滨海平原河网闸群优化调度设计

陈吉江，阮登泉

（1.余姚市水利局，浙江 余姚 315400；2.余姚市马渚镇农业农村办公室，浙江 余姚 315450）

1 问题的提出

滨海平原地势平缓，河道纵横交错，水流流速缓慢且方向往复不定，同时由于外泄洪水受潮汐影响，加之为兴利目的而修建的众多水利调控工程设施，导致河网水流流态极为复杂[1]。随着城市化进程的加速，城市污水的排放也与日俱增，然而污水处理系统的建设却相对滞后，导致大量工业废水和生活污水排入河网系统，且过多地修建闸、泵站等设施易造成污染物及废水集中下泄，水质污染问题日益严重[2]。因此建立合理的河网水动力 — 水质数值模型，正确地模拟复杂河网的水质演变过程，研究如何利用闸群等设施，改善河网水质，对滨海平原的水污染防治有着极为重大的意义。

国外，Unver O I用实时优化水库洪水调度计算德克萨斯州科罗拉多河下游特拉维斯湖水质变化[3]。Hwang等研究闸门启闭状态对下游河流水质影响[4]。国内的研究主要针对河网单闸及闸群联合调度对水质变化的影响。李来山等研究流域闸群分布特征对河网水质的改善作用[5]。王昭亮研究闸的运行工况对下游污染物影响及工程调节作用[6]。张永勇等把闸门运行规则、河网水量水质模型与遗传算法耦合，并嵌入SWAT模型，研究流域闸群的合理运行调度对流域水质水量的影响[7]。但对于滨海感潮河网的闸门联合调度的研究，相关文献较少。

因此，本文以余姚市姚西北滨海平原地区为研究对象，根据区域特点对河网水系进行概化，收集相关区域资料，建立姚西北滨海河网的水动力 — 水质联合模型，通过实测数据与MIKE11模拟数据，验证模型的稳定性和精度。设计不同的闸群调度情景方案，通过率定模型进行水质分析及水量计算，并进行对比分析，最终确定姚西北河网闸群的最优调度方案。

2 研究区概况

余姚市总面积1 527 km2，地理条件优越，姚西北平原地势整体北高南低，西高东低，北濒钱塘江、杭州湾，潮汐明显，每天2次涨落潮，是著名的强潮河口。姚西北水系复杂，河网交错密布，水闸众多且采取分级控制，区域面积366 km2，境内主要河流有姚江、四塘横江、临海大浦江等，具体河网水系概况见图1。

图1 姚西北河网区域图

目前，姚西北河网水体主要为有机污染，常年处于Ⅳ、Ⅴ类水，泗门、临山和小曹娥等乡镇因大量的榨菜加工，每年4 — 7月份大部分河网水质处于Ⅳ ～ Ⅴ类，在污染严重的河道超过了Ⅴ类，水生态环境较差。

3 模型构建

3.1 河网概化

平原河网错综复杂，河流众多，若将所有河道都纳入计算，则会因为细小河网资料短缺影响模型构建，甚至因计算量过大而导致计算机性能不足而无法工作[8]。故需对河网进行概化，略去次要的细小河道或将其并入主干河道中，以提高模型精度、简化计算过程[9]，概化主要按照以下原则进行：①河流总长尽量保持不变。②不对主干河道进行概化改变。③保证概化前后河流流量系数基本一致。

本次计算模型区域从河网的完整性和水流边界设置的合理性角度考虑，计算范围包括姚西北平原河网区和周围部分区域，具体包括东起东江，西至湖塘江，南邻中山河，北终七塘横江，最终的概化结果包括骨干河道10条及次级骨干河道28条、节点数70个、河段111条、计算断面413个，整个模型概化为6个入口，3个出口，具体概化示意见图2。

图2 河网概化示意图

3.2 水动力模型构建

3.2.1 模型方程

一维水动力模型的基本控制方程为Saint - Venant方程组[10]：

式中：Q为流量，m3/s；v为流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；z为水位，m；q为沿程入流，m2/s；A为过水断面面积，m2；Sf为摩阻坡度。

3.2.2 参数选取

水动力模型中糙率为最重要的参数，其选取对模型精度有很大影响[11]。糙率的选取主要从2方面进行考虑：①河道本身的粗糙程度及水流走势变化等。②水流的深度及流量大小等。本文参考前人的经验公式并结合实测数据确定初始范围，并将其带入模型计算，选取拟合度最高的值作为模型的最终糙率。经反复取值计算并与实际河道情况比较，各河段的糙率值为0.025 ～ 0.040。

3.2.3 定解条件

定解包括边界条件和初始条件，是模型求解的关键。其中边界条件可分为外边界条件和内边界条件[12]。内边界条件包括河流上的水工建筑物，而外边界条件一般指随时间变化的水位 — 流量关系，又分为入流与出流边界。本文建立的水动力模型所设定的边界条件共计13个（见表1）。

表1 模型边界条件示意表

其中外边界条件包括4个入流边界和3个出流边界，分别为湖塘江、七塘横江、姚江以及R河流的流量边界和临海大浦江、姚江以及陶家路江的水位边界。河流R是为满足研究区域水系拓扑关系所建立的虚拟河道。

内边界条件为姚西北地区内选取的6个水闸，分别为湖塘江入口的长坝闸、临海大浦江新闸与老闸、陶家路江新闸与老闸以及马渚中江的西横河节制闸。

模型起始阶段计算主要受初始条件的影响，当计算趋于稳定后，其影响微乎其微。因初始条件的实测资料不足，本文采用静水启动，即初始流量设定为零。

3.3 水质模型构建

水动力模型是水质模型的基础与前提，它为水质模型提供所需的水力要素，例如流量、水位、流速、过水断面面积等。

3.3.1 模型方程

水质方程即以能量守恒、连续守恒等原理反应污染物的迁移变化规律。水质模型的控制方程为一维对流扩散方程，即式（3）：

式中：Φ为污染物浓度，kg · m-3；A为过水断面面积，m2；V为水质细胞体积，m3；x为河水流动距离，km；为河段水流纵向离散系数，m2/s；S为河道水体污染物源漏项，kg/s。

3.3.2 参数选取

水质模型中最重要的参数为离散系数与污染物降解系数。

（1）离散系数。离散系数是反映河道纵向混合特征的重要参数，主要影响因素为水流条件、河流形态、断面的形态特征等。经率定验证，离散系数最终取值为100 m2/s。

（2）污染物降解系数。污染物降解系数用来描述污染物随河道长度变化而变化的过程。其受到水温、河床糙率、水生生物的化学生物反应等因素的影响。本文通过参考文献资料的经验总结并结合实际河道情况进行选取，经率定验证，NH3- N污染物降解系数为0.12 L/d，其余降解系数为0.10 L/d。

3.3.3 定解条件

定解条件与水动力模型一样分为边界条件和初始条件。

（1）边界条件。边界条件包括水温、藻类含量、溶解氧DO、五日生化需氧量BOD5、氨氮NH3- N、总磷TP、总氮TN、亚硝酸盐氮NO2、硝态氮NO3等在入流边界的边界值。

（2）初始条件。研究区域河流众多，且初始浓度值资料不足，初始条件无法平衡处理做到单一设置。故此次模拟在考虑污染物特点的情况下，设置初始条件如下：除溶解氧的初始浓度值设置为6 mg/L以外，其余物质均采用静止状态启动，即将初始浓度值设定为零。

将上述水动力模型数据资料和参数，输入HEC - RAS模型中，计算求解，可获得河网内各河段的水动力参数和水质参数时空分布曲线。

4 模型率定与对比验证

为验证模型的可靠性及精度，需对模型进行率定与验证。因篇幅限制，本文仅展示水质模型针对实测资料进行的率定、与MIKE11计算值的对比。

4.1 通过实测资料率定

考虑水质监测特殊性，其监测频率一般为每月1次，导致水质实测资料的缺失。若采用实测数据对比，则模拟时间将跨年。本文将仅对六洞闸与泗门泵站在2013年10月7日 — 10月14日期间污染物实际浓度值与计算值进行对比。模拟结果见图3 ～ 6。

图3 六洞闸实测与计算值对比图(DO、TN)

图4 六洞闸实测与计算值对比图(TP、NH3 - N)

图5 泗门泵站实测与计算值对比图(DO、TN)

图6 泗门泵站实测与计算值对比图(TP、NH3 - N)

上述计算结果与实测值的最大误差值与平均误差值 见表2。

表2 计算浓度值与实测值的最大误差值与平均误差值对比表 mg/L

计算获得的水质变化过程曲线分析表明，计算值与浓度值误差多产生在初期阶段，模拟稳定后浓度值的精度便逐渐提高。表明模型对水质计算具有相对的稳定性。

4.2 与MIKE11模拟值对比分析

采用相同的概化方案、河道地形资料、断面资料、定解条件及参数进行MIKE11数值模拟。MIKE模型利用2013年10月7日的洪水资料进行模拟，模拟时间为2013年10月7日 — 10月14日。选取六洞闸和泗门泵站测站进行对比。模拟结果见图7 ～ 8。

图7 六洞闸对比图(DO、BOD5)

图8 泗门泵站对比图(DO、BOD5)

表3 模拟浓度计算值对比表 mg/L

由表3可知，其2个污染物浓度值模拟走向趋势基本吻合，模拟效果较好。因模型选取的共同参数值，不能同时满足2个软件最佳拟合度，且2个软件计算原理不尽相同，故存在一定的误差是合理的。

5 余姚市姚西北平原河网闸群调度实例应用

姚西北河网水质的主要问题：本地有限的产水量不能满足河网水环境生态需水量，水体长期处于相对静止或无流速状态，导致河水自净能力弱，河网的污染物总量超过水体纳污能力。

工程设计的基本思路在于通过一定措施增强水流流动，加速水质的复氧反应，有效提高水体的自净能力。应用本文所建立的水动力 — 水质联合模型对该河网进行模拟，对主要控制闸门设置不同的开闸方式，对闸门下游河网水体进行扰动，增大流速，提高河网相关河道的水质。拟设计5种闸门启闭控制优化调度方案：

（1）方案1：根据闸门上游水位H控制闸门启闭，控制水位H= 2.0 m；

（2）方案2：根据闸门上游流量Q控制闸门启闭，控制流量Q= 30 m3/s；

（3）方案3：根据闸门上下游水位差ΔH控制闸门启闭，控制水位差ΔH= 0.001 m；

（4）方案4：根据闸门上下游流量差ΔQ控制闸门启闭，控制流量差ΔQ= 5 m3/s；

（5）方案5：根据闸门时间序列流量来放流。即设置闸在不同时段以不同流量进行排放。时间序列设置为每天08:00 — 15:00时段内流量为40 m3/s，其余时段为20 m3/s。

研究模拟时间选取2013年10月7日 — 10月14日，模拟结果显示在不同的闸群调度规则方案下，姚西北河网的水质变化情况，本文仅选取六洞闸作为代表进行分析，结果见图9 ～ 12。

图9 六洞闸DO浓度值变化图

图10 六洞闸BOD5浓度值变化图

图11 六洞闸TP浓度值变化图

图12 六洞闸TN浓度值变化图

根据图9 ～ 12分析可知，上述5种调度方案，对六洞闸断面水质均有一定的改善作用。

DO浓度值在10月9日左右开始有转折性的变化，闸的启闭调度开始产生影响，DO浓度值在稳定之后，出现增长。5种方案中，方案5的效果最佳。

类似 BOD5、TN，也有相同的变化趋势，但模型模拟的时间较短，部分指标在模拟末段优势渐渐缩小，相对水质模型而言，模拟时间越长，初始条件的影响越小，计算精度越高。

上述模拟结果分析表明，在科学合理的闸群调控下，对河网水力参数的影响，可影响污染物的时空变化，有效降低水体污染物浓度值，达到提高河网水质的效果。

6 结 论

（1）基于实测资料，考虑河网内部主要控制闸群等水工调控工程的调度，建立了余姚姚西北一维河网水动力 —水质模型。根据闸门启闭调度规则，结合典型断面的实测水质资料对模型进行验证，结果表明，模型具有较好的精度和稳定性，可应用于姚西北河网的水动力与水质模拟。

（2）根据工程设计要求，拟设计5种闸门启闭控制因素的优化调度情景方案，对比姚西北河网的水质变化。结果表明，在各种方案调度下，姚西北河网的DO、 BOD5、TN等指标均有一定的改善效果，其中方案5的改善效果最佳。

（3）本文方法可应用于其他平原感潮河网，所建模型可为感潮河网和水环境调度决策提供技术支持。