基于水質(zhì)改善的補水人工湖優(yōu)化調(diào)度研究

來源：http://www.xfzhuw.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：2019-07-09

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

　　【關(guān)鍵詞】水質(zhì)改善 優(yōu)化調(diào)度 水力調(diào)控 調(diào)度策略 水動力水質(zhì)模型

　　引言

　　水利工程調(diào)度的本質(zhì)是對水的調(diào)配，通過閘門、泵站等水工建筑，對目標(biāo)水域的水體進行控制，并按照人類的需求進行再分配。傳統(tǒng)的水利工程往往過于重視防洪和興利需求，而忽視了水生態(tài)系統(tǒng)自身的需求。兼顧生態(tài)的白云湖水利工程優(yōu)化調(diào)度研究旨在：基于生態(tài)水力學(xué)和優(yōu)化計算的基礎(chǔ)理論，對水利工程在滿足人類需求的同時亦滿足水生態(tài)系統(tǒng)需求的運行調(diào)度模式進行探討;通過樞紐工程水域水動力的調(diào)控，促進白云湖健康生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建;通過調(diào)度參數(shù)的優(yōu)化，在實現(xiàn)白云湖補水景觀功能、生態(tài)功能的同時，節(jié)省運行成本，達到節(jié)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(qū)，是二十一世紀以后該市建設(shè)的第一個人工湖，屬民生治水項目。白云湖有著六脈清源廣場、林蔭廣場、如蔭草坪和休閑中心等供市民游樂的地方，在白云湖的東南還配套有籃球場、網(wǎng)球場等體育休閑場所。 同時，在“綠道”中無論是跑步還是騎車都別有一番景致。東湖一圈長達4公里，讓游客在全年綠意盎然的環(huán)中運動。 此外，周邊將設(shè)置籃球場、網(wǎng)球場等球類運動場所，在適當(dāng)區(qū)域擺放休閑運動設(shè)施。東西兩湖中的小島還為垂釣愛好者設(shè)置了垂釣區(qū)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(qū)內(nèi)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，匯合新市涌后稱增埗河流入珠江西航道。干流長19.35公里，流域內(nèi)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(qū)北部人口密集的區(qū)域內(nèi)，該河涌成為排污河道，河流污染嚴重，近年開始對石井河流域進行截污、清淤工程。2013年4月，廣佛跨界區(qū)域水污染整治工作現(xiàn)場會決定從2013年開始進行整治，實施“河長”責(zé)任制。

　　白云湖水質(zhì)改善及生態(tài)修復(fù)項目將引水渠和白云湖作為凈化反應(yīng)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(jié)合的修復(fù)治理方案。該項目主要包括人工干預(yù)措施修復(fù)及水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建示范兩部分。人工干預(yù)措施主要包括碳素纖維生態(tài)草、微納米曝氣、生態(tài)浮床、太陽能動水除藻機。水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建示范區(qū)位于東湖東南角小島南側(cè)部分水域，包括水生植物群落構(gòu)建、水生動物群落構(gòu)建、生物操縱和食物網(wǎng)構(gòu)建等內(nèi)容。

　　2 水動力水質(zhì)模型搭建

　　采用MIKE21的FM模擬引擎(有限元網(wǎng)格)搭建二維水動力模型模擬湖流過程，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(jié)構(gòu)網(wǎng)格，精確擬合白云湖不規(guī)則的岸線，共4353個，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月的實測地形數(shù)據(jù)，網(wǎng)格及地形概化情況見圖1。

　　在水動力模型計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建二維水質(zhì)數(shù)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)等幾大主要過程。

　　3 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度

　　3.1 調(diào)度參數(shù)選取

　　從工程調(diào)度和水力調(diào)控，樞紐工程設(shè)計的調(diào)度參數(shù)組成主要分三部分：

　　廣和泵站----涉及調(diào)度參數(shù)包括：引水量、引水時機、引水時長、開泵數(shù);

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

　　石井河水閘泵站----開閘時機、關(guān)閘時機、閘門控制開度、泵站補水量、泵站補水時機及補水時長。

　　除了蓄洪排澇的功能，白云湖日常的功能主要有補水、景觀、生態(tài)，同時作為一項市政工程，在實現(xiàn)既有功能的前提下，節(jié)省開支達到節(jié)能生態(tài)也是調(diào)度管理亟需實現(xiàn)的重要目標(biāo)。因此，白云湖優(yōu)化調(diào)度的考量目標(biāo)主要有以下4點：

　　1)周邊河涌(主要是石井河)補水效果;

　　2)白云湖景觀;

　　3)水質(zhì)改善因素及生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建因素;

　　4)節(jié)能生態(tài)。

　　基于以上四個調(diào)度考量目標(biāo)，結(jié)合工程運行經(jīng)驗，總結(jié)出白云湖優(yōu)化調(diào)度的一些調(diào)度策略：

　　A. 對石井河補水，從水體利用性價比的角度，低潮位時特別是退潮時補水，對石井河水景觀改善效果最明顯(補水效果);

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

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

　　D. 白云湖應(yīng)避免水體大進大出，以增加水體停留時間，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(jù)不同的實際情況，通過調(diào)整細分邊界組合，對白云湖進行水力調(diào)控，以實現(xiàn)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(qū)水位，減少因湖區(qū)水位低于石井河水位而需要開啟石井河泵站補水的時間，以達到節(jié)能生態(tài)的目的(節(jié)能);

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

　　3.2 優(yōu)化模型構(gòu)建及模型求解 　　基于上節(jié)分析，我們得到四個考量目標(biāo)。其中，某些已經(jīng)能定量的考量目標(biāo)，我們在模型中，將設(shè)為約束條件，如景觀水位不小于0.5m，白云湖對石井河的補水量汛期不小于40萬m3、非汛期不小于80萬m3等。由于現(xiàn)階段仍缺少足夠的周邊河涌的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，難以對白云湖對周邊河涌的補水效果進行量化處理，因此補水效果不作為目標(biāo)函數(shù)，而只在需要強調(diào)補水效果的計算中，將其設(shè)為一個對石井河水閘、泵站補水時機的約束條件。而生態(tài)功能實現(xiàn)效果仍無法通過模型用直接的數(shù)值來量化表達，因此只能通過水力條件(主要是水深)的相關(guān)性來衡量調(diào)度方案在實現(xiàn)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(fù)綜合試驗的需要，優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建確定以下三個目標(biāo)函數(shù)：水質(zhì)目標(biāo)函數(shù)(Z)、水動力目標(biāo)函數(shù)(H)、經(jīng)濟成本目標(biāo)函數(shù)(E)。

　　白云湖優(yōu)化調(diào)度模型目標(biāo)函數(shù)及其約束條件如下：

　　其中，F(xiàn)為白云湖優(yōu)化調(diào)度總函數(shù)， 為給個各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重;Z為水質(zhì)改善目標(biāo)函數(shù)， 為給予水質(zhì)改善子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重;H為水力條件改善目標(biāo)函數(shù)， 為給予水力條件改善子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重;E為經(jīng)濟成本目標(biāo)函數(shù)， 為給予經(jīng)濟成本子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重;Qu為廣和泵站補水量，tu為廣和泵站開機時間，Qd為白云湖對周邊河涌的補水量，td為開閘補水時間，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?yún)R出差量， 為白云湖自身水量變化量。

　　為了充分利用現(xiàn)代系統(tǒng)分析理論方法處理復(fù)雜問題的優(yōu)越性，兼受模型高精度模擬計算的優(yōu)點，優(yōu)化調(diào)度模型與水動力水質(zhì)模型之間采用交互連接方式，即：首先擬定若干個水動力水質(zhì)模擬方案，通過模擬模型和優(yōu)化模型的耦合進行計算結(jié)果獲取，根據(jù)曲線生成技術(shù)找出最優(yōu)解，最后確定系統(tǒng)多目標(biāo)最優(yōu)的調(diào)度方案。

　　3.3 調(diào)度評價

　　由表2可以看出，最優(yōu)調(diào)度方案(方案四)在水質(zhì)、水動力、經(jīng)濟成本三個方面均有不錯的表現(xiàn)。方案四的調(diào)度操作采用的大流量引水的調(diào)度策略，該策略保證了湖區(qū)水體具有一定的水動性，而在漲潮期對石井河補水，并采用較小開度的補水方式，在一定程度上又避免了大引大出所造成的強水體交換，較長的水體交換時間使得人工水質(zhì)改善措施的效用能得到發(fā)揮。而且方案四滯水區(qū)面積與水動性最強的方案一相差不大，證明此調(diào)度方案下，湖區(qū)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是有益的。

　　5 結(jié)論

　　結(jié)合水量、水位、水深等水力因素的調(diào)控，和水生生物群落的內(nèi)在需求，總結(jié)工程運行經(jīng)驗，構(gòu)建以水質(zhì)目標(biāo)函數(shù)(Z)、水動力目標(biāo)函數(shù)(H)、經(jīng)濟成本目標(biāo)函數(shù)(E)三個目標(biāo)函數(shù)的白云湖優(yōu)化調(diào)度多目標(biāo)模型，并通過結(jié)合模型計算和優(yōu)化計算，得到白云湖最優(yōu)調(diào)度方案。

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