一种初期雨水调蓄池优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种初期雨水调蓄池优化设计方法，以城市水系水质保障为前提，以水系水质保障总成本最低为优化目标，以所有调蓄池总容积为约束条件，利用人工神经网络模型训练出的调蓄池截污率与总成本之间的数学模型，采用粒子群优化算法得出各调蓄池的最优截污率，并结合各调蓄池截污率与径流量累积量之间的关系，得出各调蓄池的设计容积；有助于科学、经济、快速、高效的确定调蓄池容积，在满足受限条件下，节约总成本，避免不必要的人力、物力、财力的浪费。

An optimal design method of initial rainwater storage tank

【技术实现步骤摘要】
一种初期雨水调蓄池优化设计方法
本专利技术涉及初期雨水调蓄池设计领域，具体涉及一种初期雨水调蓄池优化设计方法。
技术介绍
城市雨水径流所产生的非点源污染是城市水质恶化的主要原因。由于初期雨水污染物浓度较高，因此，设置初期雨水调蓄池是解决雨水径流污染最优有效的手段之一，也是大部分老城区解决雨水径流污染的主要方法。将初期雨水收集到调蓄池中，雨季过后，排入污水处理厂进行处理，处理达标后再就近排入河中。初期雨水调蓄池大小不仅与运营建设成本有关，也直接影响城市水体的水环境质量，因此，合理确定初期雨水调蓄池的大小是老城区非点源污染控制的重要研究工作之一。目前，对于初期雨水调蓄池的设计，一般是根据《室外排水设计规范》(GB50014-2006)中初期截流降雨量4～8mm和地表径流面积确定得到的。通过分析平原城市污染物累积特性可以发现，污染物前期累积速度较慢，中期累积速度较快。因此，如果按照规范只截取前期累计，截污效果必然较差。初期雨水调蓄池的大小与初雨径流下污染物累积特性密切相关，影响污染物累积特性的主要因素有城市地形、土地利用性质、地貌、雨量、雨强、降雨前的干旱天数、交通量、尤其是不透水面积等，各调蓄池对应汇水区的地面情况均不同，若各初期雨水调蓄池按照规范进行统一设计，必然会造成调蓄池截污效果不一、调蓄池容积浪费等问题。但除上述因素外，初期雨水调蓄池的设计还需要考虑运维期的总成本，包括调蓄池的建设成本、污水处理厂的处理费用和治理水至达到标准的措施费用，以及城市水体的运行维护成本。受限于地方经济和占地等因素，各调蓄池均有最大容积的约束，并且受当地污水处理厂日处理污水水量的影响。综合以上问题，如何高效快速设计满足受限条件且总成本较低的初期雨水调蓄池，是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种初期雨水调蓄池优化设计方法解决了如何高效快速设计满足受限条件且总成本较低的初期雨水调蓄池的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种初期雨水调蓄池优化设计方法，包括以下步骤：S1、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定调蓄池的数量M以及每个调蓄池i所处的位置，其中M为大于1的整数，i为调蓄池编号，其值为区间[1,M]内的整数；S2、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定每个调蓄池i的排水口数量Ni以及每个调蓄池i所对应的每个排水口j所处的位置，其中Ni为大于1的整数，j为排水口编号，其值为区间[1,Ni]内的整数；S3、建立SWMM城市非点源污染数学模型，模拟计算得到每个调蓄池i其下每个排水口j的连续时间污染物过程变量ci,j(t)和连续时间径流过程变量qi,j(t)，其中t为时间；S4、根据每个调蓄池i所处地段的占地条件，得到每个调蓄池i的最大容量S5、根据每个调蓄池i的最大容量和每个调蓄池i其下每个排水口j的连续时间径流过程变量qi,j(t)，采用径流量累积方程计算得到每个调蓄池i蓄满最大容量的时间S6、根据每个调蓄池i其下每个排水口j的连续时间污染物过程变量ci,j(t)和每个调蓄池i蓄满最大容量的时间采用调蓄池累积截污比方程计算得到每个调蓄池i的最大截污率S7、根据每个调蓄池i的最大截污率采用拉丁超立方抽样方法抽样得到L组调蓄池截污率集Hk＝{ζ1,k,ζ2,k,ζ3,k,…,ζM,k}，其中k为调蓄池截污率组合编号，其值为区间[1,L]内的整数；S8、根据每组调蓄池截污率集Hk，采用成本方程计算得到L组总成本数据Costk，并构建L组数据样本{Hk,Costk}；S9、利用人工神经网络模型对L组数据样本{Hk,Costk}进行训练，得到关于调蓄池截污率集Hk与总成本数据Costk之间的数学模型；S10、根据每组调蓄池截污率集Hk及其总成本数据Costk的数学模型，构建优化函数J(H)；S11、以城市水系水质保障为前提，以minJ(H)为优化目标，采用粒子群优化算法，得到最优截污率集Hopt，该集合的元素即为每个调蓄池i的最优截污率S12、根据每个调蓄池i的最优截污率采用调蓄池累积截污比方程计算得到每个调蓄池i的最优截污率对应时间并根据时间采用径流量累积方程计算得到每个调蓄池i的最适容积进一步地：步骤S5和S12的径流量累积方程为：其中，Vi(t)为第i个调蓄池径流量累积量随时间的容积。进一步地：步骤S6和S10的调蓄池累积截污比方程为：其中，ζi(t)为截污率比，T为排水口径流出流到结束的总时间。进一步地：步骤S8的成本方程为：Cost(H)＝F(H)+S(H)+Me(H)(3)其中，Cost(H)为成本，H为截污率集，F(H)为调蓄池的建设成本，S(H)为污水处理厂处理总污水的费用，Me(H)为水系水质达标的措施费用。进一步地：步骤S10构建的优化函数J(H)为：J(H)＝Cost(H)+σ(s)·θ(P(H))·P(H)α(4)其中，s为人工神经网络训练迭代次数，σ(s)为惩罚因子，θ(P(H))为比例系数，P(H)为惩罚函数，α为指数因子。进一步地：惩罚因子进一步地：指数因子进一步地：惩罚函数P(H)＝max{0,g(H)}，g(H)为截污率集H所对应的各调蓄池总容积与所有调蓄池总容积的差值，所有调蓄池总容积受限于当地污水处理厂的日处理能力其中Vi(H)为截污率集H所对应的调蓄池的容积。进一步地：比例系数本专利技术的有益效果为：以城市水系水质保障为前提，以水系水质保障总成本最低为优化目标，以所有调蓄池总容积为约束条件，利用人工神经网络模型训练出的调蓄池截污率与总成本之间的数学模型，采用粒子群优化算法得出各调蓄池的最优截污率，并结合各调蓄池截污率与径流量累积量之间的关系，得出各调蓄池的设计容积；有助于科学、经济、快速、高效的确定调蓄池容积，在满足受限条件下，节约总成本，避免不必要的人力、物力、财力的浪费。附图说明图1为一种初期雨水调蓄池优化设计方法流程示意图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。如图1所示，在本专利技术的一个实施例中，一种初期雨水调蓄池优化设计方法，包括以下步骤：S1、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定调蓄池的数量M以及每个调蓄池i所处的位置，其中M为大于1的整数，i为调蓄池编号，其值为区间[1,M]内的整数；S2、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定每个调蓄池i的排水口数量Ni以及每个调蓄池i所对应的每个排水口j所处的位置，其中Ni为大于1的整数，j为排水口编号，其值为区间[1,Ni]内的整数；如表1所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种初期雨水调蓄池优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定调蓄池的数量M以及每个调蓄池i所处的位置，其中M为大于1的整数，i为调蓄池编号，其值为区间[1，M]内的整数；/nS2、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定每个调蓄池i的排水口数量N

【技术特征摘要】
1.一种初期雨水调蓄池优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定调蓄池的数量M以及每个调蓄池i所处的位置，其中M为大于1的整数，i为调蓄池编号，其值为区间[1，M]内的整数；
S2、根据城市初期雨水的蓄水和排水需求，设定每个调蓄池i的排水口数量Ni以及每个调蓄池i所对应的每个排水口j所处的位置，其中Ni为大于1的整数，j为排水口编号，其值为区间[1，Ni]内的整数；
S3、建立SWMM城市非点源污染数学模型，模拟计算得到每个调蓄池i其下每个排水口j的连续时间污染物过程变量ci，j(t)和连续时间径流过程变量qi，j(t)，其中t为时间；
S4、根据每个调蓄池i所处地段的占地条件，得到每个调蓄池i的最大容量
S5、根据每个调蓄池i的最大容量和每个调蓄池i其下每个排水口j的连续时间径流过程变量qi，j(t)，采用径流量累积方程计算得到每个调蓄池i蓄满最大容量的时间
S6、根据每个调蓄池i其下每个排水口j的连续时间污染物过程变量ci，j(t)和每个调蓄池i蓄满最大容量的时间采用调蓄池累积截污比方程计算得到每个调蓄池i的最大截污率
S7、根据每个调蓄池i的最大截污率采用拉丁超立方抽样方法抽样得到L组调蓄池截污率集Hk＝{ζ1，k，ζ2，k，ζ3，k，...，ζM，k}，其中k为调蓄池截污率组合编号，其值为区间[1，L]内的整数；
S8、根据每组调蓄池截污率集Hk，采用成本方程计算得到L组总成本数据Costk，并构建L组数据样本{Hk，Costk}；
S9、利用人工神经网络模型对L组数据样本{Hk，Costk}进行训练，得到关于调蓄池截污率集Hk与总成本数据Costk之间的数学模型；
S10、根据每组调蓄池截污率集Hk及其总成本数据Costk的数学模型，构建优化函数J(H)；
S11、以城市水系水质保障为前提，以minJ(H)为优化目标，采用粒子群优化算法，得到最优截污率集Hopt，该集合的元素即为每个调蓄池i的最优截污率
S12、根据每个调蓄池i的最优截污率采用调蓄池累积截污...

【专利技术属性】
技术研发人员：何胜男，陈文学，穆祥鹏，刘丰，李想，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11