一种雨水调度方法

1.本发明涉及雨水处理技术领域，特别是涉及一种雨水调度方法。


背景技术：

2.数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
3.雨水径流受到时空不均，下垫面复杂多变等因素的影响，使得不同区域的雨水持续时间、总雨量、雨强等存在较大差异。相关研究表明，虽然地区不同、气候不同、尺度不同，但均反映了降雨时空特征对雨水径流过程的影响；例如，仅仅是雨峰出现时间的不同，可引起淹没范围增加3-4倍。因此，当遇到极端天气时，雨水极易超过当前的城市雨水排放设计容量，从而出现污染风险。
4.基于此，需要设计一种雨水调度方法，解决强降雨过程中城市雨水超负荷运转带来的污染风险。
5.本背景部分中公开的以上信息仅被包括用于增强本公开内容的背景的理解，且因此可包含不形成对于本领域普通技术人员而言在当前已经知晓的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明提供一种雨水调度方法，解决强降雨过程中城市雨水超负荷运转带来的污染风险。
7.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
8.一种雨水调度方法，包括以下步骤：
9.s1：搭建雨水净化系统，分配降雨类型；
10.s2：基于降雨类型搭建pcswmm雨洪模型，pcswmm雨洪模型通过实时接收水泵抽水流量和雨水净化系统中的排水流量，实时模拟显示雨水净化系统的水容量，通过调度规则发布水泵运行指令，进而防止雨水净化系统溢流，有效管控污染风险扩散；
11.s3：水泵集群调度；当一场极端降雨来临时，分配的降雨类型自动嵌入pcswmm雨洪模型中，pcswmm雨洪模型运算雨水径流流量，开启水泵并确定水泵状态和雨水净化系统状态，基于水泵状态及雨水净化系统状态对水泵的排水流量进行调控调度。
12.进一步的，步骤s1中雨水净化系统包括依次连接的水泵和雨水净化装置，所述水泵设有用于监测水泵抽水流量的第一流量检测仪，雨水净化装置设有第二流量监测仪，用于实时监控雨水净化装置中的排水流量；信息中心通过收集气象站信息判别未来雨水情况，提前做出雨水引流准备，雨水净化系统以及水泵引流的流量监测数据在信息中心呈现，利用pcswmm雨洪模型分析不同雨水净化系统剩余容量，pcswmm雨洪模型通过调度规则发布水泵运行指令，利用水泵对不同雨水净化系统分配雨水径流量，从而完成雨水的高效调度处理。
13.进一步的，步骤s1具体为：
14.s11：信息中心通过气象站提取降雨事件参数，获得气象站发布的降雨事件参数相关信息后给不同雨水净化系统的水泵下达指令做好水量分配准备；降雨过程中，信息中心实时收集雨水径流流量、水泵抽水流量、雨水净化装置中的排水流量，经过信息中心的pcswmm雨洪模型分析，给予不同地点的水泵下达流量分配任务，雨水最后达到雨水净化装置；降雨事件参数包括降雨深度、降雨历时、降雨事件间隔以及降雨过程线；
15.s12：无量纲化降雨曲线，以消除降雨深度和降雨历时对该曲线的影响；
[0016][0017][0018]
式中，ar为无量纲累积降雨深度，r为降雨事件场次，d
t
为降雨观测时间t的累积降雨深度，dd为总降雨深度；t为降雨观测时间，τ为降雨观测时间t的无量纲时间，d为一场降雨事件的降雨历时，单位为天；对于每场降雨事件，降雨历时被均分为k个时间间隔，δt＝d/k，δt为一定时间段的降雨历时，则ar(i＝1,2...k)为无量纲累积时间r/k下的无量纲累积降雨深度；
[0019]
s13：确定降雨类型；利用k-means聚类方法对无量纲降雨曲线进行聚类分析，将降雨时程分配为特定降雨类型，得到聚类结果，通过聚类结果确定降雨类型；其中，降雨类型分为四类：均匀型u、峰值延后型d、峰值中心型c和峰值靠前型a；均匀型u是指降雨强度在整场降雨事件过程中是均匀的；峰值延后型d是指大降雨强度出现在降雨事件过程的后期；峰值中心型c，强降雨出现在降雨事件的中间部分，且降雨强度从中心向两边逐渐减弱；峰值靠前型a是指强降雨出现在降雨事件的前期。
[0020]
进一步的，步骤s2具体为：
[0021]
s21：搭建地表的产流模块和汇流模块；产流模块基于地表的排水方向、土地利用和检查井的分布情况，概化降雨的模拟范围，将产流模块划分为多个汇水区，汇水区依据水文特征上的差异性分为有洼蓄且不透水汇水区、无洼蓄且不透水汇水区、透水汇水区三类；
[0022]
s22：计算地表汇流：pcswmm雨洪模型中的水文特征的模拟计算采用非线性水库模型，非线性水库模型为将每一个子汇水区概化为一个水深较浅的非线性水库，降雨作为水库的输入，下渗和地表径流作为水库的输出；分别对汇水区的有洼蓄且不透水汇水区、无洼蓄且不透水汇水区、透水汇水区三类分区用连续方程和曼宁方程联立求解来计算汇流模块的地表汇流；
[0023]
s23：建立子汇水区；以城市街道地图或卫星影像为背景，以雨水就近排放的原则进行人工划分；当降雨的模拟范围区域面积较大，人工操作工作繁琐，且缺乏有效的资料和经验时，选择泰森多边形自动划分工具，基于检查井为中心进行泰森多边形划分，结合街道地形地图、城市排水相关资料，进行人工调整，将汇水区划分为多个子汇水区，合并排向相同的河道和面积较小的子汇水区。
[0024]
可以理解的是，相关资料为城市排水规划图等；通过参数的设置体现各部分水文特征；汇流指地表的产流经过地势高低或一定的路径汇集到雨水井等出口再排入雨水管网和城市河流的过程。排向相同也可以指排入相同。
[0025]
进一步的，步骤s21中产流模块设计步骤如下：
[0026]
第一步，计算有洼蓄且不透水汇水区的产流量，降雨损失为洼地填充，故有洼蓄且不透水汇水区的产流量为：
[0027]
r2＝p-d
[0028]
式中，r2是有洼蓄且不透水汇水区的产流量；p为降雨量；d是地表洼蓄量；
[0029]
第二步，计算无洼蓄且不透水汇水区的产流量，降雨损失主要为雨期蒸发量，故无洼蓄且不透水汇水区的产流量为：
[0030]
r1＝p-e
[0031]
式中，r1是无洼蓄且不透水汇水区的产流量；p是降雨量；e为雨期蒸发量；
[0032]
第三步，计算透水汇水区的产流量，降雨损失主要包括下渗量和洼蓄量，蒸发量忽略不计，故透水汇水区的产流量为：
[0033]
r3＝(i-f)*δt
[0034]
式中，r3为透水汇水区的产流量；i为降雨强度(mm/s)；f为下渗强度(mm/s)。
[0035]
进一步的，步骤s22中计算地表汇流具体为：
[0036]
第一步，设置连续方程
[0037][0038]
式中：v为子排水区总水量(单位：m3)；t为时间(单位：s)；a为排水区表面积(单位：m2)；i为净雨强度(单位：m/s)；q为汇水区地表的出流量(单位：m3/s)；
[0039]
第二步，由曼宁公式计算子汇水区地表的出流量q：
[0040][0041]
式中，w是子汇水区的漫流宽度(单位：m)，n是曼宁系数；d、d
p
为分别为地表水深(单位：m)和洼蓄深度(单位：m)；s是汇水区的坡度；
[0042]
第三步，联立连续方程和曼宁公式，合并为非线性微分方程求地表水深d，再用有限差分法进行运算，求解得到离散方程：
[0043][0044]
式中，d1、d2分别是降雨开始时和结束时的地表水深；δt是pcswmm雨洪模型设定的时间步长；代表平均降雨强度，单位mm/h；是平均入渗率，单位mm/h。
[0045]
进一步的，步骤s3中分配的降雨类型自动嵌入pcswmm雨洪模型，具体为：pcswmm雨洪模型中包含雨量计模块，雨量计模块可以自定义降雨类型，在雨量计模块中写入降雨类型计算公式脚本，将收集到的降雨量数据导入写好脚本的雨量计模块后，pcswmm雨洪模型会自动判别降雨类型，进而在pcswmm雨洪模型中模拟该类型降雨。
[0046]
进一步的，步骤s3中基于水泵状态及雨水净化系统状态对水泵的排水流量进行调控调度，具体为：
[0047]
s31：划分水泵状态；
[0048]
将水泵状态分为可调度状态p1、不可调度状态p2、部分可调度状态p3；当水泵下游对应的雨水净化装置容量达到雨水净化系统的警戒容量时，水泵状态为可调度状态p1；
[0049]
当水泵下游对应的雨水净化装置容量未达到雨水净化系统的警戒容量时，水泵状态为不可调度状态p2；
[0050]
当水泵下游对应的雨水净化装置容量未达到雨水净化系统的警戒容量，在其他水泵处于满负荷状态时，水泵状态为部分可调度状态p3；
[0051]
s32：确定水泵调度规则；水泵调度规则基于雨水净化系统容量和水泵负荷，重要性越高的水泵，其优先级越高；
[0052]
若雨水净化系统中雨水容量超过雨水净化系统的警戒容量，则雨水净化系统含水量越高，雨水净化系统的水泵重要性越高；其中，
[0053]
当v≥v
′
时，vi》vj→ii
》ij；
[0054]
式中，v为雨水净化系统的雨水总容量，v
′
为雨水净化系统的警戒容量，i为水泵重要性等级，i，j表示水泵；
[0055]
若雨水净化系统中雨水容量不超过雨水净化系统的警戒容量，则水泵负荷越低，该水泵重要性越高，即优先启动；
[0056]
当v＜v
′
时，li》lj→
ij》ii；
[0057]
式中，l为水泵负荷；
[0058]
s33：pcswmm雨洪模型实时接收水泵抽水流量和雨水净化系统中的排水流量，实时模拟显示雨水净化系统的雨水容量，通过调度规则发布水泵运行指令。
[0059]
上述方案中，雨水净化系统的警戒容量可根据实际应用情况进行设定。
[0060]
进一步的，所述雨水净化系统的警戒容量v
′
为雨水净化系统的雨水总容量v的90％。
[0061]
进一步的，所述雨水净化装置包括自上而下依次设置的植被、土壤层、砂石层、人工填料、土工布、排水层，排水层设置有排水控制阀，排水层通过排水控制阀将雨水排除，排水控制阀内装有第二流量监测仪，用于实时监控雨水净化系统中的排水量。
[0062]
上述方案中，雨水首先被植被和土壤层过滤，进一步被砂石层过滤，此时体积较大的污染物被拦截；雨水继续进入人工填料中，人工填料中含有大量微生物，降解雨水中的溶解态污染物；雨水继续经过土工布，到达排水层，雨水在排水层中进入排水管，排水控制阀控制出水流量，排水控制阀内置第二流量监测仪。
[0063]
pcswmm雨洪模型为基于数字孪生技术建立的模型。
[0064]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0065]
本发明利用pcswmm雨洪模型调配雨水径流，使得城市雨水净化系统在强降雨过程中能够高效运行，同时避免污染事故。
[0066]
信息中心通过收集气象站信息判别未来雨水情况，提前做出雨水引流准备，雨水净化系统以及水泵引流的流量监测数据在信息中心呈现，利用pcswmm雨洪模型分析不同雨水净化系统剩余容量，pcswmm雨洪模型通过调度规则发布水泵运行指令，对不同雨水净化系统分配水泵抽水流量，从而完成雨水的高效处理。
附图说明
[0067]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，
附图中某些公知结构及其说明可能省略是理解的。
[0068]
图1为本发明实施例提供的雨水净化系统流程示意图；
[0069]
图2是本发明实施例提供的水雨水净化装置示意图；
[0070]
图中：1、植被；2、土壤层；3、砂石层；4、人工填料；5、土工布；6、排水层；7、排水控制阀。
具体实施方式
[0071]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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，都是本发明保护的范围。
[0072]
实施例1
[0073]
为了便于理解，请参阅图1-图2，本发明提供的一种雨水调度方法的一个实施例，包括：
[0074]
一种雨水调度方法，包括以下步骤：
[0075]
s1：搭建雨水净化系统，分配降雨类型；
[0076]
s2：基于降雨类型搭建pcswmm雨洪模型，pcswmm雨洪模型通过实时接收水泵抽水流量和雨水净化系统中的排水流量，实时模拟显示雨水净化系统的水容量，通过调度规则发布水泵运行指令，进而防止雨水净化系统溢流，有效管控污染风险扩散；
[0077]
s3：水泵集群调度；当一场极端降雨来临时，分配的降雨类型自动嵌入pcswmm雨洪模型中，pcswmm雨洪模型运算雨水径流流量，开启水泵并确定水泵状态和雨水净化系统状态，基于水泵状态及雨水净化系统状态对水泵的排水流量进行调控调度。
[0078]
实施例2
[0079]
具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。
[0080]
水泵调度方法包括如下步骤：
[0081]
s1：搭建雨水净化系统，分配降雨类型；
[0082]
s11：通过气象站提取降雨事件参数，降雨事件参数包括降雨深度、降雨历时、降雨事件间隔以及降雨过程线；
[0083]
s12：无量纲化降雨曲线，以消除降雨深度和降雨历时对该曲线的影响；
[0084][0085][0086]
式中，ar为无量纲累积降雨深度，r为降雨事件场次，d
t
为降雨观测时间t的累积降雨深度，dd为总降雨深度；t为观测时间，τ为降雨观测时间t的无量纲时间，d为一场降雨事件的降雨历时，单位为天；对于每场降雨事件，降雨历时被均分为k个时间间隔，δt＝d/k，δt为一定时间段的降雨历时，则ar(i＝1,2...k)为无量纲累积时间r/k下的无量纲累积降雨深度。
[0087]
s13：确定降雨类型；利用k-means聚类方法对无量纲降雨曲线进行聚类分析，将降雨时程分配为特定降雨类型，得到聚类结果，通过聚类结果确定降雨类型；降雨类型分为四类：均匀型u、峰值延后型d、峰值中心型c和峰值靠前型a；
[0088]
需要说明的是，降雨深度、降雨历时、降雨事件间隔以及降雨过程线为确定降雨类型以及pcswmm雨洪模型所需要的数据。降雨质量曲线又称为累积降雨过程线，即各时段雨量沿时间的累积值,也是雨强过程线的积分。无量纲化的目的是消除降雨历时和降雨深度对降雨质量曲线的影响。在一场降雨事件中，降雨强度是随着时间变化的，每场降雨事件都有各自的降雨时程分配，降雨时程分配对雨水径流以及水泵调度有着重要影响。k-means聚类法是一种基于欧几里德距离进行分类的方法，该方法计算速度快，简单易操作。
[0089]
s2：搭建pcswmm雨洪模型；
[0090]
s21：搭建地表的产流模块和汇流模块；产流模块基于地表的排水方向、土地利用和检查井的分布情况，概化降雨的模拟范围，将产流模块划分为多个子汇水区，子汇水区依据水文特征上的差异性分为有洼蓄且不透水汇水区、无洼蓄且不透水汇水区、透水汇水区三类，并通过参数的设置体现各部分水文特征；计算如下：
[0091]
第一步，计算有洼蓄且不透水汇水区的产流量，降雨损失为洼地填充，故有洼蓄且不透水汇水区的产流量为：
[0092]
r2＝p-d
[0093]
式中，r2是有洼蓄且不透水汇水区的产流量(单位：mm)；p为降雨量(单位：mm)；d是地表洼蓄量(单位：mm)；
[0094]
第二步，计算无洼蓄且不透水汇水区的产流量，降雨损失主要为雨期蒸发量，故无洼蓄且不透水汇水区的产流量为：
[0095]
r1＝p-e
[0096]
式中，r1是无洼蓄且不透水汇水区的产流量(单位：mm)；p是降雨量(单位：mm)；e为雨期蒸发量(单位：mm)；
[0097]
第三步，计算透水汇水区的产流量，降雨损失主要包括下渗量和洼蓄量，蒸发量相对很小忽略不计，故透水汇水区的产流量为：
[0098]
r3＝(i-f)*δt
[0099]
式中，r3为透水汇水区的产流量(单位：mm)；i为降雨强度(mm/s)；f为下渗强度(mm/s)；
[0100]
s22：计算地表汇流：pcswmm雨洪模型中的水文特征的模拟计算采用非线性水库模型，非线性水库模型为将每一个子汇水区概化为一个水深较浅的非线性水库，降雨作为水库的输入，下渗和地表径流作为水库的输出；分别对汇水区的有洼蓄且不透水汇水区、无洼蓄且不透水汇水区、透水汇水区三类分区用连续方程和曼宁方程联立求解来计算汇流模块的地表汇流；如下所示：
[0101]
第一步，设置连续方程
[0102][0103]
式中：v为子排水区总水量(单位：m3)；t为排水时间(单位：s)；a为排水区表面积(单位：m2)；i为净雨强度(单位：m/s)；q为汇水区地表的出流量(单位：m3/s)；
[0104]
第二步，由曼宁公式(即下式等号右边的表达式)计算子汇水区地表的出流量q：
[0105][0106]
式中，w是子汇水区的漫流宽度(单位：m)，n是曼宁系数；d、d
p
为分别为地表水深(单位：m)和洼蓄深度(单位：m)；s是汇水区的坡度；
[0107]
第三步，联立连续方程和曼宁公式，合并为非线性微分方程求地表水深d，再用有限差分法进行运算，求解得到离散方程：
[0108][0109]
式中，d1、d2分别是降雨开始时和结束时的地表水深；δt是pcswmm雨洪模型设定的时间步长；代表平均降雨强度，单位mm/h；是平均入渗率，单位mm/h；
[0110]
s23：建立子汇水区和设置pcswmm雨洪模型参数；
[0111]
以城市街道地图或卫星影像为背景，以雨水就近排放的原则进行人工划分；当降雨的模拟范围区域面积较大，人工操作工作繁琐，且缺乏有效的资料和经验时，选择泰森多边形自动划分工具，基于检查井为中心进行泰森多边形划分，然后再结合街道地形地图、城市排水相关资料，如城市排水规划图等进行人工调整，将汇水区划分为多个子汇水区，合并排向相同的河道和面积较小的子汇水区。该方法简单且省时间；
[0112]
对于城市汇水区而言，pcswmm雨洪模型水文特征参数选取如下：
[0113]
表1主要水文特征参数及其取值范围和获取方法
[0114]
[0115]
需要说明的是，pcswmm雨洪模型模拟过程中，降雨类型的选择基于s1中的降雨类型分配；
[0116]
s3：水泵集群调度；步骤s1和s2分别确定了降雨类型和pcswmm雨洪模型，当一场极端降雨来临时，分配的降雨类型自动嵌入pcswmm雨洪模型中，pcswmm雨洪模型运算雨水径流流量，开启水泵并分析水泵以及雨水净化系统状态，基于水泵及雨水净化系统状态对水泵的排水流量进行调控调度；
[0117]
s31：划分水泵状态：
[0118]
将水泵状态分为可调度状态p1、不可调度状态p2、部分可调度状态p3；
[0119]
其中，当水泵下游对应的雨水净化装置容量达到雨水净化系统的警戒容量时，水泵状态为可调度状态p1；其中，雨水净化系统的警戒容量为雨水净化系统的雨水总容量的90％；
[0120]
当水泵下游对应的雨水净化装置容量未达到雨水净化系统的警戒容量时，水泵状态为不可调度状态p2；
[0121]
当水泵下游对应的雨水净化装置容量未达到雨水净化系统的警戒容量，在其他水泵处于满负荷状态时，水泵状态为部分可调度状态p3；
[0122]
s32：确定水泵调度规则
[0123]
水泵调度规则主要基于雨水净化系统容量和水泵负荷；重要性越高的水泵，其优先级越高；
[0124]
第一步，设置当雨水净化系统中雨水容量超过雨水净化系统的警戒容量时，含水量越高，雨水净化系统的水泵重要性越高；
[0125]
即，当v≥v
90
时，vi》vj→ii
》ij；
[0126]
式中，v为雨水净化系统的雨水总容量，i为水泵重要性等级；i、j表示水泵，v
90
为雨水净化系统的警戒容量；
[0127]
2)当雨水净化系统中雨水容量不超过雨水净化系统的警戒容量时，水泵负荷越低，该水泵重要性越高，即优先启动；
[0128]
当v＜v
90
时，li》lj→
ij》ii；
[0129]
式中，v为雨水净化系统的雨水总容量，l为水泵负荷，i为水泵重要性等级；
[0130]
基于以上设置的水泵状态和水泵调度规则，pcswmm雨洪模型实时接收水泵抽水流量和雨水净化系统中的排水流量，实时模拟显示雨水净化系统的雨水容量，通过调度规则发布水泵运行指令，进而防止雨水净化系统溢流，有效管控污染风险扩散。
[0131]
实施例3
[0132]
具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：
[0133]
在一个具体的实施例中，气象站监测到一场极端降雨即将来临，信息中心获得相关降雨信息后给不同的雨水净化系统水泵下达指令做好水量分配准备；降雨后，信息中心实时收集雨水径流流量、水泵抽水流量、雨水净化系统中的流量，经过信息中心的pcswmm雨洪模型分析，给予不同地点的水泵下达流量分配任务；雨水最后到达雨水净化系统，如图2所示，雨水依次经过植被1、土壤层2、被砂石层3进行过滤，此时体积较大的污染物被植被1、土壤层2、被砂石层3拦截；雨水继续进入人工填料4中，人工填料中含有大量微生物，降解雨
水中的溶解态污染物；雨水继续经过土工布5，到达排水层6，雨水在排水层中进入排水管，由排水控制阀7控制出水流量。
[0134]
需要说明的是，排水控制阀7中的第二流量监测仪器会将雨水净化系统中的排水量实时传输到信息中心，便于信息中心搭建数字模型，为雨水流量分配提供重要参数。
[0135]
雨水净化装置上游安装有水泵。pcswmm雨洪模型属于信息中心的大脑，信息中心属于一个综合的调度管理平台，pcswmm雨洪模型利用信息中心收集数据，数据进入pcswmm雨洪模型，pcswmm雨洪模型运算后输出结果，结果包含的指令通过信息中心下达给各个雨水净化系统站点。
[0136]
汇水区包含多个子汇水区，子汇水区直接采用泰森多边形方法进行划分。整个降雨的模拟范围包含汇水区和排水区，为了建模方便将排水区分为若干子排水区。
[0137]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。