面向藻华抑制的流域水网泵闸群多目标调度研究进展

郭昀晖

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450045；浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018）

水网地区泵闸控制河段多，水流较缓，水力停留时间长，且污染物来源复杂，氮磷等元素长期积累，水体富营养化严重。而富营养化导致的营养盐平衡破坏，是爆发藻华的物质基础和首要条件。通过分析水动力指标对水生态指标的相互制约关系，提出水系连通、河道拓宽和合理制定泵闸调度方案等措施以加快水体置换率。目前，通过泵闸站进行补水活水以改善水生态的可行性较高，可提高水体自净能力，并对河湖生态流量适应性管理以解决水网部分时段和部分河段生态流量不足的问题。

进行水网数值模拟计算，首先需要构建水动力模型。水动力模型按照系统参数的空间分布特征，分为零维、一维、二维和三维模型。水网研究一般可用一维、二维水动力模型。

1 水动力模型研究现状

一维模型有节点-河道模型、单元划分模型、混合模型及人工神经网络模型。应用最多的是节点-河道模型，基于圣维南提出的明渠非恒定流理论及方程，其本质是对圣维南方程的求解，可采用有限差分法、有限体积法、特征线法、有限分析法和有限元法等，离散格式有显、隐式、半隐格式、蛙跳及扩散格式，如Lax-Wendroff 显格式、Preissmann 四点隐格式等。模型求解方法又分为直接解法和分级解法。直接解法有着计算量与数据储存量大、速度较慢的缺点，经改进后较为有效的方法有关于五对角元的压缩存储消元法、双追赶方法等。分级解法可减少计算断面数量，用于复杂河网数值计算。根据方程组连接形式有二、三、四级解法，汊点分组和树形河网分组解法等。随着数值模拟方法的发展，二维模型广泛应用于水网研究中。二维水动力模型是基于Navier-Stokes 方程，可用如应用于河口流场模拟的半隐式有限差分法、分裂算子法及应用于不可压缩流体模拟的SⅠMPLE 算法等求解。

构建水动力-水质耦合模型是进行水网水生态调度研究的前提，MⅠKE、HEC-RAS 和Delft-3D 等大型仿真软件在水网仿真中应用较广。中国对水网调度水动力-水质耦合模型的应用研究发展迅速，其中陈炼钢等构建的闸控水网水文-水动力-水质耦合模型，对泵闸群调度研究发展提供参考，基于该模型，通过量化生态修复方案改善效果来优选最佳方案，也可进而开发功能性更广的模型或系统，用于突发水污染或洪水预测。在水网模型仿真计算前，需对各参数进行率定，为减少人工干预，可使用软件自动化求取参数，代替常规试错法率定参数，可提高率定效率。ACUÑA 等基于DOE 法，提出具有通用性的参数校准方法，明晰参数对对应指标的影响。目前，复杂水网地区数值模拟对高精度模型的需求十分迫切。AHMED和ZENG 等学者纷纷针对模型精度，构建了高精度模拟河流流态的水动力模型，并应用于复杂水网管理中。

2 河流生态流量计算方法研究现状

生态流量的提出与发展体现经济社会对良好水生态的需求。河湖生态流量定义为维系河流生态系统的结构和功能，需要保留在河湖内符合水质要求的流量及其过程。目前，生态流量计算方法可划分为水文学法、水力学法、生境模拟法、整体分析法。

水文学法是利用历史流量资料，通过计算多年平均流量以确定生态流量，具有简单方便，对历史数据要求不高的优点。常用有Q95、Q90、Texas、NGPRP、RVA、Tennant、Lyon 法等，其中Q50-90 法得到的生态流量需求最大而保证率最低，Tennant 法得到的生态流量需求最小，而在季节性河流中Lyon 法可作为最佳计算方法。由于河湖生态流量针对不同需求在不同地区、河道中存在差异，难以建立起具有普适性的方法，单一水文学法计算得到的生态流量科学性不足，因此姚云泽等提出多种水文学法共同分析，以提高结果科学性。基于水文学法，也可以结合生境模拟法，以指示物种栖息地生态环境对水力条件的需求来确定生态流量，增强生态意义。整体分析法具有较强的科学性，王俊娜等提出适用于中国生态资料相对完整的大型河流区域的水文-生态响应关系法来计算生态流量。但是其计算所需的水文、水生态及历史数据较多，难以满足。在水网地区生态流量计算时，应结合水文特征，考虑其生态多样性及生态功能，兼顾水量、水质。

3 基于水动力条件抑制藻华研究现状

藻华爆发会引发水质参数快速变化，水体透明度明显降低，总氮、磷和高锰酸盐等指数增加，造成水生态功能降低。而藻类生长与温度、光照、营养因子含量、水动力条件等因素有关。研究发现，河道年均流量与藻华发生率呈负相关关系，王晓青等通过分析澎溪河流速与水体Chl-a 含量的关系，得到流速增大可控制Chl-a 含量的结论。因此，调控水动力抑制藻华是可行的。通过提高流速而产生的水力冲刷效应可以直接影响藻类生消过程，产生的剪切力可破坏藻类细胞壁，并且水体流速大于或者小于某一临界流速时，藻类的生长速率就会减缓。李锦秀等在三峡库区支流进行研究，得到流速对藻类生长速率影响满足关系式（）=0.7。而对太湖流域的优势藻类微囊藻，在温度、光照可控条件下，利用天然河水模拟静水与0.05～0.50 m/s 流速下微囊藻生长状态，发现不同流速下藻类生长速率存在显著差异，呈现低促高抑现象，最终确定适合太湖取样的微囊藻的临界流速为0.30 m/s，流速过大或过小都不同程度的影响藻类生长。在水网地区可根据实际调度情况结合藻类生长与流速关系曲线，确定使藻类生长速率较低的流速范围。在天然环境中，水动力不能作为一个孤立条件进行研究，应考虑与其他因素的协同作用，水动力调控对藻类生消过程的间接影响就是通过影响营养盐、光照分布来影响藻类繁殖，在15 ℃时，水体流动不利于微囊藻生长，而在25 ℃时，更有利于微囊藻生长，且在15 cm/s 时获得最大生物量。

4 泵闸群调度基本理论与模型方法研究现状

目前，通过泵闸站进行补水活水以改善水生态的可行性较高，可提高水体自净能力。但是调度方案的实际效果受引水流量及时间等因素影响。其中引水流量越大，水质改善率越大，超标水体比例越少，但随着流量的增加，工程的净效益先增大后减小。而在固定流量下，增加引水天数对水质改善有显著作用，但随着天数增加，改善效果提升较缓。因此，补水活水并不是引水冲污，而是科学进行引水量的选择、引水时间的确定，以最少电量水量消耗达到最佳的改善效果。并且通过多目标决策，可以综合多种需求，在降低引经济耗费的同时，确保具有较好的水生态改善效果，着眼水量、水质与水生态构建方案优选体系。

目前泵闸群多目标调度中，通常复杂水网水资源配置优化中能够以加权相对总缺水深度最小、供水总成本最小、供水缺水量最小为优化目标。泵闸调度中还可把泵站开启时间、闸门开启次数作为目标函数来分析最佳方案。对抑制藻华的泵闸群多目标调度可结合抑制藻华的流量阈值来设置优化目标或约束条件。求解多目标模型，一是可以通过构造惩罚函数将多目标问题简化为单目标问题。二可采用收敛性好、计算精度高的算法求解模型，遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、人工神经网络算法及其改进的算法被广泛应用于模型求解中。孔波等引入参数调整、邻域变异和加速策略改进布谷鸟算法，加快后期局部搜索能力、改善收敛性并提高计算速度，应用于多泵闸调水工程优化中。王攀等通过加入改进后的量子旋转门、量子交叉，并同时加入量子灾变以优化量子遗传算法，将其应用于南水北调东线工程水资源优化调度中。

5 结语

泵闸站作为水网地区主要调度设施，在面向藻华抑制的泵闸群调度中应该将生态流量、流速等需求整合到泵闸群联合运行中，以维持整个河流生态功能。由于水温、光照、营养盐浓度较难通过调度改变，因此通过泵闸群调度，改善水动力条件抑制藻类生长，在应对藻华方面将进行有效防护。并且，应基于藻类生消过程临界流速和水网生态流量需求确定多目标模型的模板函数及约束条件，优选最佳方案，以减少水、电量消耗。