一种污水系统甲烷排放评估方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及污水系统评估，具体涉及一种污水系统甲烷排放评估方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、城市污水系统是城镇基础设施的重要组成部分。化粪池作为源头预处理单元，污水管道作为输送单元，二者均长期处在厌氧条件，易发生有机物降解并产生甲烷等温室气体。对城市污水系统的甲烷排放量进行准确评估是当前保障城市污水系统的甲烷减排与运行管理的研究重点。

2、相关技术中公开的甲烷排放量化评估方法包括排放因子估算法，通过现场采集的化粪池或污水管道中的污水水量和有机物负荷，之后结合对应设施的经验排放因子对甲烷排放过程进行估算。

3、然而，在实际运行中，污水系统中的化粪池并非作为独立的处理设施，而是作为污水管网前端的预处理单元，相关技术中公开的甲烷排放量化评估方法是针对化粪池或污水管道进行分别研究，难以精准评估整个污水系统的甲烷产排过程。

技术实现思路

1、本发明提供了一种污水系统甲烷排放评估方法、装置、设备及存储介质，以解决相关技术中公开的污水系统甲烷排放量评估方法难以准确评估整个污水系统的甲烷产排过程的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种污水系统甲烷排放评估方法，所述方法包括：

3、基于采集的目标区域中污水系统的拓扑信息、以及各设施的结构特征和运行状态数据，分别利用模型构建方法进行构建和参数率定，得到污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型；所述甲烷排放模拟子模型包括化粪池模拟子模型和污水管道模拟子模型；

4、基于所述污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型，利用模型耦合方法建立各个甲烷排放模拟子模型之间的数据传递关系或状态变量关联关系，得到污水系统的整体耦合模型；

5、基于目标场景与当前场景之间的差异信息，利用边界重构方法对污水系统的整体耦合模型的边界条件进行重构，得到边界重构后的整体耦合模型；

6、基于所述边界重构后的整体耦合模型，利用数值求解方法进行模拟计算，得到目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果。

7、通过采用上述实施方式，首先根据污水系统的拓扑信息、各设施的结构特征和运行状态数据，构建水力模型与多个甲烷排放模拟子模型并进行参数率定；之后通过利用模型耦合方法建立不同甲烷排放模拟子模型之间的数据传递与状态变量关联，将分散设施模拟整合为系统整体耦合模型，克服了孤立评估各设施时忽略上下游影响的缺陷；再根据目标场景与当前场景的差异信息，重构整体耦合模型的边界条件，使模型能够适配不同工况或场景下的评估需求；最后通过数值求解获得污水系统的整体甲烷排放模拟结果，从而精准预测污水系统的甲烷排放评估结果。

8、在一种可选的实施方式中，所述模型耦合方法包括紧耦合方法，所述基于所述污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型，利用模型耦合方法建立各个甲烷排放模拟子模型之间的数据传递关系或状态变量关联关系，得到污水系统的整体耦合模型，包括：

9、基于各个甲烷排放模拟子模型和水力模型，利用仿真关联方法建立化粪池模拟子模型、污水管道模拟子模型与水力模型之间的上下游节点关联关系，构建得到耦合计算框架；

10、基于所述耦合计算框架，利用时序模拟方法按时间顺序依次计算每个时间步下的化粪池模拟子模型和污水管道模拟子模型的状态变量，同时将上游节点的输出结果作为下游节点的输入边界，构建为污水系统的整体耦合模型。

11、通过采用上述实施方式，利用紧耦合方法在水力模型与各甲烷排放子模型间建立上下游节点关联关系，使化粪池模拟子模型和污水管道模拟子模型串联为一个整体；之后按时间顺序逐时间步推进计算，将上游节点输出结果作为下游节点输入边界，实现各设施间水力状态与甲烷浓度的顺序传递与动态更新，使设施间的相互作用得到完整表征，克服相关技术中针对单个单元进行模拟导致的沿程物质传递与累积效应缺失的问题。

12、在一种可选的实施方式中，所述模型耦合方法包括松耦合方法，所述基于所述污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型，利用模型耦合方法建立各个甲烷排放模拟子模型之间的数据传递关系或状态变量关联关系，得到污水系统的整体耦合模型，包括：

13、基于化粪池的进出水流量、水质及甲烷浓度时序数据，利用化粪池模拟子模型进行模拟并提取单位水量甲烷排放特征因子和典型出水水质序列，得到化粪池的特征输出数据；

14、基于所述特征输出数据中的特征因子，利用排放量核算方法计算化粪池甲烷排放总量，得到片区化粪池甲烷排放核算结果，同时将所述特征输出数据中的出水序列作为水力模型及下游污水管道模拟子模型的输入边界，得到下游管网模拟的边界条件数据；

15、基于所述边界条件数据、水力模型提供的各管段水力状态参数以及污水管道模拟子模型，按照管网拓扑依次计算各管段的甲烷生成量与逸散量，得到各管段的出流状态及甲烷排放结果，输出为污水系统的整体耦合模型。

16、通过采用上述实施方式，先利用化粪池模拟子模型处理进出水流量、水质及甲烷浓度时序数据，提取单位水量甲烷排放特征因子与典型出水水质序列，得到化粪池的特征输出数据；之后利用特征输出数据的特征因子，核算化粪池甲烷排放总量，同时将特征输出数据的出水序列作为水力模型及下游管道模型的边界条件，实现化粪池模拟结果向污水管道的有效传递；通过结合水力模型提供的各管段水力状态参数，按照管网拓扑从上游到下游逐段计算各管段的甲烷生成量与逸散量，使各管段的出流状态与甲烷排放结果的沿程顺序更新，最终形成包含设施与管网在内的整体耦合模型，避免甲烷排放模拟子模型之间的高频数据的直接交换，显著降低耦合计算的数据传输量。

17、在一种可选的实施方式中，所述基于采集的目标区域中污水系统的拓扑信息、以及各设施的结构特征和运行状态数据，分别利用模型构建方法进行构建和参数率定，得到污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型，包括：

18、基于目标区域中污水系统的每个污水管道走向、上下游连接关系及关键节点位置，利用swmm水力模型构建方法，得到水力模型；

19、基于目标区域中污水系统的化粪池的结构特征、水力停留时间及化粪池出口检查井的水质时序监测数据，利用完全混合反应器概化方法和厌氧消化模型构建化粪池模拟子模型并进行参数率定，得到参数率定后的化粪池模拟子模型；

20、基于目标区域中污水系统的每个污水管道的结构特征、上下游节点的水量和水质时序监测数据，分别利用级联完全混合反应器概化方法构建管道模拟子模型并进行参数率定，得到对应管道的参数率定后的污水管道模拟子模型。

21、通过采用上述实施方式，首先基于污水系统的拓扑信息，构建swmm水力模型，为各管段提供水力状态参数的时空分布，使后续甲烷产排模拟匹配污水管道的水流路径；进而利用完全混合反应器概化方法结合厌氧消化模型构建化粪池模拟子模型，并用出口检查井实测水质时序数据进行率定，使化粪池内复杂的生化转化过程能够在概化后得到与实际出口特征相符的模拟结果；针对污水管道采用级联完全混合反应器概化方法，将长管道沿流向划分为多个串联单元，并用上下游实测水量水质数据进行率定，使各管段水质沿程变化可被逐段追踪，克服长管道水力传输对反应时序叠加效应的掩盖，同时各污水管道模拟子模型均基于对应设施实测数据进行独立率定，使每个污水管道模拟子模型的参数组合能够反映各自设施的实际运行特征，为后续耦合计算时边界条件的衔接提供可靠的初始参数状态。

22、在一种可选的实施方式中，所述基于目标场景与当前场景之间的差异信息，利用边界重构方法对污水系统的整体耦合模型的边界条件进行重构，得到边界重构后的整体耦合模型，包括：

23、在目标场景包括化粪池取消场景时，基于取消化粪池后的源头污水的差异信息，利用第一边界重构方法将源头污水作为整体耦合模型的接入节点的输入边界，同时删除化粪池出流参与节点混合的边界关系，得到化粪池取消场景下的重构边界条件；

24、在目标场景包括居民用水变化场景时，基于用水量和用水水质的差异信息，利用第二边界重构方法修改来水流量时间序列及水质时间序列，同时修改相应化粪池模拟子模型的输入边界条件，得到用水变化场景下的重构边界条件；

25、在目标场景包括管网修复场景时，基于外水入渗量的差异信息，利用第三边界重构方法修改水力模型中的外水流量边界，并调整下游的污水管道模拟子模型的进流浓度边界，得到管网修复场景下的重构边界条件。

26、通过采用上述实施方式，针对不同目标场景采用差异化的边界重构策略：在取消化粪池时，直接修改源头污水接入方式并删除化粪池参与节点混合的边界关系，使整体耦合模型能够在取消设施后仍保持完整性；在居民用水变化时，调整来水流量及水质时间序列并同步修改化粪池子模型输入边界，使源头变化能够沿下游逐级传递；在管网修复时，修改水力模型中外水入渗流量边界并调整下游管道进流浓度边界，使不同修复方案的水力与水质影响同步纳入模拟，仅通过修改接入边界或模型输入参数快速适配不同目标场景下的模拟计算，有效降低对不同目标场景进行分析所需的建模与率定工作量。

27、在一种可选的实施方式中，所述基于所述边界重构后的整体耦合模型，利用数值求解方法进行模拟计算，得到目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果，包括：

28、基于所述边界重构后的整体耦合模型，利用数值求解方法中的时间步进算法进行求解，得到每个时间步下各个甲烷排放模拟子模型的水力状态、水质状态、甲烷生成量及甲烷逸散通量；

29、综合每个时间步下各个甲烷排放模拟子模型的水力状态、水质状态、甲烷生成量及甲烷逸散通量，利用结果整合方法进行汇总，得到目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果。

30、通过采用上述实施方式，基于时间步进算法逐时间步推进求解，使各甲烷排放模拟子模型在同一时间基准下同步推进水力与生化反应计算，避免甲烷排放模拟子模型因异步求解而导致状态变量传递时序错位，保证整体耦合模型的时间一致性；进而在每个时间步下分别获取各子模型的水力状态、水质状态、甲烷生成量及逸散通量，使耦合系统中每个设施和管段的贡献均可独立追溯，便于后续定位排放热点；进而对所有时间步结果进行整合汇总，形成完整的时间序列输出，使模拟结果能够反映甲烷生成与逸散随来水、季节等因素的动态变化特征，为后续排放强度评估和减排措施比选提供了可量化的数据基础。

31、在一种可选的实施方式中，还包括：

32、基于目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果，生成污水系统的各设施的甲烷浓度或甲烷排放强度的空间分布图及连续时间尺度下的动态热力图；

33、或者基于目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果，结合当前场景下的运行状态数据，利用对比分析方法，识别得到甲烷排放的关键影响环节和高排放区域。

34、通过采用上述实施方式，基于目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果，生成各设施甲烷浓度或甲烷排放强度的空间分布图及连续时间尺度下的动态热力图，使模拟输出的数值结果转化为具有时空维度的可视化信息，便于运维人员直观识别系统内不同设施和管段在各时刻的排放分布特征与变化规律；或基于目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果与当前场景运行状态数据的对比分析，识别甲烷排放的关键影响环节和高排放区域，使定量模拟结果与定性运行分析相互印证，便于后续针对性排查与制定减排措施。

35、第二方面，本发明提供了一种污水系统甲烷排放评估装置，所述装置包括：

36、子模型构建模块，用于基于采集的目标区域中污水系统的拓扑信息、以及各设施的结构特征和运行状态数据，分别利用模型构建方法进行构建和参数率定，得到污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型；所述甲烷排放模拟子模型包括化粪池模拟子模型和污水管道模拟子模型；

37、模型耦合模块，用于基于所述污水系统的水力模型和多个甲烷排放模拟子模型，利用模型耦合方法建立各个甲烷排放模拟子模型之间的数据传递关系或状态变量关联关系，得到污水系统的整体耦合模型；

38、边界重构模块，用于基于目标场景与当前场景之间的差异信息，利用边界重构方法对污水系统的整体耦合模型的边界条件进行重构，得到边界重构后的整体耦合模型；

39、结果输出模块，用于基于所述边界重构后的整体耦合模型，利用数值求解方法进行模拟计算，得到目标场景下污水系统的甲烷排放模拟结果。

40、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的污水系统甲烷排放评估方法。

41、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的污水系统甲烷排放评估方法。