CN106920202B - 一种平原城市河网畅流活水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平原城市河网畅流活水方法，通过资料收集、现场测量、原型观测和数学模型计算等，科学调控水资源和合理配置，规划引排路线，使城市河网达到“畅流活水”，提高河道水流速度以及水位落差，增强水体的流动性，提高水环境容量，从而改善城市河网中水质和水景观。本发明通过现场调试并对数学模型的基本数据进行分析和整理，提出配水工程方案，可以根据河道流量所需进行实时调整，实现逐级分配、按需分配，同时提高河道水功能以及城市的感官指标；结合水量‑水质精细化数学模型、污染负荷来源消减方法和配水工程方案效果计算与分析，使得调水路线、调水时机、水利工程和配水工程科学的统一调度，使得平原城市河网水功能区达标。
Description
技术领域
本发明涉及平原城市水环境领域，具体为一种平原城市河网畅流活水方法。
背景技术
活水是整个水质提升计划的灵魂，现平原城市河道互联，水位平坦，流动缓慢；近年来，随着经济社会的高速发展，平原城市区域内工情水情发生了重大变化，城内各个防洪中小包围封闭运行，使得城区河网之水愈加难以流动；依赖城区内部的泵闸强制引排，局部水体得以交换流动，但由于调水的尺度太小，尽管泵站动用多而频繁，活水效果仍然不好，活水的活动时间不多，活水的范围很小，整体看，城区内部的中小包围好比是几个中小圈圈，被很多的水泵所扰动，但城区这个大圈圈依然静止没动，如何通过环城河道引入外围好水没有明确的方案；城市不同区域人口密集度不一样，如何按需分配水资源得不到解决，使得城区河道感观黑臭水质差，滞流缓流流态差；如何提高平原城市城区内部错综复杂的河道河水体流动性，改善水质，提升水感官指标，改善水景观，水功能区优化行动目标成了水利工程研究一个重大难题。
发明内容
1、本发明要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种平原城市河网畅流活水方法，以解决上述背景技术中提出的问题：（1）、平原城市河网错综复杂，江河纳潮量、过境水资源或上游优质水源得不到利用，城市河网大小包围仅内部循环，又因平原城市河道平缓，河水流速缓慢，水中溶解氧缺乏使河道中沉淀物降解缓慢，造成水质过差，水景观较差；(2)、城市有的河道周边人口密集，水资源缺缺乏，有的河道周边人口稀少，水资源过剩，使得城市感官指标较差；(3)、现有的调水路线、调水时机、水利工程和配水工程没有一个科学统一调度方案，水利设施和配水设施利用率低，使平原城市水功能区内水环境资源利用率低。
2、技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
一种平原城市河网畅流活水方法，通过资料收集和原型观测，构建水量-水质精细化数学模型和局部二维数学模型，研究平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网水质及水动力特性，确定平原城市河网畅流活水方法；其步骤为；
（1）通过资料收集和原型观测，获取平原城市城区内水资源开发情况、地形数据、河道断面情况、河网流量、河网水动力数据和水质数据，构建基础数据库；通过基础数据库确定河网流量分配，分析河网水体流动性差、易淤积的原因，确定主要滞污段和黑污恶臭段的分布，然后调查主要滞污段和黑污恶臭段的分布特征；水资源开发情况包括：降雨产流、排洪、相关水文、水质基础资料及工程规划设计资料；地形数据包括：地下管网、地表河网、局部积水和平原城市城区内闸、坝、泵、涵的水利工程分布和特性及运行状况；水质数据包括：河网水质浊度、悬浮物、泥沙和污染物；河网水动力数据包括水位、流量、流向、水面坡降和地面坡降；所述的河道断面情况包括河道断面地形复核测量和典型断面水位及流量的原型观测；
（2）依据基础数据库建立水量-水质精细化数学模型，率定河道糙率和验证模型精度，并通过改变模型内边界条件，进行河网水动力特性敏感性分析，确定河网上下游水头差、水体流动特征及片区河道流量分配特征；
（3）通过水量-水质精细化数学模型和污染负荷来源解析，确定对调水水资源进行的总体分配、对尾水线路进行的总体规划和对污染物负荷进行削减的方法用以确定平原城市城区内水功能区达标的具体措施；
（4）根据河网流量分配特征和水力敏感性程度特征，确定配水工程的具体位置、类型和规模，并通过构建局部二维数学模型进行配水工程方案效果计算与分析，通过对各配水工程方案的流场特征、上下游水位雍高、碍航、景观影响的综合分析，提出优质配水工程方案；
（5）结合水量-水质精细化数学模型、污染负荷来源消减方法和配水工程方案效果计算与分析，综合评估水功能区达标措施带来的防洪安全、环境改善及城市旅游、景观、通航的长效影响。
优选的，所述的水量-水质精细化数学模型包括平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网一体化精细模型和局部二维数学模型；其构建步骤：
（1）、通过数据库提取河道断面情况、河网水质浊度、悬浮物、泥沙状况；提取河网水动力数据，包括水位、流量、流向、水面坡降和地面坡降；分析河网水量分配关系以及河网水体流动性差、易淤积的原因，分析并确定河网内滞污段的分布及原因；对平原城区河网内闸、坝、泵、涵的水利工程的分布和特性及运行状况和调度原则进行调查；地形、流量、水利工程等基础资料为分析河道糙率、数学模型构建与验证提供数据支持；
（2）、通过对平原城市河网及周围片区水动力现状分析，建立平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网一体化精细模型；通过建立平原城市城区内河网数值模型及局部小区域地下管网、地表河网、降雨产流、局部积水、排洪等一体化精细模型精细模拟地表河流系统与地下管网的河水、雨水、污水水量、水动力、水质变化过程及其相互影响，为后续科学制定水功能区达标措施提供支撑；
（3）、通过构建局部二维数学模型进行方案效果计算与分析，通过对各阻水工程方案的流场特征、上下游水位雍高、对防洪、排涝、通航、景观等的综合影响分析，构建局部二维数学模型；为提出推荐阻水建筑物工程方案提供技术基础。
优选的，所述的平原城市水功能区达标措施的确定步骤：
（1）、根据对基本资料分析及污染物和污染源分析，制定调水水源配置方案，规划尾水线路；
（2）、利用水动力学模型进行水量水质优化调度；根据建立的水量-水质精细化数学模型，对已有调水方案进行优化；充分利用江河纳潮量、过境水资源或上游优质水源作为调水水源，制定科学调水方案，模拟不同潮位、水质及不同调度方式情况下河网水系流动性及水质变化情况，优化完善调水路线、调水时机、闸泵开度和调度组合，通过合理调度提升畅流活水的效果，从而使得水功能区水质达标率；
（3）、对上述措施取得的综合效果进行评价。
3、有益的效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）、开展1:1现场模型试验，获得整个研究范围内，多处控制点在同一时刻的水位、流速和流量值，此项技术为及细化模型的率定和验证打下坚实基础。
（2）、数学模型精细化技术；通过现场踏勘、河道断面的测量、现场实验等方法提升数学模型的精细化程度。
（3）、多目标综合优化技术；结合水量-水质精细化数学模型、污染负荷来源消减方法和配水工程方案效果计算与分析，模拟并合理建设配水设施和监测设施，使得调水路线、调水时机、水利工程和配水工程科学统一调度，提高水利设施和配水设施的利用率，提升水体环境容量，从而改善城市河网中水质改善水景观。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。
一种平原城市河网畅流活水方法，通过原型观测,水量水质、污染负荷来源解析，构建水量-水质精细化数学模型和局部二维数学模型，研究平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网水质及水动力特性，确定平原城市河网内水功能区达标方法；其步骤为；
（1）、通过资料收集、现场测量和原型观测，获取平原城市城区内水资源开发情况、地形数据、河道断面情况、河网流量、河网水动力数据和水质数据，构建基础数据库；通过基础数据库确定河网流量分配，分析河网水体流动性差、易淤积的原因，确定主要滞污段和黑污恶臭段的分布，然后调查主要滞污段和黑污恶臭段的分布特征；水资源开发情况包括：降雨产流、排洪、相关水文、水质基础资料及工程规划设计资料；地形数据包括：地下管网、地表河网、局部积水和平原城市城区内闸、坝、泵、涵的水利工程分布和特性及运行状况；水质数据包括：河网水质浊度、悬浮物、泥沙和污染物；河网水动力数据包括水位、流量、流向、水面坡降和地面坡降；所述的河道断面情况包括河道断面地形复核测量和典型断面水位及流量的原型观测；
（2）、根据主要滞污段和黑污恶臭段的分布特征的调查评价，确定主要的污染物及其存在形态；采用模拟模型和N、O同位素示踪相结合的方法，解析污染负荷的空间来源及其占比；分析迁移转化过程中COD降解系数和N的转化效率，建立河道水质对入河污染负荷的响应关系；通过现有水系、景观单元布设监测点，开展负荷通量监测计算；根据污染负荷来源、存在的形态、所占的比例以及河道水质对入河污染负荷的响应关系，提出污染负荷削减方法；
（3）、依据基础数据库建立水量-水质精细化数学模型，率定河道糙率和验证模型精度，并通过改变模型内边界条件，进行河网水动力特性敏感性分析，确定河网上下游水头差、水体流动特征及片区河道流量分配特征；
（4）、通过水量-水质精细化数学模型和污染负荷来源解析，确定对调水水资源进行的总体分配、对尾水线路进行的总体规划和对污染物负荷进行削减的方法用以确定平原城市城区内水功能区达标的具体措施；
（5）、根据河网流量分配特征和水力敏感性程度特征，确定配水工程的具体位置、类型和规模，并通过构建局部二维数学模型进行配水工程方案效果计算与分析，通过对各配水工程方案的流场特征、上下游水位雍高、碍航、景观影响的综合分析，提出优质配水工程方案；
（6）、结合水量-水质精细化数学模型、污染负荷来源消减方法和配水工程方案效果计算与分析，综合评估水功能区达标措施带来的防洪安全、环境改善及城市旅游、景观、通航的长效影响。
污染负荷削减方法包括污染负荷源头削减、径流中污染负荷过程削减及河道强化净化技术。
水量-水质精细化数学模型包括平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网一体化精细模型和局部二维数学模型；其构建步骤：
（1）、通过数据库提取河道断面情况、河网水质浊度、悬浮物、泥沙状况；提取河网水动力数据，包括水位、流量、流向、水面坡降和地面坡降；分析河网水量分配关系以及河网水体流动性差、易淤积的原因，分析并确定河网内滞污段的分布及原因；对平原城区河网内闸、坝、泵、涵的水利工程的分布和特性及运行状况和调度原则进行调查；地形、流量、水利工程等基础资料为分析河道糙率、数学模型构建与验证提供数据支持；
（2）、通过对平原城市河网及周围片区水动力现状分析，建立平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网一体化精细模型；通过建立平原城市城区内河网数值模型及局部小区域地下管网、地表河网、降雨产流、局部积水、排洪等一体化精细模型精细模拟地表河流系统与地下管网的河水、雨水、污水水量、水动力、水质变化过程及其相互影响，为后续科学制定水功能区达标措施提供支撑；
（3）、通过构建局部二维数学模型进行方案效果计算与分析，通过对各阻水工程方案的流场特征、上下游水位雍高、对防洪、排涝、通航、景观等的综合影响分析，构建局部二维数学模型；为提出推荐阻水建筑物工程方案提供技术基础。
平原城市城区内水功能区达标措施的确定步骤：
（1）、根据对基本资料分析及污染物和污染源分析，制定调水水源配置方案，规划尾水线路；
（2）、利用水动力学模型进行水量水质优化调度；根据建立的水量-水质精细化数学模型，对已有调水方案进行优化；充分利用江河纳潮量、过境水资源或上游优质水源作为调水水源，制定科学调水方案，模拟不同潮位、水质及不同调度方式情况下河网水系流动性及水质变化情况，优化完善调水路线、调水时机、闸泵开度和调度组合，通过合理调度提升水功能区水质达标率；
（3）、对上述措施取得的综合效果进行评价。
具体实施例：
优质配水工程方案是结合现有的水利工程和配水工程以及新增的配水工程，进行统一调度，完成精确控制；其中新增的配水工程包括配水设施和阻水设施；新增的配水设施为活动溢流堰装置，活动溢流堰装置是底部能旋转的弧面堰体，通过控制堰体的角度来改变源头水位的落差。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种平原城市河网畅流活水方法，其特征在于：通过资料收集和原型观测，构建水量-水质精细化数学模型和局部二维数学模型，研究平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网水质及水动力特性，确定平原城市河网内水功能区达标方法；其步骤为：
（1）通过资料收集和原型观测，获取平原城市城区内水资源开发情况、地形数据、河道断面情况、河网流量、河网水动力数据和水质数据，构建基础数据库；通过基础数据库确定河网流量分配，分析河网水体流动性差、易淤积的原因，确定主要滞污段和黑污恶臭段的分布，然后调查主要滞污段和黑污恶臭段的分布特征；水资源开发情况包括：降雨产流、排洪、相关水文、水质基础资料及工程规划设计资料；地形数据包括：地下管网、地表河网、局部积水和平原城市城区内闸、坝、泵、涵的水利工程分布和特性及运行状况；水质数据包括：河网水质浊度、悬浮物、泥沙和污染物；河网水动力数据包括水位、流量、流向、水面坡降和地面坡降；所述的河道断面情况包括河道断面地形复核测量和典型断面水位及流量的原型观测；
（2）依据基础数据库建立水量-水质精细化数学模型，率定河道糙率和验证模型精度，并通过改变模型内边界条件，进行河网水动力特性敏感性分析，确定河网上下游水头、水体流动特征及片区河道流量分配特征；
所述的水量-水质精细化数学模型包括平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网一体化精细模型和局部二维数学模型；其构建步骤：
①、通过数据库提取河道断面情况、河网水质浊度、悬浮物、泥沙状况；提取河网水动力数据，包括水位、流量、流向、水面坡降和地面坡降；分析河网水量分配关系以及河网水体流动性差、易淤积的原因，分析并确定河网内滞污段的分布及原因；对平原城区河网内闸、坝、泵、涵的水利工程的分布和特性及运行状况和调度原则进行调查；
根据主要滞污段和黑污恶臭段的分布特征的调查评价，确定主要的污染物及其存在形态；采用模拟模型和N、O同位素示踪相结合的方法，解析污染负荷的空间来源及其占比；分析迁移转化过程中COD降解系数和N的转化效率，建立河道水质对入河污染负荷的响应关系；通过现有水系、景观单元布设监测点，开展负荷通量监测计算；根据污染负荷来源、存在的形态、所占的比例以及河道水质对入河污染负荷的响应关系，提出污染负荷削减方法；
②、通过对平原城市河网及周围片区水动力现状分析，建立平原城市河网内河网数值模型及局部区域河网-管网一体化精细模型；
③、通过构建局部二维数学模型进行方案效果计算与分析，通过对各阻水工程方案的流场特征、上下游水位雍高、对防洪、排涝、通航、景观的综合影响分析，构建局部二维数学模型；
（3）通过水量-水质精细化数学模型和污染负荷来源解析，确定对调水水资源进行总体分配、对尾水线路进行总体规划用以确定平原城市河网内水功能区达标的具体措施；
（4）根据河网流量分配特征和水力敏感性程度特征，确定配水工程的具体位置、类型和规模，并通过构建局部二维数学模型进行配水工程方案效果计算与分析，通过对各配水工程方案的流场特征、上下游水位雍高、碍航、景观影响的综合分析，提出优质配水工程方案；
（5）结合水量-水质精细化数学模型、污染负荷来源消减方法和配水工程方案效果计算与分析，综合评估水功能区达标措施带来的防洪安全、环境改善及城市旅游、景观、通航的长效影响。
2.根据权利要求1所述的一种平原城市河网畅流活水方法，其特征在于：所述的平原城市河网内水功能区达标措施的确定步骤：
①、根据对基本资料分析及污染物和污染源分析，制定调水水源配置方案，规划尾水线路；
②、利用水动力学模型进行水量水质优化调度；根据建立的水量-水质精细化数学模型，对已有调水方案进行优化；充分利用江河纳潮量、过境水资源或上游优质水源作为调水水源，制定科学调水方案，模拟不同潮位、水质及不同调度方式情况下河网水系流动性及水质变化情况，优化完善调水路线、调水时机、闸泵开度和调度组合，通过合理调度提升水功能区水质达标率；
③、对上述措施取得的综合效果进行评价。
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