嘉兴平原河网水质闸泵调控优化方案浅析

姚晓萍 莫祖澜

(1.嘉兴市杭嘉湖南排工程管理局，浙江嘉兴 314001;2.浙江大学土木系市政工程研究所，浙江杭州 310058)

1 概述

嘉兴位于杭嘉湖平原的东部，该地区地势较为平坦，平原面积约占99%。嘉兴水网密度为全国之最，其境内河网密布、河道纵横，全市有总长1.38万km的河道、67个0.1km2以上的湖荡，水面率约为7.77%，属典型的平原河网地区。

随着嘉兴社会经济的发展及城市化进程的不断加快，部分单位片面追求水资源的开发与利用，而忽视了对水资源及水环境的保护，致使大量的工业废水、禽畜养殖废水和生活污水直接排入邻近河道，对水体水质造成了严重的污染。

近年来，嘉兴市环保局对全市境内市控以上断面的地表水常规检测结果进行了评价，评价标准为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，2008—2011年的评价结果如下页表1所示。从中可看出，嘉兴河网水环境现状不容乐观。

表1 2008—2011年嘉兴市河网水质评价

2 研究区域综述

2.1 研究区域选定

本文的研究基于嘉兴市区的引水冲污示范区。示范区以北郊河、新塍塘、环城河和杭州塘为外围，横跨秀洲区、经济开发区和南湖区，面积约为6km2(见图1)。示范区内水工建筑物较多，有朱家桥闸泵站、殷家桥港闸泵站、明月河南闸、明月河北闸、石臼漾闸、明月河翻水泵站、和睦桥港堰坝、常住桥港堰坝等。

图1 示范区内河网

2.2 研究区域内现有引水方案

研究区域内现有引水方案见表2。

表2 嘉兴市6km2示范区现有调水方案

3 考虑引水因素约束的多目标优化模型的构建

研究成员在2011—2013年期间在嘉兴6km2示范区现场选取了13～14个水质监测点，进行实地水质的调研。水质现场检测或采样的位置如图2所示。

图2 示范区水质现场检测或采样点位置

根据对嘉兴6km2示范区实地调研所取得的基础资料与数据，通过不断试验研究，模拟了嘉兴河网水环境模型，并利用实测水力与水质数据对参数进行了率定与验证。根据前期的试验结果，将内河流速限值、外河水质和引水比例补充为闸泵调控优化模型的约束条件，并同时完善了目标函数，得到了本文考虑引水因素的闸泵水动力调控优化模型。

4 考虑引水因素的水动力调控优化方案的确定

基于上文建立的多目标优化模型，开展引水和自然因素对水体自净能力影响的试验研究，以及引水比例和引水水质对冲污效果影响的试验研究。通过一系列试验研究，得到以下三种引水方案:

a.实测外河水质情况下，其优化引水方案为:朱家桥港泵站、殷家桥港泵站和明月河翻水泵站的引水流量分别为 0.29m3/s、1.54m3/s和 1.17m3/s，引水时间为90h、2h 和101h。

b.工况一:假定外河水平均NH3-N浓度为2.0mg/L、-N浓度为0.4mg/L、TP浓度为0.5mg/L，外河水质情况较差。由于外河水的NH3-N浓度达到了2.0mg/L，为劣Ⅴ类水，因此由本文构建的模型直接判定为各泵站不引水。但是，由于常住桥港和和睦桥港仍然每天引水，结果显示:除了明月河的TP浓度为0.49mg/L超过Ⅴ类标准限值，其他监测断面的各污染物浓度均在规定的限值内。

c.工况二:假定外河水平均NH3-N浓度为0.5mg/L、-N浓度为1.5mg/L、TP浓度为0.2mg/L，外河水质情况较好。由本文构建的模型优化得到的运行方案为:朱家桥港泵站、殷家桥港泵站和明月河翻水泵站的引水流量分别为 0.23m3/s、0.31m3/s和 0.21m3/s，引水时间为1h、1h和1h。

上述所构建的优化方案满足以下7个约束条件:ⓐ各泵站引水流量应在额定流量范围内;ⓑ各泵站引水时间应在规定时间区间内;ⓒ所引外河水中NH3-N和-N的比例应在1∶3～1∶5之间，TP浓度应优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中规定的Ⅴ标准限值;ⓓ引水后内河各代表断面的河水流速低于规定流速限值;ⓔ引水后内河各水质控制断面的水质应优于或达到期待的标准限值;ⓕ各闸门引水流量应在其相应水位差下的最大流量范围内;ⓖ各闸门引水时间应在规定时间区间内。

根据各引水优化方案及现有实际引水方案的试验结果，所得的各泵站引水流量和引水时间、各内河监测断面的水质结果，以及总的引水费用如表3所示。本文的引水费用以泵站的电耗为基准，假设泵站扬程和效率一致，引水费用以总引水量表示。

从表3可以看出，实际引水方案虽然总引水量比最优引水方案少，但是不能使内河所有监测断面的水质指标浓度达标。工况一的外河水质较差，本文模型的运行方案均不能使所有水质监测断面的水质指标达标，但是在本文模型的运行方案中，仅明月河TP浓度超过Ⅴ类标准;从运行费用比较，本文模型的运行电耗为0，相应的运行费用也为0，大大节省了运行费用。工况二的外河水质较好，本文模型的运行方案不仅能使水质有更好的改善，而且运行费用明显较低。

结果表明:在外河水质条件发生变化(变好或变差)的情况下，本文建立的考虑引水因素的闸泵水动力调控优化引水方案，避免了盲目引水或过度引水等情况的发生，可以更为有效地改善内河水水质或减少不必要的引水成本。

表3 不同引水方案下引水方案、引水结果与引水量对比

5 结论

本文在闸泵调控优化模型的约束条件中引入了内河流速限值、外河水质和引水比例等约束变量，并在其目标函数中补充完善了闸门启闭费用，由此得到考虑引水因素的闸泵水动力调控优化模型。该模型能在外河水水质发生变化时及时提出更为经济有效的引水方案，避免盲目引水导致内河水质状况下降和过度引水导致引水费用增加等情况，在实际工程应用中有更广的适用范围。

6 建议

本文基于嘉兴河网的水体自净能力，通过试验研究得到不同条件下的最优的引水方案，并构建了平原河网水动力调控优化模型，取得了较好的成果。但由于各方面的限制，在后续的研究中还有诸多方面有待进一步的探讨和完善:

a.河网水环境模型的精度有待进一步提高。建议今后增加水质资料的收集及水质模型的率定。

b.多措施综合治理河网水环境。引水调度能在短期内快速改善河网的水环境，但这只是一种治标不治本的措施，而且经济投入较大。水环境的有效治理应将截污、底泥疏浚、人工浮岛等有效结合起来，从根本上治理河网的水环境。■