多目标协同下水系连通调度模拟

刘 晋，胡永辉，刘 夏

(1.水利部珠江河口治理与保护重点实验室，广州 510611； 2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611； 3.广州市增城区河湖库管理所，广州 511300)

1 研究背景

河湖水系是水的重要载体，是生态环境的重要组成部分，是社会经济发展的重要支撑，人类文明的出现、人类社会的进步和发展都与河湖水系密不可分[1]。我国水资源形势严峻，人多水少、水资源时空分布不均的基本国情和基本水情仍将长期存在，加上经济社会活动对河湖水系的影响不断加剧，河湖水系连通性减弱、水资源与水环境承载能力不足、洪水宣泄不畅、水安全风险加大等问题不断出现，水资源短缺、洪涝灾害仍然是制约中国经济社会可待续发展的重大问题[2-4]。

河湖水系连通是提高水资源配置能力的重要途径[5]。自1980年Vannote等[6]首次提出河流连续性这一概念，将河流当成统一的连续体开始，越来越多的国内外专家学者投入到河湖水系连通的研究当中，水系连通的定义更加完善和全面[7-11]，对水系连通的模式及特征的研究也更加深入[12-15]。2014年，孟慧芳[16]以鄞东南平原为研究对象，分析了快速城镇化背景下下垫面、水系结构和连通变化对河网调蓄能力的影响，认为水面率越大，水系连通程度越高，河网调蓄能力越好。2015年，庞博等[17-18]通过梳理河湖水系连通相关研究成果，从研究目的、研究对象、研究方法等方面初步提出了河湖水系连通的基本理论，从连通的必要性、可行性和合理性提出了河湖水系连通设计层面的关键技术，从风险控制、监测、调度、后评价等方面探讨了河湖水系连通管理层面的关键技术，为今后我国河湖水系连通战略的进一步开展奠定了基础。2017年，崔广柏等[19]将常熟市城区作为研究区，通过引水实验与水量水质建模，有机结合了水系结构连通性与水力连通性的概念，提出了水系连通度的评价方法。2018年，闵忠荣等[20]以南昌水生态修复中的水系连通实践为例，提出了构建分层纵横通水网、提高水环境质量及提高洪水安全保障的规划策略，研究结果能够为城市水生态修复提供借鉴。同年，陈亚宁[21]以塔里木河流域的新疆开都孔雀河作为典型流域进行研究，提出了河-湖-库水系连通建设管理系统，并将其应用于开都孔雀河段，为塔河流域水资源可持续利用管理与退化生态系统保护恢复提供了科技支撑。2020年，窦明等[22]以水生态景观面积最大为目标，建立并求解了多闸联合调度下的清潩河许昌段水系连通方案优选模型，得到了不同工况下的最优水系连通方案。陈昂等[23]从4个维度凝练了构建河流连通性指数的5个评价指标，包括破碎度指数、库容调节系数、水资源利用消耗率、路网密度和城市夜间灯光指数，建立了河流连通性指数计算方法、综合评价方法及评价依据，进一步完善了河流连通性评价的理论方法。2021年，罗慧萍等[24]以武汉大东湖水网连通为研究对象，构建了大东湖水网水生态环境数学模型，计算和评价了水网连通对各湖泊综合营养状态指数、营养状态的影响，为水网连通工程的管理运行提供参考依据。

综上所述，河湖水系连通是我国经济社会发展的迫切需要，同时也是落实党中央部署的国家战略需要。目前国内外针对河湖水系连通的研究取得了十分丰硕的成果，然而大多数研究仅是针对河网调蓄能力、水环境质量、防洪安全等其中一个目标，已远远落后于实际需求。因此，本研究在充分了解国内外有关水系连通的相关理论及实际工程建设的基础上，综合考虑防洪、洪水、水生态保护等多方面因素，深入探索开展珠三角河网区水系连通的关键技术，促进珠三角洲地区供水格局优化、水资源高效利用、生态环境良性循环等，改善河湖水系水生态环境状况，提高区域水环境承载能力。

2 研究区域概况及水系连通需求

2.1 研究区域概况

中顺大围位于珠江三角洲河网区下游、西江支流出海处，因地跨中山、顺德两市，故名中顺大围，是广东省五大联围之一，围内集水面积为779 km2。目前围内有横贯中部的骨干河涌(岐江河和凫洲河—横琴海—中部排渠—狮滘河段)，两河全长共约80 km，交汇在中山市石岐城区，加上河涌支流及平原排水沟渠等共有298条河流，除少数地处五桂山区的溪流是单向流外，其余绝大多数河流均受潮汐影响，是双向流。其他众多大小河涌、排水沟渠与主干河道相互交联，构成水系发达、结构复杂的联围内河网。围外西临古镇水道、西海水道、磨刀门水道，北面为东海水道，小榄水道顺东面接横门水道入海，骨干河涌从分布上基本形成了“三横、三纵”互通，汇入岐江河的格局。

“三横”：北部排水渠、东部排水渠—分流涌—浅水湖—岐江河，十六顷排水渠—分流涌—浅水湖—岐江河，进洪河—中部排水渠—狮滘河—岐江河。

“三纵”：凫洲河—横琴海—中部排水渠—狮滘河—岐江河，赤洲河—西部排水渠—岐江河，西河水闸—岐江河—东河水闸。

2.2 水系连通需求

根据中顺大围所承担的主要社会经济和生态功能，目前中顺大围水系存在如下问题。

2.2.1 地表水水质恶化问题

随着中顺大围经济的迅速发展和城镇化建设进程的加快，用水量迅速增长。同时，大量的生活、工业污水未经达标处理直接排入岐江河、凫洲河、横琴海等围内水体，使其水环境日趋恶化，水体污染负荷急剧增长，水环境质量不断恶化，部分出现了变黑发臭现象，超过Ⅴ类水体指标，使人民的物质文化生活和身心健康受到严重影响。

2.2.2 水闸泵站缺乏统一调度管理问题

由于围内城镇发展需要，生活、灌溉、工业等各方面需水增大，为了充分利用水资源，中山市大规模的筑闸设泵，据统计目前外江水闸达到28个，内涌12个节制闸。闸门的修建人为地改变了城市内河与外河的天然联系，阻断了围外主要河道和围内河涌水体的自然交换，导致原本自然状态下连通的水网被阻。加之围内镇区较多，各镇区、中顺大围管理处间日常行政互不干涉，各自为政，各镇区根据自身需水调水要求，各自调控所管辖的闸门，造成围内外江闸泵及围内内河涌节制闸泵无法形成统一调度。

2.2.3 水系引水连通方式问题

中顺大围围内河涌及围外河道是西北江三角洲网河区的主体部分，整个河网受上游来水和河口潮流的共同作用，其水流及污染物在各汊河中贯流并交互影响，导致污水在河网内部回荡而无法及时排出，尤其是主要河道岐江河中部，水体交换能力差。围内部分河涌为断头涌，无活水来源，无法跟周边河网相连，导致水体流动缓慢，污染物长期集聚，水体变黑臭。

综上所述，中顺大围属于珠江三角洲河网区下游、西江支流出海处，跨中山、顺德两市，经济较为发达，区域范围内人口数量较大，防洪任务重。同时围内分为几个区镇，不同区镇间的支撑产业不同，多数有种植、养殖产业，需要进行灌溉。目前中顺大围围内的水环境情况逐年下降，根据相关监测资料，围内Ⅴ类或超Ⅴ类的河涌约占50%，未达到相应水功能区的水质要求，围内闸坝较多，导致河网水体水动力受阻，连通性差，导致河网水环境恶化。

因此，中顺大围区域水系连通需求主要为以改善水环境为核心，提高围内水体水质状况；以围内防洪安全为基础，增加洪水调蓄能力；以保障农业用水为保障，满足围内农业灌溉用水量。

3 一维感潮河网水量水质模型

本文根据收集到的中顺大围河道地形、闸门参数、水位序列等资料，基于研发的HydroMPM一维模型，建立中顺大围一维感潮河网水量水质模型，根据中顺大围连通目标需求(防洪调蓄、供水及水环境改善)，选取河网涌容和水体引水量作为对应反映两类目标需求的定量指标；通过设置不同的连通方案，模拟计算不同情况下定量指标情况，并对连通前后各指标进行对比评价，最终得到中顺大围多目标需求下的最优连通方案。

3.1 模型基本方程

3.1.1 控制方程

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:

水流连续方程为

(1)

水流运动方程为

式中：Z为水位(m)；t为时间(s)；B为过水断面水面宽度(m)；Q为流量(m3/s)；x为里程(m)；q为侧向单宽流量(m2/s)，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积(m2)；g为重力加速度(m/s2)；β为校正系数；u为断面平均流速；R为水力半径；c为谢才系数，c=R1/6/n,n为曼宁糙率系数。

3.1.2 汊点连接方程

网河区的汊点是相关支流汇入或流出点。汊点处的水流情况通常较复杂，目前对河网进行非恒定流计算时，通常使用近似处理方法，即汊点处各支流水流要同时满足流量衔接条件和动力衔接条件。

流量衔接条件为

(3)

动力衔接条件为

Z1=Z2=… =Zi=… =Zm。

(4)

式中：Qi为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Zi为汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量。

3.1.3 水质基本方程

本次计算采用一维对流扩散输移方程,即:

(5)

(6)

式中：Ex为纵向分散系数(m2/s)；C为水流输送的物质浓度(mg/l)；Ω为河道汊点-节点的水面面积(m2)；j为节点编号；i为与节点j相连接的河道编号；NL为河道数；SC为与输送物质浓度有关的衰减项(s-1)；SB为外部的源或汇项(g/(s·m))；z为水深。

3.2 计算区域概化

本次建模区域为中顺大围主要河涌凫洲河、西部排水渠、岐江河相连接的大小河涌，根据中顺大围现状河道情况，对其进行概化，最终河网概化图如图1所示，整个河网模型共1 511个断面、140个河段、251个汊点、28个边界水闸、12个节制闸。各边界水闸、主要河闸对应断面情况见表1。

图1 中顺大围河网概化图Fig.1 Generalized diagram of the river network of Zhongshun Protection

表1 中顺大围外江水闸统计Table 1 Boundary sluices and major river sluices of Zhongshun Protection

3.3 初始条件和边界条件

3.3.1 现状年

中山市多年平均降水量为1 748.1 mm，综合考虑水文情势和本着现状年宜取最近年份，取现状水平年为2014年。中山市近10 a降水量如图2所示。

图2 中山市近10 a降水量Fig.2 Precipitation in Zhongshan City in the past decade

3.3.2 初始条件

模型计算模拟前，要在模型Setting文件中设置模型计算的初始值，本次模型的水动力模拟，需设置分级解法，断面初始水深、水位、流量，是否热启动、计算时间步长，计算起始时间，模拟总时长，模型输出时间步长，断面的全局最小过水面积等参数。本文模型涉及的初始条件为分级解法、断面初始水位、计算时间步长、计算起始时间、模拟总时长、模型输出时间步长、实时监测采样时间步和初始污染物浓度。本文模拟的分级解法为四级联解+压缩矩阵，无热启动。模拟时间段为2014年1月1日8：00—2014年1月27日7：00，初始水位采用所有边界闸门第0 h的平均水位，初始流量为1 m3/s，初始污染物浓度为40 mg/L，计算时间步长为300 s。为便于统计，设定开始时刻为0，模拟总时长为623 h，模型输出时间步长为3 600 s，实时监测采样时间步长为3 600 s。

3.3.3 边界条件

本模型边界条件主要包括河网边界的边界类型、边界的水位(m)、流量(m3/s)时间序列过程；污染物C1物质组分的边界时间序列；水闸调度规则和水闸状态。本次模型河网边界条件采用中顺大围管理处提供的各水闸外江潮水位边界，边界水闸和节制水闸调度规则按照设计工况形式进行设置，水闸状态按照各水闸的实际状态进行设置，按照水体的基本要求，本次污染物浓度边界取20 mg/L。

3.4 控制参数

3.4.1 水动力参数

水动力主要参数包括差分系数Gama值、重力加速度、Manning系数。

3.4.2 水质参数

水质参数主要为污染物降解系数Omig，由于中顺大围的污染为耗氧型有机污染，因此选择化学需氧量(COD)作为模拟因子，本次不考虑降解，仅考虑污染物的对流扩散。

3.5 模型率定及验证

本次模型对水动力参数进行率定及验证，率定时间为2014年5月2日16：00—5月4日04：00，以岐江河中段同步水位观测资料进行模型参数率定，模型各水闸水位边界条件采用同时间段实测的潮位过程，闸门调度规则按照同时间段外江闸门实际开关设置，率定结果见图3(a)。模型的验证以2014年5月5日19：00—5月7日7：00的岐江河中段同步水位观测资料作为模型的验证资料，验证结果见图3(b)，可以看到计算值和实测值拟合较好。本模型最终确定的水动力参数γ取0.85，Manning系数总体取值为0.02，部分取值在0.010～0.035之间。

图3 水位模拟结果与实测结果对比Fig.3 Comparison of water level between simulation and measurement

4 不同调度目标连通模式分析

中顺大围的调度目标分别为防洪、供水、水质改善任务，通过设置不同的连通方案对中顺大围感潮河网一维水量水质模型模拟，通过对各方案下的不同调度目标分析对比，最终得到最优的连通方案。

在对不同的调度目标模拟前，需要用具体定量化指标来反映不同调度目标优劣。本次考虑防洪目标由河网涌容反映，供水目标由河网进水量反映，水质目标由污染物浓度下降时间反映，如下所示。

4.1 连通方案设置

4.1.1 连通前

根据现场实地调查以及查阅相关资料，中顺大围河网由于涉及镇区较多，位于各镇区的所管辖范围内的边界及节制水闸在日常管理中并不受统一调度，各镇区为保证自身的水资源得以充分利用，避免水资源流失，将各自管辖的节制闸门全部关闭，造成各镇区的河涌与围内主要河道的水文水力连通通道长期关闭，同时外江闸门根据潮位变化而动态开关，主要开关原则为进水时，达到控制水位时关闸，退水时，则开闸。因此将此闸门运行方案作为连通前的现状方案，可概括如下：各镇区控制的节制闸门均关(1—12号节制闸均关)；其余外江水闸进水时，达到控制水位即关闸；退水时，开闸。

4.1.2 连通后

本次中顺大围的连通调度目标(防洪调蓄、 供水、 水质改善)对应的模型参数分别为河网涌容最小、 河网进水量最大、 污染物浓度下降时间最短。 根据连通的总体目标， 制定以下连通方案， 具体如下。

(1)方案1:各节制闸均开，其余水闸与现状相同。

(2)方案2:各节制闸均开，东河水闸定向排水(只出不进：水闸外边界水位下降至控制水位后关闸)，其余外江水闸定向引水(只进不出：水闸外边界水位上涨至控制水位后关闸)。

(3)方案3:各节制闸定向引或排水，东河水闸定向排水，其余外江水闸定向引水，达到控制水位后关闸。

(4)方案4:各节制闸定向引或排水，东河、铺锦水闸定向排水，其余外江水闸定向引水，达到控制水位后关闸。

4.2 防洪调蓄目标分析

4.2.1 现 状

对不同时刻河网的涌容进行统计，如图4所示。由图4可知，河网的涌容随着时间的增加呈波浪态起伏，其中，423 h后，涌容最大，为5 892.19万m3;在481 h后，涌容最小为3 144.44万m3，平均涌容为4 264.364万m3。

图4 现状不同时刻河网涌容Fig.4 Current surge capacity of river network at different moments

4.2.2 方案1—方案4

对方案1—方案4不同时刻河网的涌容进行统计，见图5，河网的涌容随时间的增加均呈波浪态起伏。①方案1在423 h后，涌容最大为5 887.71万m3，在481 h后，涌容最小为3 105.55万m3，平均涌容为4 252.41万m3。②方案2—方案4在15 h后，涌容最大分别为5 817.43万、5 808.26万、5 744.80万m3；在1 h后，涌容最小分别为3 964.00万、3 964.06万、3 964.02万m3，平均涌容分别为4 610.78万、4 609.71万、4 575.87万m3。

图5 方案1—方案4不同时刻河网涌容Fig.5 Surge capacity of river network at different moments from scheme 1 to scheme 4

4.3.1 现 状

对28个边界闸门进行引排水量统计，见图6。由图6可以看出：现状方案下，有17个水闸在模拟时间内为净引水，其中铺锦水闸总引水量最大为2 666.93万m3，西河水闸其次为2 279.62万m3，沙滘口水闸最小为3.27万m3，模拟时间内整个水网总引水量为10 574.65万m3。

图6 现状边界闸门平均引排水量Fig.6 Current average diversion and drainage volume of boundary sluice gates

4.3.2 方案1—方案4

对方案1—方案4的28个边界闸门进行引排水量统计，结果如图7所示。由图7可以看出：

图7 方案1—方案4边界闸门平均引排水量统计Fig.7 Curves of average diversion and drainage of boundary gates from scheme 1 to scheme 4

4.3 供水目标分析

(1)方案1下，有14个水闸在模拟时间内为净引水，其中铺锦水闸总引水量最大为2 668.48万m3，西河水闸其次为2 473.44万m3，白濠尾水闸最小为21.63万m3，模拟时间内整个水网总引水量为11 260.75万m3(图7(a))，约为现状供水量的1.06倍(图7(a))。

(2)方案2下，由于本方案各边界水闸设置调控工况为东河水闸定向排水，其余外江水闸定向引水，因此有27个水闸在模拟时间内为净引水，其中西河水闸总引水量最大为18 125.02万m3，新滘水闸最小为18.80万m3，模拟时间内整个水网总引水量为40 297.07万m3，约为现状供水量的3.81倍(图7(b))。

(3)方案3与方案2相同，有27个水闸在模拟时间内为净引水，其中西河水闸总引水量最大为18 214.87万m3，新滘水闸最小为16.29万m3，模拟时间内整个水网总引水量为40 319.82万m3，约为现状供水量的3.81倍(图7(c))。

(4)方案4下，由于将铺锦水闸和东河水闸设置为定向排水，其余水闸定向引水，因此有26个水闸在模拟时间内为净引水，其中西河水闸总引水量最大为19 377.50万m3，新滘水闸最小为17.40万m3，模拟时间内整个水网总引水量为37 130.04万m3，约为现状供水量的3.51倍(图7(d))。

4.4 水质改善目标

为探究连通方案对河网污染物浓度改善效果，将整个河网水体中的COD、总磷和总氮浓度分别按《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中Ⅴ类水标准的最大值赋值，即整个河网水体初始COD污染物浓度为40 mg/L，总磷和总氮浓度分别固定为0.4、2.0 mg/L，将边界闸门引水量视作无污染的净水(0 mg/L)，分析不同方案下河网典型断面及整体污染物相对浓度的分布情况。

4.4.1 现 状

由图8可看出，现状条件下，河网整体污染物浓度随时间呈下降趋势，整个河网污染物浓度平均值在361 h后均<4 mg/L(即90%换水周期，河网整体污染物浓度下降至90%时所需时间)，即现状方案下， 河网整体90%换水周期需361 h。最终时间623 h时平均污染物浓度为1.08 mg/L。

图8 中顺大围所有断面污染物浓度平均值变化过程Fig.8 Variation process of average pollutant concentration of all sections in Zhongshun Protection

4.4.2 方案1—方案4

方案1—方案4污染物浓度平均值变化过程如图9所示。由图9可知：

图9 方案1—方案4污染物浓度平均值变化过程Fig.9 Change process of average pollutant concentration from scheme 1 to scheme 4

(1)方案1下，河网整体污染物浓度呈下降趋势，整个河网污染物浓度平均值在344 h后均<4 mg/L，即河网整体90%换水周期需344 h，较现状减 少了4.71%。最终在第623 h时平均污染物浓度为1.02 mg/L(图9(a))。

(2)方案2下，整个河网污染物浓度下降速率较方案1更快，整个河网污染物浓度平均值在151 h后均<4 mg/L，即河网整体90%换水周期需151 h，较现状减少了58.17%。在458 h后河网所有断面污染物浓度基本为0 mg/L(图9(b))。

(3)方案3下，整个河网污染物浓度平均值在151 h后均<4 mg/L，即河网整体90%换水周期需151 h，较现状减少了58.17%。在347 h后河网所有断面污染物浓度基本为0 mg/L(图9(c))。

(4)方案4下，整个河网污染物浓度平均值在161 h后均<4 mg/L，即河网整体90%换水周期需161 h，较现状减少了55.40%。在395 h后河网所有断面污染物浓度基本为0 mg/L(图9(d))。

4.5 连通方案优选

不同方案平均涌容对比如表2所示。从表2来看，连通前，现状方案下平均涌容为4 264.36万m3；连通后，方案1—方案4的平均涌容分别为4 252.41万、4 610.78万、4 609.71万、4 575.87万m3，方案1较现状条件下减少了0.28%，方案2—方案4较现状条件下增加了7.51%、7.49%、6.81%。因此，方案1为最优连通方案。

表2 不同方案平均涌容对比Table 2 Comparison of average surge capacity among different schemes

不同方案引水量对比如表3所示。从表3可知，连通前现状方案下引水量为10 574.65万m3；连通后，方案1—方案4的引水量分别为11 260.75万、40 297.07万、40 319.82万、37 130.04万m3，引水量较连通前分别增加了6.49%、281.07%、281.29%、251.12%。因此，方案3为最优方案。

表3 不同方案引水量对比Table 3 Comparison of water diversion volume among different schemes

不同方案污染物浓度下降速率对比如表4所示。从表4可以看出，各方案下河网内典型断面污 染物浓度总体呈下降趋势。连通前现状方案下，河 网整体90%换水周期需361 h；连通后，方案1—方 案4的河网整体90%换水周期分别为344、151、151、161 h，较现状方案分别缩短4.71%、58.17%、58.17%、55.40%。因此，方案2和方案3均为最优方案。

表4 不同方案污染物浓度下降速率对比Table 4 Comparison of reduction rate of pollutant concentration among different schemes

4.6 连通措施与建议

通过对不同调度目标连通模式进行模拟、计算及分析，得到了不同目标下的最优调度方案。结合当前中顺大围面临的防洪排涝水安全、城镇化发展带来的水环境、水利工程缺乏统一调度管理等典型问题，提出以下改进措施与建议：

(1)加快建设具有提高水资源统筹调配能力、提高抵御水旱灾害能力、提高河湖健康保障能力等功能的水系连通工程。

(2)水闸调控应采用成熟可靠的技术和手段，研究优化调控方案，提高水闸调度的科学技术水平。

(3)调控调度方案由水行政主管部门牵头、生态环境部门及水利工程管理单位配合共同制定。

(4)加强节制闸统一调度。

5 结 论

本文以中顺大围示范点为研究对象，基于研发的HydroMPM一维模型，建立中顺大围一维感潮河网水量水质模型。根据中顺大围连通目标需求(防洪调蓄、供水、水环境改善)，选取河网涌容和水体引水量作为对应反映两类目标需求的定量指标，通过设置不同的连通方案，模拟计算不同况下定量指标情况，并对连通前后各指标进行对比评价，最终得到中顺大围多目标需求下的最优连通方案，主要结论如下：

(1)现状条件下，中顺大围示范点水系连通需求主要体现为防洪调蓄需求、供水需求和水质改善需求3个方面。

(2)基于开发的HydroMPM模型，建立了中顺大围感潮河网一维水量水质模型，提出以涌容、引水量和污染物浓度下降速率为定量指标来反映3种连通需求，模拟了不同的连通方案。当中顺大围主要以改善河涌水质为主，其次考虑防洪调蓄及供水需求时，最优方案为方案3；当中顺大围主要以防洪调蓄为主，其次考虑水质改善及供水需求时，最优方案为方案1；当中顺大围主要以供水需求为主，其次考虑水质改善及防洪调蓄时，最优方案为方案3。

(3)结合当前中顺大围面临的防洪排涝水安全、城镇化发展带来的水环境、水利工程缺乏统一调度管理等典型问题，提出了相应的改进措施与建议。