基于水质改善的补水人工湖优化调度研究

李泉

【摘要】基于水质改善的补水人工湖优化调度研究以白云湖水利工程生态修复试验及工程引清调水为依托，结合白云湖生态水利工程的实际需要，确定枢纽工程给予不同调度目标的调度策略；在工程調度中引入水质改善效果指标、水力条件指标和经济效益指标，构建白云湖多目标优化模型，并结合白云湖二维水动力、水质模拟，结合不同的调度目标对工程调度方案进行优化，最后制定一套科学、先进、有效的白云湖调度规则。

【关键词】水质改善 优化调度 水力调控 调度策略 水动力水质模型 Mike21

引言

水利工程调度的本质是对水的调配，通过闸门、泵站等水工建筑，对目标水域的水体进行控制，并按照人类的需求进行再分配。传统的水利工程往往过于重视防洪和兴利需求，而忽视了水生态系统自身的需求。兼顾生态的白云湖水利工程优化调度研究旨在：基于生态水力学和优化计算的基础理论，对水利工程在满足人类需求的同时亦满足水生态系统需求的运行调度模式进行探讨；通过枢纽工程水域水动力的调控，促进白云湖健康生态系统的构建；通过调度参数的优化，在实现白云湖补水景观功能、生态功能的同时，节省运行成本，达到节能生态的目的。

1 工程概况

白云湖位于白云区石井河与均和涌、环滘河、夏茅水、海口涌、滘心涌的交汇处，环滘村的北侧，控制面积2.07km2，水面面积1.05 km2。 白云湖规划为具有雨洪调蓄、景观补水、旅游观光等多种功能湖。取水水源来自广州珠江西航道，位于广和大桥北侧，设计流量为25m3/s。工程在渠道进湖处设置水闸，在滘心涌、环滘河、海口涌及石井河与湖相交处各设置分水闸，并根据石井河补水及白云湖排涝需要在湖东南角设置石井河泵站。工程将解决引水渠道两边鸦岗涌、滘支涌及白云湖周边环滘河、 滘心涌、海口涌及石井河的水环境及水安全问题，设计补水量79万m3/天；通过提升周边河道自净能力，实现河涌综合整治目标，同时湖区及周边公园地域改善城市空间与环境，成为广州民生工程的典范。

白云湖水质改善及生态修复项目将引水渠和白云湖作为净化反应器，即以原位净化技术为支撑，采取物理与生物工程措施相结合的修复治理方案。该项目主要包括人工干预措施修复及水生态系统构建示范两部分。人工干预措施主要包括碳素纤维生态草、微纳米曝气、生态浮床、太阳能动水除藻机。水生态系统构建示范区位于东湖东南角小岛南侧部分水域，包括水生植物群落构建、水生动物群落构建、生物操纵和食物网构建等内容。

2 水动力水质模型搭建

采用MIKE21的FM模拟引擎（有限元网格）搭建二维水动力模型模拟湖流过程，并综合考虑风力、降雨、蒸发、柯氏力等因素的综合作用。模型采用三角形非结构网格，精确拟合白云湖不规则的岸线，共4353个，平均网格大小约为80m2，计算范围为白云湖东西湖及湿地，模型地形采用2012年6月的实测地形数据，网格及地形概化情况见图1。

在水动力模型计算结果的基础上，构建二维水质数学模型，模拟污染物在白云湖中的物理、生物、化学和自然降解等过程对水质的影响。模拟的水质要素包括BOD5、DO、氨氮、硝酸氮、磷酸盐。水质模型理论源于CE-QUAL-ICM水质模型（Cerco and Cole 1995），主要包括碳循环、氮循环、磷循环以及溶解氧循环等几大主要过程。

3 多目标优化调度

3.1 调度参数选取

从工程调度和水力调控，枢纽工程设计的调度参数组成主要分三部分：

广和泵站----涉及调度参数包括：引水量、引水时机、引水时长、开泵数；

白云湖----起调水位、最低控制水位、最高控制水位、景观水位；

石井河水闸泵站----开闸时机、关闸时机、闸门控制开度、泵站补水量、泵站补水时机及补水时长。

除了蓄洪排涝的功能，白云湖日常的功能主要有补水、景观、生态，同时作为一项市政工程，在实现既有功能的前提下，节省开支达到节能生态也是调度管理亟需实现的重要目标。因此，白云湖优化调度的考量目标主要有以下4点：

1）周边河涌（主要是石井河）补水效果；

2）白云湖景观；

3）水质改善因素及生态系统构建因素；

4）节能生态。

基于以上四个调度考量目标，结合工程运行经验，总结出白云湖优化调度的一些调度策略：

A. 对石井河补水，从水体利用性价比的角度，低潮位时特别是退潮时补水，对石井河水景观改善效果最明显（补水效果）；

B. 白云湖水位水面率，白云湖在[0，1]水位区间里，水位-水域面积曲线的拐点为0.5m，因此为了不影响水景观，白云湖景观水位不宜不低于0.5m（景观）；

C. 白云湖现阶段仍处于水生态系统构建的初级阶段，为了利于沉水植物的生长，在不影响景观的前提下，白天湖区白天水位应尽量降低，以增加湖底的透光率（水质生态）；

D. 白云湖应避免水体大进大出，以增加水体停留时间，充分发挥人工水质改善措施的作用（水质生态）；

E. 根据不同的实际情况，通过调整细分边界组合，对白云湖进行水力调控，以实现白云湖水质改善效果最大化（水质生态）；

F. 在允许的情况下，尽量抬高湖区水位，减少因湖区水位低于石井河水位而需要开启石井河泵站补水的时间，以达到节能生态的目的（节能）；

以上某些调度策略存在矛盾的情况，如：降低湖区水位有利于沉水植物生长，但太低则会影响白云湖景观，同时也增大石井河泵站潜在的开泵补水时间；白云湖对石井河的最佳补水效果应该是在低潮位时大流量补水等。因此，为了在众多矛盾中找到一个平衡点，我们需要最优化计算理论，构建白云湖多目标优化模型，帮助我们确定白云湖在多目标下的最优调度方案。

3.2 优化模型构建及模型求解

基于上节分析，我们得到四个考量目标。其中，某些已经能定量的考量目标，我们在模型中，将设为约束条件，如景观水位不小于0.5m，白云湖对石井河的补水量汛期不小于40万m3、非汛期不小于80万m3等。由于现阶段仍缺少足够的周边河涌的基础数据，难以对白云湖对周边河涌的补水效果进行量化处理，因此补水效果不作为目标函数，而只在需要强调补水效果的计算中，将其设为一个对石井河水闸、泵站补水时机的约束条件。而生态功能实现效果仍无法通过模型用直接的数值来量化表达，因此只能通过水力条件（主要是水深）的相关性来衡量调度方案在实现生态功能上的效果。

因此，基于白云湖水利工程的功能及白云湖生态修复综合试验的需要，优化调度模型构建确定以下三个目标函数：水质目标函数（Z）、水动力目标函数（H）、经济成本目标函数（E）。

白云湖优化调度模型目标函数及其约束条件如下：

其中，F为白云湖优化调度总函数， 为给个各目标函数的权重；Z为水质改善目标函数， 为给予水质改善子目标函数的权重；H为水力条件改善目标函数， 为给予水力条件改善子目标函数的权重；E为经济成本目标函数， 为给予经济成本子目标函数的权重；Qu为广和泵站补水量，tu为广和泵站开机时间，Qd为白云湖对周边河涌的补水量，td为开闸补水时间，Wb为白云湖水位，Wb为白云湖水位，Ws为石井河水位（外江潮位）；Qs为白云湖对石井河的补水量，Qsp为石井河

泵站开泵补水量， 则为除了石井河外，白云湖对其他河涌的补水量； 为白云湖的降雨水量， 为白云湖的蒸发水量， 为白云湖与地下水汇入汇出差量， 为白云湖自身水量变化量。

为了充分利用现代系统分析理论方法处理复杂问题的优越性，兼受模型高精度模拟计算的优点，优化调度模型与水动力水质模型之间采用交互连接方式，即：首先拟定若干个水动力水质模拟方案，通过模拟模型和优化模型的耦合进行计算结果获取，根据曲线生成技术找出最优解，最后确定系统多目标最优的调度方案。

3.3 调度评价

由表2可以看出，最优调度方案（方案四）在水质、水动力、经济成本三个方面均有不错的表現。方案四的调度操作采用的大流量引水的调度策略，该策略保证了湖区水体具有一定的水动性，而在涨潮期对石井河补水，并采用较小开度的补水方式，在一定程度上又避免了大引大出所造成的强水体交换，较长的水体交换时间使得人工水质改善措施的效用能得到发挥。而且方案四滞水区面积与水动性最强的方案一相差不大，证明此调度方案下，湖区水体混合较为均匀。另外，方案四白天水深值较低，此种情况对于白云湖的沉水植物生长是有益的。

5 结论

结合水量、水位、水深等水力因素的调控，和水生生物群落的内在需求，总结工程运行经验，构建以水质目标函数（Z）、水动力目标函数（H）、经济成本目标函数（E）三个目标函数的白云湖优化调度多目标模型，并通过结合模型计算和优化计算，得到白云湖最优调度方案。

参考文献：

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