一种管网水力模型生成方法及模型使用方法与流程

1.本技术涉及水利工程软件的领域，尤其是涉及一种管网水力模型生成方法及模型使用方法。


背景技术：

2.排水管道指汇集和排放污水、废水和雨水的管渠及其附属设施所组成的系统。
3.由于排水管网设计、施工、管理等方面的原因，排水管网中可能存在着不同程度的渗漏或淤积等异常现象，严重影响排水管网的运行效率，情况严重时会造成管道内污水溢流，危及城市中的排水安全。


技术实现要素：

4.为了便于掌握排水管网的运行状况。本技术提供了一种管网水力模型生成方法及模型使用方法。
5.第一方面，本技术提供一种管网水力模型生成方法，采用如下的技术方案：
6.一种管网水力模型生成方法，包括：
7.获取预设区域范围内排水管网的静态信息；
8.依据所述排水管网的静态信息生成管网初始模型；
9.对生成的所述管网初始模型进行水力参数的配置；
10.获取预设区域范围内的汇水区的静态信息；
11.依据汇水区的静态信息生成汇水初始模型；
12.对生成的所述汇水初始模型进行水文参数的配置；
13.通过汇水区及管网的空间关系，耦合所述汇水初始模型及管网初始模型得到初始管网水力模型；以及，
14.计算汇水区的节点流量，并根据所述节点流量对所述初始管网水力模型进行概化得到管网水力模型。
15.通过采用上述技术方案，获取预设区域范围内的排水管网的静态信息，此后依据排水管网的静态信息生成管网初始模型，然后对生成的管网初始模型进行水力参数的配置，以及生成汇水初始模型，再对初始管网水力模型进行概化，从而使得模型能够针对汇水区的情况进行模拟，便于掌握排水管网的运行状况。
16.获取预设区域范围内的排水管网的汇水区的静态信息。
17.可选的，计算所述汇水区的节点流量的公式为：
18.连续方程：以及，
19.动量方程：
20.其中，q为流量；a为过水断面面积；t为时间；x为距离；h为水深；g为重力加速度；sf为摩阻坡度。
21.可选的，所述排水管网的静态信息包括管网结构信息、调蓄池信息及水泵信息；所述的依据所述排水管网的静态信息生成管网初始模型包括：
22.依据所述管网结构信息生成管网拓扑结构模型；
23.依据所述调蓄池信息及水泵信息生成调蓄池模型、水泵节点模型；以及，
24.将所述调蓄池模型、水泵节点模型在所述管网拓扑结构模型中进行配置。
25.可选的，在依据所述排水管网的静态信息生成管网初始模型之前，还包括：
26.依据排水管网的静态信息中的相邻两管段的静态信息，判断相邻两管段的同一属性的数据的差值是否小于预设的差值；如果否，则发出提示信息；所述提示信息用于提示工作人员相邻两所述管段之间设置有连接管段或者错接；以及，
27.获取连接管段的静态信息。
28.通过采用上述技术方案，能够使得生成的模型与实际的模型更加贴切。
29.可选的，在所述的得到管网水力模型之后，还包括：
30.通过生成的所述管网水力模型进行模拟得到模拟结果；
31.将得到的所述模拟结果与预先得到的验证结果进行比对得到所述管网水力模型的置信度；
32.判断所述置信度是否大于预设值；如果否，则发出提示信息。
33.通过采用上述技术方案，将生成的模型进行模拟预测，然后将模拟预测得到的结果与预先得到的验证结果进行比较，通过与验证结果进行对比得到模型的置信度；如果置信度低于预设值时，则需要对模型进行改进，此时系统发出提示信息用于提示工作人员。
34.可选的，在判断所述置信度不大于预设值之后，还包括：
35.调整管网水力模型的水文参数及水力参数，重新进行模拟得到二次模拟结果；
36.将得到的所述二次模拟结果与预先得到的验证结果进行比对得到所述调整后的管网水力模型的置信度；
37.判断调整后的管网水力模型的所述置信度是否大于预设值；如果否，则重新调整管网水力模型的水文参数及水力参数。
38.通过采用上述技术方案，当模型的模拟结果与验证结果相比不满足置信度时，则要进行参数率定，调整模型的参数，直至模型的置信度满足要求为止。
39.可选的，所述管网水力模型的计算公式为：
[0040][0041]
其中，v表示平均流速，x表示管段长度；t表示时间，单位为s；h表示静压水头；s0表示底坡；g表示重力加速度；h
l
表示管段长度局部阻力能量损失；sf表示管段长度摩擦阻力能量损失；a表示过水断面面积，q表示过流量；q表示单位长度侧入流量。
[0042]
第二方面，本技术提供一种管网水力模型使用方法，采用如下的技术方案。
[0043]
一种管网水力模型使用方法，包括：
[0044]
利用管网水力模型对排水管段中的水力运行状态进行模拟计算得到不同管段的流速、流量及充满度；
[0045]
基于得到的流速、流量及充满度得到不同管段发生泄漏或淤积的概率；以及，
[0046]
基于得到的所述概率对不同管段划分风险等级。
[0047]
通过采用上述技术方案，通过对排水管道中的水力运行状态进行模拟计算和分析，并且将其与所建模型系统的直观显示相结合，能准确的掌握整个排水管网的运行状况。通过动态仿真模拟计算得到的流速、流量、充满度数据，划分管道发生异常可能的风险级别，从而为制定合理的管网监测或维护方案，对渗漏或淤积的高风险管段的升级改造提供一定的辅助。
[0048]
可选的，在算得到不同管段的流速、流量、及充满度之后，还包括：
[0049]
根据不同管段的流速、流量及充满度绘制不同管段的流速分级图、流量分级图、充满度分级图及风险分级图；以及，
[0050]
将所述流速分级图、流量分级图、充满度分级图及风险分级图发送至显示器中进行显示。
[0051]
通过采用上述技术方案，模拟区域污水管网中各管段流速分级情况，绘制管段流速分级图、流量分级图、充满度分级图及风险分级图，可直观的看出管道中流速的空间分布规律。
附图说明
[0052]
图1是本技术的一种管网水力模型生成方法其中一个实施例的流程图。
[0053]
图2是本技术的一种管网水力模型生成方法另一个实施例的流程图。
[0054]
图3是本技术的一种管网水力模型使用方法其中一个实施例的流程图。
具体实施方式
[0055]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-3及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0056]
本技术实施例公开一种管网水力模型生成方法。
[0057]
参照图1，作为一种管网水力模型生成方法的一种实施方式，一种管网水力模型生成方法包括以下步骤：
[0058]
步骤s101、获取预设区域范围内排水管网的静态信息。
[0059]
具体的，可以通过获取第三方数据或者实地现场采集及勘测采集预设区域范围内的排水管网的静态信息。根据实际应用场景不同，选取的预设的区域范围不同。例如，预设的区域范围可以是某个市，也可以是某个区，也可以是某个街道。排水管网的静态信息包括管网结构信息、调蓄池信息及水泵信息。管网结构信息包括管网节点(检查井)坐标、节点井深、节点底部高程、节点地面高程、管段的管长、管段的管径、管段的坡度、排放口坐标、排放口高程、管段曼宁系数及管网拓扑结构等。用水量信息包括用户的用水数据及用水曲线图；蓄池及水泵信息包括位置及泵站功率、调蓄池容积。将排水管网的静态信息汇总后用于管网水力模型的数据输入，为后续构建管网水力模型提供数据支持。
[0060]
步骤s102、依据排水管网的静态信息生成管网初始模型。
[0061]
步骤s102包括以下步骤：
[0062]
步骤s1021、依据管网结构信息生成管网拓扑结构模型。
[0063]
步骤s1032、依据调蓄池信息及水泵信息生成调蓄池模型、水泵节点模型。
[0064]
步骤s1033、将泵站模型在管网拓扑结构模型中进行配置。
[0065]
具体的，依据节点(检查井)坐标、节点井深、节点底部高程、节点地面高程、管段的管长、管段的管径、管段的坡度、排放口坐标、排放口高程及管网拓扑结构等信息并根据现实中的排水管网的结构将全部的管段进行连接生成管网拓扑结构模型。依据泵站的位置和功率生成泵站模型，依据调蓄池位置和容积生成调蓄池模型，并将泵站、调蓄池模型在管网拓扑结构模型中进行配置得到管网初始模型。
[0066]
步骤s103、对生成的管网初始模型进行水力参数的配置。
[0067]
具体的，水力参数包括但不限于水头和管网流量及管网运行压力。通过对生成的初始模型进行水文参数及水力参数的配置使得初始模型与真实的排水管网更加相近。
[0068]
步骤s104、获取预设区域范围内的汇水区的静态信息。
[0069]
具体的，步骤s104至步骤s106，可以与步骤s101至步骤s103分别采用一个处理器进行处理，此时步骤s104至步骤s106可以与步骤s101至步骤s103同时进行。当只采用一个处理器时，步骤s104至步骤s106可以位于步骤s101至步骤s106之后执行，也为可以位于步骤s101至步骤s106之前执行。汇水区，又称作集水区域、集水盆地、流域盆地，是指地表径流或其它物质汇聚到一共同的出水口的过程中所流经的地表区域，它是一个封闭的区域。通过获取第三方数据、站点监测或实地现场调研收集汇水区的静态信息。汇水区的静态信息包括但不限于汇水区的形状、大小、宽度、坐标、土地利用类型、坡度、土壤条件等。对污水管网而言，同时还要收集该区域内的工业废水(即大型工业企业排放的污水)排放信息、汇水区域内的人口密度、用水量曲线等信息。
[0070]
步骤s105、依据汇水区的静态信息生成汇水初始模型。
[0071]
步骤s106、对生成的汇水初始模型进行水文参数的配置。
[0072]
具体的，水文参数包括但不限于不透水区曼宁系数、透水区曼宁系数、不透水区洼蓄量、透水区洼蓄量、霍顿最大下渗率、霍顿最小下渗率和霍顿衰减系数。
[0073]
步骤s107、通过汇水区及管网的空间关系，耦合汇水初始模型及管网初始模型得到初始管网水力模型。
[0074]
步骤s108、计算汇水区的节点流量，并根据节点流量对初始管网水力模型进行概化得到管网水力模型。
[0075]
具体的，根据管段的尺寸、长度及曼宁系数，计算得到汇水区中管段交汇处的节点流量以及生成表征汇水区中的水流至哪些管段的管网水力模型。
[0076]
计算汇水区的节点流量的方法可以选用恒定流法、运动波法或动力波法。
[0077]
恒定流法假设在每一个计算时段，水流的流动都是恒定且均匀的。该方法不能考虑管渠的蓄变、回水、入口及出口损失、逆流和有压流动，适用于连续的长时间的初步模拟。
[0078]
运动波法时采用连续方程和动量方程对各个管段的水流流动进行模拟计算，它假设管渠坡度与水力线坡度是相同的，管段的最大输送流量根据曼宁公式进行计算。运动波法可以模拟管渠中水流的空间和时间的变化，适用于排水系统上游和树枝状管网部分的模拟计算。
[0079]
动力波是通过求解完整的圣维南方程组进行汇流计算，可以考虑管渠的蓄变、回水、入口及出口损失、逆流及有压流动。圣维南方程组是对管段非恒定流运动进行描述，包
括动量方程和连续性方程，动力波法应用于排水系统管道，故还包括每一个节点的质量守恒方程。动态波法可以模拟环状管渠系统，以及具有多条下游管段节点的分叉系统。
[0080]
动力波法主要的方程包括管段控制方程和节点控制方程。
[0081]
管段控制方程分为连续方程和动量方程；
[0082]
连续方程：式中，q为流量；a为过水断面面积；t为时间；x为距离。
[0083]
动量方程：式中，h为水深；g为重力加速度；sf为摩阻坡度。
[0084]
由曼宁公式求得：式中：k＝g*n2，n为管段的曼宁系数；r为过水断面的水力半径；v为流速，绝对值表示摩擦阻力方向与水流方向相反。
[0085]
假设v表示平均流速，将代入动量方程，可得：
[0086][0087]
将q＝va，代入上述的连续方程，移项得到方程：
[0088][0089]
忽略s0项，将上述两方程联立，依次求解各时段内每个管段的流量和每个节点的水头。有限差分格式如下：
[0090]
在上式中，下标1和2分别表示管段或渠道的上下节点；l为管段长度。
[0091]
由前一方程可求得：
[0092][0093]
联立在δt内水流过的管段的方程可依次求得δt时段内每个管段的流量。
[0094]
管网河渠道的节点控制方程为：
[0095]
式中：h为节点水头；q
t
为进出节点的流量；a
sk
为节点的自由表面积。
[0096]
化为有限差分格式为：
[0097][0098]
联立在δt内水流过的管段的方程可依次求得δt时段内每个管段的水头。
[0099]
在本技术中，由于在排水管网中存在许多与分析无关的管段，在对管网水力模型进行分析时将汇水区的水不流经的管段进行概化去除，有助于将模型概化，便于管网水力
模型对管网淤积或渗漏等事故风险、异常工况模拟计算。
[0100]
管网水力模型的计算公式为：
[0101][0102]
其中，v表示平均流速，x表示管段长度；t表示时间；h表示静压水头；s0表示底坡；g表示重力加速度；h
l
表示管段长度局部阻力能量损失；sf表示管段长度摩擦阻力能量损失；a表示过水断面面积，q表示过流量；q表示单位长度侧入流量。
[0103]
为动量守恒方程。为质量守恒方程。管网水力模型的核心是模拟管网汇流过程，具体指从雨水、污水进入管网系统开始至排出管网的全过程。根据动量守恒与质量守恒方程进行联立，得到一维圣维南方程组。求解该方程组用于获取地表径流及外部入流在管网中的非恒定水流运动情况，从而可以模拟水流在封闭管道、明渠、调蓄池设施、水泵等设施的运动情况。
[0104]
作为一种管网水力模型生成方法的另一种实施方式，在依据排水管网的静态信息生成管网初始模型之前，还包括：
[0105]
依据排水管网的静态信息中的相邻两管段的静态信息，判断相邻两管段的同一属性的数据的差值是否小于预设的差值；如果否，则发出提示信息；提示信息用于提示工作人员相邻两管段之间设置有连接管段或者错接；以及，
[0106]
获取连接管段的静态信息。
[0107]
具体的，管段的静态信息包括管段的管长、管段的管径、管段的坡度、排放口坐标、排放口高程；例如相邻两管段，a管段的半径为50cm，b管段的半径为40cm，在相邻两管段中，尺寸的预设的差值为1cm，由于两管段的尺寸的差值为10cm，则在a管道与b管道之间必然设置有一连接管道，此时系统发出提示信息，提示信息用于提示工作人员相邻两管段之间设置有连接管段或者错接，从而使得模型更加准确。
[0108]
参照图2，作为一种管网水力模型生成方法的另一种实施方式，在的得到管网水力模型之后，还包括：
[0109]
步骤s201、通过生成的管网水力模型进行模拟得到模拟结果。
[0110]
步骤s202、将得到的模拟结果与预先得到的验证结果进行比对得到管网水力模型的置信度。
[0111]
步骤s203、判断置信度是否大于预设值；如果否，则执行步骤s204。
[0112]
步骤s204、发出提示信息。
[0113]
具体的，将生成的管网水力模型进行模拟预测，然后将模拟预测得到的结果与预先得到的验证结果进行比较，预先得到的验证结果可以是应用scada系统以实现对管网的延时模拟得到的，也可以是以往的某几天的数据。通过与验证结果进行对比得到模型的置信度；如果置信度低于预设值时，则需要对模型进行改进，此时系统发出提示信息用于提示工作人员。
[0114]
作为一种管网水力模型生成方法的另一种实施方式，在判断置信度不大于预设值之后，还包括：
[0115]
调整管网水力模型的水文参数及水力参数，重新进行模拟得到二次模拟结果；
[0116]
将得到的二次模拟结果与预先得到的验证结果进行比对得到调整后的管网水力模型的置信度；
[0117]
判断调整后的管网水力模型的置信度是否大于预设值；如果否，则重新调整管网水力模型的水文参数及水力参数。
[0118]
具体的，在调整管网水力模型的水文参数及水力参数前可以进行模型参数灵敏度分析。灵敏度分析需要初步估计模型各个参数的数值，然后依次调整其中一个数值而保持其它值不变，将每次调整后的模型运行结果数据进行对比，查看哪个参数的变化对管网水力模型的影响最大，从而确定出该参数相对于本模型是最灵敏的，需要优先调整该参数。而那些灵敏度较低的参数，应排在较后的位置进行校核。
[0119]
当模型的模拟结果与验证结果相比不满足置信度时，则要进行参数率定，调整模型的参数，直至模型的置信度满足要求为止。如果管网模型参数率定包括以下步骤：使用实际降雨数据进行模拟，选取合适的模拟时间，取检查井监测液位与模拟水深作对比，对水文、水力方面的主要参数进行调整校核，直至管网水力模型满足置信度为止。
[0120]
基于上述一种管网水力模型生成方法，本技术还提供了一种管网水力模型使用方法包括以下步骤：
[0121]
步骤s301、利用管网水力模型对排水管段中的水力运行状态进行模拟计算得到不同管段的流速、流量及充满度。
[0122]
步骤s302、基于得到的流速、流量及充满度得到不同管段发生泄漏或淤积的概率。
[0123]
步骤s303、基于得到的概率对不同管段划分风险等级。
[0124]
具体的，由于排水管网设计、施工、管理等方面的原因，排水管网中可能存在着不同程度的渗漏或淤积等异常现象，严重影响排水管网的运行效率，情况严重时会造成管道内污水溢流，危及城市中的排水安全。通过对排水管道中的水力运行状态进行模拟计算和分析，并且将其与所建模型系统的直观显示相结合，能准确的掌握整个排水管网的运行状况。通过动态仿真模拟计算得到的流速、流量、充满度数据，划分管道发生异常可能的风险级别，从而为制定合理的管网监测或维护方案，对渗漏或淤积的高风险管段的升级改造提供一定的辅助。
[0125]
对管网模型进行异常工况的模拟计算，控制外界因素的影响，根据区域管网模型中管段流速、流量、管段充满度等模拟结果，找出研究区域中具有代表性意义的管道。在水力模型中，流速、流量、压力、管网充满度等指标是诊断、预测排水管网中发生渗漏或淤积等异常情况的重要依据。合理划定主要及次要指标，有助于对异常工况进行更好的评估。当管道发生渗漏或淤积等异常工况后，管道内部的表面粗糙度和断面形状可能发生变化。可通过设置不同断面形式(矩形、圆形、梯形、马蹄形)管道中水力参数及调整管道曼宁系数等方式，一定程度上模拟异常工况(如淤积或渗漏等)，建立不同工况的模拟情景进行模拟。
[0126]
作为一种管网水力模型使用方法的另一种实施方式，在算得到不同管段的流速、流量、及充满度之后，还包括：
[0127]
根据不同管段的流速、流量及充满度绘制不同管段的流速分级图、流量分级图、充满度分级图及风险分级图；以及，
[0128]
将流速分级图、流量分级图、充满度分级图及风险分级图发送至显示器中进行显示。
[0129]
具体的，模拟区域污水管网中各管段流速分级情况，绘制管段流速分级图、流量分级图、充满度分级图及风险分级图，可直观的看出管道中流速的空间分布规律。对于流速较高、压力较大的管段，发生渗漏现象的风险相对较高，根据管段结构和属性，结合模型模拟结果辅助分析，可以对高风险管段渗漏的检查维护提供一定的参考。对主干管与次干管、排水支管不同工况下的流速及过流情况进行模拟，判断管段的压力，对管段进行分级考虑划分风险段。
[0130]
对于流速很慢且充满度较大的管段，发生管段淤积的风险较高，应增加清淤的频率；而对于压力及流量较大、流速较大的管段，发生管段渗漏的风险较高，发生管段渗漏的影响较严重，应增加渗漏检查的频率。对于不同管段，综合考虑所在区域的重要性、管段属性与结构，结合不同工况下的对于排水管网的模拟结果，包括流速、流量等指标进行考虑，划分管段高风险级别区，可相应增加渗漏监测与维护、清淤等管段工作的频率。通过对异常工况的管网模拟，有助于在管道维护时分清主次，解决管网维护过程中不分主次的盲目性问题，从而为确定合理的维护方案和科学的养护体系提供辅助参考。
[0131]
以上均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其它等效或者具有类似目地替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。