面向水环境治理的晋安河流域“水多水动”调度方案研究

孟庆魁，胡耀华，廖卫红，雷晓辉，王 超

（1.西北农林科技大学，陕西杨凌712100；2.中国水利水电科学研究院，北京100038）

0 引 言

随着城市建设进程的推进，河道环境问题已成为当今最热门的生态环境问题之一［1］。福州市位于闽江下游及沿海地区，福州内河河网水源除部分来自北部山地汇水外，主要来自闽江潮水。由于城区内河水源补给受到闽江潮汐控制，潮位差很大程度的影响到河网水质［2］。利用闸门控制水体交换，水闸会影响河网水体置换的速度。污水稀释的条件因河道、河段而异，局部河段污水因顶托、回荡难以排出的问题还是相当严重。为此，福州市城区水系联排联调中心提出了“水多水动”的概念，即通过上游引水以及纳潮引水两种形式实现内河水位合理分配，保持内河流速与景观水位。

结合水动力与水质的联合调度是实现社会经济与生态环境协调发展的有效举措，是当今国内外水科学的前沿和热点之一［3］。目前常通过闸泵调度来实现水体交换与流动以改善水质。在国外很早就开始了这方面的研究，目前比较成熟的模型有美国环保部开发的SWMM 模型和HSPF［4，6］模型，美国水文工程中心开发的STORM［7］模型，美国地质勘查局开发的DR3MQUAL［8］模型，美国农业部开发的SWAT模型［9，10］以及英国Walling Ford 公司开发的Infoworks ICM 等。国内开展闸泵调度优化及其影响的研究呈较快发展态势。郑保强等人［11］通过一维的水环境数学模型来进行水闸调度的模拟，评估了水闸调度对河流水质的影响。邢宝龙等人［12］用SCE－UA 算法优化了水闸调度参数，提高了计算效率。梁志宏等人［13］建立了一二维潮流数值模型以优化网河水系水闸群联合调度的方法。徐贵泉等人［14］利用黄浦江水系、崇明岛河网水量水质模型，从引排水口配置、水闸开启方式等研究了分片水资源调度优化方案。在各种模型逐渐成熟后，后人开始运用现有模型进行不同区域的研究。樊智等［15］应用MIKE 21 水动力水质模型，研究东太湖吴江应急水源地的涵闸调度规则，综合考虑水质优化、控藻和运行成本，制定一套全年调度方案，为应急水源地的调度管理提供支持。张海军等［16］同样运用MIKE 21 建了嘉兴市区一维河网水动力水质耦合模型，应用所构建的模型，评估现状调度方案的水质改善效果，提出优化调度原则，探索优化调度方案。周川等［17］选用Infoworks ICM 软件建立华北某市H 河水质模型，通过水质模型分析现况采取的治理措施无法使河水达到地表水准IV类标准，验证了软件在水质模型应用方面的作用。龙华等［18］利用MIKE HYDRO搭建通顺河河网一维水动力水质模型，以水环境质量改善为出发点，制定通顺河流域水资源调度方案。杨卫等［19］采用基于DEM 的平面二维水动力-水质模型，分析5 种引水流量工况下汤逊湖的水环境改善效果，对不同引水方案的环境效益进行评估。刘非等［20］将城市综合流域排水模型（ICM，Integrated Catchment Management Model）应用于武汉长江隧道及其周边区域利用修正的Morris筛选法定量分析ICM 模型中水文参数的局部灵敏度，并采用统计学方法分析各参数敏感度值的稳定性，为模型的参数率定提供参考。

针对福州市内河水质问题，目前这方面的研究较少。为了维持福州市河道水位达到景观水位且有效的缓解水质污染问题，本文针对福州市中心城区晋安河-光明港流域河网，通过InfoWorks ICM 水动力模型，建立一维非恒定流Saint-Venant 方程组来模拟河流及河口的水流状态，通过对比9 种不同的调水试验，进行闸泵配置调整，选择了最优的调度方案。同时，建立水质模型，进行水环境调度模拟，以生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，简称BOD）等级从Ⅳ类变为Ⅲ类的时长此作为目标函数之一进行调度方案的评价，最终给出了各个目标函数都最优的调度方案，对有效解决福州市内河水位不高及水质污染问题有重要意义。

1 研究区域概况

福州市城区内河密布，共有42 条，总长99.3 km，水网平均密度达3 km/km2以上。福州内河与闽江下游感潮河道相连，受潮汐影响，内河潮涨潮落，历来是福州航运、排涝等的主要河道。闽江全长530 km，在福州市境内150 km；流域面积60 992 km2，在福州市境内8 011.27 km2。晋安河是福州市内最长的城市内河，横跨晋安区南北，全长6.68 km，2019年全年平均水位3.69 m。光明港为江北城区末端水系，为城区蓄滞洪区，长约6.79 km，2019年全年平均水位3.61 m。其河道水位均随闽江潮位变化而变化，无法维持在稳定状态。福州市重点河道断面水质均在Ⅲ级及以上，部分断面水质常年在Ⅴ级及以上。其中晋安河-光明港流域各支河具体位置如图1所示。

根据实际调控经验，一般通过86 师水闸调节，在上游引水泵站分别开启2、3、4 台机组情况下，分配到晋安河的流量分别为10、17.5、25 m3/s。在沿江水闸中，在内外水头差大于0.5 m时，由于同步门槽误差等问题，水闸摩擦力增大，启闭机动力不足，水闸启闭困难，因此，在内外水头差大于0.5 m 时无法启闭闸门，且只能全开或全闭。各个闸站参数如表1所示。

表1 沿江闸站参数表Tab.1 Gate parameter table

在内河水位较高时，晋安河-光明港流域主要通过魁岐排涝站、魁岐排涝二站、东风排涝站和红星泵站来调控水位。各个排涝站主要参数如表2所示。

由表2 可知，魁岐排涝站、魁岐排涝二站单泵流量大数量少，而东风排涝站和红星泵站单泵流量小数量多。在实际排水过程中，应由魁岐排涝站、魁岐排涝二站承担主要排水任务，东风排涝站和红星泵站用于精确调控水位。各个闸泵位置如图1所示。

图1 晋安河-光明港流域主要河道及水工设施Fig.1 Main river channels and hydraulic facilities in the Jinan River-Guangming Port basin

表2 排水泵站参数表Tab.2 Drainage pump station parameter table

因此，通过闸泵来调控水位应注意以下几点：①魁岐排涝站流量过大，在没有大规模排涝任务时一般不开启。②魁岐排涝二站单泵设计流量26.7 m3/s，与上游来水工况25 m3/s 最为接近，在引水量保持25 m3/s，外江高潮位时，所有闸门关闭，此时，魁岐排涝二站应承担主要排水任务。③东风排涝站流量小数量多，可通过不同开泵数量组合，来填充上游来水与魁岐排涝二站排水的流量差，实现精确调控。

2 模型原理与模型建立

2.1 模型原理

InfoWorks ICM 的全称是城市综合流域排水模型，该模型广泛应用于排水系统现状评估、洪涝灾害评估和调蓄池设计与控制模拟等［21，22］。InfoWorks ICM 利用降雨模块、产流模块、汇流模块和管流模块来模拟一场降雨的整个水文过程。软件采用分布式的模型模拟降雨，径流的过程，根据地面的位置以及不同组成要素的地面产流特征对集水区进行划分，以此提高模型的准确性［23］。InfoWorks ICM 采用圣维南方程组作为河道非恒定流控制方程，包括连续方程和运动方程：

水流连续方程：

水流运动方程：

式中：x为里程；t为时间；Z为水位；B为过水断面水面宽度；Q为流量；q为侧向单宽流量，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积；g为重力加速度；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数为曼宁糙率系数。

由质量守恒定理可以得到水质模型的控制方程一维形式如下：

式中：c为水质组分浓度；u为水流流速；E为扩散系数；s为源汇项。

本研究以BOD 为例，模拟河道内污染物浓度变化情况。BOD是指在一定条件下，微生物（主要是细菌及其酶）分解存在于水中的可生化降解有机物所进行的生物化学反应过程中消耗溶解氧量。BOD 的浓度能够有效的反应水体的污染程度［24，25］。

2.2 河网概化

福州市江北城区涉及众多的河道及湖泊，需先将河网进行概化。经概化后，河网应能够反映本地区天然河网的水动力情况，其概化原则是：等效原则及调蓄容积不变原则。在本文中，该区域水系的概化过程是在天然河网的基础上进行合并，将河网中主要河道依据以上原则进行概化后，可得到如图2 所示的概化河网。然后将全部124 个断面数据按照Info works ICM 的格式进行处理后批量导入软件中。

图2 福州市晋安河-光明港流域河网概化图Fig.2 Generalized map of river network in Jinan River-Guangming Port Basin of Fuzhou

2.3 边界条件

在应用水动力学数学模型进行河网非恒定流模拟时，必须预先给出对应于计算时段边界条件的全过程。潮位过程如图3所示。该过程最高潮位约5.6 m，最低0.9 m。因福州市水质监测站点正在建设中，并无详细各种污染物浓度数据，因此本研究采用水质等级来进行水质状况描述与模拟。如图4 所示，上游边界是通过上游泵站向晋安河流域补充的水量，依据所开泵数量不同分为25、17.5、10 m3/s。下游边界为江四水闸、红星水闸、鳌峰水闸和魁岐水闸外从2018年9月24日至2018年9月30日的实测潮位，在此时间段内无降雨。

图3 闽江潮位图Fig.3 Tidal map of Minjiang River

2.4 模型建立

通过上述方法及过程建立了一维水动力模型，如图4 所示即为一维水动力模型示意图。

图4 一维水动力模型示意图Fig.4 Schematic diagram of one-dimensional hydrodynamic model

2.5 模型率定

非汛期及无降水的模型率定采用的外江潮位数据是10%保证率的大潮潮位，取2018年9月29日的典型潮位过程，及同时段晋安河水位测站观测数据，并选用沿江闸站的记录数据作为模型边界，对模型进行率定。根据叶陈雷等人［26］的研究内容，对于河道模型权重最高的参数为河道糙率值。最终率定结果取河道糙率值为0.033。模型最终的模拟结果与实测过程对比分析见图5。实测水位与模拟水位误差分析如表3 所示，从表中可以看出误差范围几乎均在±0.1 m，可知两者的水位变化趋势一致，拟合较好。由此可知模型选择的参数合理，可以用于模拟分析。

表3 模型率定结果Tab.3 Model calibration results

图5 典型潮位过程线下晋安河水位过程率定结果Fig.5 The calibration results of the Jin'an River water level process under the typical tide level process line

3 闸泵控制方案设置

3.1 调度目标

晋安河要求景观水位要达到4.2 m，因此“水多水动”调度目标拟定为内河各个断面水位需要精确稳定控制在4.2±0.1 m内。晋安河流域按照国家标准要求水质达到Ⅲ类水的标准。

在情景模拟分析时，考虑到对城区水系的空间覆盖程度，选取8 组河道断面，以8 组研究对象的水位未达到景观水位的平均时长作为指标之一进行调度方案的评价。其中光明港一支河的景观水位为4.2 m，光明港二支河的景观水位为3.7 m，红星河的景观水位为3.9 m。选取的8 组重点研究对象涵盖了晋安河-光明港流域的上中下游，具体位置如图6所示。

图6 福州城区8组重点库湖及断面Fig.6 Eight groups of key reservoir lakes and sections in Fuzhou urban area

除此之外，在情景模拟分析时，考虑经济效益问题，还将水泵开启总时长，闸门启闭次数作为目标函数进行综合分析对比。同时结合水环境调度，将晋安河-光明港流域水质从Ⅳ类水变为Ⅲ类水的时长作为目标函数之一进行调度方案的评价。

3.2 调度方案拟定

维持内河水位，首先需要水位上涨到要求水位，然后进行水位保持。内河水位上涨主要有以下两种方式：①依靠文山里泵站引水，若初始内河水位为3.2 m，仅依靠25 m3/s 引水流量，下游所有闸门保持关闭，河道水位上涨过程如图7 所示，由3.2 m 涨至4.5 m 约用时17～18 h。②依靠外江潮位纳潮补水，若起调内河水位为3.2 m，保持上游25 m3/s 引水流量，当外江水位高于3.2 m 时开启下游所有闸门纳潮引水，河道水位过程如图8，可知，内河水位几乎保持与外江一致，水位从3.2 m上涨至4.5 m仅需2.5 h。

图7 依靠文山里泵站引水河道水位上涨过程图Fig.7 Process diagram of water level rise in water diversion channel relying on Wenshanli Pumping Station

图8 依靠闽江潮位纳潮补水河道水位上涨过程图Fig.8 Relying on the rising process chart of the water level of the Minjiang River tide level

根据上文分析，结合实际调度经验，在维持水位4.2 m 目标下，需要进行两个阶段的调控：第一个阶段为纳潮引水阶段，高潮位期间，关闭所有水闸，若闸内水位超过4.3 m，开启魁岐排涝二站排涝机组排水，当闸内水位降到3.9 m 时，排涝机组停止抽排，进入保水阶段。

第二个阶段为水位保持阶段，依据实际调控经验，一般运用魁岐水闸、江四水闸和红星水闸来调控水位。调控方式有如下3种。

调控方式一：当闸外水位低于闸内水位，开启魁岐水闸和红星水闸，同时关闭魁岐排涝二站机组；待闸内水位降低至4.1 m 时关闭魁岐水闸和红星水闸，通过魁岐排涝二站机组控制水位；调控方式二：当闸外水位低于闸内水位，开启魁岐水闸和红星水闸，同时关闭魁岐排涝二站机组；待闸内水位降低至4.1 m时关闭魁岐水闸3、4、5 号闸门和红星水闸，魁岐水闸1、2 号门保持开启，直到下次涨潮时，关闭水闸；调控方式三：当闸外水位低于闸内水位，开启魁岐水闸和红星水闸，同时关闭魁岐排涝二站机组；待闸内水位降低至4.1 m 时关闭魁岐水闸和红星水闸，开启江四水闸，直到下次涨潮时，关闭水闸。3 种调控方式区别在于水位保持阶段的闸泵控制规则不相同。

综上所述，针对晋安河-光明港流域在维持水位4.2 m 目标下，对不同的调度方案进行命名，如表4 为晋安河-光明港流域在维持水位4.2 m情景下的不同调度方案表。

表4 晋安河-光明港流域维持4.2 m情景下不同调度方案Tab.4 Different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

4 结果与讨论

4.1 “水多水动”调度

将上述9 种调度方案进行模拟，可以分别得到各调度方案的模拟结果。魁岐水闸处的外江潮位，内河水位，闸门流量时间变化曲线如图9所示。

图9 各方案魁岐水闸处各数据曲线图（2018年）Fig.9 Various data curve diagrams of Kuiqi sluice in various schemes

将各个目标函数的结果进行统计，得到如表5 各个方案的对比结果。模拟总时长为10 080 min。

表5 晋安河-光明港流域维持4.2 m情景下不同调度方案结果对比Tab.5 Comparison of the results of different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

通过对表5 结果的对比可以看出上游25 m3/s 流量下，方案三泵站开启时间最短，为180 min，闸门开启次数最少，重点断面未达到景观水位时长与其他方案相差较小，因此推荐方案为方案三。同样的，通过对比泵站开启时间、闸门开启次数及重点断面未达景观水位平均时长可以得出上游17.5 m3/s 流量下，推荐方案为方案五；上游10 m3/s流量下，推荐方案为方案七。

4.2 水环境调度

在模型中，设置内河水质等级为Ⅳ类，闽江水质等级为Ⅲ类。晋安河与光明港交汇处BOD浓度变化情况如图10所示。

图10 晋安河与光明港交汇处BOD浓度变化情况（2018年）Fig.10 Changes in BOD concentration at the junction of Jin'an River and Guangming Port

从模拟结果可以看出，在水闸打开的时间段内，内河污染物浓度迅速降低，从Ⅳ类达到Ⅲ类的标准；水闸关闭期间，内河污染物浓度从Ⅳ类逐渐降低，可以达到改善内河水质的目的。将“水多水动”调度不同流量下的推荐方案，进行水质模拟，上述3 种推荐方案的模拟结果如图11 所示。统计其水质从Ⅳ类变为Ⅲ类的总时间，结果如表6所示。

表6 晋安河-光明港流域维持4.2 m情景下不同调度方案结果对比Tab.6 Comparison of the results of different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

图11 3种方案晋安河与光明港交汇处BOD浓度变化曲线图（2018年）Fig.11 Three schemes of BOD concentration change curve at the intersection of Jin'an River and Guangming Port

从表6可以看出，维持水位4.2 m情况下，在方案三中，晋安河水质从Ⅳ类变为Ⅲ类的时间最短。因此当水环境发生污染后，最优的调度方案为上游文山里泵站引水25 m3/s，下游调控方式为：高潮位期间，关闭所有水闸，若闸内水位超过4.3 m，开启魁岐排涝二站排涝机组排水，当闸内水位降到4.1 m 时，排涝机组停止抽排；当闽江潮位退潮时，闸外水位低于闸内水位，开启魁岐水闸和红星水闸，同时关闭魁岐排涝二站机组；待闸内水位降低至4.1 m 时关闭魁岐水闸和红星水闸，开启江四水闸，直到下次涨潮时，关闭水闸。这种调控方式既能在较低能耗的情况下满足维持河道水位的目标，又能在水质不达标的情况下最为迅速的使河道水质达到要求。

5 结 论

（1）本文分析了福州市当前河道水位及水质方面面临的问题，建立了一维河道模型及水质模型，通过模型率定，河道水位误差在±0.1 m，模型参数选择合理，模拟结果较好。进一步验证了Infoworks ICM 模型在一维河道模型建立的可靠性。

（2）针对如何维持河道水位的问题，在模型中进行了多种调度方案的模拟，通过能够达到维持水位目标、闸门开启次数、水泵开启时长以及重点断面未达到景观水位平均时长作为目标函数进行方案评价，在能达到景观水位要求的同时满足了经济效益的最优，为“水多水动”调度方案的选择提供依据。最终针对上游不同流量情况，分别推荐了调度方案。

（3）针对水环境污染问题，对“水多水动”的推荐调度方案进行水环境调度模拟，以水质等级从Ⅳ类变为Ⅲ类的时间作为目标函数对方案进行进一步的评价，对调度方案进行进一步的评价，提出了能够更快解决水污染问题的方案。最终推荐的调度方案既可以在最低电量消耗下满足福州市维持河道水位的需求，又可以在发生水环境污染时最快的解决水质污染问题。