道占比

4.2基于改造前的排水管网系统模型，计算改造后能抵抗P年一遇降雨的管道总长度L₂，则改造后能抵抗P年一遇降雨的管道占比

4.3比较Q₁与Q₂的大小，若Q₂＞Q₁则改造后排水管网系统的排水能力得到提升。