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            基于水質改善的補水人工湖優化調度研究

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

              【摘要】基于水質改善的補水人工湖優化調度研究以白云湖水利工程生態修復試驗及工程引清調水為依托,結合白云湖生態水利工程的實際需要,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改善效果指標、水力條件指標和經濟效益指標,構建白云湖多目標優化模型,并結合白云湖二維水動力、水質模擬,結合不同的調度目標對工程調度方案進行優化,最后制定一套科學、先進、有效的白云湖調度規則。

              【關鍵詞】水質改善 優化調度 水力調控 調度策略 水動力水質模型

              引言

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

              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中運動。 此外,周邊將設置籃球場、網球場等球類運動場所,在適當區域擺放休閑運動設施。東西兩湖中的小島還為垂釣愛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,流經新市街道均和、石井街道夏茅,匯入鶴邊涌經石井、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,近年開始對石井河流域進行截污、清淤工程。2013年4月,廣佛跨界區域水污染整治工作現場會決定從2013年開始進行整治,實施“河長”責任制。

              白云湖水質改善及生態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草、微納米曝氣、生態浮床、太陽能動水除藻機。水生態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、水生動物群落構建、生物操縱和食物網構建等內容。

              2 水動力水質模型搭建

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

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

              3 多目標優化調度

              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、引水時機、引水時長、開泵數;

              白云湖----起調水位、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,同時作為一項市政工程,在實現既有功能的前提下,節省開支達到節能生態也是調度管理亟需實現的重要目標。因此,白云湖優化調度的考量目標主要有以下4點:

              1)周邊河涌(主要是石井河)補水效果;

              2)白云湖景觀;

              3)水質改善因素及生態系統構建因素;

              4)節能生態。

              基于以上四個調度考量目標,結合工程運行經驗,總結出白云湖優化調度的一些調度策略:

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

              D. 白云湖應避免水體大進大出,以增加水體停留時間,充分發揮人工水質改善措施的作用(水質生態);

              E. 根據不同的實際情況,通過調整細分邊界組合,對白云湖進行水力調控,以實現白云湖水質改善效果最大化(水質生態);

              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啟石井河泵站補水的時間,以達到節能生態的目的(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,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,我們需要最優化計算理論,構建白云湖多目標優化模型,幫助我們確定白云湖在多目標下的最優調度方案。

              3.2 優化模型構建及模型求解   基于上節分析,我們得到四個考量目標。其中,某些已經能定量的考量目標,我們在模型中,將設為約束條件,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,將其設為一個對石井河水閘、泵站補水時機的約束條件。而生態功能實現效果仍無法通過模型用直接的數值來量化表達,因此只能通過水力條件(主要是水深)的相關性來衡量調度方案在實現生態功能上的效果。

              因此,基于白云湖水利工程的功能及白云湖生態修復綜合試驗的需要,優化調度模型構建確定以下三個目標函數:水質目標函數(Z)、水動力目標函數(H)、經濟成本目標函數(E)。

              白云湖優化調度模型目標函數及其約束條件如下:

              其中,F為白云湖優化調度總函數, 為給個各目標函數的權重;Z為水質改善目標函數, 為給予水質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為經濟成本目標函數, 為給予經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題的優越性,兼受模型高精度模擬計算的優點,優化調度模型與水動力水質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模擬方案,通過模擬模型和優化模型的耦合進行計算結果獲取,根據曲線生成技術找出最優解,最后確定系統多目標最優的調度方案。

              3.3 調度評價

              由表2可以看出,最優調度方案(方案四)在水質、水動力、經濟成本三個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改善措施的效用能得到發揮。而且方案四滯水區面積與水動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,總結工程運行經驗,構建以水質目標函數(Z)、水動力目標函數(H)、經濟成本目標函數(E)三個目標函數的白云湖優化調度多目標模型,并通過結合模型計算和優化計算,得到白云湖最優調度方案。

              參考文獻:

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              [2]李駿駿,淺水湖泊生態修復策略的數學模型研究.中山大學博士學位論文,2011

              [3]劉健康,高級水生生物學 [M].北京:科學出版社,1999

              [4]董哲仁.生態水工學探索[M].北京:中國水利水電出版社,2007

              [5]吳祈宗,鄭志勇,鄧偉.運籌學與最優化MATLAB編程.機械工業出版社,2009

              [6]黃平.水環境數學模型及其應用.廣州:廣州出版社,1996

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