滨江复杂河网地区水环境调控仿真模拟系统研究

许建平，董阿忠，张金龙，康艳萍，谢义林

（江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017）

对于滨江河网地区，区域内河网布局密集，联通复杂、流向复杂、坡降较小，水体流动缓慢[1]，伴随着滨江城市经济的快速发展、城市化建设推进，区域水环境质量日益下降。利用泵闸优化调度实现水体交换与流动以改善水质[2]，已经成为改善滨江城市水环境的创新之举。随着社会经济的快速发展，原调度方法已不能满足人民群众对河流防洪安全、水环境、水生态、水景观等要求，制约了水利工程综合效益的充分发挥。原调水方案依靠常规半经验、半理论的调度方法，主要以调度图为指导，虽简单直观、概念清晰，但调度图目标比较单一，调度结果并非全局最优，很难处理多目标、多约束、高维变量等复杂问题，同时工作量大、调水效果不理想[3-5]。前人对于智慧调度的研究多在滨海地区，滨江地区较少[6-9]。

因此，依托已建成的实时雨水情、实时工情、实时水质采集站点，通过建立滨江复杂河网地区水质水量一体化模型，结合水利工程调度技术，构建滨江复杂河网地区水环境调控仿真模拟系统，以实现区域水量水质变化预演很有必要。

1 水循环水环境模拟模型

水循环水环境模拟模型是基于河道地形、湖泊、水文站网位置、社会经济分区、土地利用等资料所构建的水质水量一体化模型，是河网水动力学和水质数学模型的耦合。首先基于河道地形、湖泊地形、水利工程规模及位置等资料，构建水动力模型；基于行政分区、下垫面信息、流域站网、水田灌溉资料等，构建水文模型；基于区域取排水、污染负荷资料等，构建取排水及污染负荷模型，采用实测水文水环境监测资料，实现区域水量水质的模拟。

1.1 水文水动力模型

水文水动力模型主要模拟研究区域水量在闸泵调度过程中情况及其动态变化，包括以下 4 个子模型，各模型相互联系共同作用：

1）降雨径流模型。根据滨江城市地理特征，将土地利用划分为旱地、水面、水田、建设用地 4 类。分别采用上述 4 类下垫面产水模式，模拟江阴市降雨产流过程。

平原区坡面汇流采用河网多边形法。根据河道、泵闸分布，将区域划分成多个河网多边形，每个多边形作为独立的计算单元。各单元内分别建立分布式水文模型，在各多边形区域中近似划分各河道的集雨面积，采用近似单位线的方法确定每个河道集雨区的坡面汇流时间，将该河道集雨面积上的产流按照单位线法以旁侧入流的形式均匀汇入该河道。

2）河网水动力模型。河网水动力模型可分为一维河道和零维模型，前者用于模拟平原河网内水流的运动，后者则主要考虑湖泊、塘坝、苇荡等的调蓄作用。

3）水利工程模型。本次研究主要通过水利工程及输水河道，将长江水输送到滨江城市地区，改善当地的水环境状况。水闸、泵站等水利工程是水环境调度中最重要的控制工具，可通过水力学方法模拟水闸、泵站等的水流运动。对于不同的联系要素采用相应的水力学公式，采用局部线性化离散出流量与上下游水位的线性关系或非线性迭代方法求解。

4）工程调度模型。基于江阴水文水动力及水利工程模型，可通过水利工程运行规则控制各闸、泵等水利工程的运行，实现江阴市白屈港智慧调水。触发控制条件后，可以对闸门实行 2 种控制模式，即闸泵分项控制和联控模式。分项控制模式下，闸门是按照计算时间步长逐步开启或关闭；闸泵联控模式下，闸门的启闭是一次性直接开启或关闭。

闸泵联控模式可以对闸门实现开启度、流向、流量及分孔控制；分项控制模式除可以实现流向、流量及分孔控制，还可以实现闸门的增量开启或关闭。

1.2 水环境模型

水环境模拟可以模拟研究区域水质在闸泵调度过程中动态变化，水体水质受到污染负荷、污染物运移输运转化及来水共同作用情况。水环境模型由以下 3 种模型组合而成：

1）污染负荷模型。污染负荷模型从结构上分为产生和处理模块 2 个部分。产生模块用于计算各种污染源的产生量，处理模块用于计算污染物经过各个处理单元后的污染负荷入河量。

2）河网水质模型。河网模型系统中的水质模型分别是调蓄节点和河网水质模型。调蓄节点水质模型主要模拟流域内除太湖以外的湖泊水质变化规律，河网水质模型用于研究太湖平原河网污染物的运移转化规律。水质模型与水量模型耦合联算，采用控制体积法进行数值离散。

3）来水组成模型。来水组成模型是以水质模拟计算为基础的，在模型方程中只考虑了对流项，没有考虑源项，计算结果不同于水质模拟，来水组成计算有理论解，考虑了所有水源，对任何一个河段或断面，各种来水组成比例总和等于 100%。

2 水环境调控仿真模拟系统

对于滨江地区进行智慧调水研究，区域内水质变化与引调水息息相关，需依据滨江地区水文水动力条件，构建依托于水循环水环境模拟模型，结合闸泵联合调度技术，构建滨江复杂河网地区水环境调控仿真模拟系统，以模拟区域水量水质变化，可为滨江复杂河网地区水环境调控给予一定的技术支持。

本系统采用的模型为一套完整的水循环、水环境模拟系统，基于自主研发的 GIS 平台，完成了模型前后处理功能研发，实现了水文、水动力及水质模型的耦合，同时将其平台化，集构模、连库、计算、调试、展示等为一体。该系统所采用的工情、水文、水质等监测数据为实时运行数据，通过江阴市水利局和环保局的实时采集系统及数据交互共享得到。本系统首页如图 1 所示。

图1 江阴市水环境调控仿真模拟系统首页

2.1 模型计算与分析

选择好模拟开始时间、预报作业时间和预报时段数值，勾选需要保障水质的站点，如需进行预报参数设置，点击预报参数设置按钮，对降雨和工程调度进行相关的设置，设置完成之后点击“确定”按钮，然后点击“预报模型计算”按钮，计算完成之后模型将返回相应的计算结果。结果包括水质参数曲线图、水质参数数据表、调度结果概化图及水质评价结果。

水质参数为 CODMn，NH3N，TP 和 TN。调度结果概化图展示了每个站点的调度开度H及整个调度方案期间该站点的总流量 ∑Q，如图 2 所示。

图2 调度结果概化图

2.2 实时数据与历史数据

实时数据主要分成实时水质、水情、雨情和工情 4 种类型数据，历史数据模块主要是对水质、水位、雨量、闸门开度等监测数据进行查询展示。

2.3 报表管理

报表管理功能主要对白屈港和新夏 2 个站点的抽水量进行统计分析，主要包括流量日、月及年报表，例如流量日报表主要是对每小时的抽水量的统计，最大值、最大值发生时间、最小值、最小值发生时间及平均值。

2.4 三维调水演示

利用倾斜摄影和基于 Skyline 平台的三维技术，实现了白屈港水利枢纽和调水沿线重点闸站的三维建模和调水演示，同时连接后台数据库，可直接在三维平台上展示相关数据。主要分为以下 4 个部分：

1）三维展示。白屈港水利枢纽系统提供了按照既定路径，展示白屈港水利枢纽的三维模型功能，如图 3，4 展示的白屈港抽水站和周庄套闸模型。浏览过程中，可暂停对单个闸站模型利用鼠标进行的移动、缩放和旋转等操作以实现模型详细浏览。

图3 白屈港抽水站模型

图4 周庄套闸模型

2）默认调水方案演示。包括完整调水方案和单个方向调水演示，其中单个方向调水演示包括了东线、西线、南线和东南线。演示采用动态箭头的方式，动态模拟了水的流向。

3）实时水质查询。系统可查询到当前江阴地区的实时水质，如图 5 所示，并根据水质情况，按照统一的颜色在三维底图上展示监测点水质类别。

图5 实时水质查询

4）推荐调水方案演示。包括详细的调水方案信息和三维底图的显示，其中灰色表示相应的闸站关闭，绿色表示相应的闸站开启，闸站的标签则显示了闸门开启高度和过水流量，闸门开启的水闸用绿色为底色以示区别，推荐调水方案演示如图 6 所示。

图6 白屈港水利枢纽推荐调水方案演示

3 水环境调控仿真模拟系统应用

运用实时水文、水质监测数据对数学模型进行实时反馈校正，可快速高效生成最佳的闸泵调度方案，实现泵闸优化调度，以保障研究区域内监测断面水质水量稳定。

进入水环境调控仿真模拟系统，工程调度模型将根据设置好的预报参数自动推荐最优联合调度方案，通过推荐的调度方案模拟调度期间水质水量变化趋势，如最终预报调度结果满足需求，则依据此调度方案指导实际调度。若不满足实际情况，进行人工修改调整方案并再次进行模拟调度直到预报调度结果满足实际调水需求。实际调度完成后对当前调度方案结果进行评价，若实际调度结果与调度方案预报结果相符，则依据此方案指导日常调度，若偏差较大，则需进行模型校准。具体调度流程如图 7 所示。

图7 水利工程调度流程图

3.1 水环境调控调度模拟

选取晃山桥、湖庄桥、凤凰 3 个水质站作为调水对象。基于工程调度模型，组合各水利工程不同的运行方式，形成多种调水方案，模拟和分析不同调水方案下各水利工程对晃山桥、湖庄桥、凤凰 3 个站水环境状况的影响；筛选和推荐分别满足 3 个站、2 个站、单站水质达标要求的 7 种较优调水方案；将上述 7 种方案通过调度预案的方式设入模型，实现 7 种调水方案的智能决策。选择湖庄桥、凤凰、晃山桥水环境改善调水方案进行展示。

3.1.1 调水方案

水环境改善拟推荐方案为白屈港抽水站引水流量为 80 m3/s，白屈港西侧各闸（东横河西、应天、斜泾、冯泾、青祝等河闸）全部关闭，白屈港东侧周庄、文林、璜塘、祝塘等套闸适当开启，使长江来水分别主要通过璜塘闸、周庄套闸（或祝塘套闸）、文林套闸，沿白屈港、张家港、富贝河段、东清等河段完成湖庄桥，晃山桥及凤凰 3 个站水环境循环改善。本方案调水路线具体如图 8 所示，白屈港调水工程运行情况如表 1 所示。

表1 闸泵运行情况

图8 调水循环路线

3.1.2 方案结果

基于 3.1.1 的调水方案，依据 2020年历史水文水环境资料，模拟和计算 2020年平水期 1月湖庄桥、晃山桥、凤凰 3 个站的水质情况。通过调水方案，湖庄桥、晃山桥、凤凰 3 个站的水环境状况基本可达 Ⅲ 类水标准。具体结果如图 9～11 所示。图中计算的后期部分，是指预报的结果。

图9 湖庄桥站水质模拟

3.2 水环境调控调度模拟评价

模拟参数设置分为预报降雨和工程调度设置。预报降雨设置可设置每个降雨分区降雨量数值；工程调度设置可设置枢纽工程的调度模式，支持水位、流量和开启度控制 3 种不同的方式。

图10 晃山桥站水质模拟

图11 凤凰站水质模拟

依据调度方案中的工程调度规则模拟水质监测断面在调度期间 CODMn，NH3-N，TP，TN 参数的变化趋势，由图 9～11 可知，调度期结束，站点的水质满足 Ⅲ 类水的考核标准，此调度方案可以指导实际工程调度。

依据模型推荐的闸泵联合调度规则指导实际调度，待调度结束后，通过比较实际调度结果与模拟调度结果的水质水量的变化趋势是否一致，如果一致证明此调度方案可行，如果不一致则进行相应的模型修正，经过不断的模拟调度与实际调度相比对从而优化闸泵联合调度方案。

4 结语

本研究利用江阴市内外河道地形、湖泊地形、水文站网、流域下垫面等资料，构建江阴市水循环水环境调度模型；基于该模型，结合白屈港水利工程运行方式，设计、构建各类水利工程联合调度方案。模拟和分析各类调度方案下晃山桥、湖庄桥、凤凰 3 个站的水质浓度与水量情况，根据模型推荐的调度方案指导实际调度，并通过实际调度结果不断优化完善闸泵联合调度方案。经过长期的实际调度，优化后的闸泵联合调度方案能够满足白屈港工程调水提升的整体要求，依据推荐的调度方案能够常年保证晃山桥、湖庄桥、凤凰 3 个站的水质达到 Ⅲ 类水的考核标准，并有效地改善了无锡市区、锡山区、惠山区及江阴市东部地区的水环境。

因此，本研究构建的滨江复杂河网地区水环境调控仿真模拟系统可为滨江复杂河网地区水环境调控给予一定的技术支持，较为系统地将水循环、水环境数值模型与水利工程调度相结合，根据输入的边界条件即时生成最优调度方案，且可实时显示水质水量及各水利工程运行情况，生动直观，对滨江复杂河网地区的智慧调水研究进行了补足。鉴于研究区域较小，建议结合数字孪生流域建设，在本研究成果基础上扩大研究范围，开展武澄锡虞区数字孪生应用研究，满足该区域水旱灾害防御、水环境调度，实现预报、预警、预演和预案的“四预”功能要求。