CN106202618A - 一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，包括：建立感潮河网一维水动力‑水质模型；建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述；采用有限差分格式和四级联解法求解感潮河网一维水动力‑水质模型和工程运用模型；针对防洪排涝、水质改善等目标和工程约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型。该方法实现了水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，在对工程调度模拟仿真的基础上，运用建立的闸泵群多目标优化调度模型，得到闸泵群联合优化调度方案，可显著提高工程调度模拟仿真的实际应用价值。

Description

一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟 方法

技术领域

本发明属于水利工程调度与数值模拟技术领域，具体涉及一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法。

背景技术

珠江河口地区是我国经济和社会高速发展的地区，在我国经济建设中具有举足轻重的战略地位。随着社会经济的快速发展，珠江河口地区的水环境污染、供水安全、防洪(潮)排涝问题越来越突出，水动力过强/不足、感潮河道水体来回游荡是引发这些问题的主要因素。利用水闸、泵站等水利工程进行感潮河网水力调控是解决区域内防洪(潮)和排涝问题，实现水资源综合利用和水环境改善的关键措施。

珠江河口地区水系发达、河网密布、河道纵横交错，且水流受径流、潮汐动力双重作用，流向随径流潮汐动力变化而变化；同时，河网内水利工程众多，工程调度与河网水动力过程相互作用，水力调控-污染物输移过程的耦合模拟十分困难。随着河口区域内防洪排涝标准、水资源开发利用和水环境改善要求的提高，水利工程调度的难度和复杂度日益加大，在复杂的水文情势下如何实现水闸、泵站群联合优化调度一直以来是摆在工程管理部门面前的重要难题。为此，迫切需要研究工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，为优化调度方案、工程调度决策提供技术支撑。

在传统的工程调度模拟仿真中，通常采用一维河网水动力学模型，对预定的工程调度情景进行数值计算，无法考虑水动力过程和污染物输移过程对工程调度方案的影响，难以满足指导水闸、泵站群联合优化调度工程管理实际需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，实现水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，显著提高工程调度模拟仿真的实际应用价值。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，该方法包括以下步骤：

S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型；

S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述；

S3、采用有限差分格式和四级联解法求解所述感潮河网一维水动力-水质模型和所述工程运用模型；

S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型；

S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述。

进一步地，所述步骤S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型具体包括：

S11、采用一维圣维南方程作为河道水流控制方程建立一维水动力模型，如下式：

$\frac{\∂Z}{\∂t}+\frac{1}{B}\frac{\∂Q}{\∂x}=\frac{q}{B}$

$\frac{\∂Q}{\∂t}+gA\frac{\∂Z}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\β}uQ\right)+g\frac{\left|Q\right|Q}{c^{2}AR}=0$

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，c＝R^1/6/n，n为曼宁糙率系数；

S12、采用一维对流-扩散方程作为污染物输移控制方程建立一维污染物输移模型，如下式：

$\frac{\∂\left(AC\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(QC\right)}{\∂x}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{AD}}_K\frac{\∂C}{\∂x}\right)-{\left(qc\right)}_L+wAC=0$

式中：C为物质浓度；D_k为纵向扩散系数；(qc)_L为点源；w为降解系数(s^-1)。

S13、建立河网汊点的控制方程如下式：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i=0$

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i^{in}{C}_i+\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_j^{out}{C}^{out}=0$

Z₁＝Z₂＝...＝Z_m

式中：Q_i为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Z_i表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量；Qⁱⁿ代表流入汊点；C_i表示流入汊点的各断面物质平均浓度；Q^out代表流出汊点；C^out表示流出汊点的各断面物质平均浓度。

进一步地，所述步骤S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述具体包括：

S21、在水闸、泵站等控制建筑物上、下游布设断面，两断面之间的距离忽略不计；

S22、断面之间水位差与流量之间的关系取决于堰流公式及运行方式，在闸门关闭情况下，过闸流量Q＝0；在闸门开启情况下，过闸流量Q按宽顶堰公式计算，

自由出流：

淹没出流：

式中：Q为过闸流量；m为自由出流系数；为淹没出流系数；B为闸门开启总宽度；Z₀为闸底高程；Z_u为闸上游水位；Z_d为闸下游水位；H₀为闸上游水深；H_s为闸下游水深。

S23、根据水闸上、下游断面流量、污染物浓度相等，可得，

Q_i＝Q_i+1

C_i＝C_i+1

在水闸上、下游断面位置，各生成1个虚拟断面，两个虚拟断面之间为虚拟河道，水闸上游断面、上游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，水闸下游断面、下游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，通过2个虚拟汊点，将虚拟河段与水闸上、下游河道连接起来；

基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，

Q_i＝a₁Z_i+b₁Z_i+1+c₁

Q_i+1＝a₂Z_i+b₂Z_i+1+c₂

当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Q_i＝Q_i+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值；

S24、同时考虑河道汊点与虚拟汊点，基于汊点连接模式，采用四级联解法进行求解，计算得到包括水闸上、下游断面在内的所有断面的水位、流量。

进一步地，所述步骤S3、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型具体包括：

S31、对单一河段的水动力-水质方程进行离散，得下式：

$a_{1i}{z}_i^{n+1}-c_{1i}{Q}_i^{n+1}+a_{1i}{z}_{i+1}^{n+1}+c_{1i}{Q}_{i+1}^{n+1}=E_{1i}$

$a_{2i}{z}_i^{n+1}+c_{2i}{Q}_i^{n+1}-a_{2i}{z}_{i+1}^{n+1}+d_{2i}{Q}_{i+1}^{n+1}=E_{2i}$

式中：Z_i、Q_i、C_i为河段内第i个断面的水位、流量、污染物浓度；a、c、d、E、α、β、γ、为差分系数；

S32、基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，如下：

Q_i＝a₁Z_i+b₁Z_i+1+c₁

Q_i+1＝a₂Z_i+b₂Z_i+1+c₂

当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Q_i＝Q_i+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值；

S33、采用追赶法对河段内各断面流量进行递推，四级联解的汊点水位方程组系数可根据下式求得，

$Q_1^{n+1}=E_1{Z}_1^{n+1}+R_1{Z}_M^{n+1}+T_1$

$Q_M^{n+1}=E_2{Z}_1^{n+1}+R_2{Z}_M^{n+1}+T_2$

C₁＝E₃C_M+T₃

式中：Z₁、Q₁、C₁为河段首断面水位、流量、污染物浓度；Z_M、Q_M、C_M为河段末断面水位、流量、污染物浓度；E、R、T为递推系数；

S34、对汊点水位方程组进行迭代求解，计算得到各断面的水位、流量、污染物浓度。

进一步地，所述步骤S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型具体包括：

S41、变量选取，选取计算时段编号作为阶段变量，选取当前计算时段闸泵过流量s作为状态变量，选取当前计算时段闸泵过流量的变化量d作为决策变量；

S42、目标函数设定与处理，结合调度目标，设置优化模型的目标函数，

防洪排涝目标：

水质改善目标：

式中：

V为整个河网水系外排水量；K为阶段变量，即计算时段数；T_n为计算时段总数；V_k(S_k,d_k)为第K阶段整个河网水系外排水量；S_k和d_k为各阶段的状态和决策变量；F₁为调度期内，满足所有约束条件的河网水系最大外排水量，即防洪排涝目标函数值。

C为调度期内排放到围外的污染物总量；Q_k(S_k,d_k)为第K阶段闸坝排放到围外水体的平均流量；C_k为闸坝排放到围外水体的污染物浓度；F₂为调度期内，满足所有约束条件的河网水系最大外排污染物总量，即水质改善目标函数值。

上式表明，防洪排涝以洪水期河网水系下泄水量最大为目标，水质改善目标以每个水闸在调度期间排放到下游河段的污染物总量最大为目标；

S43、从河网水力计算、闸泵过流计算、闸孔调度数目和闸泵调度方式设定约束条件，

闸边界水力约束：

式中，Q为过闸流量；分别为第k阶段上游、下游水位；Z₀为闸底高程；B为闸门开启总净宽。依据下游水位是否影响下泄流量，堰流出流可进一步划分为自由出流和淹没出流，该公式约束了各种出流状态下闸边界与整个河网的水力联系。

闸门开启数目约束：

式中，为k阶段第n个闸门开启闸孔数；为假定闸门所有闸孔均可用，即第n个闸门设计闸孔数。

闸泵设计流量约束：

式中，为闸门的过流量；为闸门的设计流量。

进一步地，所述步骤S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述具体包括：

S51、以闸泵过流量为决策变量，基于闸泵群多目标优化调度模型，采用多目标优化算法进行优化计算，得到闸泵群联合调度方案的非劣解集；

S52、将闸泵群联合调度方案非劣解集作为计算边界条件，利用感潮河网一维水动力-水质模型和工程运用模型对非劣解集进行可行性验证，计算出闸泵群联合调度方案下河网的水动力、水质过程，确定闸泵群联合调度方案非劣解集中的可行方案；

S53、采用熵权公式计算各目标函数的权重，利用集对分析方法计算各可行方案集的联系数，采用集对分析理论，计算各可行方案的联系数，并采用γ准则对刻画方案的联系数进行排序获取最优方案，即闸泵群多目标联合调度最优方案。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明提供的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，该方法实现了水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，在对工程调度进行模拟仿真的基础上，运用建立的闸泵群多目标优化调度模型，得到了闸泵群联合优化调度方案，解决了传统方法无法考虑水动力过程和污染物输移过程对工程调度方案影响的技术瓶颈，显著提高了工程调度模拟仿真的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为堰闸工程概化示意图；

图3为含闸泵工程的河网示意图(中顺大围)；

图4(a)为利用本方法得到的东河水闸的工程调度优化方案；

图4(b)为利用本方法得到的西河水闸的工程调度优化方案；

图4(c)为利用本方法得到的水动力、污染物输移模拟结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

针对传统的工程调度模拟仿真无法考虑水动力过程和污染物输移过程对工程调度方案的影响这一难题，本发明提出一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法。该方法利用感潮河网一维水动力-水质模型、工程运用模型和闸泵群多目标优化调度模型，得到了闸泵群联合优化调度方案，实现了水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，显著提高了工程调度模拟仿真的实际应用价值。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型。

S11、水动力模型采用一维圣维南方程作为河道水流控制方程，如下式：

$\frac{\∂Z}{\∂t}+\frac{1}{B}\frac{\∂Q}{\∂x}=\frac{q}{B}$

$\frac{\∂Q}{\∂t}+gA\frac{\∂Z}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\β}uQ\right)+g\frac{\left|Q\right|Q}{c^{2}AR}=0$

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，c＝R^1/6/n，n为曼宁糙率系数。

S12、水质模型采用一维对流-扩散方程作为污染物输移控制方程，如下式：

$\frac{\∂\left(AC\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(QC\right)}{\∂x}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{AD}}_K\frac{\∂C}{\∂x}\right)-{\left(qc\right)}_L+wAC=0$

式中：C为物质浓度；D_k为纵向扩散系数；(qc)_L为点源；w为降解系数(s^-1)。

S13、河网汊点的控制方程如下式：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i=0$

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i^{in}{C}_i+\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_j^{out}{C}^{out}=0$

Z₁＝Z₂＝...＝Z_m

式中：Q_i为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Z_i表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量；Qⁱⁿ代表流入汊点；C_i表示流入汊点的各断面物质平均浓度；Q^out代表流出汊点；C^out表示流出汊点的各断面物质平均浓度。

S2、建立工程运用模型。

S21、在水闸、泵站等控制建筑物上、下游布设断面，两断面之间的距离忽略不计；

在水闸上、下游断面位置，各生成1个虚拟断面，两个虚拟断面之间为虚拟河道，水闸上游断面、上游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，水闸下游断面、下游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，通过2个虚拟汊点，将虚拟河段与水闸上、下游河道连接起来。

S22、断面之间水位差与流量之间的关系取决于堰流公式及运行方式，在闸门关闭情况下，过闸流量Q＝0；在闸门开启情况下，过闸流量Q按宽顶堰公式计算，

自由出流：

淹没出流：

式中：Q为过闸流量；m为自由出流系数；为淹没出流系数；B为闸门开启总宽度；Z₀为闸底高程；Z_u为闸上游水位；Z_d为闸下游水位；H₀为闸上游水深；H_s为闸下游水深。

S23、根据水闸上、下游断面流量、污染物浓度相等，可得，

Q_i＝Q_i+1

C_i＝C_i+1

在水闸上、下游断面位置，各生成1个虚拟断面，两个虚拟断面之间为虚拟河道，水闸上游断面、上游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，水闸下游断面、下游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，通过2个虚拟汊点，将虚拟河段与水闸上、下游河道连接起来。

基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，

Q_i＝a₁Z_i+b₁Z_i+1+c₁

Q_i+1＝a₂Z_i+b₂Z_i+1+c₂

当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Q_i＝Q_i+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值。

S24、同时考虑河道汊点与虚拟汊点，基于汊点连接模式，采用四级联解法进行求解，计算得到包括水闸上、下游断面在内的所有断面的水位、流量。

图2为利用本方法进行的典型水闸工程概化方法。

S3、采用有限差分格式和四级联解法求解感潮河网一维水动力-水质模型和工程运用模型。

S31、对单一河段的水动力-水质方程进行离散，得下式，

$a_{1i}{z}_i^{n+1}-c_{1i}{Q}_i^{n+1}+a_{1i}{z}_{i+1}^{n+1}+c_{1i}{Q}_{i+1}^{n+1}=E_{1i}$

$a_{2i}{z}_i^{n+1}+c_{2i}{Q}_i^{n+1}-a_{2i}{z}_{i+1}^{n+1}+d_{2i}{Q}_{i+1}^{n+1}=E_{2i}$

式中：Z_i、Q_i、C_i为河段内第i个断面的水位、流量、污染物浓度；a、c、d、E、α、β、γ、为差分系数。

S32、基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，

Q_i＝a₁Z_i+b₁Z_i+1+c₁

Q_i+1＝a₂Z_i+b₂Z_i+1+c₂

当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Q_i＝Q_i+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值。

S33、采用追赶法对河段内各断面流量进行递推，四级联解的汊点水位方程组系数可根据下式求得，

$Q_1^{n+1}=E_1{Z}_1^{n+1}+R_1{Z}_M^{n+1}+T_1$

$Q_M^{n+1}=E_2{Z}_1^{n+1}+R_2{Z}_M^{n+1}+T_2$

C₁＝E₃C_M+T₃

式中：Z₁、Q₁、C₁为河段首断面水位、流量、污染物浓度；Z_M、Q_M、C_M为河段末断面水位、流量、污染物浓度；E、R、T为递推系数。

S34、对汊点水位方程组进行迭代求解，计算得到各断面的水位、流量、污染物浓度。

S4、建立泵群多目标优化调度模型。

S41、变量选取。选取计算时段编号作为阶段变量，选取当前计算时段闸泵过流量s作为状态变量，选取当前计算时段闸泵过流量的变化量d作为决策变量。

S42、目标函数设定与处理。结合调度目标，设置优化模型的目标函数，

防洪排涝目标：

水质改善目标：

上式表明，防洪排涝以洪水期河网水系下泄水量最大为目标，水质改善目标以每个水闸在调度期间排放到下游河段的污染物总量最大为目标。

S43、约束条件。从河网水力计算、闸泵过流计算、闸孔调度数目和闸泵调度方式等方面考虑约束条件。

闸边界水力约束：该公式约束了各种出流状态下闸边界与整个河网的水力联系；

闸门开启数目约束：

闸泵设计流量约束：

S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述。

S51、运用带精英的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting GeneticAlgorithms-II，NSGA-II)生成闸泵群联合调度方案的非劣解集；

S52、将闸泵群联合调度方案非劣解集作为计算边界条件，利用感潮河网一维水动力-水质模型和工程运用模型对非劣解集进行可行性验证，剔除不可行的调度方案，得到可行的非劣方案集。

S53、采用熵权公式计算各目标函数的权重，利用集对分析方法计算各可行方案集的联系数，找到联系数最大的方案，即闸泵群多目标联合调度最优方案。

图3为本发明的优选实施例的河网、闸泵群工程分布示意图。该实施例基本情况如下：本发明选择中顺大围作为示范工程实施地点，中顺大围内河网水系密布，区域具有一定的调蓄能力，而且联围内闸、泵众多，为水力调度调控提供了便利的条件。凫洲水闸、东河水闸、西河水闸等众多水闸作为联围干堤上大型或重要水闸工程，无论是从调水过流能力，还是水闸所在的干流位置来看，对调配枯水期淡水资源都十分有利。开展以中顺大围为示范工程区的闸、泵群联合调度，对抑制咸潮保障供水，提高淡水资源利用率具有十分重要的意义。

中顺大围位于珠江三角洲河网区南部，西濒西江干流磨刀门水道，东傍东海水道、马宁水道、小榄水道。地形上小下大，略呈三角形，总集水面积约709.36km²，是珠江三角洲五大重要堤围之一。因地跨中山、顺德两市，故名中顺大围，包括中山境内的古镇、小榄、东升、横栏、沙溪、大涌、坦背、板芙、港口、沙朗、张家边和石岐城区和顺德的均安。

中顺大围内主干河道有横贯联围中部的岐江河和与之相交的凫洲河、横琴海、中部排灌渠至狮滘河段以及东南部连接磨刀门水道和小榄水道的岐江河。围内有其他河涌140余条，总长约870km，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。凫洲河、横琴海、中部排灌渠、狮滘河河道上游接外江，下游和岐江河连接，全长约34km，河面宽度50～250m，水深约2～13m，是一条河床比较浅、河道比较窄的弱感潮河流。凫洲河口有凫洲河水闸，控制上游进入中顺大围的来水。岐江河横贯中山市中部，经城区向东出东河口水闸，汇入横门水道；向西南经渡头、板芙至西河口水闸，汇入磨刀门水道，全长约40km，河面宽80～200m，平均河宽150m，低潮时水深2～3m，可通航300～500吨位船舶，属感潮河段双向流动。

本发明实施技术通过2014年11月中顺大围闸泵群水质改善调度实际过程进行实施运用。利用外江涨落潮水位过程，根据模型计算确定的各闸门泵站启闭时间，形成内河涌有规则的可控流路，有效改善了内河涌水质。技术方案的生成是以三角洲河道潮水位变化过程为基础，确定中顺大围各闸外水位边界条件和污染物浓度边界条件，通过前述多目标优化调度模型，确定闸泵群多目标联合调度最优方案，并分析预测调度实施效果。

1、本次实施例考虑的感潮河网和闸泵工程如图3所示。

2、本次实施例的关键阶段是闸泵群联合调度的具体操作过程。通过控制各闸泵的开关，实际调度中顺大围内水量，实现水体置换和水质改善。图4是本实施例调度期间典型水闸的操作过程，以及水动力、污染物浓度过程的示意图。

(1)调度方案

①调度目标

通过中顺大围主要水闸从外江引水，实现水体置换率最大化，并同时兼顾各片区的防洪排涝水位要求。

②参与调度水闸

中顺大围管理处可直接调度管理的西河闸、东河闸、铺锦闸，以及其他各镇区调度管理的主要水闸。参与调度的水闸详见表1。

③调度规则

将各水闸的外江水位预报过程作为边界条件，按照“西进东出、北进南出”的规则，同时考虑到各片区的防洪排涝水位要求，确定各水闸的调度规则。

④调度试验起止时间为：2014年11月20日16:00至2014年11月25日9:00。通过多目标优化调度模型确定的闸泵群多目标联合调度最优方案见表1。

表1水闸调度方案表

实施调度过程：由中顺大围工程管理处组织实施、各镇区水利所配合、闸泵群多目标优化调度模型开发单位提供技术支持，于2014年11月20日16:00至2014年11月25日9:00，开展了中顺大围水体置换联合调度试验。本次联合调度试验涉及围内所有外江水闸。在实施调度期间，由中顺大围水文水质科负责水文水质观测。中顺大围管理处水闸监控值班人员应详细记录调度期间各水闸的开启、关闭时间。观测点及时间安排为：①第一次观测，2014年11月20日15:00之前；②第二次观测，2014年11月22日下午；③第三次观测，2014年11月25日上午。观测点包括：板芙、大涌、渡头、员峰桥、东河水闸。

实例调度成果分析：各检测点的结果统计如表2至表7所示。岐江河沿西河水闸至东河水闸方向，依次分布了板芙、大涌、渡头、员峰桥、东河水闸等5个测点。以氨氮指标为例，由水质检测结果可知，联合调度试验实施前，岐江河城区段氨氮浓度处于劣V类，靠近外江水闸的西段及东段，水质较好。由于19日取样时，东河水闸处于开闸引水状态，因此水质非常好。而板芙距离西河水闸有一定距离，因此虽然西河水闸也处于开闸引水状态，但板芙的氨氮浓度仍处于IV类，表明岐江河西段在距离水闸较远的区域，水质条件仍不佳。联合调度实施后，除了板芙的氨氮指标外，板芙、大涌、渡头、员峰桥的各项水质指标均得到了较大改善。以员峰桥为例，溶解氧由V类变为II类，氨氮由劣V类变为III类，亚硝酸盐氮由II类变为I类，表明岐江河西段、城区段的水体质量均得到较大程度的改善。由于此次水体置换调度的原则为“北进南出、西进东出”，岐江河引入西江磨刀门水道的优质水体，将岐江河段的污水往东河水闸方向排出。由25日的员峰桥、东河水闸水质检测结果对比可知，东河水闸内的水质比员峰桥差，表明岐江河段主要污水已由员峰桥流向东河水闸并排出。观栏站水质检测结果表明，该河段的水质条件相对比较稳定。主要原因是凫洲水闸等北部区域的外江水闸在本次联合调度实施前的一段时间内均按照“只进不出”的调度规则运行，与本次联合调度原则一致，因此，观栏站的水质较为稳定。此外，观栏站水质检测结果从另一个方面也表明了岐江河的污水并未倒灌至狮滘河段。

可见，采用闸泵群联合调度的方法，利用联围内外河道有利的水文条件进行水体置换，在技术上和实践中是可行的，有效改善了联围内河涌水质。

上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

表2大涌站水质检测结果

表3观栏站水质检测结果

表4渡头水质检测结果

表5板芙水质检测结果

表6员峰桥水质检测结果

表7东河水闸水质检测结果

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型；

S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述；

S3、采用有限差分格式和四级联解法求解所述感潮河网一维水动力-水质模型和所述工程运用模型；

S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型；

S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述。

2.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型具体包括：

S11、采用一维圣维南方程作为河道水流控制方程建立一维水动力模型，如下式：

$\frac{\∂Z}{\∂t}+\frac{1}{B}\frac{\∂Q}{\∂x}=\frac{q}{B}$

$\frac{\∂Q}{\∂t}+gA\frac{\∂Z}{\∂x}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\β}uQ\right)+g\frac{\left|Q\right|Q}{c^{2}AR}=0$

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，c＝R^1/6/n，n为曼宁糙率系数；

S12、采用一维对流-扩散方程作为污染物输移控制方程建立一维污染物输移模型，如下式：

$\frac{\∂\left(AC\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(QC\right)}{\∂x}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{AD}}_K\frac{\∂C}{\∂x}\right)-{\left(qc\right)}_L+wAC=0$

式中：C为物质浓度；D_k为纵向扩散系数；(qc)_L为点源；w为降解系数(s^-1)；

S13、建立河网汊点的控制方程如下式：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i=0$

$\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{Q}_i^{in}{C}_i+\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{Q}_j^{out}{C}^{out}=0$

Z₁＝Z₂＝...＝Z_m

式中：Q_i为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Z_i表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量；Qⁱⁿ代表流入汊点；C_i表示流入汊点的各断面物质平均浓度；Q^out代表流出汊点；C^out表示流出汊点的各断面物质平均浓度。

3.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述具体包括：

S21、在水闸、泵站等控制建筑物上、下游布设断面，两断面之间的距离忽略不计；

S22、断面之间水位差与流量之间的关系取决于堰流公式及运行方式，在闸门关闭情况下，过闸流量Q＝0；在闸门开启情况下，过闸流量Q按宽顶堰公式计算，

自由出流：

淹没出流：

式中：Q为过闸流量；m为自由出流系数；为淹没出流系数；B为闸门开启总宽度；Z₀为闸底高程；Z_u为闸上游水位；Z_d为闸下游水位；H₀为闸上游水深；H_s为闸下游水深；

S23、根据水闸上、下游断面流量、污染物浓度相等，可得，

Q_i＝Q_i+1

C_i＝C_i+1

在水闸上、下游断面位置，各生成1个虚拟断面，两个虚拟断面之间为虚拟河道，水闸上游断面、上游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，水闸下游断面、下游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，通过2个虚拟汊点，将虚拟河段与水闸上、下游河道连接起来；

基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，

Q_i＝a₁Z_i+b₁Z_i+1+c₁

Q_i+1＝a₂Z_i+b₂Z_i+1+c₂

当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Q_i＝Q_i+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值；

S24、同时考虑河道汊点与虚拟汊点，基于汊点连接模式，采用四级联解法进行求解，计算得到包括水闸上、下游断面在内的所有断面的水位、流量。

4.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型具体包括：

S31、对单一河段的水动力-水质方程进行离散，得下式：

$a_{1i}{z}_i^{n+1}-c_{1i}{Q}_i^{n+1}+a_{1i}{z}_{i+1}^{n+1}+c_{1i}{Q}_{i+1}^{n+1}=E_{1i}$

$a_{2i}{z}_i^{n+1}+c_{2i}{Q}_i^{n+1}-a_{2i}{z}_{i+1}^{n+1}+d_{2i}{Q}_{i+1}^{n+1}=E_{2i}$

式中：Z_i、Q_i、C_i为河段内第i个断面的水位、流量、污染物浓度；a、c、d、E、α、β、γ、为差分系数；

S32、基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，如下：

Q_i＝a₁Z_i+b₁Z_i+1+c₁

Q_i+1＝a₂Z_i+b₂Z_i+1+c₂

当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Q_i＝Q_i+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值；

S33、采用追赶法对河段内各断面流量进行递推，四级联解的汊点水位方程组系数可根据下式求得，

$Q_1^{n+1}=E_1{Z}_1^{n+1}+R_1{Z}_M^{n+1}+T_1$

$Q_M^{n+1}=E_2{Z}_1^{n+1}+R_2{Z}_M^{n+1}+T_2$

C₁＝E₃C_M+T₃

式中：Z₁、Q₁、C₁为河段首断面水位、流量、污染物浓度；Z_M、Q_M、C_M为河段末断面水位、流量、污染物浓度；E、R、T为递推系数；

S34、对汊点水位方程组进行迭代求解，计算得到各断面的水位、流量、污染物浓度。

5.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型具体包括：

S41、变量选取，选取计算时段编号作为阶段变量，选取当前计算时段闸泵过流量s作为状态变量，选取当前计算时段闸泵过流量的变化量d作为决策变量；

S42、目标函数设定与处理，结合调度目标，设置优化模型的目标函数，

防洪排涝目标：

水质改善目标：

式中：

V为整个河网水系外排水量；K为阶段变量，即计算时段数；T_n为计算时段总数；V_k(S_k,d_k)为第K阶段整个河网水系外排水量；S_k和d_k为各阶段的状态和决策变量；F₁为调度期内，满足所有约束条件的河网水系最大外排水量，即防洪排涝目标函数值；

C为调度期内排放到围外的污染物总量；Q_k(S_k,d_k)为第K阶段闸坝排放到围外水体的平均流量；C_k为闸坝排放到围外水体的污染物浓度；F₂为调度期内，满足所有约束条件的河网水系最大外排污染物总量，即水质改善目标函数值，

上式表明，防洪排涝以洪水期河网水系下泄水量最大为目标，水质改善目标以每个水闸在调度期间排放到下游河段的污染物总量最大为目标；

S43、从河网水力计算、闸泵过流计算、闸孔调度数目和闸泵调度方式设定约束条件，

闸边界水力约束：

式中，Q为过闸流量；分别为第k阶段上游、下游水位；Z₀为闸底高程；B为闸门开启总净宽。依据下游水位是否影响下泄流量，堰流出流可进一步划分为自由出流和淹没出流，该公式约束了各种出流状态下闸边界与整个河网的水力联系；

闸门开启数目约束：

式中，为k阶段第n个闸门开启闸孔数；为假定闸门所有闸孔均可用，即第n个闸门设计闸孔数；

闸泵设计流量约束：

式中，为闸门的过流量；为闸门的设计流量。

6.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述具体包括：

S51、以闸泵过流量为决策变量，基于闸泵群多目标优化调度模型，采用多目标优化算法进行优化计算，得到闸泵群联合调度方案的非劣解集；

S52、将闸泵群联合调度方案非劣解集作为计算边界条件，利用感潮河网一维水动力-水质模型和工程运用模型对非劣解集进行可行性验证，计算出闸泵群联合调度方案下河网的水动力、水质过程，确定闸泵群联合调度方案非劣解集中的可行方案；

S53、采用熵权公式计算各目标函数的权重，利用集对分析方法计算各可行方案集的联系数，采用集对分析理论，计算各可行方案的联系数，并采用γ准则对刻画方案的联系数进行排序获取最优方案，即闸泵群多目标联合调度最优方案。