基于水質(zhì)改善的補水人工湖優(yōu)化調度研究

來(lái)源：http://www.thesierramadre.com/ 作者：余氯檢測儀 時(shí)間：2019-07-09

　　【摘要】基于水質(zhì)改善的補水人工湖優(yōu)化調度研究以白云湖水利工程生態(tài)修復試驗及工程引清調水為依托，結合白云湖生態(tài)水利工程的實(shí)際需要，確定樞紐工程給予不同調度目標的調度策略;在工程調度中引入水質(zhì)改善效果指標、水力條件指標和經(jīng)濟效益指標，構建白云湖多目標優(yōu)化模型，并結合白云湖二維水動(dòng)力、水質(zhì)模擬，結合不同的調度目標對工程調度方案進(jìn)行優(yōu)化，最后制定一套科學(xué)、先進(jìn)、有效的白云湖調度規則。

　　【關(guān)鍵詞】水質(zhì)改善 優(yōu)化調度 水力調控 調度策略 水動(dòng)力水質(zhì)模型

　　引言

　　水利工程調度的本質(zhì)是對水的調配，通過(guò)閘門(mén)、泵站等水工建筑，對目標水域的水體進(jìn)行控制，并按照人類(lèi)的需求進(jìn)行再分配。傳統的水利工程往往過(guò)于重視防洪和興利需求，而忽視了水生態(tài)系統自身的需求。兼顧生態(tài)的白云湖水利工程優(yōu)化調度研究旨在：基于生態(tài)水力學(xué)和優(yōu)化計算的基礎理論，對水利工程在滿(mǎn)足人類(lèi)需求的同時(shí)亦滿(mǎn)足水生態(tài)系統需求的運行調度模式進(jìn)行探討;通過(guò)樞紐工程水域水動(dòng)力的調控，促進(jìn)白云湖健康生態(tài)系統的構建;通過(guò)調度參數的優(yōu)化，在實(shí)現白云湖補水景觀(guān)功能、生態(tài)功能的同時(shí)，節省運行成本，達到節能生態(tài)的目的。

　　1 工程概況

　　廣州白云湖位于廣州市白云區，是二十一世紀以后該市建設的第一個(gè)人工湖，屬民生治水項目。白云湖有著(zhù)六脈清源廣場(chǎng)、林蔭廣場(chǎng)、如蔭草坪和休閑中心等供市民游樂(lè )的地方，在白云湖的東南還配套有籃球場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)等體育休閑場(chǎng)所。 同時(shí)，在“綠道”中無(wú)論是跑步還是騎車(chē)都別有一番景致。東湖一圈長(cháng)達4公里，讓游客在全年綠意盎然的環(huán)中運動(dòng)。 此外，周邊將設置籃球場(chǎng)、網(wǎng)球場(chǎng)等球類(lèi)運動(dòng)場(chǎng)所，在適當區域擺放休閑運動(dòng)設施。東西兩湖中的小島還為垂釣愛(ài)好者設置了垂釣區域。 湖邊還有游船項目，可以乘坐游船體驗一下人工湖的魅力。

　　石井河位于廣東省廣州市，是白云區內的一條河涌。石井河北起石馬涌，流經(jīng)新市街道均和、石井街道夏茅，匯入鶴邊涌經(jīng)石井、潭村至鵝掌坦，匯合新市涌后稱(chēng)增埗河流入珠江西航道。干流長(cháng)19.35公里，流域內主要支涌有24條，集水面積38平方公里。上游寬1至2米，中游寬30至50米，下游寬80至100米。由于石井河位于白云區北部人口密集的區域內，該河涌成為排污河道，河流污染嚴重，近年開(kāi)始對石井河流域進(jìn)行截污、清淤工程。2013年4月，廣佛跨界區域水污染整治工作現場(chǎng)會(huì )決定從2013年開(kāi)始進(jìn)行整治，實(shí)施“河長(cháng)”責任制。

　　白云湖水質(zhì)改善及生態(tài)修復項目將引水渠和白云湖作為凈化反應器，即以原位凈化技術(shù)為支撐，采取物理與生物工程措施相結合的修復治理方案。該項目主要包括人工干預措施修復及水生態(tài)系統構建示范兩部分。人工干預措施主要包括碳素纖維生態(tài)草、微納米曝氣、生態(tài)浮床、太陽(yáng)能動(dòng)水除藻機。水生態(tài)系統構建示范區位于東湖東南角小島南側部分水域，包括水生植物群落構建、水生動(dòng)物群落構建、生物操縱和食物網(wǎng)構建等內容。

　　2 水動(dòng)力水質(zhì)模型搭建

　　采用MIKE21的FM模擬引擎(有限元網(wǎng)格)搭建二維水動(dòng)力模型模擬湖流過(guò)程，并綜合考慮風(fēng)力、降雨、蒸發(fā)、柯氏力等因素的綜合作用。模型采用三角形非結構網(wǎng)格，精確擬合白云湖不規則的岸線(xiàn)，共4353個(gè)，平均網(wǎng)格大小約為80m2，計算范圍為白云湖東西湖及濕地，模型地形采用2012年6月的實(shí)測地形數據，網(wǎng)格及地形概化情況見(jiàn)圖1。

　　在水動(dòng)力模型計算結果的基礎上，構建二維水質(zhì)數學(xué)模型，模擬污染物在白云湖中的物理、生物、化學(xué)和自然降解等過(guò)程對水質(zhì)的影響。模擬的水質(zhì)要素包括BOD5、DO、氨氮、硝酸氮、磷酸鹽。水質(zhì)模型理論源于CE-QUAL-ICM水質(zhì)模型(Cerco and Cole 1995)，主要包括碳循環(huán)、氮循環(huán)、磷循環(huán)以及溶解氧循環(huán)等幾大主要過(guò)程。

　　3 多目標優(yōu)化調度

　　3.1 調度參數選取

　　從工程調度和水力調控，樞紐工程設計的調度參數組成主要分三部分：

　　廣和泵站----涉及調度參數包括：引水量、引水時(shí)機、引水時(shí)長(cháng)、開(kāi)泵數;

　　白云湖----起調水位、最低控制水位、最高控制水位、景觀(guān)水位;

　　石井河水閘泵站----開(kāi)閘時(shí)機、關(guān)閘時(shí)機、閘門(mén)控制開(kāi)度、泵站補水量、泵站補水時(shí)機及補水時(shí)長(cháng)。

　　除了蓄洪排澇的功能，白云湖日常的功能主要有補水、景觀(guān)、生態(tài)，同時(shí)作為一項市政工程，在實(shí)現既有功能的前提下，節省開(kāi)支達到節能生態(tài)也是調度管理亟需實(shí)現的重要目標。因此，白云湖優(yōu)化調度的考量目標主要有以下4點(diǎn)：

　　1)周邊河涌(主要是石井河)補水效果;

　　2)白云湖景觀(guān);

　　3)水質(zhì)改善因素及生態(tài)系統構建因素;

　　4)節能生態(tài)。

　　基于以上四個(gè)調度考量目標，結合工程運行經(jīng)驗，總結出白云湖優(yōu)化調度的一些調度策略：

　　A. 對石井河補水，從水體利用性?xún)r(jià)比的角度，低潮位時(shí)特別是退潮時(shí)補水，對石井河水景觀(guān)改善效果最明顯(補水效果);

　　B. 白云湖水位水面率，白云湖在[0，1]水位區間里，水位-水域面積曲線(xiàn)的拐點(diǎn)為0.5m，因此為了不影響水景觀(guān)，白云湖景觀(guān)水位不宜不低于0.5m(景觀(guān));

　　C. 白云湖現階段仍處于水生態(tài)系統構建的初級階段，為了利于沉水植物的生長(cháng)，在不影響景觀(guān)的前提下，白天湖區白天水位應盡量降低，以增加湖底的透光率(水質(zhì)生態(tài));

　　D. 白云湖應避免水體大進(jìn)大出，以增加水體停留時(shí)間，充分發(fā)揮人工水質(zhì)改善措施的作用(水質(zhì)生態(tài));

　　E. 根據不同的實(shí)際情況，通過(guò)調整細分邊界組合，對白云湖進(jìn)行水力調控，以實(shí)現白云湖水質(zhì)改善效果最大化(水質(zhì)生態(tài));

　　F. 在允許的情況下，盡量抬高湖區水位，減少因湖區水位低于石井河水位而需要開(kāi)啟石井河泵站補水的時(shí)間，以達到節能生態(tài)的目的(節能);

　　以上某些調度策略存在矛盾的情況，如：降低湖區水位有利于沉水植物生長(cháng)，但太低則會(huì )影響白云湖景觀(guān)，同時(shí)也增大石井河泵站潛在的開(kāi)泵補水時(shí)間;白云湖對石井河的最佳補水效果應該是在低潮位時(shí)大流量補水等。因此，為了在眾多矛盾中找到一個(gè)平衡點(diǎn)，我們需要最優(yōu)化計算理論，構建白云湖多目標優(yōu)化模型，幫助我們確定白云湖在多目標下的最優(yōu)調度方案。

　　3.2 優(yōu)化模型構建及模型求解 　　基于上節分析，我們得到四個(gè)考量目標。其中，某些已經(jīng)能定量的考量目標，我們在模型中，將設為約束條件，如景觀(guān)水位不小于0.5m，白云湖對石井河的補水量汛期不小于40萬(wàn)m3、非汛期不小于80萬(wàn)m3等。由于現階段仍缺少足夠的周邊河涌的基礎數據，難以對白云湖對周邊河涌的補水效果進(jìn)行量化處理，因此補水效果不作為目標函數，而只在需要強調補水效果的計算中，將其設為一個(gè)對石井河水閘、泵站補水時(shí)機的約束條件。而生態(tài)功能實(shí)現效果仍無(wú)法通過(guò)模型用直接的數值來(lái)量化表達，因此只能通過(guò)水力條件(主要是水深)的相關(guān)性來(lái)衡量調度方案在實(shí)現生態(tài)功能上的效果。

　　因此，基于白云湖水利工程的功能及白云湖生態(tài)修復綜合試驗的需要，優(yōu)化調度模型構建確定以下三個(gè)目標函數：水質(zhì)目標函數(Z)、水動(dòng)力目標函數(H)、經(jīng)濟成本目標函數(E)。

　　白云湖優(yōu)化調度模型目標函數及其約束條件如下：

　　其中，F為白云湖優(yōu)化調度總函數， 為給個(gè)各目標函數的權重;Z為水質(zhì)改善目標函數， 為給予水質(zhì)改善子目標函數的權重;H為水力條件改善目標函數， 為給予水力條件改善子目標函數的權重;E為經(jīng)濟成本目標函數， 為給予經(jīng)濟成本子目標函數的權重;Qu為廣和泵站補水量，tu為廣和泵站開(kāi)機時(shí)間，Qd為白云湖對周邊河涌的補水量，td為開(kāi)閘補水時(shí)間，Wb為白云湖水位，Wb為白云湖水位，Ws為石井河水位(外江潮位);Qs為白云湖對石井河的補水量，Qsp為石井河

　　泵站開(kāi)泵補水量， 則為除了石井河外，白云湖對其他河涌的補水量; 為白云湖的降雨水量， 為白云湖的蒸發(fā)水量， 為白云湖與地下水匯入匯出差量， 為白云湖自身水量變化量。

　　為了充分利用現代系統分析理論方法處理復雜問(wèn)題的優(yōu)越性，兼受模型高精度模擬計算的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化調度模型與水動(dòng)力水質(zhì)模型之間采用交互連接方式，即：首先擬定若干個(gè)水動(dòng)力水質(zhì)模擬方案，通過(guò)模擬模型和優(yōu)化模型的耦合進(jìn)行計算結果獲取，根據曲線(xiàn)生成技術(shù)找出最優(yōu)解，最后確定系統多目標最優(yōu)的調度方案。

　　3.3 調度評價(jià)

　　由表2可以看出，最優(yōu)調度方案(方案四)在水質(zhì)、水動(dòng)力、經(jīng)濟成本三個(gè)方面均有不錯的表現。方案四的調度操作采用的大流量引水的調度策略，該策略保證了湖區水體具有一定的水動(dòng)性，而在漲潮期對石井河補水，并采用較小開(kāi)度的補水方式，在一定程度上又避免了大引大出所造成的強水體交換，較長(cháng)的水體交換時(shí)間使得人工水質(zhì)改善措施的效用能得到發(fā)揮。而且方案四滯水區面積與水動(dòng)性最強的方案一相差不大，證明此調度方案下，湖區水體混合較為均勻。另外，方案四白天水深值較低，此種情況對于白云湖的沉水植物生長(cháng)是有益的。

　　5 結論

　　結合水量、水位、水深等水力因素的調控，和水生生物群落的內在需求，總結工程運行經(jīng)驗，構建以水質(zhì)目標函數(Z)、水動(dòng)力目標函數(H)、經(jīng)濟成本目標函數(E)三個(gè)目標函數的白云湖優(yōu)化調度多目標模型，并通過(guò)結合模型計算和優(yōu)化計算，得到白云湖最優(yōu)調度方案。

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