一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法及其应用与流程

本发明涉及合流制排水管网溢流造成的非点源污染控制技术领域，具体涉及一种基于降雨数据预测合流制溢流水力学行为的方法及其应用。

背景技术：

市政排水管网设计时，若采用一根排水管同时收集污水和雨水，称为合流制排水系统。晴天时，合流制管网只收集并运送污水至污水处理厂，雨天时，雨水形成的地表径流也汇入排水管网，污水和雨水混合后的流量往往超过了管网的容积，相当部分的雨污混合物不经处理，就会被直接排放到受纳水体。这种不经处理，被直接排放的雨污混合物称为合流制溢流(CSO，combined sewer overflow)。合流制溢流含有未经处理的生活污水和地表径流，因而会对受纳水体造成污染。

对合流制溢流(CSO)的发生及行为进行预测，包括预测溢流响应时间和持续时间，溢流量，溢流频率等有利于后续采取适当的措施对溢流进行控制。然而，由于各个区域的CSO具有区域特异性，即CSO随着排水区域的土地利用方式，地形坡度，汇水面积，管网结构的不同而差异很大；同时，CSO还受到降雨的影响，降雨参数包括降雨量，降雨强度，降雨持续时间都对溢流产生较大的影响，溢流的发生及行为特征很难被提前预测。目前，人们大多通过监测或者模拟获得CSO的行为特征参数。最新的报道称可以根据降雨预测CSO是否发生，但是对于CSO的响应时间，持续时间，溢流量，溢流频率还没有简单快速的预测方法。

监测和模拟CSO的方法具有一些局限性：1、监测溢流口，耗时耗力，很难对排水区域的多个溢流口进行同时监测。2、虽然较之监测，模拟具有快速高效的特点，但是模型的建立需要精确输入整个排水区成千上万的排水管网数据，事实上，很多区域的地下管网台账不全，无法建立模型。3、无论监测和模拟，要得到CSO的行为参数，都需耗费一定的时间，具有滞后性，不利于排水管网的实时控制(RTC，real time control)。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提出一种基于降雨数据对CSO的发生及行为特征进行快速预测的方法，从而为提高CSO的控制效率奠定基础。

本发明的一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法，包括以下步骤：

步骤①：采集N场降雨的降雨数据，并观测降雨时溢流是否发生，所述降雨数据包括降雨量、最大降雨强度和降雨持续时间；

步骤②：获取溢流口的溢流阈值，利用所述步骤①中采集的N场降雨的降雨数据和降雨时溢流的发生情况，以降雨量为横坐标，最大降雨强度为纵坐标，区别标注发生溢流和未发生溢流的降雨事件，标注后，发生溢流的降雨事件和未发生溢流的降雨事件之间有一条水平界限，该界限对应的最大降雨强度就是溢流发生所需的临界最大降雨强度，即为溢流口的溢流阈值；

步骤③：基于所述步骤②中的溢流阈值以及当前降雨数据，预测溢流口的溢流响应时间，持续时间和溢流量；根据降雨记录，以时间为横坐标，降雨强度为纵坐标作图，图中同时标注溢流阈值；从降雨开始至达到溢流阈值的时间即为溢流响应时间T_A，溢流持续时间T_B为所有超过溢流阈值的降雨持续时间的累积，溢流量V为超过溢流阈值部分的降雨量乘以径流系数；

步骤④：基于所述步骤②中的溢流阈值以及当前降雨数据，预测溢流次数；如果将有n场降雨发生，其中有m场降雨的最大降雨强度大于溢流口的溢流阈值，则预测该溢流口将发生m次溢流；

步骤⑤：重复所述步骤①-④，预测其他集水区溢流口的溢流行为。

其中，上述步骤③中，溢流响应时间的计算公式为：

T_A＝t_f-t_r，

其中：t_f为降雨强度第一次超过溢流阈值的时间，t_r为降雨开始的时间；

溢流持续时间的计算公式为：

T_B＝t₁+t₂+t₃+……t_n，

其中：t₁，t₂，t₃……t_n为降雨历时过程中每次降雨强度超过溢流阈值的持续时间；

溢流量的计算公式为：

其中：I_i为超过溢流阈值的降雨强度，I_c为溢流阈值，t_i为降雨强度超过溢流阈值的持续时间，为径流系数。

为了精确计算每次降雨的最大降雨强度，上述步骤①中最大降雨强度的采集方法如下：记录每K分钟的降雨量，其中K为60的约数并且K×i_k＝60，从第1个K分钟到第i_k个K分钟累积的雨量记为一个小时的降雨强度，第2个K分钟到第i_k+1个K分钟的累积雨量也是一个小时的降雨强度；以此类推，计算出多个一小时降雨强度，其中最大值即为最大降雨强度。

优选的，步骤①中最大降雨强度的采集方法如下：记录每10分钟的降雨量，从第1个10分钟到第6个10分钟累积的雨量记为一个小时降雨强度，第2个10分钟到第7个10分钟的累积雨量也是一个小时降雨强度；以此类推，计算出多个一小时降雨强度，其中最大值即为最大降雨强度。

为了提高方法的适用性，上述步骤①中溢流口的溢流发生与否可以通过监测或者模拟获得。

为了方便观测，上述步骤①中的N场降雨，单个降雨事件以不降雨的时间连续超过4小时划分。

为了方便观测，上述步骤①中的N场降雨，单个降雨事件也可以指24小时内的降雨。

本发明还提供了一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法在市政排水管网改造优化中的应用，原理为获取两个溢流口的溢流阈值，分别为I_c1，I_c2，如果I_c1<I_c2，则在控制溢流时，首先对溢流阈值为I_c1的溢流口的溢流区域进行管网改造优化。

本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、本发明通过比对历史降雨和溢流发生与否，找到使得溢流发生所需的临界降雨强度，即溢流阈值。不同的排水区域具有不同的溢流阈值，这就解释了为什么同一降雨条件下，有的区域发生溢流，有的区域不发生溢流，阐明了溢流机理。

2、本发明无需针对多场降雨进行监测或模拟，根据溢流阈值及降雨数据，可以同时预测溢流的响应时间，持续时间及溢流量，提高了合流制溢流预测评估的效率；与以往的“事后预测”不同，本发明的方法是一种实时预测，可以为采取溢流实时控制措施提供时间保证。

3、本发明的方法不仅适用于具有单一汇水区域、简单排水管网结构的溢流口，也适用于具有多个汇水区域汇入的、复杂管网结构的溢流口；本方法不针对特定区域，具有广泛的区域适用性。

4、本发明的方法不仅适用于设计重现期的降雨，还适用于任何类型的实际降雨；本方法不针对特定类型的降雨，对溢流的预测不受降雨类型的限制。

5、本发明的方法简单易行，预测结果准确可靠，对于缺乏排水管网台账，无法模拟溢流情况的排水区，提供了一种简单有效的溢流评估方法。

附图说明

图1为降雨量、最大降雨强度和溢流发生与否的关系图；

图2为基于降雨数据预测溢流行为的示意图；

图3为某排水区1号溢流口预测和模拟的溢流响应时间的相关性示意图；

图4为某排水区2号溢流口预测和模拟的溢流响应时间的相关性示意图；

图5为某排水区1号溢流口预测和模拟的溢流持续时间的相关性示意图；

图6为某排水区2号溢流口预测和模拟的溢流持续时间的相关性示意图；

图7为某排水区1号溢流口预测和模拟的溢流量的相关性示意图；

图8为某排水区2号溢流口预测和模拟的溢流量的相关性示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法及其应用做进一步的详细说明。

本发明的一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法，包括以下步骤：

步骤①：采集N场降雨的降雨数据和降雨时溢流口的溢流参数，其中降雨数据包括降雨量、最大降雨强度和降雨持续时间，溢流参数包括是否发生溢流以及发生溢流时的溢流响应时间、持续时间和溢流量，其中溢流响应时间是指降雨开始到溢流发生所需要的时间；最大降雨强度的采集方法如下：记录每10分钟的降雨量，从第1个10分钟到第6个10分钟累积的雨量记为一个小时降雨强度，第2个10分钟到第7个10分钟的累积雨量也是一个小时降雨强度；以此类推计算出多个一小时降雨强度，选择其中的最大值即为最大降雨强度。

步骤②：利用步骤①中采集的N场降雨的降雨数据和降雨时溢流口的溢流参数，如图1所示，以降雨量为横坐标，最大降雨强度为纵坐标，标注每场降雨，标注后，发生溢流的降雨和未发生溢流的降雨之间有一条水平界限，该界限对应的最大降雨强度就是溢流发生所需的临界最大降雨强度，即为溢流口的溢流阈值；

步骤③：基于步骤②中的溢流阈值以及当前的降雨数据，预测溢流口的溢流响应时间，持续时间和溢流量；如图2所示，根据气象部门给出的降雨记录，以时间为横坐标，降雨强度为纵坐标作图，图中同时标注溢流阈值；从降雨开始至达到溢流阈值的时间即为溢流响应时间T_A，溢流持续时间T_B为所有超过溢流阈值的降雨持续时间的累积，溢流量V为超过溢流阈值部分的降雨量乘以径流系数，其中，溢流响应时间的计算公式为：

T_A＝t_f-t_r，

其中：t_f为降雨强度第一次超过溢流阈值的时间，t_r为降雨开始的时间；

溢流持续时间的计算公式为：

T_B＝t₁+t₂+t₃+……t_n，

其中：t₁，t₂，t₃……t_n为降雨历时过程中每次降雨强度超过溢流阈值的持续时间；

溢流量的计算公式为：

其中：I_i为超过溢流阈值的降雨强度，I_c为溢流阈值，t_i为降雨强度超过溢流阈值的持续时间，为径流系数；

步骤④：基于步骤②中的溢流阈值以及当前的降雨数据，预测溢流次数；如果将有n场降雨发生，其中有m场降雨的最大降雨强度大于溢流阈值，则预测该溢流口将发生m次溢流；

步骤⑤：重复上述步骤①至④预测其他集水区溢流口的溢流行为。

其中，步骤①中溢流口的溢流发生与否可以通过监测或者模拟获得。

上述步骤②中，N个降雨事件通常基于以下定义：单个降雨事件按间隔4小时没有降雨进行划分；也可根据研究需求自行定义单个降雨事件，如间隔6小时没有降雨，或者24小时内的降雨。

本发明一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法在市政排水管网改造优化中的应用，原理为获取两个溢流口的溢流阈值，分别为i_l1,i_l2，如果i_l1<i_l2,，则在控制溢流时，首先对溢流阈值为i_l1的溢流口的溢流区域进行管网改造优化。

本发明一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法不仅适用于具有单一汇水区域、简单排水管网结构的溢流口，也适用于具有多个汇水区域汇入的、复杂管网结构的溢流口；不针对特定区域，具有广泛的区域适用性。

本发明一种基于降雨预测合流制溢流水力学行为的方法，不仅适用于设计重现期的降雨，还适用于任何类型的实际降雨；不针对特定类型的降雨，对溢流的预测不受降雨类型的限制。

以下将预测的溢流响应时间，持续时间和溢流量与模拟结果进行比较：

如图3至图8所示，图中分别展示了对某排水区1号溢流口和2号溢流口预测所得的响应时间，持续时间及溢流量与模拟结果的相关性。1，2号溢流口的溢流阈值均为3毫米/小时，在117场降雨中，分别发生了51和50次溢流。由于模型是经过校正的，因此可以视模拟值为实际的溢流参数值。在图3至图8中，分别以预测值(横坐标)和模拟值(纵坐标)做散点图，并在图中标注了散点的趋势线(图中为实线)及95％的置信区间(图中为虚线)，可以看出预测值和模拟值具有较高的相关性，图中以相关性系数R²的值表示。

由此可知，本发明的方法简单易行，预测结果准确度高，减轻了模拟和监测合流制溢流的工作量。尤其对于因缺乏地下管网台账而无法模拟的排水区域，可以进行快速而有效的溢流行为评价。此外，本发明也解释了溢流产生的机理，即与最大降雨强度有关，而受到其他降雨参数的影响不大。每个溢流口都有特定的溢流阈值，表明区域的差异性包括地形，面积，土地利用，管网结构等影响产生溢流的阈值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。