一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法，属于排水系统运行状态诊断技术领域。该方法包括如下步骤：(1)优化布置液位监测点，以液位监测点为界将排水系统分为若干个排水分区；(2)收集并预处理收集到的排水管网液位监测数据；(3)以预处理后的液位监测数据作为输入条件，通过曼宁公式或求解圣维南方程组，计算管道流量值；(4)利用便携式流量计校核管道流量校核管道流量并确定管道的淤积程度；(5)基于校核后的管道流量计算各排水分区的晴天日均流量、地下水入渗量、生活污水混接量，对地下水入渗严重和生活污水混接严重的区域进行详细排查。本发明专利技术的诊断效率更高，应用范围更广，在我国大型城市排水系统中普遍适用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法
本专利技术涉及一种诊断排水系统运行状态的方法，具体涉及一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法，属于排水系统运行状态诊断

技术介绍
目前，我国大部分城市排水管网架构已基本形成，但在城市发展的过程中存在新旧管网并存、设计施工脱节、维护管理不当等一系列因素，导致城市排水管网系统运行过程中存在诸多问题，如：生活污水混接进入雨水系统导致雨水泵站的旱天排江；雨水混接进入污水管网导致污水处理厂雨天进水量偏高，进水浓度偏低；管道破损导致地下水入渗量较大，降低排水管网的排水能力；雨水管道淤积严重，初雨污染和管网溢流造成河道雨天黑臭。如何高效诊断排水管网系统运行状态问题，保障排水管网的健康运行，是提高城市排水管网服务质量与效率、减轻河道水环境污染的关键。国内外已有大量关于排水管网运行状态诊断方法的研究。现有研究大多集中于雨污混接和地下水入渗，主要的研究方法主要分为流量调查法、示踪剂法、水质特征因子法和管道检测技术四种，以下为一些代表性的研究：文献([1]:FieldR,PittR,LalorM,etal.Investigationofdry-weatherpollutantentriesintostorm-drainagesystems.JournalofEnvironmentalEngineering.1994,Vol.120(05):1044～1066.[2]:AlmeidaMC,BritoRS.Systemdiagnosticsusingflowdata:Quantifyingsourcesandopportunitiesforperformanceimprovement.Portland:2002.)公开了采用流量调查法来诊断排水管网运行状态，该类方法主要在在可能存在雨污混接的管道或重要的排水干管安装流量计来监测管道流量，构建以管道流量为核心的排水管网监测系统，并利用这些流量数据量化雨污混接水量或地下水入渗量。该类方法的优势在于能直观的监测管道流量变化，定量分析雨水系统中的非雨水入流量，但其不足之处在于：(1)流量计价格昂贵，一般仅在重要节点或排放口附近安装，难以在管网中普及；(2)由于泥沙等管道不确定性因素的影响，流量计的测量精度难以保障。虽然流量调查法实际应用较多，但诊断结果不够理想，难以满足大多数排水公司的目标要求。文献([1]GokhaleS,GrahamJA.Anewdevelopmentinlocatingleaksinsanitarysewers.TunnellingandUndergroundSpaceTechnology.2004,Vol.19(01):85～96.[2]JewellC.Asystematicmethodologyfortheidentificationandremediationofillegalconnections.ProceedingsoftheWaterEnvironmentFederation.2001,Vol.2001(02):669～683.)公开了采用示踪剂法来诊断排水管网运行状态，该类方法是通过在排水管网上游加入示踪物质(如染料、同位素等)，通过对比上下游示踪物质浓度差异来精确判断某段管道或整个管网的非法入流情况。该类方法的优势在于能精确的诊断某根管道或整个管网中非法入流量，但由于排水管网错综复杂，可能存在难以追踪示踪物质的情况，影响计算结果的准确性，同时此类方法对操作人员要求高，操作复杂，检测成本高，限制了此类方法的广泛推广。文献([1]LillyL,StackBP,CaracoD.Pollutionloadingfromillicitsewagedischargesintwomid-Atlanticsubwatershedsandimplicationsfornutrientandbacterialtotalmaximumdailyloads.WatershedScienceBulletin.2012,Vol.3(01):7～17.[2]徐祖信，汪玲玲，尹海龙，等.基于特征因子的排水管网地下水入渗分析方法.同济大学学报(自然科学版)，2016，Vol.44(04)：593～599.)公开了采用水质特征因子法来诊断排水管网运行状态，该类方法利用生活污水、工业废水、地下水等不同混接来源中水质特征因子的浓度差异，通过监测管网中不同点水质特征因子的浓度差异，结合混接源中的水质特征因子浓度建立化学质量平衡方程，求解各混接源的比例。该类方法的优势在于，该类方法在文献中研究最为广泛，且该方法基于化学质量守恒方程的求解，有较为清晰的理论支撑，能解析系统内不同来源水的比例。但其不足之处在于：(1)水质特征因子浓度时空分布的差异性，造成解析结果的不闭合，影响解析结果的准确性；(2)该类方法只能解析排水系统内各混接来源的比例，需要联合流量调查法才能确定各混接来源的水量；(3)当系统内存在未被考虑到的混接来源时，计算结果的偏差较大。文献([1]张厚强，尹海龙，金伟，等.分流制雨水系统混接问题的调研技术体系.中国给水排水，2008，Vol.24(14)：95～98.[2]LegaM,NapoliRM.Aerialinfraredthermographyinthesurfacewaterscontaminationmonitoring.DesalinationandWaterTreatment.2010,Vol.23(1-3):141～151.)公开了采用管道检测技术来诊断排水管网运行状态，该类方法利用管道闭路电视(ClosedCircuitTelevision,CCTV)、声纳成像(Sonar)、透地雷达(GroundPenetratingRadar,GPR)、红外热像技术(InfraredThermography)、管道扫描与评价技术(TheSewerScannerandEvaluationTechnology,SSET)、多重传感器(SewerAssessmentwithMulti-sensors,SAM)、潜望镜(QuickView)等可视化技术对排水管道的渗漏、破损、混接等状况分析诊断；该类方法能直观的提供排水管道内部运行状态，及时的发现排水管道破损、管道堵塞、地下水入渗等运行问题。但该类方法成本高，效率低，人力物力耗费大，无法侦测一些污水偷排行为，缺乏对管网系统的连续监测。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法，该方法仅需要检查井液位监测数据即可准确的诊断管道淤积、地下水入渗、雨污混接等排水系统运行问题，操作简便，监测设备的成本低；此外，该方法还可以在提高排水系统的诊断效率的同时避免雨水对系统的干扰。为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法，包括如下步骤：(1)优化布置液位监测点，然后以液位监测点为界，将整个排水系统分为若干个排水分区；(2)划分好排水分区后，收集并预处理收集到的排水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)优化布置液位监测点，然后以液位监测点为界，将整个排水系统分为若干个排水分区；/n(2)划分好排水分区后，收集并预处理收集到的排水管网液位监测数据；/n(3)以预处理后的液位监测数据作为输入条件，通过曼宁公式或求解圣维南方程组，计算管道流量值；/n(4)通过对比计算管道流量值和实测管道流量值的差异校核管道流量，确定管道的淤积程度；/n(5)基于校核后的管道流量计算各排水分区的晴天日均流量、地下水入渗量、生活污水混接量，评估不同排水分区地下水入渗严重程度和生活污水混接严重程度，然后对地下水入渗严重和生活污水混接严重的区域进行详细排查。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于液位监测诊断排水系统运行状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)优化布置液位监测点，然后以液位监测点为界，将整个排水系统分为若干个排水分区；
(2)划分好排水分区后，收集并预处理收集到的排水管网液位监测数据；
(3)以预处理后的液位监测数据作为输入条件，通过曼宁公式或求解圣维南方程组，计算管道流量值；
(4)通过对比计算管道流量值和实测管道流量值的差异校核管道流量，确定管道的淤积程度；
(5)基于校核后的管道流量计算各排水分区的晴天日均流量、地下水入渗量、生活污水混接量，评估不同排水分区地下水入渗严重程度和生活污水混接严重程度，然后对地下水入渗严重和生活污水混接严重的区域进行详细排查。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的优化布置液位监测点的具体步骤为：
(a)搜集排水管网拓扑信息、排水区域、区域污水来源等基础信息；
(b)选择基于监测区域管道长度或管道重要性的监测点布置方法来布置液位监测点，其中，所述管道重要性为管道长度和管道横断面面积的乘积，当选择某管道长度/某管道重要性作标准布置液位监测点时各监测区域内的管道长度和/管道重要性和小于该管道长度/该管道重要性。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的收集排水管网液位监测数据的具体步骤为：(a)选择连续一周的晴天作为典型周；(b)提取典型周内液位计液位监测数据。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的预处理排水管网液位监测数据的具体步骤为：
(a)采用线性插值填补缺失的液位监测值；
(b)采用STL(Seasonal-TrenddecompositionprocedurebasedonLoess)时间序列分解算法，将液位监测时间序列分解为趋势项、周期项和残余项三个部分，设定残余项阈值，将残余项超出阈值的监测值视为异常值；
(c)用新值替换液位监测异常值，替换的新值只包含趋势项和周期项，残余项为0。


5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中当管道上下游两个检查井都有监测数据时，通过求解圣维南方程组计算管道流量，当只有管道上游检查井有液位监测数据时，利用上游检查井液位计算管道过水断面面积A和水力半径R，用管道坡度代替摩擦坡度Sf，直接通过曼宁公式计算管道流量。


6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过求解圣维南方程组计算管道流量的具体步骤如下：
(a)用于求解明渠非恒定流问题的圣维南方程组可表示为：
连续性方程：
动量方程：
其中，A为管道过水断面面积，t为时间步长，Q为管道流量，x为管道长度，q为单位长度管道旁侧入流量，z为水头，g为重力加速度，Sf为摩擦坡度(单位长度水头损失)；
(b)利用有限差分法求解圣维南方程组，得到计算管道流量新的偏微分方程：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶涛，肖涛，信昆仑，李树平，颜合想，王嘉莹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31