1.本发明涉及到排水管网管理、水环境监测预警技术领域。具体为一种排水管网污染物溯源方法。
背景技术：2.排水管网是城市运转的“静脉”，负责收纳雨水、污水，以及进行雨水、污水的运转、收纳和处理。排水管网负责将居民和工厂产生的污水运转到污水处理厂，污水处理厂处理污水，将处理达标的污水转入中水系统或河渠。然而由于污染物事故或污染物偷排现象导致收集污水严重超标，从而可能导致污水处理系统无法承担负荷，导致设备损坏或污水处理菌群死亡，给污水处理系统带来严重损失。
3.然而由于排水管网位于地下，其结构错综复杂，异常的排水事件难以被及时发现，更难以定位，因而污染物异常排放难以让工作人员及时发现及处理。人工方法排查污染异常排放需要逐个监测点位取样进行化验来进行污染物溯源，工作量大工作效率低。
4.为了及时发现污染物排放超标现象，提前做好相应的调度处理（比如将污水临时导入污水事故池），在管网系统中加入水质监测站点，用于及时发现水质超标现象。但生产实际中发现，水质监测设备的测量存在时间间隔，而污染水体在排水管网中是流动的，这样可能导致无法及时发现污染物排放位置，从而及时处理或固定证据（比如用于对偷排工厂进行处罚）。因此单纯通过监测设施进行报警提醒，由于污染物在水体迁移扩散的原因，往往不能准确、及时发现污染物排放位置，给实际采取措施带来困难。
5.综上，现有传统的人工方法在管网中水质取样进行管网溯源，工作量大且不能及时发现污染物超标，不容易及时定位污染物排放位置；单纯基于排水管网的智能井盖进行水质监测及预警，由于监测装置本身监测频率和水体迁移的原因，不能较为准确的进行污染物排放位置的定位，难以达到污染物溯源的目的。
技术实现要素：6.为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种排水管网污染物溯源方法，该方法可以实现高效、准确的排水管网污染物溯源。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种排水管网污染物溯源方法，包括以下步骤：1）在排水管网的关键位点布置水质监测装置采集各位点的水质时序数据：所述关键位点包括：排水口、检查井及排水管网交叉处；本步为排水管网污染物溯源提供数据基础。
7.2）利用排水管网的基础数据构建排水管网树状拓扑关系结构图：所述基础数据包括污水处理厂、排水口、检查井、管路的位置、连接关系及水流方向；所述树网拓扑关系结构图中以污水处理厂或某个排水口为根节点，以其他排水口、各检查井及排水管网交叉处为非根节点，根节点没有父节点，非根节点有且只有一个父节点；本步为污染物流经路径分析提供分析依据；
3）依据所述树网拓扑关系结构图构建污染物溯源方法，并进行水流路径分析和水质时序数据梯度分析，判定污染物排放位置范围；可以提供排水管网管理部门及时安排工作人员及时进行处置；4）进行污染物溯源结果查看和可视化展示。
8.进一步的，步骤1）中所述水质时序数据的指标包括ph、cod、bod中任意一种或几种。
9.进一步的，步骤1）中所述水质监测装置为水质监测智能井盖装置。
10.进一步的，步骤2）中拓扑关系结构图的构建步骤为：2-1.选取根节点，作为建立拓扑关系的起点；2-2.以根节点作为流入点，根据水流方向信息找出所有流向该根节点的节点，判断流向该根节点的节点是否已经在树形拓扑关系中，如果不存在则加入新的流入队列；2-3.将新的流入队列中的节点作为流入点，重复步骤2-2直至没有新的节点；2-4.存储拓扑关系数据到数据库或文件中备用。
11.进一步的，步骤3）的具体步骤为：3-1.获取所有水质超警的水质监测装置；3-2逐一选取超警的水质监测装置，获取该监测装置所在点位可能流经的每条路径作为疑似污染路径；3-3.遍历每条疑似污染路径的所有水质监测装置，并提取其每个监测点位的监测数据，将每个监测点位在一定时间段内的水质数据提取出来，存在数据梯度变化超过设定阈值，且路径最远的路径判断为排污路径；3-4研判每个时间序列的变化梯度最大的时间位置，判定污染物排放位置在最先发生数据突变的监测点位上游范围；3-5重复步骤3-2~3-4直至所有的水质超警的监测装置处理完成。
12.进一步的，步骤4）可视化展示将污染物排放的位置在地图上标识出来，或者将相关数据以图表的形式展示出来,进一步进行人工判定，以确定污染物排放的位置。支持工作人员对污染物排放事件进一步进行分析。
13.本发明的有益效果：本发明提供的一种排水管网污染物溯源方法，可以快速识别排水管网中的污染物异常排放和定位污染物排放疑似位置，为排水管网管理提供有效工具。相对于人工方法，本发明方法更加高效、准确，通过该方法，不需要工作人员逐个点位现场取样和检验；相对于单纯的水质监测装置的监测报警，本发明方法考虑了污染物在水体中的迁移和扩散作用，能够更加准确的定位污染物排放的位置，便于针对性的及时处理。
14.本发明的方法进行排水管网的污染物溯源具有良好的适用性，可适用于大部分排水管网系统，对于工业园区、城乡结合部的排水管网的污染物溯源尤为有价值。为排水管网污染物提供了一种高效、准确的新方法。该方法需要结合监测装置和污染物溯源模型同时发挥作用，污染物溯源模型部分可通过计算机程序实现，并集成到相应的智慧排水管网管理系统中，不受编程语言的限制。该方法可同时适用于雨水管网和污水管网，可以根据需要构建整体城市管网或部分dma的污染物溯源机制。
附图说明
15.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
16.图1是实施例1排水管网污染物溯源相关装置及方法总体示意图；图2是水质监测装置布置示例；
图3是排水管网树状拓扑关系结构图示例；图4是排水管网拓扑关系结构生成步骤流程图；图5是排水管网污染溯源方法处理流程；图6是排水管网污染溯源可视化展示示例。
具体实施方式
17.实施例1一种排水管网污染物溯源方法，包括以下步骤：1）在排水管网的关键位点布置水质监测装置采集各位点的水质时序数据：所述关键位点包括：排水口、检查井及排水管网交叉处；2）利用排水管网的基础数据构建排水管网树状拓扑关系结构图：所述基础数据包括污水处理厂、排水口、检查井、管路的位置、连接关系及水流方向；所述树网拓扑关系结构图中以污水处理厂或某个排水口为根节点，以其他排水口、各检查井及排水管网交叉处为非根节点，根节点没有父节点，非根节点有且只有一个父节点；3）依据所述树网拓扑关系结构图构建污染物溯源方法，并进行水流路径分析和水质时序数据梯度分析，判定污染物排放位置范围；4）进行污染物溯源结果查看和可视化展示。
18.本实施例中步骤1）中所述水质时序数据的指标包括ph、cod、bod中任意一种或几种，通常根据具体情况而设定。本实施例中所述水质监测装置为水质监测智能井盖装置。为了更清楚的展示本实施方式，装置及算法整体示意如图1所示。
19.本实施例步骤1）中在排水管网的关键位置布置水质监测的智能井盖装置，用于获取水质数据从而提供给污染物溯源分析使用。智能井盖装置部署的点位要遵循下述原则：1-1 dma区域的汇水节点位置一般部署智能井盖装置；1-2偷拍、超排经常发生或发生可能性比较大的位置下方节点部署（甚至加密部署）智能井盖装置；1-3在区分度不够的点位加密智能井盖装置的部署，如汇流来源较多节点的上方。如图2的水质监测装置布置示例中，在排水企业的排水口下游处、排水管网交叉处等进行水质监测装置的布署，这些都是污染物溯源的关键位置。
20.智能井盖装置的监测项目根据各个应用区域的特点来定，一般根据区域的污染物排放监管类型来定，如铝业集中的区域其超标物主要是酸洗液，主要监测的项目则是ph。智能井盖装置的监测频率设置为5分钟一次，当发现污染物超标时加密监测频次，每分钟监测一次。考虑到智能井盖装置耗电因素，智能井盖装置的监测频率也不能过于频繁。
21.本实施例步骤2）中建立排水管网拓扑关系图。污染物溯源分析需要基于排水管网拓扑关系进行分析，拓扑关系代表着水流方向，即可通过水流方向判别污染物来自的方向。排水管网拓扑关系是树状结构（如图3所示），树（tree）是一种数据结构，树的结构看起来像一棵倒挂的树，树的数据结构具有以下的特点：（1）没有父节点的节点称为根节点，比如污水处理厂或排水口；（2）每个节点有零个（叶子节点，即源头）或多个子节点；（3）每一个非根节点有且只有一个父节点，代表任何一处水的流向是确定的）。为了防止环的出现，则断裂环形成树形结构。构建排水管网拓扑关系的步骤如图4所示：2-1选取根节点（一般是排水口和污水处理厂）作为建立拓扑关系的起点；2-2以根节点作为流入点，根据水流方向信息找
出所有流向该根节点的节点，判断流向该根节点是否已经在树形拓扑关系中，如果不存在则加入新的流入队列；2-3将新的流入队列中的节点作为流入节点，重复步骤2-2直至没有新的节点；2-4存储拓扑关系数据到数据库或文件中备用。
22.排水管网拓扑关系结构图生成过程是一个递归搜索的过程。排水管网拓扑关系构成的树结构中，节点可以是排污口（如厂房出水口、居民社区排水口等，用于判别污染物排放单位）、检查井（用于识别位置），通过设置智能井盖获取监测数据。
23.本实施例步骤3）构建污染物溯源方法。构建污染物溯源模型算法，能够根据智能井盖监测数据自动、快速定位污染物排放位置。污染物溯源方法的算法步骤（图5）是：3-1获取所有水质超警的智能井盖；3-2逐一选取超警的智能井盖，获取该监测井可能流经的每条路径作为疑似污染路径；3-3遍历每条疑似污染路径的所有智能井盖；提取每个监测点位的监测数据；将每个监测点位的近一段时间（比如2小时，约24条数据）水质数据提取出来，存在数据梯度变化较大（梯度变化超过设定的具体阈值，这个阈值的设定，可以根据当地具体情况而定），且路径最远（树的遍历深度最大）的路径为排污路径；3-4研判每个时间序列的变化梯度最大的时间位置（如水质监测指标开始超标的时间点），可以基本判定污染物排放位置在最先发生数据突变的监测点位以上位置；3-5重复步骤3-2~3-4直至所有的超警的监测装置处理完成。
24.污染物溯源方法分析出来的结果位置为一个范围，但相对于人工方法非常高效，相对于单纯监测位点预警的方法要准确（考虑了污染物在水体中的迁移）。分析的结果和相关数据存储下来，可提供可视化分析，从而进一步人工判定污染物排放的位置。
25.本实施例步骤4）污染物溯源结果进行可视化展示。可视化展示将污染物排放的位置在地图是标识出来，或者将相关数据以图表的形式展示出来（如图6所示）,从而进一步进行人工判定，以确定污染物排放的位置，及安排人员及时去现场处理。可视化分析结果可以保存为图文资料，作为后期污染物偷排、超排执法的依据。
26.本发明排水管网污染物溯源方法在本单位开发的智慧排水管网平台中试用，用于工业园区污染物溯源，主要监测金属制品企业的酸洗业的超排、偷排现象，可快速定位偷排、超排企业，并进行证据固定和政法纠正及处罚。同时，也应用到城乡结合部的部分排水管网污染物溯源，主要监测偷排现象，可以快速定位，并安排人员到现场制止和执法。排水管网污染物溯源装置和方法可以及时发现及定位污染排放现象，为污水处理厂及时进行污水调度提供了信息支撑。
27.上述的实施方式仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实例以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。
28.最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种排水管网污染物溯源方法，其特征在于：包括以下步骤：1）在排水管网的关键位点布置水质监测装置采集各位点的水质时序数据：所述关键位点包括：排水口、检查井及排水管网交叉处；2）利用排水管网的基础数据构建排水管网树状拓扑关系结构图：所述基础数据包括污水处理厂、排水口、检查井、管路的位置、连接关系及水流方向；所述树网拓扑关系结构图中以污水处理厂或某个排水口为根节点，以其他排水口、各检查井及排水管网交叉处为非根节点，根节点没有父节点，非根节点有且只有一个父节点；3）依据所述树网拓扑关系结构图构建污染物溯源方法，并进行水流路径分析和水质时序数据梯度分析，判定污染物排放位置范围；4）进行污染物溯源结果查看和可视化展示。2.根据权利要求1所述的排水管网污染物溯源方法,其特征在于：步骤1）中所述水质时序数据的指标包括ph、cod、bod中任意一种或几种。3.根据权利要求1所述的排水管网污染物溯源方法,其特征在于：步骤1）中所述水质监测装置为水质监测智能井盖装置。4.根据权利要求1所述的排水管网污染物溯源方法,其特征在于：步骤2）中拓扑关系结构图的构建步骤为：2-1.选取根节点，作为建立拓扑关系的起点；2-2.以根节点作为流入点，根据水流方向信息找出所有流向该根节点的节点，判断流向该根节点的节点是否已经在树形拓扑关系中，如果不存在则加入新的流入队列；2-3.将新的流入队列中的节点作为流入点，重复步骤2-2直至没有新的节点；2-4.存储拓扑关系数据到数据库或文件中备用。5.根据权利要求1所述的排水管网污染物溯源方法,其特征在于：步骤3）的具体步骤为：3-1.获取所有水质超警的水质监测装置；3-2逐一选取超警的水质监测装置，获取该监测装置所在点位可能流经的每条路径作为疑似污染路径；3-3.遍历每条疑似污染路径的所有水质监测装置，并提取其每个监测点位的监测数据，将每个监测点位在一定时间段内的水质数据提取出来，存在数据梯度变化超过设定阈值，且路径最远的路径判断为排污路径；3-4研判每个时间序列的变化梯度最大的时间位置，判定污染物排放位置在最先发生数据突变的监测点位上游范围；3-5重复步骤3-2~3-4直至所有的水质超警的监测装置处理完成。6.根据权利要求1所述的排水管网污染物溯源方法,其特征在于：步骤4）可视化展示将污染物排放的位置在地图上标识出来，或者将相关数据以图表的形式展示出来,进一步进行人工判定，以确定污染物排放的位置。
技术总结本发明公开了一种排水管网污染物溯源方法,包括以下步骤：1）在排水管网的关键位点布置水质监测装置采集各位点的水质时序数据；2）利用排水管网的基础数据构建排水管网树状拓扑关系结构图；3）依据树网拓扑关系结构图构建污染物溯源方法，并进行水流路径分析和水质时序数据梯度分析，判定污染物排放位置范围；4）进行污染物溯源结果查看和可视化展示。通过该方法可以快速识别排水管网中的污染物异常排放和定位污染物排放疑似位置，为排水管网管理提供有效工具。提供有效工具。提供有效工具。
技术研发人员：陈胜 姜晓明 张晓蕾 臧文斌 刘建刚 黄诗峰
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2022/7/5
