一种排水管网入渗入流过程模拟分析方法、系统及装置

1.本发明涉及排水管网分析技术领域，具体涉及一种排水管网入渗入流过程模拟分析方法、系统及装置。


背景技术：

2.城市排水系统承担着的城市污水收集处理的重要职能,是保障人民生活、城市环境和城市安全的重要市政基础设施,城市排水管网的安全有效运行也是城市水环境质量的重要保境。
3.在雨天管道中的水流主要由三部分组成,即基本入流量(basewastewaterflow，bwf)、地下水渗透量(groundwaterinfiltration，gwi)和降雨导致的入渗入流量(rainfalldependentinflowandinfiltration，rdii)，其中bwf和gwi为旱天污水管道的流量，bwf主要指来自住宅区、商业、工业和政府机构的生活污水和生产废水。rdii指降雨带来的城市污水管网或雨污合流制管道内的雨水,包括入流(inflow)和入渗(infiltration)两部分。
4.现有入渗入流分析方法往往基于大量的在线监测设备进行数据采集从而得到结果，一旦某个设备出现故障等意外情况所得到的结果就会受到影响从而影响最终的精度。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施方式提供了一种排水管网入渗入流过程模拟分析方法、系统及装置，能够提高排水管网入渗入流过程的模拟精度。
6.本发明提供一种排水管网入渗入流过程模拟分析方法，所述方法包括：
7.根据基础数据，并结合初始参数，计算生成多个降雨时段各自的入渗入流值；所述初始参数用于表征入渗入流过程中入渗入流值的变化情况；基于所述多个降雨时段各自的入渗入流值，合成由所述多个降雨时段构成的降雨事件的全过程的入渗入流过程线；根据合成的所述入渗入流过程线，构建包含所述初始参数的目标函数，并对所述初始参数进行优化，以在所述目标函数达到指定优化目标时，确定优化后的初始参数；基于所述优化后的初始参数重新合成所述降雨事件的全过程的入渗入流过程线。
8.在一个实施方式中，单个时段的入渗入流值由不同速度的入渗入流值合成，其中，不同速度的入渗入流值包括峰值流量和非峰值流量。
9.在一个实施方式中，所述峰值流量可以表示为：
10.q
ip
＝2w
mi
/(ti ti*ki)
11.所述非峰值流量按以下方式表示：
12.q
i,t
＝q
ip
*t/tit≤ti13.q
i,t
＝q
ip
*(t-ti)/(ti*ki)t》ti并且t≤ti ti*ki14.q
i,t
＝0t》ti ti*ki15.其中下标i用来对应第i速度，q
ip
表示第i速度对应的峰值流量，w
mi
表示进入污水
管中第i速度时入渗的水量，ti表示第i速度的入渗入流达到峰值的时间，ki表示第i速度的入渗入流过程从峰值到完全衰退的时间与达到峰值的时间之比，q
i,t
表示第i速度的非峰值流量，t表示入渗入流过程中的时间变量。
16.在一个实施方式中，所述目标函数为：
[0017][0018]
其中，e为目标函数，f(r,t,k)
t
为第t时段的入渗入流值，m表示入渗入流结束时的时段，rdii
t
为第t时段计算得到的实际入渗入流值。
[0019]
在一个实施方式中，对所述目标函数按以下方式进行计算：
[0020]
分别对r、t、k求偏导数，得：
[0021][0022][0023][0024]
其中rdii为计算得到的实际入渗入流值，f(r,t,k)为入渗入流量在相同时刻的合成值，参数r的含义定义为雨水进入污水管网的比例，参数t的含义定义为不同速度的入渗入流过程达到峰值的时间，参数k的含义定义为不同速度的入渗入流过程从峰值到完全衰退的时间与达到峰值的时间之比例。
[0025]
在一个实施方式中，求偏导后的结果按如下方式进行表示：
[0026]
当x《t时，
[0027][0028][0029][0030]
当t≤x≤t(1 k)时：
[0031][0032][0033][0034]
其中i为时段的降雨量，x为时间变量，对上述式子进行寻优计算得到对应时段的优化后的初始参数。
[0035]
在一个实施方式中，，所述降雨事件满足精度要求的入渗入流过程线的优化后的
初始参数，由多个降雨时段的优化后的初始参数进行叠加，以构造目标函数并计算得到的。
[0036]
本发明另一方面提供一种排水管网入渗入流过程模拟分析系统，所述系统包括：
[0037]
时段入渗入流值生成单元：用于根据基础数据，并结合初始参数，计算生成多个降雨时段各自的入渗入流值；所述初始参数用于表征入渗入流过程中入渗入流值的变化情况；
[0038]
降雨事件合成单元：用于基于所述多个降雨时段各自的入渗入流值，合成由所述多个降雨时段构成的降雨事件的全过程的入渗入流过程线；
[0039]
参数求解单元：用于根据合成的所述入渗入流过程线，构建包含所述初始参数的目标函数，并对所述初始参数进行优化，以在所述目标函数达到指定优化目标时，确定优化后的初始参数；
[0040]
降雨事件再合成单元：用于基于所述优化后的初始参数重新合成所述降雨事件的全过程的入渗入流过程线。
[0041]
本发明另一方面提供一种排水管网入渗入流过程模拟分析装置，所述排水管网入渗入流过程模拟分析装置包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现排水管网入渗入流过程模拟分析方法。
[0042]
本发明另一方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现排水管网入渗入流过程模拟分析方法。
[0043]
本技术提供的技术方案，通过基于长时间统计的基础数据结合假设的初始参数进行计算生成单个时间段的入渗入流值，并基于不同时间段的入渗入流值合成整个降雨事件的入渗入流值，对初始的假设参数进行优化得到最终满足要求的优化后的初始参数，从而完成排水管网入渗入流过程的模拟分析，避免了因为某个监测设备出项故障而影响最终的入渗入流结果，显然提高了排水管网入渗入流过程的模拟精度。
附图说明
[0044]
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0045]
图1示出了本发明一个实施方式中排水管网入渗入流过程模拟分析方法步骤图；
[0046]
图2示出了本发明一个实施方式中降雨事件的全过程的入渗入流过程线与单个时段入渗入流的关系示意图；
[0047]
图3示出了本发明一个实施方式中排水管网入渗入流过程模拟分析系统功能模块示意图；
[0048]
图4示出了本发明一个实施方式中排水管网入渗入流过程模拟分析装置的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领
域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0050]
请参阅图1，本技术提供的排水管网入渗入流过程模拟分析方法，可以包括以下步骤：
[0051]
s1：根据基础数据，并结合初始参数，计算生成多个降雨时段各自的入渗入流值；所述初始参数用于表征入渗入流过程中入渗入流值的变化情况。
[0052]
在一个实施方式中，基础数据包括：降雨量i、监测面积a和雨水进入污水管道系数α。
[0053]
排水管网流量监测点的实测流量数据q、监测区域雨量计的实测降雨量数据i、监测区域面积a都可以直接利用现有的监测设备得到。
[0054]
雨水进入污水管道系数α通过根据长时间流量观测数据、雨量计数据，取若干场降雨时间的观测数据，在流量观测数据q基础上扣除地下水入渗量(ground water infiltration，gwi)和生活污水流量(base wastewater flow，bwf)得到特定场次降雨事件(令其编号为k)雨水进入污水管道的总水量wrik，再计算该场降雨事件的总雨量wrtk，得到雨水进入污水管道的比例rk＝wrik/wrtk。对若干场降雨事件(令其总数为n)，取rk的算数平均值作为雨水进入污水管道总量的比例系数α，其中α＝∑rk/n。
[0055]
gwi通过长期流量观测数据选取一定天数的旱天夜间最小流量取算数平均值获得。
[0056]
bwf的统计与计算：
[0057]
将时段类型划分为分工作日(周一～周五)、周末(周六～周日)、节假日三种基本类型。
[0058]
选取出流量观测数据中的旱天时段，针对提取出的旱天时段，分别判断其所属的类型为工作日、周末、节假日中哪一种。
[0059]
针对时段所属的类型，记录其流量，并计算该类型时段的流量平均值。
[0060]
针对所有流量观测数据，重复上述操作，得到工作日(逐日)、周末(逐日)、节假日(逐日)的平均流量，通过不同类型的时段组合，得到典型的工作日bwf过程、周末bwf过程和节假日bwf过程。
[0061]
具体地，以工作日bwf为例，选取3个或多个工作日的流量观测数据，对于1:00到2:00这个时间段的流量值，就是把这三天的1:00到2:00的流量取出来之后求平均值为1:00到2:00这个时段的流量值，将属于工作日的24个时段的流量值都求出后按时间顺序依次排列可以得到工作日bwf，周末、节假日的bwf同理进行计算。
[0062]
在一个实施方式中，基础数据结合假定的初始参数r、t、k对单个时段的入渗入流值进行计算。其中，所述初始参数r、t、k用于表征入渗入流过程中入渗入流值的变化情况。参数r的含义定义为雨水进入污水管网的比例，参数t的含义定义为三种不同速度的入渗入流过程达到峰值的时间，参数k的含义定义为三种不同速度的入渗入流过程从峰值到完全衰退的时间与达到峰值的时间之比例。
[0063]
单个时段的入渗入流值由第一速度、第二速度和第三速度入渗入流值合成，采用第i速度对上述第一速度、第二速度和第三速度进行表述，i取1、2、3中任一整数。取降雨事件m时段雨量im，时段长度为t
l
，则该时段内以第i速度进入污水管的入渗部分水量w
mi
＝a*im
*α*ri，其中ri即上述的初始参数r对应于第i速度时雨水进入污水管网的比例，第i速度的入渗入流值包括峰值流量和非峰值流量。
[0064]
峰值流量可以表示为：q
ip
＝2w
mi
/(ti ti*ki)
[0065]
所述非峰值流量按以下方式表示：
[0066]qi,t
＝q
ip
*t/tit≤ti[0067]qi,t
＝q
ip
*(t-ti)/(ti*ki)t》ti并且t≤ti ti*ki[0068]qi,t
＝0t》ti ti*ki[0069]
其中下标i用来对应第i速度，q
ip
表示第i速度对应的峰值流量，w
mi
表示进入污水管中第i速度时入渗的水量，ti表示第i速度的入渗入流达到峰值的时间，ki表示第i速度的入渗入流过程从峰值到完全衰退的时间与达到峰值的时间之比，q
i,t
表示第i速度的非峰值流量，t表示入渗入流过程中的时间变量。
[0070]
在本实施方式中，以第一速度的情况为例进行说明，取降雨事件m时段雨量im，时段长度为t
l
，则该时段内以第一速度进入污水管的入渗部分水量w
m1
＝a*im*α*r1，第一速度入渗入流峰值流量q
1p
＝2w
m1
/(t1 t1*k1)，第一速度入渗入流非峰值流量按如下进行计算：
[0071]q1,t
＝q
1p
*t/t1t≤t1[0072]q1,t
＝q
1p
*(t-t1)/(t1*k1)t》t1并且t≤t1 t1*k1[0073]q1,t
＝0t》t1 t1*k1[0074]
通过上述方式计算得到t时段第一速度、第二速度、第三速度入渗入流值后，t时段入渗入流值由所述第一速度、第二速度、第三速度入渗入流值合成：
[0075]qt
＝q
1,t
q
2,t
q
3,t
，其中q
t
表示t时段的入渗入流值。
[0076]
s3：基于所述多个降雨时段各自的入渗入流值，合成由所述多个降雨时段构成的降雨事件的全过程的入渗入流过程线。
[0077]
降雨事件各时段的入渗入流量计算与单个时段计算方法相同，但在对于整个降雨事件全过程流量合成时，需考虑各时段间流量过程的时刻对齐。
[0078]
请参阅图2，在一个实施方式中，实际的入渗入流过程是由一个或多个降雨时段的雨量导致的各自的入渗入流过程共同叠加而成的，而单个时段降雨量所形成的入渗入流过程可延续多个时段，因此不同时段降雨量所形成的实际入渗入流过程需要相邻时段间进行叠加最终得到降雨事件的全过程的入渗入流过程线。
[0079]
以t从1-2时段为例，该时段的入渗入流过程线就是把前两个单个时段的入渗入流值所对应的在1-2这个时段内的入渗入流值进行叠加，t从1-2时段对应的虚线部分就是该时段对应的入渗入流过程线，通个一个个如此方式的叠加后进行拼接得到降雨事件全过程的入渗入流过程线即图2中的整个虚线部分。
[0080]
s5：根据合成的所述入渗入流过程线，构建包含所述初始参数的目标函数，并对所述初始参数进行优化，以在所述目标函数达到指定优化目标时，确定优化后的初始参数。
[0081]
在一个实施方式中，由于初始参数r、t、k是假定值，得到的计算结果与实际的入渗入流值相比是不准确的，故需要对初始参数进行优化以使计算出的降雨事件的入渗入流值满足精度要求。使降雨事件的入渗入流值满足精度要求的初始参数r、t、k即是优化后的初始参数。
[0082]
在一个实施方式中，一场降雨事件的入渗入流过程是由多个降雨时段共同叠加而
成的，因此基于非线性grg方法进行参数优化也是基于多个时段叠加的结果。
[0083]
在本实施方式中，以单个时段的参数优化为例进行说明：
[0084]
以均方差最小为优化目标构造目标函数e，其表达式为：
[0085][0086]
其中，e为目标函数，f(r,t,k)
t
为第t时段的入渗入流值，m表示入渗入流结束时的时段，rdii
t
为第t时段计算得到的实际入渗入流值。
[0087]
为方便表述，s1中的第一速度入渗入流值、第二速度入渗入流值、第三速度入渗入流值分别以f1、f2、f3进行表示，步骤s1中的q
t
以f表示，则：
[0088]
f＝f1 f2 f3＝f1(r1,t1,k1) f2(r2,t2,k2) f3(r3,t3,k3)
[0089][0090]
i为时段降雨量，x为时间变量，最终单个时段的入渗入流值转换为与变量x相关的函数。
[0091]
本实施方式中，对目标函数按以下方式进行寻优计算：
[0092]
分别对r、t、k求偏导数得：
[0093][0094][0095][0096]
进而可得求偏导后的结果：
[0097]
当x《t时，
[0098][0099][0100][0101]
当t≤x≤t(1 k)时：
[0102][0103]
[0104][0105]
对上述式子进行寻优计算得到对应时段的优化后的初始参数r、t、k的值。
[0106]
对于一场由多个降雨时段组成的降雨事件，其目标函数是多个时段的叠加，得到目标函数后的寻优计算与单个时段的寻优计算同理，最终得到对应于一场降雨事件满足要求精度的入渗入流过程线的r、t、k值为优化后的初始参数。
[0107]
s7：基于所述优化后的初始参数重新合成所述降雨事件的全过程的入渗入流过程线。
[0108]
在上述步骤中，求出整个降雨事件的优化后的初始参数r、t、k后，可以基于优化后的初始参数r、t、k值重新计算对应的不同速度的入渗入流值并进行叠加合成降雨事件全过程的入渗入流过程线。
[0109]
请参阅图3，本技术一个实施方式还提供一种排水管网入渗入流过程模拟分析系统，所述系统包括：基础计算单元、数据合成单元和参数优化单元。
[0110]
基础计算单元，用于对基础数据结合初始参数计算生成单个时段的入渗入流值；
[0111]
数据合成单元，用于对基于不同时段的入渗入流值合成降雨事件的全过程的入渗入流过程线；
[0112]
参数优化单元，用于对所述初始参数进行优化，以均方差最小为优化目标构造目标函数寻优计算得到对应于一场降雨事件满足要求精度的入渗入流过程线的优化后的初始参数。
[0113]
请参阅图4，本技术一个实施方式还提供一种排水管网入渗入流过程模拟分析装置，所述排水管网入渗入流过程模拟分析装置包括处理器和存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现排水管网入渗入流过程模拟分析方法。
[0114]
其中，处理器可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0115]
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施方式中的方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施方式中的方法。
[0116]
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0117]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施方式方法中的全部或部分流程，是可以
通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施方式的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0118]
本技术提供的技术方案，通过基于长时间统计的基础数据结合假设的初始参数进行计算生成单个时间段的入渗入流值，并基于不同时间段的入渗入流值合成整个降雨事件的入渗入流值，对初始的假设参数进行优化得到最终满足要求的拟合参数，从而完成排水管网入渗入流过程的模拟分析，避免了因为某个监测设备出项故障而影响最终的入渗入流结果，显然提高了排水管网入渗入流过程的模拟精度。
[0119]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。