南四湖截污導(dǎo)流工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度運行研究

劉遠(yuǎn)書，杜 婷，黃躍飛，王 玥，柏 睿

(1.武漢大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院 ，湖北武漢 430072;2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

南水北調(diào)東線工程成敗的關(guān)鍵在治污。東線一期規(guī)劃實施截污導(dǎo)流工程共25項，其中江蘇省境內(nèi)4項、山東省境內(nèi)21項。由于南四湖區(qū)域位置重要［1］，污染嚴(yán)重，這一地區(qū)為南水北調(diào)東線一期工程治污重點，在已批復(fù)的山東省境內(nèi)21項截污導(dǎo)流工程中，南四湖流域項目就達(dá)到16項。截污導(dǎo)流工程是東線工程治污“治、用、?！斌w系中污染綜合防治體系的重要組成部分，其主要作用是將污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放的下泄尾水分別導(dǎo)向回用處理設(shè)施、農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施和擇段排放設(shè)施。這些設(shè)施在干線調(diào)水期可以減少污染物入干線量，保證干線水質(zhì)穩(wěn)定，達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。完工后的工程參與南四湖入湖河流水量聯(lián)合調(diào)度，根據(jù)各河流水質(zhì)、水量以及用水需求進行水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度，使污染物在調(diào)水期不進入或少進入南四湖，改善南四湖水質(zhì)，對于確保南水北調(diào)東線工程輸水期水質(zhì)安全具有重要的意義。

目前，許多水資源工作者在水量水質(zhì)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方面做了大量工作。例如宋剛福等［2］針對城市河流河道淤堵、水質(zhì)惡化、生態(tài)環(huán)境破壞等問題，建立了基于生態(tài)的城市河流水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型，并應(yīng)用于鄭州市七里河水系的閘壩生態(tài)調(diào)度;張永勇等［3］以淮河流域SWAT水文模型和相鄰閘壩間的水量水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，研究分析沙潁河閘壩開啟污水下泄對淮河干流下游水質(zhì)的影響;劉玉年等［4］針對淮河中游的特點，建立了淮河中游水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型;Azevedo等［5］以QUAL2E-UNCAS水質(zhì)模型和MODSIM仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，研究了水質(zhì)水量耦合模型在流域規(guī)劃中的應(yīng)用;Li等［6］運用水量水質(zhì)耦合模型模擬評價了扎龍濕地的自凈能力;裘驊勇［7］等建立了杭嘉湖一維河網(wǎng)水量水質(zhì)聯(lián)合數(shù)學(xué)模型，反映了杭嘉湖地區(qū)的水流運動狀況和水質(zhì)變化情況;唐迎粥等［8］利用崇明島河網(wǎng)兩次調(diào)水試驗的水文水質(zhì)同步監(jiān)測資料，分析了崇明島調(diào)水試驗水量水質(zhì)的變化。前人的這些研究為水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的開展奠定了一定的基礎(chǔ)，但目前尚未有對南四湖流域主要入湖河流16項截污導(dǎo)流工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度開展深入研究的報道。

有關(guān)南四湖方面的研究還主要集中在南四湖水環(huán)境問題及根源剖析、湖區(qū)水質(zhì)模擬模型等方面。例如，徐敏［9］以南四湖為研究對象，系統(tǒng)地研究了基于復(fù)雜性理論的河湖環(huán)境系統(tǒng)建模的新理論、新方法;路成剛［10］、和慧［11］分別運用WASP7.3和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對南四湖主要污染物的分布規(guī)律與分布特征進行模擬研究，預(yù)測了南四湖加大治污力度后非調(diào)水期和調(diào)水期湖泊的水環(huán)境質(zhì)量;趙世新等［12］通過建立南四湖三維水力調(diào)配和水質(zhì)模型，模擬了南水北調(diào)東線工程一個完整調(diào)水期對南四湖水質(zhì)的影響。而南四湖流域在年內(nèi)不同時段、各入湖河流來水情況、水量與水質(zhì)以及用水需求均不相同，各截污導(dǎo)流工程的控污能力也不相同。因此，有必要探索各截污導(dǎo)流工程的高效運行調(diào)度方案以提高其控污能力和效果。

1 南四湖截污導(dǎo)流工程水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方法

1.1 水量水質(zhì)平衡方程

根據(jù)現(xiàn)有的截污導(dǎo)流工程設(shè)計，截污導(dǎo)流工程各控污單元運行調(diào)度管理過程中涉及的主要水情參數(shù)包括各區(qū)間逐月天然徑流量、引黃入河量、中水排放量、灌溉用水量、攔蓄庫容等。依據(jù)這些水情數(shù)據(jù)，建立各控污單元的水量水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系。本研究中，由于缺少相應(yīng)的河道信息，在確定水量水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系時假定各個閘的區(qū)間段內(nèi)水質(zhì)混合均勻。此外，在運行調(diào)度分析中沒有考慮水流演進的時間效應(yīng)。

a.閘前水量平衡。截污導(dǎo)流工程各子單元閘前月末水量平衡方程如下:

式中:Q月末——該月需要攔蓄的水量;Q引黃水——該月控污單元上游引黃水量;Q徑流——該月區(qū)間天然徑流量;Q中水——該月區(qū)間內(nèi)排入的中水量;Q上級棄水——上一級閘壩的下泄水量;Q灌溉水——該控制區(qū)間內(nèi)當(dāng)月灌溉用水量;Q蒸發(fā)——當(dāng)月該區(qū)間的蒸發(fā)量;Q損失——當(dāng)月由于滲漏等造成的水量損失;Q棄水——當(dāng)前攔蓄閘的當(dāng)月下泄水量;Q上月庫容——上月末所用庫容;Q月末庫容——該月末所占用庫容。若Q月末為正值，說明該控制區(qū)間總來水量大于用水量與損失量之和，若需要控制下泄流量，則需要利用剩余庫容，若剩余庫容不夠則必須棄水。

b.閘前段水質(zhì)。在獲得各閘前月末水量后，可根據(jù)入河水中以及上游來水的污染物(COD，NH3-N)質(zhì)量濃度，計算當(dāng)前控制區(qū)間段的月末閘前污染物濃度。假定天然徑流中的污染物可以忽略不計，計算公式如下:式中:C月末COD——月末COD質(zhì)量濃度;C月末NH3-N——月末NH3-N質(zhì)量濃度;kc——COD在河道中的天然衰減系數(shù);kn——NH3-N在河道中的天然衰減系數(shù)。

1.2 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度基本原則和算法

根據(jù)截污導(dǎo)流工程的控污減排目標(biāo)，確定南四湖截污導(dǎo)流優(yōu)化調(diào)度運行的基本原則如下:(a)以滿足截污導(dǎo)流工程規(guī)劃控制目標(biāo)為第一原則;(b)下泄水量、污染總量允許排放量、達(dá)標(biāo)排放3個目標(biāo)兼顧;(c)盡量利用攔蓄滿足灌溉回用水量需求;(d)輸水期目標(biāo)滿足的前提下兼顧減少汛期下泄污染目標(biāo)。

根據(jù)截污導(dǎo)流工程運行管理的目標(biāo)和調(diào)度原則，在截污導(dǎo)流工程末端控制閘壩斷面水質(zhì)若達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，則下泄水量，確保有足夠的剩余可利用庫容，以應(yīng)對系統(tǒng)的變化。當(dāng)閘壩前水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時，則盡量利用剩余庫容攔蓄，在確保下泄水量達(dá)標(biāo)的同時，最終達(dá)到下泄污染負(fù)荷最小。以三級控制子單元截污導(dǎo)流工程為例，描述水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度思路如下:

a.首先根據(jù)水量水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系計算控制區(qū)段內(nèi)水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)，若不達(dá)標(biāo)則進入b，若達(dá)標(biāo)則進入c。

b.判斷當(dāng)前庫容和灌溉用水情況下是否存在被迫棄水。若無被迫棄水則計算當(dāng)前剩余庫容;若有被迫棄水則計算下泄水量，并將其作為第二級控制子單元的上游棄水量，進入d。

c.下泄全部水量，作為第二級控制子單元的上游棄水量，進入d。

d.判斷上游棄水后第二級控制子單元區(qū)段內(nèi)水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。若不達(dá)標(biāo)則進入e;若達(dá)標(biāo)則進入g。

e.判斷是否存在被迫棄水。若存在被迫棄水，則調(diào)整第一級控制子單元下泄水量，充分利用第一級庫容，重新計算下泄水量，進入f。

f.判斷調(diào)整第一級控制子單元下泄水量后第二級控制子單元是否存在被迫棄水。若存在被迫棄水則計算棄水量，作為第三級控制子單元的上游棄水量，進入j。若不存在被迫棄水則直接進入g。

g.下泄第二級控制子單元全部水量，作為第三級控制子單元的上游棄水量，進入h。

h.判斷上游棄水后第三級控制子單元區(qū)段內(nèi)水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)。若不達(dá)標(biāo)則進入i;若達(dá)標(biāo)進入j。

i.計算第三級控制子單元是否存在被迫棄水。若存在被迫棄水，則調(diào)整上級的所有控制子單元(優(yōu)先利用上游庫容)，使進入第三級控制子單元的棄水量最小，從而調(diào)整上游各級控制單元的下泄水量和當(dāng)前庫容，進入k。若不存在被迫棄水則直接進入j。

j.在滿足灌溉需求的前提下，下泄水量，使得可利用調(diào)蓄庫容最大，進入k。

k.計算和保存各級控制子單元的當(dāng)前庫容。

以上 a，b，c 為第一級控制子單元;d，e，f，g 為第二級控制子單元;h，i，j，K為第三級控制子單元。

對每個攔蓄閘輸水期(當(dāng)年10月至翌年5月)的每個調(diào)度時段依次進行調(diào)蓄，以確保聯(lián)合調(diào)度的時間和空間聯(lián)系的正確性。

2 水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度效果分析案例

2.1 菏澤市東魚河截污導(dǎo)流工程概況

東魚河是在山東菏澤境內(nèi)注入南四湖的一條重要支流。東魚河截污導(dǎo)流工程的任務(wù)是在南水北調(diào)東線第一期工程輸水期間，利用已有和新建的攔蓄工程攔蓄城鎮(zhèn)污水處理廠和工業(yè)企業(yè)達(dá)標(biāo)排放的中水4749.6萬m3，通過中水灌溉回用，減少COD入河量4624.6 t，減少NH3-N入河量323.1 t，使下泄的COD不超過431.4 t，NH3-N不超過5.33 t，滿足治污規(guī)劃和治污控制單元規(guī)定的控制指標(biāo)要求。

2.2 優(yōu)化調(diào)度效果分析

原有設(shè)計方案下，東魚河截污導(dǎo)流工程末端下泄水量、水質(zhì)見表1。從表1可以看出，輸水期被迫下泄的水，除了4月、5月基本接近Ⅲ類水外，其他月份都超過地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要為NH3-N超標(biāo)。輸水期共下泄水量1454.7萬m3，其中COD總量為199.56 t，NH3-N總量為19.34 t。

表1 東魚河截污導(dǎo)流工程原設(shè)計調(diào)蓄方案末端下泄水量、水質(zhì)Table 1 Discharged water quantity and quality under originally designed scenario for PPWD Project for Dongyu River

利用建立的水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度方法對東魚河截污導(dǎo)流工程的調(diào)度方案進行優(yōu)化，結(jié)果見表2。從表2可以看出，凡是污染物質(zhì)量濃度大幅度超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的月份，都利用攔蓄閘的庫容盡量存儲，控制COD和NH3-N的排放量，在輸水期只有2月份有1次達(dá)標(biāo)主動棄水和4月份未達(dá)標(biāo)被迫棄水。整個輸水期污染物下泄總量和污染物平均質(zhì)量濃度顯著降低。輸水期共下泄水量1298.38萬m3，其中COD總量為103.09t，NH3-N總量為11.22 t。與原設(shè)計方案相比，優(yōu)化方案下污染物的排放總量明顯減少，優(yōu)化調(diào)度效果十分明顯。

表2 東魚河截污導(dǎo)流工程設(shè)計優(yōu)化調(diào)度后末端下泄水量水質(zhì)Table 2 Discharged water quantity and quality after optimal regulation of PPWD Project for Dongyu River

2.3 不同來水和用水條件下的敏感性分析

共設(shè)置7種不同來水和用水情景:天然徑流量為原設(shè)計方案的1.2倍、0.8倍;引黃水量為原設(shè)計方案的1.2倍、0.8倍;灌溉用水量為原設(shè)計方案的1.2倍、0.8倍和0.6倍。分別討論在原調(diào)度方案和優(yōu)化調(diào)度方案下，東魚河截污導(dǎo)流工程末端控制閘在整個輸水期下泄污染物總量和污染物平均質(zhì)量濃度的變化。7種情景的結(jié)果對比分析見表3。

表3 7種情景結(jié)果對比Table 3 Comparison results of seven scenarios

從表3可以看出，通過水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度，在各種不利條件下都能夠有效地改善截污導(dǎo)流工程的控污效果，無論是下泄污染物總量、逐月污染物濃度，還是整個輸水期下泄水量的平均污染物濃度都能夠得到有效控制，對控污目標(biāo)的實現(xiàn)以及南四湖水質(zhì)安全保障具有重要的作用。

2.4 考慮河道水體自凈能力的方案分析

由于缺乏相關(guān)的資料信息，為了簡單起見，將截污導(dǎo)流工程相應(yīng)水體內(nèi)的污染負(fù)荷按照一定的比例削減，以代表和反映該河道水體的自凈能力及人工濕地等污染削減措施的效果。在此設(shè)置6種情景，即污染負(fù)荷削減率分別為0(不考慮自凈)，3%，6%，10%，20%，30%，分別進行原設(shè)計方案與優(yōu)化調(diào)度后方案結(jié)果對比(表4)。

從表4可以看出:末端控制斷面的下泄水量增加，下泄水流污染物平均質(zhì)量濃度呈下降趨勢，而下泄污染物總量由于下泄水量增加和質(zhì)量濃度下降，呈現(xiàn)總體上升、略有波動的特征。主動下泄更多的水量，能在很大程度上減輕截污導(dǎo)流工程的攔蓄任務(wù)壓力，充分預(yù)留出庫容以應(yīng)對突發(fā)性事故，顯著提高截污導(dǎo)流工程的運行安全性。因此，充分挖掘截污導(dǎo)流工程的內(nèi)部潛力，提高系統(tǒng)內(nèi)部的污染削減能力，對保障整個截污導(dǎo)流工程控污目標(biāo)以及南四湖水質(zhì)安全具有重要作用。

表4 6種情景優(yōu)化調(diào)度結(jié)果對比Table 4 Comparison results of six scenarios after optimal regulation

3 結(jié) 語

典型截污導(dǎo)流工程水量水質(zhì)調(diào)度結(jié)果表明，在各種不利條件下都能夠有效地提高截污導(dǎo)流工程的控污效果和能力，無論是下泄污染物總量、逐月污染物濃度，還是整個輸水期下泄水量的平均污染物質(zhì)量濃度都能夠得到有效控制，對控污目標(biāo)的實現(xiàn)以及南四湖水質(zhì)安全保障具有重要的作用。建議加強南四湖截污導(dǎo)流工程實時水情監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，以滿足水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的需求，同時進一步加強水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度的相關(guān)研究。

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