一种二次供水小区水质计算方法与流程

1.本发明涉及二次供水小区水质监测及模拟计算技术领域，特别是涉及一种二次供水小区水质计算方法。


背景技术：

2.管网水质计算融合了计算机技术、计算流体力学技术以及水质反应动力学方程，计算流体力学技术已经广泛应用于分析各类流体运动学与力学计算。
3.目前已有的供水管网水质计算技术，普遍使用的是开源的epanet计算模型，该计算模型可以用于计算市政管网水龄，管网余氯等。在该计算模型中，管网水质计算中节点水量在设定的时间步长(一般为1小时或15分钟等)内是一个设定值，即认为在步长时间内用户节点均匀用水，市政管网节点用水一般表示(多个)小区或楼栋的用户用水量的累积值，其累积水量是稳定的，该设定是合理的，然而，二次供水小区中用户用水量牵涉到每个楼层，每个用户的用水量，其值具有随机性和间断性，不是一个连续过程，是一个事件过程，即受用水事件驱动，因此，现有的水质计算方法无法适用于二次供水小区的水质计算。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种二次供水小区水质计算方法，以解决目前二次供水小区水质评估和计算的问题。
5.为达上述目的，本发明提供一种二次供水小区水质计算方法，包括如下步骤：
6.步骤s1，获取待进行水质计算的二次供水小区的配置信息；
7.步骤s2，根据获得的配置信息构建二次供水小区水力/水质计算模型；
8.步骤s3，配置模型边界条件，所述模型边界条件包括二次供水小区进站点压力和水质参数；
9.步骤s4，采用随机模型或用水量特征模型计算所选择的二次供水小区各用水点不同时刻的用水量。
10.步骤s5，将计算得到的用水量和边界条件代入计算模型，运行模型计算引擎，计算二次供水小区水质。
11.优选地，于步骤s1中，根据预先存储了各二次供水小区输配水情况的输入与配置文本文件中获取用于描述当前二次供水小区输配水情况的配置信息。
12.优选地，于步骤s4中，利用下式计算用户用水量：
13.q＝∑b(i,d,τ)
[0014][0015]
其中，q为累积用水量，b为用户用水事件用水量，i为用水强度，d为用水持续时间，τ为用水事件起始时间。
[0016]
优选地，于步骤s4中，用水事件发生的时间序列按照泊松随机过程进行处理，某用
户在第k时段的第m个用水事件的起始时间用下式计算：
[0017]
0≤tm(k)≤1小时
[0018]
其中，tm(k)表示第k小时第m个用水事件起始时间，ui为[0,1]之间的一致分布随机值，随机产生，表达式表示m-1与m个事件的间隔时间，λ(k)＝π(k)
×
λ表示k时段的到达率，π(k)表示k时段的模式系数。
[0019]
优选地，用水强度与持续时间均按对数正态分布计算：
[0020]
x＝e
α zβ
[0021]
其中，x表示用水强度或持续时间；其中，x表示用水强度或持续时间；表示正态分布y＝ln(x)的均值和方差；z～n(0,1)，表示标准正态分布；μ表示用水强度或持续时间的均值，σ2表示用水强度或持续时间的方差值。
[0022]
优选地，于步骤s5中，所采用的模型计算引擎为epanet水力/水质模型计算引擎。
[0023]
与现有技术相比，本发明一种二次供水小区水质计算方法通过描述二次供水小区输配水情况的输入与配置文本文件获取相应的配置信息，采用随机方法计算用户用水事件和用水量，描述用户的随机用水过程，计算二次供水小区水质，并提供水质计算接口展示所选择二次供水小区的基本信息、水龄统计与动态变化信息，实现了一种快速计算的二次供水小区水质计算方法，解决目前二次供水小区水质评估和计算的问题。
附图说明
[0024]
图1为本发明一种二次供水小区水质计算方法的步骤流程图
[0025]
图2为本发明具体实施例中水质计算流程图。
具体实施方式
[0026]
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0027]
图1为本发明一种二次供水小区水质计算方法的步骤流程图，图2为本发明实施例的流程图。如图1及图2所示，本发明一种二次供水小区水质计算方法，包括如下步骤：
[0028]
步骤s1，获取待进行水质计算的二次供水小区的配置信息。
[0029]
在本发明具体实施例中，当需要对某一个二次供水小区进行水质计算时，选择对应的二次供水小区，则可根据预先存储了各二次供水小区输配水情况的输入与配置文本文件中获取用于描述当前二次供水小区输配水情况的配置信息。
[0030]
具体地说，在本发明中，需预先存储有描述各二次供水小区输配水情况的输入与配置文本文件，该文件包括以下内容：
[0031]
(1)二次供水小区基本信息，至少包括：小区概况，楼栋数量，水池数量，水泵数量，水箱数量，供水格局，各楼栋楼层说明，用户数量。
[0032]
(2)水池/水箱信息，至少包括：水池/水箱id号，高程，最低水位，最高水位，当量直
径。
[0033]
(3)小区水力、水质边界条件：小区外网的压力/水龄/余氯时间序列。
[0034]
(4)楼栋信息，至少包括：楼栋高程，楼栋楼层数，每层户数，水箱数量，楼栋分区数量，楼栋入流数量，楼栋供水模式。
[0035]
步骤s2，根据获得的配置信息构建二次供水小区水力/水质计算模型。
[0036]
在本发明具体实施例中，二次供水小区水力/水质计算模型仍采用成熟的开源epanet计算模型，所述epanet计算模型即根据获得的配置信息构建大量的连续性方程和能量方程，并对该连续性方程和能量方程组成的方程组求解，具体地说，首先根据获得的配置数据，采用epanet模型规范构建模型，模型的构建包括线对象(管线、阀门、水泵)和点对象(用水点，水库，水箱)，以及相应的拓扑连接结构的构建，这些对象的构建则通过获得的配置信息进行配置，然后，每个节点对象可以构建一个连续性方程，即流入节点和流出节点的流量的代数和为零，每个线对象可以构建一个能量方程，即线对象两端的水头差等于线对象的水头损失，管网大量的线对象和点对象构成了方程组，模型则就是求解该大型稀疏矩阵的方程组，市政管网规模巨大，所述方程组中所包括的方程数量可以达到数十万个，甚至上百万个，例如在市政管网中，有n个点对象(用水点，水库，水箱)和p个线对象(水泵，阀门，管线)，则通过该epanet计算模型构建n p-1个非相关方程的方程组来进行求解，之所以要减1个方程是因为整个管网系统总水量的代数和为零，该方程组的秩为n p-1，即可以建立n p-1个非相关方程的方程组。由于epanet计算模型采用的是现有成熟的开源epanet计算模型，其具体的构建在此不予赘述。
[0037]
也就是说，通过步骤s1获得的配置信息，根据这些数据采用epanet模型规范构建模型，所谓的epanet模型相当于计算机中的“类”，需要根据具体的二次供水小区数据进行配置，变成“对象”，即得到该小区的模型，获得的配置信息都是静态信息，比如管道长度、管径等，如果小区不改建则不会变。
[0038]
需说明的是，由于现有技术中epanet计算模型仅应用于市政管道模型，其边界调节一般是根据实际情况来确定的，而本发明将epanet计算模型应用于二次供水小区模型，尺度大小不同，所以边界条件设置不同。
[0039]
另外，现有技术将epanet计算模型应用于市政管道模型，在市政管道中用户用水量表示(多个)小区或楼栋的用水量，具有稳定性，是一个确定性的数值，而在二次供水小区中用户用水量牵涉到每个楼层，每个用户的用水量，其值具有随机性和间断性，不是一个连续过程，是一个用水事件过程，受用水事件驱动，因此本发明还需对二次供水小区节点用水量随机性建模获得动态的用户用水量。
[0040]
步骤s3，配置模型边界条件，所述模型边界条件包括二次供水小区进站点的压力和水质参数。
[0041]
在本发明具体实施例中，所述二次供水小区进站点设置为水库对象(即将管网压力模化为水库的水位变化时间过程)，其进站点压力指水位值，水位值为外网压力，可以是市政管网水力模型计算值或压力监测值手工设定；进站点的水质参数包括水龄和余氯，可以根据市政管网水质模型值设定，或水龄值设定为0，余氯值可依据监测值设定或人为经验值设定，例如离水厂近的小区压力较大，余氯值一般也较大的，需说明的是所述模型边界条件与外网情况有关，与二次供水小区无关。
[0042]
也就是说，模型边界条件给出的是小区门口的压力和水质参数，从而通过构建的模型计算出小区里面各个不同位置的水质参数的时间序列。
[0043]
本发明中将向二次供水小区供水的市政管道设置为水库，这是因为二供小区的用水情况对市政管道的影响有限而确定的。
[0044]
步骤s4，计算所选择的二次供水小区各用水点不同时刻的用水量。在本发明中，二次供水小区各用水点不同时刻的用户用水量计算可选择采用随机模型或用水量特征模型计算。
[0045]
在本发明中，.二次供水小区内的每个用户或龙头、楼层或楼栋都可以作为用水点，也就是说，本发明可以计算二次供水小区内任何楼栋、任何楼层、任何用户的水质参数。在本发明具体实施例中，二次供水小区各用水点不同时刻的用户用水量计算采用随机模型，即泊松矩形波模型计算，包括以下内容：
[0046]
(1)计算用户用水量(用户用水事件发生时的用水量)：
[0047]
q＝∑b(i,d,τ)
ꢀꢀꢀꢀ
(1-1)
[0048][0049]
式中：q为累积用水量，b为用户用水事件用水量，i为用水强度，d为用水持续时间，τ为用水事件起始时间。
[0050]
(2)计算用户用水事件发生时间：
[0051]
用水事件发生的时间序列按照泊松随机过程进行处理，某用户在第k时段的第m个用水事件的起始时间用下式计算：
[0052][0053]
其中，tm(k)表示第k小时第m个用水事件起始时间，ui为[0,1]之间的一致分布随机值，随机产生；表达式表示m-1与m个事件的间隔时间，λ(k)＝π(k)
×
λ表示k时段的到达率，π(k)表示该k时段的模式系数，一般用水模式系数在0.3～1.5之间波动，夜间水量低，用水模式系数低，早晚高峰用水模式系数高，λ＝q/ατ表示平均到达率，即平均的用水事件数，q为用户日均用水量，α为平均用水强度。
[0054]
(3)计算用水事件用水强度与持续时间：
[0055]
在本发明具体实施例中，用水强度与持续时间均按对数正态分布计算，具体如下：
[0056]
x＝e
α zβ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1-3)
[0057]
其中，x表示用水强度或持续时间，按对数正态分布处理，其中，x表示用水强度或持续时间，按对数正态分布处理，其中，x表示用水强度或持续时间，按对数正态分布处理，表示正态分布y＝ln(x)的均值和方差；z～n(0,1)，表示标准正态分布；μ表示用水强度(或持续时间)的均值，σ2表示用水强度(或持续时间)的方差值。
[0058]
以下对上述所用到的用户用水模式与用水特征统计量进一步说明，具体如下：
[0059]
1)用水模式系数π(k)。以1小时为时间步长，根据实际测量值计算各时段的模式系数，式中：k为第k时段，π(k)为第k时段的模式系数，即该时段用水量与日均时用水量的比值。
[0060]
2)用水强度均值α，单位：l/min；表示用水事件的平均强度，居民用户默认值取8.52。
[0061]
3)用水强度方差β2，单位：l/min2；表示用水强度的不确定性和偏离值，居民用户默认值取22.21。
[0062]
4)用水持续时间均值τ，单位：min，表示每个用水事件的平均持续时间，居民用户默认值取0.75。
[0063]
5)用水持续时间方差ω2，单位：min2，表示用水持续时间的不确定性和偏离值，居民用户默认值取2.25。
[0064]
6)每户用水平均到达率λ，单位：1/min，表示用水事件发生的概率或可能性，居民用户默认值取0.0593。
[0065]
7)不同地区或其他用户类型用水特征统计量α，β2，τ，ω2，λ可通过用户用水监测和数据统计分析得到。
[0066]
在本发明中，通过上述随机模型所计算出来的用水量具有该用水量的随机统计特征，而所计算出来的值又有随机性，和日常用水情况类似。
[0067]
步骤s5，运行所述二次供水小区水力/水质计算模型的计算引擎，进行二次供水小区水力/水质计算。
[0068]
具体地，将步骤s4所计算的用水量，以及步骤s3配置的边界条件，导入到所构建的水力/水质模型中，运行模型计算引擎，进行二次供水小区水力/水质计算。
[0069]
对于二次供水小区，小区内不同空间位置，不同时间情况下的水质参数是不一样的，可以通过步骤s2所构建的二次供水小区水力/水质计算模型计算。具体地说，通过步骤s3配置的边界条件以及通过步骤s4的模型计算出特定时刻二次供水小区内各用水点的用水量，将其导入到所构建的二次供水小区水力/水质计算模型计算，运行引擎，得到该时刻二次供水小区内各空间位置的水质参数。如果要计算二次供水小区不同空间位置24小时或更长时间的水质参数时间序列，则根据步骤s4的节点水量模型计算各用水点用水事件时刻的用水量，并将步骤s3配置的边界条件，一起导入到步骤s2所构建的二次供水小区水力/水质计算模型，运行模型引擎，从而可以得到二次供水小区内任何节点(水池、水箱、用户)不同时刻的水质参数。
[0070]
综上所述，本发明一种二次供水小区水质计算方法通过描述二次供水小区输配水情况的输入与配置文本文件获取相应的配置信息，采用随机方法计算用户用水事件和用水量，描述用户的随机用水过程，计算二次供水小区水质，并提供水质计算接口展示所选择二次供水小区的基本信息、水龄统计与动态变化信息，实现了一种快速计算的二次供水小区水质计算方法，解决目前二次供水小区水质评估和计算的问题。
[0071]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。