一种基于初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效的潜力评价方法

1.本发明涉及城市环境规划、洪涝灾害防治和给水排水技术领域，尤其是涉及一种基于初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效的潜力评价方法。


背景技术：

2.随着点源污染控制的不断完善和城市化进程的快速发展，城市面源污染所占比例日益提高，已成为城市水环境的主要污染源之一。降雨是城市面源污染形成的动力因素，而降雨形成的径流是面源污染物迁移的载体，因而狭义上的城市面源污染即指城市雨水径流污染。城市雨水径流中的污染物主要来自于雨水对城市下垫面的冲刷和排水管网运输过程中的沉积物质，污染物质随雨水径流进入受纳水体，导致水环境质量严重恶化。随着降雨径流污染物占进入城市水环境污染物的比例逐渐增加，对排水系统出流的截污工程也愈发紧迫。在推进截污工程的同时，对其截流效率进行科学合理地评估是必不可少的一项工作。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的上述问题，本技术提供了一种基于初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效的潜力评价方法，提出截污时效这一概念，并构建以截取时效为评价目标的评价指标体系，以期对雨水管网面源污染截取时效进行全面评价。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种基于初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效的潜力评价方法，包括以下步骤：
6.s1、采集城市雨水管网的与管道水力传输效能、管网混接强度、管道淤积强度、集水区下垫面特征、泵站及运行水平、截流调蓄能力这6个方面有关的原始数据；
7.s2、以截取时效作为评价目标，建立潜力指标体系；所述潜力指标体系包括6项一级指标：
8.(1)管道水力传输效能；
9.(2)管网混接强度；
10.(3)管道淤积强度；
11.(4)集水区下垫面特征；
12.(5)泵站及运行水平；
13.(6)截流调蓄能力；
14.每项一级指标分别包括若干项二级指标；所述二级指标即为步骤s1中的原始数据；
15.s3、将层次分析法与物元可拓法结合，建立物元可拓-层次分析综合评价模型，并用来评价潜力指标体系；所述物元可拓-层次分析综合评价模型的建立包括以下步骤：
16.s31、采用层次分析法建立包括目标层、准则层和指标层在内的目标树；所述目标
层为截取时效，所述准则层为潜力指标体系的一级指标，所述指标层为潜力指标体系的二级指标；
17.s32、计算二级指标在潜力指标体系中的权重；所有二级指标的权重之和为1；
18.s33、选择二级指标作为物元可拓评价因子，根据二级指标的极值范围或行业标准规定，从高到低划分为5个评价等级：v、iv、iii、ii、i，所有二级指标在5个评价等级对应的数值范围即为潜力评价指标分级表；
19.s34、对5个评价等级执行区间标准化的操作，使得每个评价等级的数值区间隶属于[0,1]的区间，结果如下：
[0020]
v级的数值区间为[0.8,1]；
[0021]
iv级的数值区间为[0.6,0.8]；
[0022]
iii级的数值区间为[0.4,0.6]；
[0023]
ii级的数值区间为[0.2,0.4]；
[0024]
i级的数值区间为[0,0.2]；
[0025]
s35、根据步骤s1的原始数据，得到每个二级指标的评价等级；根据每个二级指标的原始数据和评价等级，得到该二级指标在对应的数值区间内的标准化取值；所述标准化取值隶属于[0,1]的区间；
[0026]
s36、根据每个二级指标的标准化取值，计算该二级指标与5个评价等级的数值区间的关联度值；每个二级指标都有5个关联度值；
[0027]
s37、将每个二级指标的5个关联度值乘以其权重，每个二级指标得到5个综合关联度值，n个二级指标的综合关联度值组合成n行5列的综合关联度矩阵；将每个一级指标对应的二级指标综合关联度求和，得到该一级指标的5个综合关联度值；对矩阵每一列求和，得到评价目标的综合关联度值；
[0028]
s38、将每个评价等级的综合关联度归一化处理，将综合关联度转换为百分制的潜力指数，得到评价目标和一级指标的潜力等级，并将潜力等级用于初期雨水调蓄工程建设规划建设前期的开发潜力预判。
[0029]
进一步的，所述截取时效是指：在某一强度的降雨条件下，一定时间段内，雨水管网截取的污染物量达到污染物总量的目标比例，或是出流污染物浓度开始明显下降，出现拐点现象。
[0030]
进一步的，步骤s1的原始数据如下：
[0031]
(1)管网最大流行时间；所述管网最大流行时间是指在某一降雨条件下，径流从最远片区到管网末端的传输时间；
[0032]
(2)雨水干管平均流速；所述雨水干管平均流速是指在某一降雨条件下，管网末端从开始出流到累积出流量达10mm这一时间段内，雨水干管运行的平均流速；
[0033]
(3)单位长度管网隐患点数量；所述单位长度管网隐患点数量是指管道断头点、逆坡点及管径衔接不当点的总数与管网长度的比值；
[0034]
(4)集水区雨污混接密度；所述集水区雨污混接密度是指范围内混接点的数量在总的接点数量的比重；
[0035]
(5)雨污混接类型；所述雨污混接类型是指指在管网汇水区域内，包含的混接污水类型；
[0036]
(6)旱流污水截流率；所述旱流污水截流率是指雨水管道末端的旱流污水截流设施规模与混接污水量的比值；
[0037]
(7)管道现状淤积率；所述管道现状淤积率是指调研时沉积量超过20％的管段占比；
[0038]
(8)雨水管网养护频率；所述雨水管网养护频率是指养护单位对排水管网和雨水泵站的清淤频次；
[0039]
(9)低于不淤流速的管段比；所述低于不淤流速的管段比是指某一降雨条件下，降雨时平均流速低于不淤流速的管段数与总管段的比值；
[0040]
(10)下垫面产流强度：所述下垫面产流强度是指径流深度降水深度的比值，即径流系数；
[0041]
(11)区域污染物沉降指数；所述区域污染物沉降指数是指日均沉降在区域下垫面的颗粒态污染物量；
[0042]
(12)雨水泵站运行特征；所述雨水泵站运行特征是定性指标，包括泵站维护频率、雨水泵站运行与截流调蓄方案的匹配状况、以及泵站位置特点；
[0043]
(13)管道平均服务年限；所述管道平均服务年限是指雨水管网中管道已服务年数的算术平均值；
[0044]
(14)排水系统智慧化水平；所述排水系统智慧化水平是定性指标，定性指标，用于描述排水系统数据平台的建设及调度方式；
[0045]
(15)单位服务面积调蓄容积；所述单位服务面积调蓄容积是指场次降雨条件下，截流总管所截流的径流总量与场次降雨径流总量的比值；
[0046]
(16)场次降雨径流截流率；所述场次降雨径流截流率是指调蓄池容积与截流总管对应排水系统服务区域面积之比；
[0047]
(17)场次降雨污染物截流率；所述场次降雨污染物截流率是指场次降雨条件下，系统截流调蓄的污染物量占截流污染物和放江污染物之和的比例。
[0048]
进一步的，所述管道水力传输效能包括3项二级指标：
[0049]
(1)管网最大流行时间；
[0050]
(2)雨水干管平均流速；
[0051]
(3)单位长度管网隐患点数量；
[0052]
所述管网混接强度包括3项二级指标：
[0053]
(1)集水区雨污混接密度；
[0054]
(2)雨污混接类型；
[0055]
(3)旱流污水截流率；
[0056]
所述管道淤积强度包括3项二级指标：
[0057]
(1)管道现状淤积率；
[0058]
(2)雨水管网养护频率；
[0059]
(3)低于不淤流速的管段比；
[0060]
所述集水区下垫面特征包括2项二级指标：
[0061]
(1)下垫面产流强度：
[0062]
(2)区域污染物沉降指数；
[0063]
所述泵站及运行水平包括3项二级指标：
[0064]
(1)雨水泵站运行特征；
[0065]
(2)管道平均服务年限；
[0066]
(3)排水系统智慧化水平；
[0067]
所述截流调蓄能力包括3项二级指标：
[0068]
(1)单位服务面积调蓄容积；
[0069]
(2)场次降雨径流截流率；
[0070]
(3)场次降雨污染物截流率。
[0071]
进一步的，步骤s32的具体步骤如下：
[0072]
s41、对准则层所有的一级指标进行两两对比，排定各个指标的相对优劣顺序，构造出三标度比较矩阵c；所述三标度比较矩阵c代表的含义是：第i个一级指标与第j个一级指标相比，如果前者比后者重要，则c
ij
＝2；如果两者同样重要，c
ij
＝1；如果前者不如后者重要，则c
ij
＝0；
[0073]
s42、根据三标度比较矩阵c计算得出间接判断矩阵a；
[0074]
s43、根据间接判断矩阵a求出权重向量w；所述权重向量w的第i个元素wi表示第i个一级指标的权重；所有一级指标的权重之和为1；
[0075]
s44、根据步骤s31的目标树，准则层的一级指标包含了多个指标层的二级指标，将每个一级指标和其包含的二级指标划分为一组，然后对该组内的二级指标执行步骤s41～s43，得到该组内的二级指标的权重；
[0076]
s45、将二级指标的权重与该组内的一级指标的权重相乘，得到该二级指标在潜力指标体系的权重。
[0077]
进一步的，步骤s42中，利用比较判断矩阵c求出间接判断矩阵a的方法如下：
[0078][0079]
式中：a
ij
——间接判断矩阵a的元素；
[0080]ri
——三标度比较矩阵c的第i行要素之和；
[0081]rj
——三标度比较矩阵c的第j行要素之和；
[0082]rmax
——三标度比较矩阵c的行要素之和的最大值；
[0083]rmin
——三标度比较矩阵c的行要素之和的最小值；
[0084]bm
——其相对重要性程度，取bm＝r
max
/r
min
。
[0085]
进一步的，步骤s43中，求解间接判断矩阵a的权重向量w的步骤如下：
[0086]
s61、计算判断矩阵a每行元素乘积的n次方根：
[0087]
[0088]
式中：a
ij
——间接判断矩阵a的元素；
[0089]
——间接判断矩阵a的第i行元素乘积的n次方根；
[0090]
s62、计算权重向量：
[0091][0092]
式中：——表示间接判断矩阵a的第i行元素乘积的n次方根；
[0093]
wi其中表示权重向量w的第i个指标的权重值。
[0094]
s63、检验权重的一致性后，根据一级指标权重，确定每项二级指标的权重向量w。
[0095]
进一步的，步骤s36中，数值为x的指标到区间x的关联度k(x)的计算方法如下：
[0096][0097]
其中ρ(x,x
ab
)代表数值为x的指标到区间x
ab
的距离；ρ(x,x
ab
)的计算方法如下：
[0098][0099]
其中a和b是区间x的最小值和最大值。
[0100]
进一步的，步骤s38中，截取时效的潜力指数与潜力等级的对应关系如下：
[0101]
潜力指数为80～90时，潜力等级为v级，优；
[0102]
潜力指数为70～80时，潜力等级为iv级，良好；
[0103]
潜力指数为60～70时，潜力等级为iii级，一般；
[0104]
潜力指数为45～60时，潜力等级为ii级，较差；
[0105]
指数为15～45时，潜力等级为i级，差。
[0106]
本发明有益的技术效果在于：
[0107]
通过层次分析法建立初雨收集调蓄对城市雨水管网面源污染截取时效的潜力指数评价体系，并以物元可拓-层次分析综合评价模型对初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效进行评价。其评价体系适用于初期雨水调蓄工程建设规划建设前期的开发潜力预判，为科学决策提供依据，具有很强的实用性。其评价方法在适用于本评价体系的同时，也可以广泛应用于类似的其他领域的评价体系。
附图说明
[0108]
图1是为初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效潜力指数评价目标树；
[0109]
图2是基于初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效潜力指数评价流程图；
[0110]
图3是实施例的重现期为1年时的二级指标关联度计算；
[0111]
图4是实施例的重现期为3年时的二级指标关联度计算；
[0112]
图5是实施例的排水系统截取时效潜力指数。
具体实施方式
[0113]
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0114]
实施例的具体情况如表1所示：
[0115]
表1上海某城市污水处理厂周边雨水排水系统情况一览表
[0116][0117]
采用本发明对实施例的雨水管网面源污染截取时效进行全面评价，所述截取时效是指：在某一强度的降雨条件下，一定时间段内，雨水管网截取的污染物量达到污染物总量的目标比例，或是出流污染物浓度开始明显下降，出现拐点现象。具体步骤如下：
[0118]
s1、采集实施例的与管道水力传输效能、管网混接强度、管道淤积强度、集水区下垫面特征、泵站及运行水平、截流调蓄能力这6个方面有关的原始数据原始数据，原始数据的名称如表2的“二级指标”所示。
[0119]
s2、以截取时效作为评价目标，建立潜力指标体系，结果如表2所示。
[0120]
表2潜力指标体系
[0121]
[0122][0123]
s3、将层次分析法与物元可拓法结合，建立物元可拓-层次分析综合评价模型，并用来评价表2的潜力指标体系。如图2所示，物元可拓-层次分析综合评价模型的建立包括以下步骤：
[0124]
s31、采用层次分析法建立初雨收集调蓄的城市雨水管网面源污染截取时效潜力指数评价的目标树，如图1所示。所述目标树包括目标层、准则层和指标层；所述目标层为截取时效，所述准则层为潜力指标体系的一级指标，所述指标层为潜力指标体系的二级指标。
[0125]
s32、计算二级指标的权重，方法如下：
[0126]
对准则层所有的一级指标进行两两对比，排定各个指标的相对优劣顺序，构造出三标度比较矩阵c；所述三标度比较矩阵c代表的含义是：第i个一级指标与第j个一级指标相比，如果前者比后者重要，则c
ij
＝2；如果两者同样重要，c
ij
＝1；如果前者不如后者重要，
则c
ij
＝0；
[0127]
s33、根据三标度比较矩阵c求出间接判断矩阵a，方法如下：
[0128][0129]
式中：a
ij
——间接判断矩阵a的元素；
[0130]ri
——三标度比较矩阵c的第i行要素之和；
[0131]rj
——三标度比较矩阵c的第j行要素之和；
[0132]rmax
——三标度比较矩阵c的行要素之和的最大值；
[0133]rmin
——三标度比较矩阵c的行要素之和的最小值；
[0134]bm
——其相对重要性程度，取bm＝r
max
/r
min
。
[0135]
s34、根据间接判断矩阵a求出权重向量w；所述权重向量w的第i个元素wi表示第i个一级指标的权重；所有一级指标的权重之和为1；求解间接判断矩阵a的权重向量w的步骤如下：
[0136]
s34-1、计算判断矩阵a每行元素乘积的n次方根：
[0137][0138]
式中：a
ij
——间接判断矩阵a的元素；
[0139]
——间接判断矩阵a的第i行元素乘积的n次方根；
[0140]
s34-2、计算权重向量w：
[0141][0142]
式中：——表示间接判断矩阵a的第i行元素乘积的n次方根；
[0143]
wi其中表示权重向量w的第i个指标的权重值。
[0144]
s35、根据步骤s31的目标树，准则层的一级指标包含了多个指标层的二级指标，将每个一级指标和其包含的二级指标划分为一组，然后对该组内的二级指标执行步骤s32～s34，得到该组内的二级指标的权重；
[0145]
s36、将二级指标的权重与该组内的一级指标的权重相乘，得到该二级指标在潜力指标体系的权重。
[0146]
二级指标的权重计算结果如表3所示。根据表3很容易验证：所有二级指标的权重之和为1。
[0147]
表3潜力评价指标的权重
[0148][0149][0150]
s37、选择二级指标作为物元可拓评价因子，根据二级指标的极值范围或行业标准规定，从高到低划分为5个评价等级：v、iv、iii、ii、i，所有二级指标在5个评价等级对应的数值范围即为潜力评价指标分级表；结果如表4所示：
[0151]
表4潜力评价指标分级表
[0152][0153][0154]
s38、对5个评价等级执行区间标准化的操作，使得每个评价等级的数值区间隶属于[0,1]的区间，结果如下：
[0155]
v级的数值区间为[0.8,1]；
[0156]
iv级的数值区间为[0.6,0.8]；
[0157]
iii级的数值区间为[0.4,0.6]；
[0158]
ii级的数值区间为[0.2,0.4]；
[0159]
i级的数值区间为[0,0.2]；
[0160]
s39、根据步骤s1的原始数据，得到每个二级指标的评价等级；根据每个二级指标的原始数据和评价等级，得到该二级指标在对应的数值区间内的标准化取值；所述标准化取值隶属于[0,1]的区间；
[0161]
s310、根据每个二级指标的标准化取值，计算该二级指标与5个评价等级的数值区间的关联度值；每个二级指标都有5个关联度值；数值为x的指标到区间x的关联度k(x)的计算方法如下：
[0162][0163]
其中ρ(x,x
ab
)代表数值为x的指标到区间x
ab
的距离；ρ(x,x
ab
)的计算方法如下：
[0164][0165]
其中a和b是区间x的最小值和最大值。
[0166]
图3是重现期为1年时，实施例的二级指标关联度值的计算结果；图4是重现期为3年时，实施例的二级指标关联度值的计算结果。
[0167]
s311、将每个二级指标的5个关联度值乘以其权重，每个二级指标得到5个综合关联度值，n个二级指标的综合关联度值组合成n行5列的综合关联度矩阵；将每个一级指标对应的二级指标综合关联度求和，得到该一级指标的5个综合关联度值；对矩阵每一列求和，得到评价目标的综合关联度值；
[0168]
s312、将每个评价等级的综合关联度归一化处理，将综合关联度转换为百分制的潜力指数，得到评价目标和一级指标的潜力等级，并将潜力等级用于初期雨水调蓄工程建设规划建设前期的开发潜力预判。截取时效的指数与潜力等级的对应关系如表4所示。
[0169]
表4截取时效的潜力指数与潜力等级的对应关系表
[0170]
潜力指数潜力等级解释80～90
ⅴ
级优70～80ⅳ级良好60～70ⅲ级一般45～60ⅱ级较差15～45ⅰ级差
[0171]
在重现期为1年和3年的降雨条件下，实施例的评价指数如图5所示。
[0172]
重现期分别为1年和3年的条件下，实施例的雨水管网面源污染截取时效潜力指数分别为60分和59分，介于ⅲ级和ⅱ级水平之间，通过截流工程可以在一定程度上削减雨水管网面源污染物。在一级指标层面，五项指标潜力指数均处于52～67分范围，管网水力传输
效能、管网混接强度、管网淤积强度、下垫面特征、泵站及运行水平、截流调蓄能力均有进一步优化的潜力。
[0173]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。