基于拐點(diǎn)理論的引江濟(jì)太工程規(guī)模優(yōu)選研究

魏 清 福

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院，上海 200434)

科學(xué)合理地確定水環(huán)境工程規(guī)模是工程前期論證的重要工作內(nèi)容之一，也是工程效益最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者對水利工程規(guī)模的確定進(jìn)行了大量的研究，形成了多種方法和模式，然而由于水環(huán)境改善效果的復(fù)雜性，目前為止從水環(huán)境改善角度判別某一水利工程的適宜規(guī)模的方法還沒有形成統(tǒng)一的計(jì)算原則與方法，仍在不斷地發(fā)展更新，一般是通過其他因素確定工程規(guī)模，水環(huán)境方面只研究其改善水質(zhì)的效果。

隨著水環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，尤其在經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)地區(qū)，由于人類活動(dòng)頻繁和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水環(huán)境日益惡化，水利工程在改善水環(huán)境方面的作用越來越被重視，越來越多的水利工程也要求從改善水環(huán)境角度論證確定其工程規(guī)模。

1 思路和方法

拐點(diǎn)本來是數(shù)學(xué)上的一個(gè)術(shù)語，指改變曲線向上或向下方向的點(diǎn)，直觀地說拐點(diǎn)是使切線穿越曲線的點(diǎn)(即曲線的凹凸分界點(diǎn))。

拐點(diǎn)一詞，在生活中借指事物的發(fā)展趨勢開始改變的地方，拐點(diǎn)理論在很多行業(yè)，生產(chǎn)生活的各個(gè)方面都有所應(yīng)用，如著名的劉易斯拐點(diǎn)，水利水電工程規(guī)范中用拐點(diǎn)法求有越流補(bǔ)給的水文地質(zhì)參數(shù)[1]、路面養(yǎng)護(hù)中利用拐點(diǎn)理論確定瀝青混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)[2]，等等。

在水環(huán)境治理工程中，工程規(guī)模越大，工程改善水環(huán)境的效果越明顯，隨著規(guī)模的逐步增加，改善水環(huán)境的效果的單位增加幅度越來越小，規(guī)模增加到一定程度，水環(huán)境沒有進(jìn)一步變化，趨于穩(wěn)定，而且這種規(guī)律普遍存在，利用較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)就可以繪制一條平滑的曲線，曲線要么單調(diào)增加，要么單調(diào)減少，一般不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，同時(shí)曲率變化的拐點(diǎn)也十分明顯?；谶@樣普遍存在的規(guī)律，在水環(huán)境治理工程中考慮一種基于拐點(diǎn)法判別水利工程改善水環(huán)境適宜規(guī)模的方法，能在水利工程改善水環(huán)境方面方便地尋找適宜的工程規(guī)模范圍，方法主要分為以下幾個(gè)步驟。

(1)確定相互聯(lián)系的兩個(gè)變量。

①選擇需要改善的水環(huán)境指標(biāo)W，如高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)等。

②選擇研究影響該水環(huán)境指標(biāo)的因子N，如引水流量Q引、排水流量Q排、河道斷面面積A等，即水利工程規(guī)模參數(shù)。

(2)計(jì)算不同工程規(guī)模條件下，對應(yīng)的水環(huán)境指標(biāo)量值。

①根據(jù)實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)，假定影響該水環(huán)境指標(biāo)的因子量值為N1，利用計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)或其他方法，模擬計(jì)算或分析確定N1條件下對應(yīng)的水環(huán)境指標(biāo)量值W1。

②調(diào)節(jié)水環(huán)境指標(biāo)的因子量值，重復(fù)上述步驟，記錄在N1，N2，…,Nm下，水環(huán)境指標(biāo)量值W1，W2，…,Wm。

(3)繪制兩個(gè)變量的相關(guān)圖，即曲線圖。

①建立坐標(biāo)系，一般X軸為影響水環(huán)境指標(biāo)的因子量值，Y軸為水環(huán)境指標(biāo)的量值。

②根據(jù)確定的m個(gè)一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)，分別繪制在建立的坐標(biāo)系上，用平滑曲線連接各點(diǎn)，由于水利工程改善水環(huán)境的上述特點(diǎn)，曲線一般呈現(xiàn)單調(diào)增加(減少)曲線形式。

(4)選取拐點(diǎn)區(qū)域。

①分析曲線涉及范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)合理性。

②一般曲線圖上拐點(diǎn)區(qū)域十分明顯，拐點(diǎn)區(qū)域即可作為水利工程改善水環(huán)境的適宜規(guī)模范圍。見圖1。

圖1 拐點(diǎn)區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of inflection point area

2 拐點(diǎn)法確定引江濟(jì)太入湖適宜流量實(shí)例

2.1 問題提出

太湖流域是全國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、大中城市最密集的地區(qū)之一。太湖是我國第三大淡水湖泊，位于太湖流域中心，是流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要自然資源。由于太湖水污染嚴(yán)重，水源地水質(zhì)惡化，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，直接影響水源地供水水質(zhì)和供水安全，影響流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

望虞河引江濟(jì)太調(diào)度實(shí)踐表明，引長江水入湖可加速太湖水體流動(dòng)，提高水體交換和自凈能力，改善水環(huán)境，但因布局不完善和引入水量不足，目前引水改善水環(huán)境和保障程度有很大的局限性，太湖流域水環(huán)境綜合治理提出了通過擴(kuò)大望虞河和增辟新孟河北引長江通道完善和擴(kuò)大現(xiàn)有引江濟(jì)太[3]。

擴(kuò)大引江濟(jì)太，涉及工程規(guī)模和投資巨大，其主要決定因素在于望虞河、新孟河引江入湖的流量規(guī)模。

2.2 引水入湖改善湖區(qū)水環(huán)境適宜流量分析

引江入湖的水體改善各湖灣水質(zhì)是工程的主要目標(biāo)之一，因此本文采用拐點(diǎn)法分析望虞河引江濟(jì)太的適宜流量。按照上述思路和方法，首先確定相互聯(lián)系的兩個(gè)變量，此處選擇2組，分別為：望虞河引水入湖流量Q望引和水質(zhì)指標(biāo)CODMn、望虞河引水入湖流量Q望引和水質(zhì)指標(biāo)TN。其次，計(jì)算不同工程規(guī)模條件下，對應(yīng)的水環(huán)境指標(biāo)量值，本例選擇引水入湖流量分別為50、100、200、300和400 m3/s，利用平面太湖二維湖流與水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算對應(yīng)的水環(huán)境指標(biāo)量值[4,5]；利用一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制曲線圖。

望虞河引江入湖流量與貢湖湖灣水質(zhì)變化關(guān)系見圖2和圖3。由圖可見，望虞河引水入太湖，直接受益湖區(qū)的貢湖湖灣水質(zhì)，引水流量越大水質(zhì)改善效果越明顯，且呈現(xiàn)單調(diào)增加曲線變化，但改善效率隨引水流量的增加而減小。初步目估，當(dāng)引江入湖流量達(dá)到200～300 m3/s，貢湖灣水質(zhì)改善程度隨流量的變化明顯減小，300 m3/s以上逐步趨于穩(wěn)定。

圖2 引江入湖流量與貢湖水質(zhì)(CODMn)曲線圖Fig.2 Diagram between discharge of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake and water quality of Gonghu lake(CODMn)

以上通過目估，初步判別了兩條河道入湖流量的拐點(diǎn)范圍，也就是說從改善湖區(qū)水環(huán)境效果角度考慮，望虞河引水入湖流量不宜超過300 m3/s，超出部分對其引水

圖3 引江入湖流量與貢湖水質(zhì)(TN)曲線圖Fig.3 Diagram between discharge of water diversion from Yangtze River to Taihu Lake and water quality of Gonghu lake(TN)

本身想達(dá)到的水環(huán)境改善目標(biāo)作用很小，效率較差。當(dāng)然，實(shí)際工作中針對具體問題還可以通過曲線切線的斜率來選擇的拐點(diǎn)區(qū)域[6]，作為工程規(guī)模確定的依據(jù)之一，也可以檢驗(yàn)通過其他方法提出的工程規(guī)模的合理性。

3 結(jié) 語

水利工程規(guī)模與水環(huán)境改善效果一般呈現(xiàn)單調(diào)增加(或減少)曲線變化規(guī)律，且存在明顯拐點(diǎn)，這種規(guī)律普遍存在。通過曲線拐點(diǎn)法判別水利工程改善水環(huán)境適宜規(guī)模的方法包括：確定相互聯(lián)系的兩個(gè)變量，即選擇需要改善的水環(huán)境的指標(biāo)W和選擇影響該水環(huán)境指標(biāo)的因子N；模擬計(jì)算不同水利工程規(guī)模條件下，對應(yīng)的影響該水環(huán)境指標(biāo)的因子N的量值；繪制需要改善的水環(huán)境的指標(biāo)W和影響該水環(huán)境指標(biāo)的因子N的曲線圖，并分析拐點(diǎn)范圍；最終選取拐點(diǎn)區(qū)域。

本文所述的基于曲線拐點(diǎn)法判別水利工程改善水環(huán)境適宜規(guī)模的方法簡單實(shí)用，在拐點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)確定水利工程范圍，可有效發(fā)揮工程效益，避免由于水利工程規(guī)模過大而帶來的投資浪費(fèi)，以及由于工程規(guī)模偏小而導(dǎo)致工程效果不佳和不能充分發(fā)揮工程應(yīng)有效益等問題。所述方法為水利工程在水環(huán)境方面的研究論證提供了一種新的思路。

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[1] SL320-2005，水利水電工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] 馮紅耀.拐點(diǎn)理論在瀝青混凝土路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)確定中的應(yīng)用[J].公路，2005，(5).

[3] 中國國際工程咨詢公司.太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案[R].北京：中國國際工程咨詢公司，2008.

[4] 水利部上?？睖y設(shè)計(jì)研究院.改善梅梁湖、五里湖水環(huán)境的水工程方案可行性論證泵站規(guī)模及效果研究報(bào)告[R]. 上海：水利部上?？睖y設(shè)計(jì)研究院，2002.

[5] 雒文生.水環(huán)境分析及預(yù)測[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2004.

[6] 王慶國,李 嘉，李克鋒，等.河流生態(tài)需水量計(jì)算的濕周法拐點(diǎn)斜率取值的改進(jìn)[J].水利學(xué)報(bào)，2009,(5).