基于閘泵聯(lián)控的感潮河網區(qū)水動力水質調控

(1.上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200080； 2.廣東財經大學 地理與旅游學院，廣州 510320;3.珠江水利科學研究院，廣州 510611)

1 研究背景

伴隨著社會經濟的發(fā)展，感潮河網區(qū)海陸相互作用頻繁，人口大量集中，其水動力水質面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，如長江三角洲及珠江三角洲等。近年來，感潮河網區(qū)水質持續(xù)惡化，水質性缺水日趨嚴重。

為了改善感潮河網區(qū)水動力水質，許多研究者做過探討：如梁志宏等[1]通過珠江三角洲潮汐河網一維、二維聯(lián)解潮流數(shù)學模型的構建，研究了珠三角市橋河水閘群聯(lián)控優(yōu)選方案；顧正華[2]基于河網一維非恒定流數(shù)值模型和現(xiàn)代算法，建立了一套河網水閘智能調度的決策輔助模型；陳文龍和徐峰俊[3]利用一維、二維水(潮)流聯(lián)解數(shù)學模型及二維水流動態(tài)演示方法，計算分析了水閘群聯(lián)控方案實施后市橋河水環(huán)境的改善效果；江濤等[4]利用建立的西北江潮汐河網水量水質數(shù)學模型，模擬分析了佛山水道在枯水時期利用泵閘聯(lián)合引水下的水質改善情況；杜建等[5]通過控制閘泵引排水使感潮河網區(qū)的雙向流變成單向流以加大水動力并改善水質；李泉等[6]構建了受強人工干預下的海珠區(qū)平原感潮河網區(qū)水動力數(shù)學模型，并將其應用于實例，制定水量優(yōu)化的調度方案。

綜上所述，利用閘泵進行水動力水質調控已作為一項改善感潮河網區(qū)水動力水質的重要措施，但目前國內的研究方法以考慮單一的引入水資源改善水質進行調度為主，而較少地綜合考慮水動力水質多目標函數(shù)及多目標優(yōu)選算法對閘泵優(yōu)化方案制定的影響。鑒于此，本文利用Mike11建立基于閘泵聯(lián)控的水動力水質調控模型，采用該模型在分析現(xiàn)狀調度方案的水動力水質時空規(guī)律的基礎上，結合調度原則制定合理的調度方案，并選取灰色多目標優(yōu)選算法篩選出最優(yōu)方案，為感潮河網區(qū)的水動力水質調控提供理論依據。

2 基于閘泵聯(lián)控的感潮河網區(qū)水動力水質調控模型

基于閘泵聯(lián)控的感潮河網區(qū)水動力水質調控思路是通過合理控制閘泵啟閉，及時引入外江凈水并適時排出內河污水，加快河網水體置換周期，降低污染物濃度，提高河涌水質達標率，以達到水質改善的目的[7]。本模型設定以下目標。

2.1 水動力水質調控目標

2.1.1 水動力調控目標

河網水體置換周期最短(又稱目標1)，即

minT=V/Q引。

(1)

式中：T為河網水體置換周期(d)；V為河網水體總容積(m3)；Q引為引水閘的總引水流量(m3/s)。

2.1.2 水質調控目標

污染物平均濃度最低(又稱目標2)，即

(2)

河涌水質達標率最高(又稱目標3)，即

maxλ=L達標/L。

(3)

2.1.3 灰色多目標優(yōu)選算法

灰色多目標優(yōu)選算法的基本思想[8]是將上述目標通過上限效果測度法、下限效果測度法轉換成在一定區(qū)間內的無量綱的效果測度矩陣。計算方法的選擇原則是：當希望某一目標值越大越好時，采用上限效果測度法；當希望某一目標值越小越好時，采用下限效果測度法。故目標1、目標2采用下限效果測度法，目標3采用上限效果測度法。各方法的計算公式見式(4)及式(5)。各方案對應多目標函數(shù)的綜合效果測度計算公式見式(6)，由該值大小來決策閘泵聯(lián)控方案的優(yōu)劣。

下限效果測度法計算公式為

(4)

上限效果測度法計算公式為

(5)

各方案的綜合效果測度為

(6)

2.2 約束條件

(1)內河涌水位約束條件為

(7)

(2)水閘邊界水力約束及水流能力約束條件為

(8)

(3)閘泵啟閉速度約束條件為

ΔLi≤ΔLi,max；

(9)

ΔQi≤ΔQi,max。

(10)

2.3 模型求解思路

感潮河網區(qū)流態(tài)復雜，污染物輸移并無定向。為簡化計算，模型采用以下一維方程求解。

2.3.1 一維水動力基本方程

一維非恒定流基本方程為圣維南方程組，采用Abbott六點隱格式差分離散。其連續(xù)方程和動量方程分別為：

(11)

式中:B為水面寬度(m)；h為斷面平均水位(m)；t為時間(s)；Q為斷面流量(m3/s)；x為距離(m)；β為動量校正系數(shù)；g為重力加速度(m/s2)；A為斷面過流面積(m2)；Sf為摩阻坡降；ul為側向出流流速在單位流程上的主流方向分量(m)；q為旁側入流(m3/s)，負值表示流出。

2.3.2 閘泵處理

閘泵作為流量點處理，其流量根據相鄰水位點的關系劃分為自由及淹沒堰流，采用相應的流量公式計算確定[9]。

2.3.3 一維水質基本方程

一維水質模型理論依據是符合Fick擴散定律，并假定物質在斷面上完全混合。

一維對流擴散方程為

(13)

式中:C為斷面污染物濃度(mg/L)；Ex為縱向離散系數(shù)(m2/s)；K為污染物衰減系數(shù)(d-1)；C2為源(匯)濃度(mg/L)。

一維對流擴散方程采納空間及中心的隱式差分格式。

3 實例研究

3.1 模型建立

中順大圍位于珠江三角洲河網區(qū)南部，為珠江三角洲的五大重要堤圍之一。中順大圍東瀕小欖水道及橫門水道，西傍西海水道及磨刀門水道，其水系詳情見圖1。其年平均水資源總量17.38億m3，過境水資源量2 662.94億m3，圍內河網水系密布，大多數(shù)河流受潮汐影響，是典型的感潮河網區(qū)。中順大圍有橫跨聯(lián)圍的石岐河(又名岐江河)、與其相交的鳧洲河—橫琴?！胁颗殴嗲{滘河主干河道。石岐河全長40.4 km，河面寬度80～200 m，水深2～11 m，自西南向東北橫跨中順大圍，其西側接于磨刀門水道，建有大型水閘——西河水閘，東側接于橫門水道，建有大型閘泵——東河水閘和東河泵站，是中順大圍最重要及最主要的一條綜合河流，故現(xiàn)狀調度(又稱方案0)以石岐河作為典型河道進行水動力分析。據相關資料[10]，中順大圍圍內水質污染情況嚴峻，主要污染物為COD及氨氮，故本文以COD及氨氮作為水質調控目標。

圖1 中順大圍水系Fig.1 Water system of Zhongshun large polder

3.1.1 河網概化

根據水系的總調蓄能力、河道長度、橫斷面、交匯點、水利工程規(guī)模及位置等特征作為概化原則概化模型。概化后的河流包括聯(lián)圍內的石岐河、鳧洲河、中部排灌渠及獅滘河等36條主干河涌，13座外河進排水閘(內河節(jié)制閘及泵站的作用為水位及流量調節(jié)，在約束條件里考慮)，1座東河泵站及20個排污口，概化模型見圖2。

圖2 中順大圍概化模型Fig.2 Generalized model of Zhongshun large polder

3.1.2 邊界條件

選擇河涌補水保證率為90%的枯水月份作為典型水文時期。參考相關研究成果[11]，選用2011年1月份的外河水位條件作為外邊界水文條件。根據中山市水資源公報(2000—2016年)相關數(shù)據，西海水道、磨刀門水道和小欖水道上游水質標準按Ⅱ類水質給定；橫門水道及小欖水道下游水質標準按Ⅲ類水質給定。

3.1.3 初始條件及空間時間步長

各河涌的初始水位根據實測數(shù)據給定，根據相關研究及模型多次調試經驗[11]，針對實測數(shù)據缺少的河流根據插值或賦零值處理；各河涌初始流量給定全局值0.1 m3/s；內河涌污染物濃度均按V類水質的標準給定；模型的時間步長為3 s；空間步長為200 m。

3.1.4 參數(shù)確定

以2011年6月1日8:00至6月30日7:00的水文資料進行糙率率定，以2015年8月26日8:00至8月29日7:00的水文資料進行糙率的驗證，以同期的實測水質資料(每日漲落潮時段各一次的實測水質數(shù)據)進行污染物衰減系數(shù)的驗證。選取研究區(qū)的重要站點——石岐河站(石岐河與獅滘河的交點)和怡豐站(北部排灌渠5 800 m里程處)作為糙率的率定及驗證站點，其水位的率定及驗證結果分別見圖3、圖4。選取鳧洲河與北部排灌渠相交點、石岐河與西部排灌渠相交點作為水質參數(shù)的驗證站，其污染物濃度驗證結果分別見圖5和圖6。

圖3 石岐河站和怡豐站水位率定Fig.3 Water level calibration for Shiqi River stationand Yifeng station

圖4 石岐河站和怡豐站水位驗證Fig.4 Water level verification for Shiqi River stationand Yifeng station

圖5 鳧洲河與北部排灌渠相交點水質濃度值驗證Fig.5 Verification of water quality indices at theintersection between Fuzhou River and northerndrainage irrigation canal

圖6 石岐河與西部排灌渠相交點水質濃度值驗證Fig.6 Verification of water quality indices at theintersection between Shiqi River and westerndrainage irrigation canal

由圖3及圖4可知石岐河站及怡豐站的水位率定及驗證結果比較理想，由圖5及圖6可知水質驗證結果比較合理。

3.2 方案0的水動力水質分析

圖7為典型水文時期石岐河兩端西河水閘及東河水閘的外江潮位變化過程，潮周期約為24 h；東河水閘外江潮動力略強于西河水閘外江潮動力，兩者的潮相位相近。

圖7 2011年1月石岐河兩端外江潮位Fig.7 Tide levels of the extenal river at bothends of the Shiqi River in January 2011

3.2.1 水動力分析

不同方案的閘泵設置見表1。圖8為石岐河在2011年1月1日08:00至09:15的水位及流速沿程變化，初始時刻石岐河內河水位及流速均為0；至08:25，石岐河兩端水位逐漸降低，石岐河兩端水體背向運動，均流向相近的外江，而石岐河中間河段水動力緩慢，流速基本為0；至08:50，隨著外江潮位的逐漸升高，石岐河兩端水位及石岐河中間河段的水位都高于其夾逼的中間河段水位，石岐河呈往復流態(tài)；至09:15，水動力仍是較弱(流速在0 m/s左右)。

表1 不同方案下的閘泵設置Table 1 Settings of gate-pump joint schemes

注:本表中的“自由”表示水閘處的水位小于最高控制水位時開啟，否則關閉；“—”表示不參與調度；“引水閘”表示在內河水位不超過最高控制水位的前提下，當外江水位高于內河水位開啟，反之關閉；“排水閘”表示當內河水位不低于最低控制水位的前提下，當內河水位高于外江水位開啟，反之關閉；“排水泵”表示當內河水位高于最低控制水位的前提下，當內河水位低于外江水位時開啟，反之關閉

圖8 2011年1月1日08:00—09:15石岐河水位、流速沿程變化Fig.8 Changes of water level and flow velocity along theflow path of Shiqi River between 08:00 and 09:15 onJanuary 1, 2011

3.2.2 水質分析

圖9為石岐河COD、氨氮值在1月1日08:00，13:00，22:00及1月2日01:00，04:00，08:00共6個時刻的沿程變化情況。

圖9 石岐河COD值及氨氮值不同時刻沿程變化值Fig.9 Changes of COD and ammonia nitrogenconcentration along the flow path of Shiqi Riverat different instances

由圖7及圖9可知：隨著外江潮位的升高，外江凈水從石岐河東西兩端進入內河，至13:00，石岐河西側1 070 m及東側1 700 m范圍內的河段污染物濃度明顯降低；隨著高潮位的到來，外江進入石岐河內部的水體達到最大，至22:00，石岐河水質改善最為明顯，兩端水體達到與外江同等的水質標準，中間河段水質亦改善明顯；但隨著低潮的到來，石岐河內河水體持續(xù)排入外江，在1月1日22:00—1月2日08:00，石岐河兩端水體的污染物濃度升高，水質持續(xù)惡化。

綜上所述，在方案0的調度下，研究區(qū)的水動力及水質與相鄰外江的水動力呈正相關，與相鄰外江的距離呈負相關。河網水體往復流動，水動力較弱，水質較差。

3.3 調度方案研究

3.3.1 調度方案制定

結合研究區(qū)西引東排及北引南排原則，通過控制西側及北側的閘泵啟閉引入外江凈水，東側及南側的閘泵及時排出內河污水，形成內河網水流有序、可控流向的局面，以達到加強水動力改善水質的目的。按照上述思路，可制定5個閘泵聯(lián)控方案，詳見表1。

3.3.2 閘泵聯(lián)控方案分析

(F0,F1,F2,F3,F4,F5)=

(0.669,0.960,0.968,0.966,0.988,0.995) 。(14)

由Fi可知，各方案的效果測度矩陣由優(yōu)到劣的次序依次是方案5、方案4、方案2、方案3、方案1、方案0，建議選擇方案5作為閘泵聯(lián)控改善水動力水質的最優(yōu)方案。

表2 各方案在各目標情況下的實際效果值Table 2 Values of actual effect of different schemes under each target situation

4 結 論

通過Mike11建立基于閘泵聯(lián)控的水動力水質調控模型，設定水動力水質多目標函數(shù)，分別為河網水體置換周期最短、污染物平均濃度最低及河涌水質達標率最高，并采用灰色多目標算法篩選出最優(yōu)方案。利用所建模型分析典型感潮河網區(qū)中順大圍在現(xiàn)狀調度下的水動力及水質變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的水動力強弱及水質好壞與相鄰外江的水動力強弱呈正相關，與相鄰外江的距離呈負相關，河網水動力及水質整體較差。針對現(xiàn)狀調度存在的問題，結合調控原則科學合理地制定的5個方案均能較好地改善研究區(qū)的水動力水質條件：河網水體置換周期由現(xiàn)狀調度情況的10.12 d均能縮短到3.5 d；污染物平均濃度由10.53 mg/L均能降低到8.57 mg/L；河涌水質達標率由79.13%均能升高至90%以上。經過灰色多目標優(yōu)選算法的綜合比較，篩選出方案5為最優(yōu)方案。