一种排水系统匹配性评估方法和平台与流程

[0001]
本发明涉及排水系统数字化管理和评估的技术领域，特别是一种排水系统匹配性评估方法和平台。


背景技术：

[0002]
城市排水系统通常由管网、泵站、污水处理厂、调蓄/净化设施以及受纳水体等要素的全部或部分组成，这些设施之间相互联通，联动运行，共同执行城市内涝防治和污水处理的任务。但是城市排水系统通常随城市的发展逐步建成，各个阶段的理念和技术都在发展，价值建设和管理中的不足，导致设施间的匹配性不足，从而带来一系列问题，如旱天污水直排、雨天合流制溢流污染、管网高水位运行等。目前，城市排水设施匹配性国内外暂时没有统一的定义和系统评估方法，导致在城市排水系统设计和建设过程中往往会造成“头疼医头，脚痛医脚”的现象，不能系统的处理城市排水设施间的匹配性问题可能会引起单体设施规模的不合理和设计的失败，同时也会导致建设投资的浪费。


技术实现要素：

[0003]
本发明的主要目的在于提供一种排水系统匹配性评估方法和平台，该方法通过三级排水系统匹配性评估，可让用户对排水系统瓶颈和运行能力进行系统、科学的评估，分析设施不匹配的原因。优化设施间的空间调度规则，在充分利用单体设施的规模的基础上，对不符合规划目标的地方，提出排水系统设施优化改造方案，并结合排水系统近远期规划，及时进行城市排水设施匹配后评价，并及时进行更新设置。
[0004]
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0005]
一种排水系统匹配性评估方法，包括以下步骤：
[0006]
步骤1：排水系统资料收集；
[0007]
步骤2：建立多级匹配性评估指标体系；
[0008]
步骤3：单体设施匹配性评估和改造方案；
[0009]
步骤4：排水设施间匹配性评估和改造方案；
[0010]
步骤5：系统匹配性评估；
[0011]
步骤6：工程方案和优化调度方案制定；
[0012]
步骤7：匹配性后评估。
[0013]
进一步，所述步骤1排水系统资料收集包括污水处理厂、管网、调蓄/净化设施、末端水体和整个系统的已建工程、设计方案、规划目标、监测结果、运行记录数据。
[0014]
进一步，所述步骤2多级匹配性评估指标体系包括污水处理厂、管网、调蓄/净化设施、末端水体和整个系统的规划建设目标。
[0015]
进一步，所述步骤3单体设施匹配性评估是应用步骤2已建的指标体系对排水系统单体设施的匹配性评估，对已建设施的结构性缺陷和与规划目标对比的功能性不足的分析，对不匹配的地方提出初步的改造方案；所述单位设施匹配性包括管网能力、泵站排水能
力、调蓄/净化设施能力和污水处理厂能力。
[0016]
进一步，所述步骤4设施间匹配性评估是应用步骤2已建的指标体系对具有调蓄、净化、提升功能的排水设施与管道两者间的匹配性进行评估，根据排水设施间匹配性评估结果对不匹配的地方提出工程改造方案以提高设施间匹配性；所述排水设施间匹配性评估内容包括污水处理厂与上游管网的匹配性、调蓄/净化设施与上下游管网的匹配性、泵站与上下游管网的匹配性、转输泵站与下游泵站的匹配性。
[0017]
进一步，所述步骤5排水系统匹配性评估包括厂-池-站-网的系统匹配性、排水系统与末端水体水环境的匹配性，所述的厂-池-站-网的系统匹配性包括系统内旱天收集处理能力是否与系统产生污水量匹配，雨天最大收集/调蓄与处理设施接纳的雨污水量与cso控制目标的匹配性，污水厂旱季、雨季不同运行模式及出水水质标准，不同过流能力和处理能力、排放标准的匹配性，调蓄设施调蓄能力、放空周期及间隔与下游的污水厂错峰接纳能力的匹配性，不同降雨雨型下源头、中途及末端下泄流量可控性，所述排水设施与受纳水体水环境的匹配性包括不同排放口与受纳水体水位关系、是否存在倒灌或顶托效应，cso溢流与受纳水体水环境承受能力的匹配性，污水处理设施排放与水环境的匹配性，雨水管网排放与水环境的匹配性，排水系统污染物排放与受纳水体水环境承受能力的匹配性。
[0018]
进一步，所述步骤6是根据步骤3、步骤4、步骤5的单体、设施间、系统的匹配性评估结果制定工程方案找出系统瓶颈，且为了使排水设施达到缓解降雨所造成的城市内涝和cso溢流的目的通过优化排水设施控制规则制定优化调度方案。
[0019]
进一步，所述管网能力包括大管套小管、逆坡、管网入渗入流、管网排水能力是否满足设计及规划要求、雨水篦子收水能力与径流量的匹配性；所述泵站排水能力为泵站排水能力是否满足现状及规划要求，所述调蓄/净化设施能力包括蓄水规模是否满足现状及规划要求、调蓄池进水、排空规则是否合理、净化处理能力是否满足设计要求，所述污水厂能力包括旱天进出水水质达标情况、污水收集范围及收集率、合流制地区，雨天是否存在除最大变化系数以外的处理能力、处理工艺管道的旱季/雨季切换能力。
[0020]
进一步，所述污水处理厂与上游管网的匹配性包括污水厂出水水质旱天达标的最大处理能力与上游管网旱天的最大输送能力的匹配性、污水厂出水水质满足雨天排放标准的最大处理能力与上游管网雨天最大输送能力的匹配性，所述调蓄/净化设施与上下游管网的匹配性包括调蓄设施蓄水能力与上游管网输送能力的匹配性、调蓄设施排空能力与下游管网排水能力的匹配性、净化设施净化能力与上游管网输送能力的匹配性、净化设施净化及排水能力与排空时间的匹配性，所述泵站与上下游管网的匹配性包括接纳的雨水、污水、雨污混合水的抽排能力是否匹配上游收集到的污水、雨水、雨污混合水的峰值水量要求，下游管网输送能力与泵站排水峰值排水能力的匹配性，水泵控制规则与上游管网来水水量的匹配性，所述转输泵站与下游泵站的匹配性包括管网具有转输功能的泵站与下游泵站能力的匹配性。
[0021]
进一步，所述污水厂旱天出水水质是否满足要求评估方法为污水厂尾水水质达标率是否满足设计要求，旱天进水能力是否满足现状及规划要求评估方法为污水厂收水范围、处理量、进水污染物浓度是否满足设计、规划要求，合流制地区，雨天是否存在除最大变化系数以外的处理能力评估方法为污水厂处理工艺及进出水量监测。
[0022]
进一步，所述污水厂出水水质旱天达标的最大处理能力与上游管网旱天的最大输
送能力的匹配性评估方法为旱天主干管网流量监测数据与污水厂处理能力匹配，在部分流量不匹配的区域可采用模型手段辅助分析。
[0023]
上述排水系统的匹配性评估方法的评估的平台，是基于地理信息系统gis而建立，提供排水设施涉及的多源数据的管理、浏览、查询和空间分析、匹配性评估功能，多源数据包括排水设施、城市下垫面的基础数据、监测/检测定期实时更新的数据、排水系统规划目标，其包括以下模块：
[0024]
模块1：数据数字化处理模块；
[0025]
模块2：单体设施匹配性评估模块；
[0026]
模块3：设施间匹配性评估模块；
[0027]
模块4：系统匹配性评估模块；
[0028]
模块5：工程方案决策模块；
[0029]
模块6：优化调度分析模块；
[0030]
模块7：匹配性后评估模块。
[0031]
所述模块1为对多种数据源产生的多种格式的数据根据不同的结构和字段进行数字化处理，并对数据统一分类管理，用户可以对数据进行查看和更新；所述模块2在城市基础信息、数据、匹配性评估指标入库后，分析不同类型的属性数据、监测数据、环境数据和运行记录下单体设施现有运行情况是否达到设计要求，并与规划目标对比评估现有单体设施功能是否满足规划后匹配性要求，此模块是以单体设施为评估对象；所述模块3结合模块2的分析结果排除单体设施因结构性缺陷所造成的功能不足，分析排水设施上、下游管网流量、液位等数据对排水设施运行能力的影响；所述模块4结合模块2和模块3分析的结果评估排水系统匹配性，评估系统旱天、雨天的运行能力；所述模块5结合模块2、模块3和模块4分析的结果，对不匹配的位置结合规划目标，给出新建、改建工程方案；所述模块6结合模块2、模块3和模块4的匹配性评估结果，并叠加模块5的拟建工程决策方案，通过优化具有调蓄、净化功能的排水设施进水和排空规则，以及充分利用有条件的管道的在线调蓄空间，合理设置优化调度规则；所述模块7根据模块5、模块6分析的结果，结合模块1所输入的现有数据，对工程方案/优化调度方案完成后的系统匹配性结果进行预测。
[0032]
本发明提供的一种排水系统匹配性评估的方法和平台，可让用户对排水设施信息进行标准化、数字化管理，可利用相关数据科学的评估和预测排水系统匹配性状态，筛选排水系统运行的瓶颈，制定工程方案决策和优化调度方案。帮助相关工作人员、管理人员有针对性、有时序的规划设计排水设施工程，并通过优化调度提高排水设施使用率，降低新建工程成本投入。
附图说明
[0033]
图1为本发明方法的原理流程图；
[0034]
图2是本发明方法的具体流程图；
[0035]
图3为本发明评估平台的流程图。
具体实施方式
[0036]
以下将结合具体实施例对本发明做进一步说明。该部分的描述只针对几个典型的
实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明的描述和保护范围内。
[0037]
参见图1，本发明提出了一种排水系统匹配性评估的方法，其包括如下步骤：
[0038]
步骤1：收集排水系统资料，包括污水处理厂、管网、调蓄/净化设施、末端水体和整个系统的已建工程、设计方案、规划目标、监测结果、运行记录数据。
[0039]
步骤2：多级匹配性评估指标体系建立，包括污水处理厂、管网、调蓄/净化设施、末端水体和整个系统的规划建设目标。根据可靠性、弹性、可持续性的排水系统近远期总体建设目标，构建有优先级的分阶段的排水系统匹配性评估指标体系。
[0040]
步骤3：单体设施匹配性评估和改造方案，应用步骤2已建的指标体系对排水系统单体设施的匹配性评估，对已建设施的结构性缺陷和与规划目标对比的功能性不足的分析，对不匹配的地方提出初步的改造方案；所述单位设施匹配性包括管网能力、泵站排水能力、调蓄/净化设施能力和污水处理厂能力。所述管网能力包括大管套小管、逆坡、管网入渗入流、管网排水能力是否满足设计及规划要求、雨水篦子收水能力与径流量的匹配性。所述的泵站排水能力为泵站排水能力是否满足现状及规划要求。所述的调蓄/净化设施效能包括蓄水规模是否满足现状及规划要求、调蓄池进水、排空规则是否合理、净化处理能力是否满足设计要求。所述的污水厂能力包括旱天出水水质达标情况、污水收集范围及收集率、合流制地区，雨天是否存在除最大变化系数以外的处理能力、处理工艺管道的旱季/雨季切换能力。
[0041]
所述污水厂旱天出水水质是否满足要求评估方法为污水厂尾水水质达标率是否满足设计要求，旱天进水能力是否满足现状及规划要求评估方法为污水厂收水范围、处理量、进水污染物浓度是否满足设计、规划要求，合流制地区，雨天是否存在除最大变化系数以外的处理能力评估方法为污水厂处理工艺及进出水量监测。
[0042]
步骤4：设施间匹配性评估和改造方案，应用步骤2已建的指标体系对污水厂、调蓄池、泵站等具有调蓄、净化、提升功能的排水设施与管道两者间的匹配性进行评估，根据排水设施间匹配性评估结果对不匹配的地方提出工程改造方案以提高设施间匹配性；所述排水设施间匹配性评估内容包括污水处理厂与上游管网的匹配性、调蓄/净化设施与上下游管网的匹配性、泵站与上下游管网的匹配性、转输泵站与下游泵站的匹配性。所述的污水处理厂与上游管网的匹配性包括污水厂出水水质旱天达标的最大处理能力与上游管网旱天的最大输送能力的匹配性、污水厂出水水质满足雨天排放标准的最大处理能力与上游管网雨天最大输送能力的匹配性。所述的调蓄/净化设施与上下游管网的匹配性包括调蓄设施蓄水能力与上游管网输送能力的匹配性、调蓄设施排空能力与下游管网排水能力的匹配性、净化设施净化能力与上游管网输送能力的匹配性、净化设施净化及排水能力与排空时间的匹配性。所述的泵站与上下游管网的匹配性包括接纳的雨水、污水、雨污混合水的抽排能力是否匹配上游收集到的污水、雨水、雨污混合水的峰值水量要求，下游管网输送能力与泵站排水峰值排水能力的匹配性，水泵控制规则与上游管网来水水量的匹配性。所述的转输泵站与下游泵站的匹配性包括管网具有转输功能的泵站与下游泵站能力的匹配性(用水高峰、低谷及雨季)。
[0043]
上述污水厂出水水质旱天达标的最大处理能力与上游管网旱天的最大输送能力的匹配性评估方法为旱天主干管网流量监测数据与污水厂处理能力匹配，在部分流量不匹
配的区域可采用模型手段辅助分析。
[0044]
步骤5：排水系统匹配性评估，包括厂-池-站-网的系统匹配性、排水系统与末端水体水环境的匹配性，所述的厂-池-站-网的系统匹配性包括系统内旱天收集处理能力是否与系统产生污水量匹配，雨天最大收集/调蓄与处理设施(不同处理标准的出水水质条件下)接纳的雨污水量与cso控制目标的匹配性，污水厂旱季、雨季不同运行模式及出水水质标准，不同过流能力和处理能力、排放标准的匹配性，调蓄设施调蓄能力、放空周期及间隔与下游的污水厂错峰接纳能力的匹配性，不同降雨雨型下源头、中途及末端下泄流量可控性，所述排水设施与受纳水体水环境的匹配性包括不同排放口(雨水、截流井溢流等)与受纳水体水位关系、是否存在倒灌或顶托效应，cso溢流与受纳水体水环境承受能力的匹配性，污水处理设施排放与水环境的匹配性，雨水管网排放与水环境的匹配性，排水系统污染物排放与受纳水体水环境承受能力的匹配性。
[0045]
步骤6：工程方案和优化调度方案制定，根据步骤3、步骤4、步骤5的单体、设施间、系统的匹配性评估结果制定工程方案找出系统瓶颈，有针对性的制定工程方案。且为了使排水设施达到缓解降雨所造成的城市内涝和cso溢流的目的通过优化排水设施控制规则制定优化调度方案。所述工程方案和优化调度方案需应用模型预测方案设计目标是否可达，如不可达需返回步骤5继续进行系统评估。
[0046]
步骤7：匹配性后评估。
[0047]
本发明方法的具体实施方法是：通过资料收集和现场调研，结合城市排水系统目标，制定排水系统评估指标体系，对单体设施现有的结构性缺陷和功能性不足及现状是否满足规划目标进行评估，并对不匹配的地方提出初步改造方案。比如，对管网的瓶颈问题进行评估；对现阶段、规划后城市人口产污量与排水系统污水处理能力进行匹配性评估，对不匹配的地方提出修补、扩容、新建单体排水设施的改造方案。制定监测方案，构建排水系统模型，利用监测数据对模型进行率定和验证。污水厂与管道间的匹配性评估通过监测数据(液位、流量)与模型预测曲线综合评估。泵站、调蓄/净化设施与管道间的匹配性评估通过对设施启闭、排空时间等运行记录进行合理性评估。若发现不匹配的情况可通过工程改造或优化运行方案提升设施间匹配性并将工程改造方案或优化后的控制规则概化到模型中，对改造实施后效果进行模拟预测。在不同降雨条件下，通过对主要的污水厂、调蓄池、泵站等调蓄、处理、提升排水设施的流量、液位、水质关系图绘制进行不同片区整体排水系统的匹配性空间分析，对末端水体的水环境容量与排水系统和地表径流的污染物出流量进行匹配性评估，若旱天或雨天排水系统出现不匹配情况，结合城市规划和末端水体治理目标，提出近远期的厂网站池联排联调方案，在矛盾点突出的地方可辅助工程改造措施进行系统匹配性的优化，并对优化结果进行目标可达性分析，使排水系统最终达到单体设施、设施间、系统与末端水体完全匹配的状态。并随着工程实施需要对排水系统匹配性进行跟踪评估和持续优化。
[0048]
参见图3，本发明提出了一种排水系统匹配性评估方法的平台，该平台是基于地理信息系统gis而建立，提供排水设施涉及的多源数据的管理、浏览、查询和空间分析、匹配性评估功能，多源数据包括排水设施、城市下垫面的基础数据、监测/检测定期实时更新的数据、排水系统规划目标，其包括以下模块：
[0049]
模块1：数据数字化处理模块；
[0050]
模块2：单体设施匹配性评估模块；
[0051]
模块3：设施间匹配性评估模块；
[0052]
模块4：系统匹配性评估模块；
[0053]
模块5：工程方案决策模块；
[0054]
模块6：优化调度分析模块；
[0055]
模块7：匹配性后评估模块。
[0056]
所述模块1为对多种数据源产生的多种格式的数据根据不同的结构和字段进行数字化处理，并对数据统一分类管理，用户可以对数据进行查看和更新。数据包括城市现状、规划的排水设施属性数据、交通道路、水系、人口密度、建筑等基础信息，以及流量监测、水质检测等不断更新的数据，根据上位规划梳理的排水系统匹配性评估指标，最终处理为统一的shp格式数据。
[0057]
所述模块2在城市基础信息、数据、匹配性评估指标入库后，分析不同类型的属性数据、监测数据、环境数据和运行记录下单体设施现有运行情况是否达到设计要求，并与规划目标对比评估现有单体设施功能是否满足规划后匹配性要求。此模块是以单体设施为评估对象；因排水设施上下游连接关系导致设施能力不足的现象在其它模块进行评估。
[0058]
所述模块3结合模块2的分析结果排除单体设施因结构性缺陷所造成的功能不足，分析排水设施上、下游管网流量、液位等数据对排水设施运行能力的影响。此模块可结合排水模型判断管网与设施间的匹配性关系。
[0059]
所述模块4结合模块2和模块3分析的结果评估排水系统匹配性，评估系统旱天、雨天的运行能力。用户可以设置匹配性等级个数和不同等级的展现形式，不同等级用不同大小以及颜色图标来表示，最终显示在地图中。
[0060]
所述模块5结合模块2、模块3和模块4分析的结果，对不匹配的位置结合规划目标，给出新建、改建工程方案。此外，该模块也具备手动输入和决策修改的功能，可将设计方案输入模型，模拟预测该工程方案实施对排水系统匹配性的影响。
[0061]
所述模块6结合模块2、模块3和模块4的匹配性评估结果，并叠加模块5的拟建工程决策方案，通过优化具有调蓄、净化功能的排水设施进水和排空规则，以及充分利用有条件的管道的在线调蓄空间，合理设置优化调度规则。
[0062]
所述模块7根据模块5、模块6分析的结果，结合模块1所输入的现有数据，对工程方案/优化调度方案完成后的系统匹配性结果进行预测。此外，该模块用户可根据排水系统设施更新情况手动修改并结合自动更新的监测数据，进行匹配性持续评估。
[0063]
本发明平台的具体实施过程是：将标准化处理后的已建/待建排水设施基础数据，水系、交通、建筑等基础设施的shp数据导入系统，并将设施运行记录、工艺数据、流量监测数据、水体水质检测数据、人口密度、设施规划目标等信息添加到各自图层的属性表内，可以对这些数据进行查看和更新。在匹配性评估时单体、设施间和系统的三级匹配性评估模块均可调用数字处理模块录入的数据进行匹配性评估。单体匹配性评估可将现有设施的结构性缺陷和现有运行能力与规划目标有差距的设施筛选出来。设施间匹配性是对具有调蓄、净化、提升功能的排水设施与上下游连接管道的评估，此模块可选择具有圣维南方程的数学模型模拟计算设施间的水动力运行状态。系统匹配性是研究各功能性设施与末端水体的匹配性，对于系统不匹配的地方可调用优化调度模快通过调整各设施间的控制规则优化
排水系统的处理能力。对于单体、设施间、系统模块分析出的不匹配设施/地块均可调用工程决策模块给出工程方案建议。最后排水系统匹配性评估完成可在匹配性后评估模块进行排水设施更新修改和工程方案、优化调度方案的模拟预测，也可根据持续更新的监测数据和手动修改的新建工程内容持续更新排水系统匹配性结果。
[0064]
综上所述，本发明提出了一种排水系统匹配性评估的方法和平台，可以让用户对排水设施、水体的基础数据和监测、检测数据进行标准化、数字化管理，并利用相关数据进行排水系统运行状态的匹配性评估，查找出设施本身因破损造成的单体设施不匹配和设施间因竖向连接、控制规则不合理所造成的设施间和系统的不匹配现象，制定出排水设施工程方案决策和优化调度分析。帮助相关工作人员有针对性的进行排水设施修复、维护、更换工作，帮助管理人员科学有效的制定待建工程规划，提高设施使用效率，合理分配工程建设成本。
[0065]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。