CN111598757B - 一种平原河网区城市水系流动确定方法 - Google Patents

一种平原河网区城市水系流动确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种平原河网区城市水系流动确定方法，对平原河网区域的水势和水质进行分析，确定出水源进出口路径；根据步骤S1中确定出的水源进出口路径和现有的调度方案计算出流动水位差，并实际的水位差和计算出的流动水位差计算出需求水位差距值，并计算出的水位差距值得到不同时期的需求水位差的调度方案库；步骤S2得到的需求水位差的调度方案库，提取调度方案库中不同时期的进出口水位差，确定形成目标水位差水量需求，基于确定出的水位差水量需求得到汛期泄水能力；基于确定出的汛期泄水能力完成拟建工程，通过完成的工程完成对水系流动进行控制；提高了河流自流能力、防洪能力，有效的避免了外洪入侵，提高区域水资源利用效率。

Description

一种平原河网区城市水系流动确定方法
技术领域
本发明涉及平原水域流动确定技术领域，具体涉及一种平原河网区城市水系流动确定方法。
背景技术
平原河网区城市水系水面比降小，流动性差，局部滞流；工程措施基于具体需求建设，缺乏长远规划，无法确保工程措施效率和存在意义；工程措施缺乏精准有效调度方案，不能完全解决水系流动性差问题；缺少区域层面联控经验，无法充分利用区域有效水资源。
确保平原河网区城市水系有序流动，改善平原河网区城市水系水动力条件，能有效缓解平原河网区城市水环境、水生态问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种提高了河流自流能力、防洪能力，有效的避免了外洪入侵，提高区域水资源利用效率的平原河网区城市水系流动确定方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种平原河网区城市水系流动确定方法，按照如下方法进行：
S1、对平原河网区域的水势和水质进行分析，确定出水源进出口路径；
S2、根据步骤S1中确定出的水源进出口路径和现有的调度方案计算出流动水位差，并根据实际的水位差和计算出的流动水位差计算出需求水位差距值，并根据计算出的水位差距值得到不同时期的需求水位差的调度方案库；
S3、根据步骤S2得到的需求水位差的调度方案库，提取根据调度方案库中不同时期的进出口水位差，确定形成目标水位差水量需求，基于确定出的水位差水量需求得到汛期泄水能力；
S4、根据确定出的汛期泄水能力完成拟建工程，通过完成的工程完成对水系流动进行控制。
所述步骤S1按照如下方法进行：
S101、对平原河网区域的水动力特点的资料进行收集，并进行现场调研，明确区域内各条河流在平水期、枯水期、丰水期、汛期的水位和流向；
S102、根据各时期的水位和流向确定出外流水进入到区域的路径和区域内水流流出的路径；
S103、收集离区域流入与流出路径最近的水文或水位站点历年水位过程，进行水位概率累积分析，明确区域进出口当前水位差保证率。
所述步骤S2按照如下方法进行：
S201、基于对象水源进出口路径和已有工程设施现有调度方案，采用一维河网模型精确模拟具体研究区域水系水动力特征；
S202、针对对象水源在平水期、枯水期、丰水期、汛期不同调度方案进行流动水位差核算；结合步骤S103中水位当前保证率，对比二者，确定出实际水位差与流动水位差差距；
S203、基于流动调度方案，识别对河道流动无效或起阻碍作用的已建闸、泵，予以拆除；
S204、根据实际水位差与流动水位差的差距设计拟建工程用以抬高区域进出口之间水位差和为滞流河道造势，并针对平水期、枯水期、丰水期、汛期的不同需求建立调度方案库。
所述的S3是按照如下方法进行的：
S301、根据步骤S2中建立的调度方案库选择出对象区域在平水期、枯水期、丰水期和汛期的调度方案；
S302、采用维河网模型模拟步骤S301中选择对象区域在平水期、枯水期、丰水期和汛期的进出口水位差；并结合步骤S2中确定形成目标水位差水量需求，制定拟建工程规模；
S303、基于步骤S302中制定的拟建工程规模，采用一维河网模型模拟，得到确定形成目标水位差水量最低需求；
S304、根据确定的目标水位差水量最低需求，结合对象水源的水势、水量和水质保证率进行水源调用方案设计；根据水源调用方案确定出汛期的泄水能力。
在进行步骤S2前，对目标对象区域水源及该区域水源对应水量的保证率、水质情况进行分析，确定出可用水源水量和可调控空间；按照如下方法进行：
A1、调研对象区域水源周边江、河、湖的水量和水质；
A2、确定出可用水源和水量可调控空间；
A3、收集离可用水源最近的水文或水位站点历年水位过程，进行水位概率累积分析；
A4、对各水源在各种水位下的保证率进行统计和排序；
A5、将步骤A4中排序的水源与S1中的区域出口水位进行水位特征统计分析，对不同水源区域出口水位相对水位差保证率进行统计和排序；
A6、收集各水源最近水质监测点水质资料，对水源水质进行分析，明确各水源的水质类别；
A7、综合水量保证、水位保证和水质保证对各水源进行先后排序，排序权重为4：3：3，选取首选水源和备选水源。
所述步骤S2中的水位流动差按照如下公式确定：
式中，Z1、Z2分别为上下游水面高程；v1、v2分别为上下游断面流速，m/s；hε、hf分别为局部水头损失和沿程水头损失。其中，
L为河段长度；Q为断面平均流量；ζ为局部损失系数；K为流量模数：R为水力半径；C为谢才系数。
所述步骤S302中一维河网模型模是按照如下方法建立：
式中：Q为流量m3/s；A为断面面积m2；Z为水位m；B为河面总宽度m；q为旁侧入流流量m3/s；Vx为旁侧入流在水流方向上的流速分量m/s；α为动量修正系数；K为流量模数：R为水力半径m，C为谢才系数m1/2/s。
本发明的有益效果是：根据对目前平原区域水系的综合分析，结合历史数据得到调度方案，并形成调度方案库，提取调度方案库中对象区域的调度方案，确定出目标水位差水量需求，计算出汛期的泄水能力，根据该泄水能力设计出对象区域的拟建工程，保证整个区域的水按照拟建工程的规划进行流动，提高了河流自流能力、防洪能力，有效的避免了外洪入侵，提高区域水资源利用效率。
附图说明
图1为实施例中区域河网分布图；
图2为实施例中区域周边水系、水源分布图；
图3为实施例中河道断面示意图；
图4为实施例中Preissman四点隐格式的离散格式。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
实施例1
一种平原河网区城市水系流动确定方法，按照如下方法进行：
S1、对平原河网区域的水势和水质进行分析，确定出水源进出口路径；
S101、对平原河网区域的水动力特点的资料进行收集，并进行现场调研，明确区域内各条河流在平水期、枯水期、丰水期、汛期的水位和流向；
S102、根据各时期的水位和流向确定出外流水进入到区域的路径和区域内水流流出的路径；
S103、收集离区域流入与流出路径最近的水文或水位站点历年水位过程，进行水位概率累积分析，明确区域进出口当前水位差保证率，收集具体对象区域在平水期、枯水期、丰水期、汛期的水质资料(包括溶解氧、总磷、总氮、氨氮、五日生化需氧量、大肠杆菌等)，采用单指标评价法分析各个指标达标率，明确研究区域各条河流的水质类别(参考国标分类法)；
对目标对象区域水源及该区域水源对应水量的保证率、水质情况进行分析，确定出可用水源水量和可调控空间；按照如下方法进行：
A1、调研对象区域水源周边江、河、湖的水量和水质；通过调研能够得到周边水源的储水量和水质情况，判断是否可以作为城市的首选水源和备选水源；
A2、确定出可用水源和水量可调控空间；
A3、收集离可用水源最近的水文或水位站点历年水位过程，进行水位概率累积分析；
A4、对各水源在各种水位下的保证率进行统计和排序；
A5、将步骤A4中排序的水源与S1中的区域出口水位进行水位特征统计分析，对不同水源区域出口水位相对水位差保证率进行统计和排序；
A6、收集各水源最近水质监测点水质资料，对水源水质进行分析，明确各水源的水质类别；
A7、综合水量保证、水位保证和水质保证对各水源进行先后排序，排序权重为4：3：3，选取首选水源和备选水源。
S2、根据步骤S1中确定出的水源进出口路径和现有的调度方案计算出流动水位差，并根据实际的水位差和计算出的流动水位差计算出需求水位差距值，并根据计算出的水位差距值得到不同时期的需求水位差的调度方案库；具体的是：
S201、基于对象水源进出口路径和已有工程设施现有调度方案，采用一维河网模型精确模拟具体研究区域水系水动力特征；根据模拟出的区域水系水动力特征能够得到目前区域水系的泄水能力；
S202、针对对象水源在平水期、枯水期、丰水期、汛期不同调度方案进行流动水位差核算；结合步骤S103中水位当前保证率，对比二者，确定出实际水位差与流动水位差差距；
所述水位流动差按照如下公式确定：
式中，Z1、Z2分别为上下游水面高程；v1、v2分别为上下游断面流速，m/s；hε、hf分别为局部水头损失和沿程水头损失；其中，
L为河段长度；Q为断面平均流量；ζ为局部损失系数；K为流量模数：R为水力半径；C为谢才系数。
S203、基于流动调度方案，识别对河道流动无效或起阻碍作用的已建闸、泵，予以拆除；避免无效或起阻碍作用的已建闸、泵对水流起到影响的作用；
S204、根据实际水位差与流动水位差的差距设计拟建工程用以抬高区域进出口之间水位差和为滞流河道造势，并针对平水期、枯水期、丰水期、汛期的不同需求建立调度方案库。
S3、根据步骤S2得到的需求水位差的调度方案库，提取根据调度方案库中不同时期的进出口水位差，确定形成目标水位差水量需求，基于确定出的水位差水量需求得到汛期泄水能力；
S301、根据步骤S2中建立的调度方案库选择出对象区域在平水期、枯水期、丰水期和汛期的调度方案；
S302、采用维河网模型模拟步骤S301中选择对象区域在平水期、枯水期、丰水期和汛期的进出口水位差；并结合步骤S2中确定形成目标水位差水量需求，制定拟建工程规模；
S303、基于步骤S302中制定的拟建工程规模，采用一维河网模型模拟，得到确定形成目标水位差水量最低需求；
一维河网模型模是按照如下方法建立：
式中：Q为流量m3/s；A为断面面积m2；Z为水位m；B为河面总宽度m；q为旁侧入流流量m3/s；Vx为旁侧入流在水流方向上的流速分量m/s；α为动量修正系数；K为流量模数：R为水力半径m，C为谢才系数m1/2/s。
采用稳定性Preissman四点隐格式数值解法求解圣维南方程组，离散方式如图4，其简化的四点线性隐格式如下：
上述的一维河网模型模按照如下方法求解：
对于连续性方程有以下关系：
分别是是第j+1个点在第n+1时刻的水位和流量；/>分别是第j个点在第n+1时刻的水位和流量；/>分别是第j+1个点在第n时刻的水位和流量；分别是第j个点在第n时刻的水位和流量；Δt是计算的时间步长；Δx是计算的空间步长；θ是一加权系数，0≤θ≤1。
将以上关系代入连续性方程中有：
可写为：
其中：
对于动量方程：有如下关系：
将以上关系代入动量方程可写为：
其中：
忽略上标n+1，任一河段差分方程可写成如下形式：
Qj+1-Qj+CjZj+1+CjZj＝Dj
EjQj+GjQj+1+FjZj+1-FjZj＝Φj
其中Cj、Dj、Ej、Fj、Gj、Φj均由初值计算，所以方程组为常系数线性方程组。对一条具有L2-L1个河段的河道(如图3所示)，有2(L2-L1+1)个未知变量，可以列出2(L2-L1)个方程，加上河道两端的边界条件，形成封闭的代数方程组，可唯一求解未知量Qj、Zj(j＝L1，L1+1，L1+2，……，L2)。
S304、根据确定的目标水位差水量最低需求，结合对象水源的水势、水量和水质保证率进行水源调用方案设计；根据水源调用方案确定出汛期的泄水能力。
S4、根据确定出的汛期泄水能力完成拟建工程，通过完成的工程完成对水系流动进行控制。完成拟建工程，基于研究区域在平水期、枯水期、丰水期、汛期的优选方案进行实际调度，实现研究区域水系的自主有序流动。
解决了平原河网区城市水系多以环状水网为主，其滞留河道最大特征为流向与研究区域水势呈大夹角关系，通过工程措施和非工程措施为滞流河道造势的技术问题。
平原河网区城市水系由于防洪和流动需求已建一批闸、泵工程，识别阻碍各河道自主有序流动的闸、泵，避免现有的闸、泵造成流动的技术问题。
平原河网区城市海拔低，水系发达，外洪易入侵，内涝却不易排出，实现了非汛期自主有序流动和汛期防洪排涝精准方案的技术。
平原河网区水资源丰沛，实现了区域水资源联合调度方案，明确区域水势保证率下最小流量，提高区域水资源利用效率。
实施例2
如图1所示的区域河网分布图，该图1由环城河和区域内河网组成。存在问题为：1、常水位条件下，进入环城河水量仅42.6％能进入区域内河网，其它水量全部由环城河排出。2、区域内河道由于自身底坡小(十万分之一左右)，进入水量少，水体流动性差，甚至多处局部成死水。3、为了改善这一状况，区域内河网多处布设闸和泵，并被分成了四个小的调度区域，分时段对区域进行小范围闸、泵调度，人为提高局部水位差，使区域内河段水体流动。但是这种调度方式引发了噪音污染，提高了水体浊度，成本较高，该种调度不适于人居密集的城市区域。
调研研究区域，发现其枯水期、平水期、丰水期和汛期时，南护城河河道水位在2.8m-3.1m之间。图1所示为区域平水期(常水位)条件下各进出口流量比例分布。
采用伯努利方程计算图1所示1#断面至2#断面河段在10m3/s(现状进入研究区域河网的流量)、2#断面水位2.8m条件下，两个断面水位差为0.117m。
采用研究区域河网一维模型进行水动力模拟，计算结果显示：保障南北环城河水位差0.1m的最小引调流量达到35m3/s。现状进入环城河的水量28m3/s，进入研究区域河网的水量占比42.6％，无法满足研究区域河网水体流动的水位差和流量需求。
因此设计在图1中1#和3#两处建设壅水建筑物抬高环城河北面水位，造成南北水位差，使进入环城河的水量较大比例的进入研究区域河网。以下为控制南环城河水位条件下，不同水位差的流量需求计算结果表；
表1运行壅水建筑物、控制南环城河水位条件下、不同水位差的流量需求
根据研究区域流量需求，进行研究区域周边水系分析，从而确定可用水源。如图2所示，能为研究区域提供水源的主要是某湖和某河，因此进一步分析某河和某湖的水量、水势和水质是否能满足研究区域需求。前述已判定研究区域河网水量为北进南出，此处，以图2中S6作为低水位参考点，S1-S5作为相对高水位点，采集水位历时信息进行频率分析，结果见表2；
表2 S1-S6相对水位保证率
几个站位的相对水位差见表3。
表3 S1-S5相对S6水位差(单位：m)
水位点 S6 S1 S2 S3 S4 S5
相对于S6最大水位差 3.13 0.69 0.65 0.49 0.11 0.10
现状入研究区域水量基本为R7经R2调某河水实现。根据研究区域气候特点，4-9月为雨量丰沛季节，其中6月降雨量占全年70％左右，6月不需要调水，其余11个月引水量约合8.0亿m3，而自2001年-2011年的11年间，R2河流沿岸年均配水量达10.69亿m3，但是相对研究区域水量需求的保障不足。此外，在建R3、R4河调某河水入HQ1湖泊群及R5、R6掉某河水入H1湖工程完工，能大大提升S4相对S6水位差，从而通过R8、R9为研究区域提供辅助水源。
水源水质方面，S1-S4的溶解氧、化学需氧量、高猛酸盐指数、总氮、氨氮以及五日生化需氧量等单项指标均相对S6高出一个标准及以上。S5各项指标基本与S6持平，S5附近R1河段水体浮油含量大大高于S6。
以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种平原河网区城市水系流动确定方法，其特征在于，按照如下方法进行：
S1、对平原河网区域的水势和水质进行分析，确定出水源进出口路径；其包括：
S101、对平原河网区域的水动力特点的资料进行收集，并进行现场调研，明确区域内各条河流在平水期、枯水期、丰水期、汛期的水位和流向；
S102、根据各时期的水位和流向确定出外流水进入到区域的路径和区域内水流流出的路径；
S103、收集离区域流入与流出路径最近的水文或水位站点历年水位过程，进行水位概率累积分析，明确区域进出口当前水位差保证率；
S2、根据步骤S1中确定出的水源进出口路径和现有的调度方案计算出流动水位差，并根据实际的水位差和计算出的流动水位差计算出需求水位差距值，并根据计算出的水位差距值得到不同时期的需求水位差的调度方案库；其包括：
S201、基于对象水源进出口路径和已有工程设施现有调度方案，采用一维河网模型精确模拟具体研究区域水系水动力特征；
S202、针对对象水源在平水期、枯水期、丰水期、汛期不同调度方案进行流动水位差核算；结合步骤S103中水位当前保证率，对比二者，确定出实际水位差与流动水位差差距；
S203、基于流动调度方案，识别对河道流动无效或起阻碍作用的已建闸、泵，予以拆除；
S204、根据实际水位差与流动水位差的差距设计拟建工程用以抬高区域进出口之间水位差和为滞流河道造势，并针对平水期、枯水期、丰水期、汛期的不同需求建立调度方案库；
S3、根据步骤S2得到的需求水位差的调度方案库，提取根据调度方案库中不同时期的进出口水位差，确定形成目标水位差水量需求，基于确定出的水位差水量需求得到汛期泄水能力；其包括：
S301、根据步骤S2中建立的调度方案库选择出对象区域在平水期、枯水期、丰水期和汛期的调度方案；
S302、采用一维河网模型模拟步骤S301中选择对象区域在平水期、枯水期、丰水期和汛期的进出口水位差；并结合步骤S2中确定形成目标水位差水量需求，制定拟建工程规模；
S303、基于步骤S302中制定的拟建工程规模，采用一维河网模型模拟，得到确定形成目标水位差水量最低需求；
S304、根据确定的目标水位差水量最低需求，结合对象水源的水势、水量和水质保证率进行水源调用方案设计；根据水源调用方案确定出汛期的泄水能力；
S4、根据确定出的汛期泄水能力完成拟建工程，通过完成的工程完成对水系流动进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种平原河网区城市水系流动确定方法，其特征在于，在进行步骤S2前，对目标对象区域水源及该区域水源对应水量的保证率、水质情况进行分析，确定出可用水源水量和可调控空间；按照如下方法进行：
A1、调研对象区域水源周边江、河、湖的水量和水质；
A2、确定出可用水源和水量可调控空间；
A3、收集离可用水源最近的水文或水位站点历年水位过程，进行水位概率累积分析；
A4、对各水源在各种水位下的保证率进行统计和排序；
A5、将步骤A4中排序的水源与S1中的区域出口水位进行水位特征统计分析，对不同水源区域出口水位相对水位差保证率进行统计和排序；
A6、收集各水源最近水质监测点水质资料，对水源水质进行分析，明确各水源的水质类别；
A7、综合水量保证、水位保证和水质保证对各水源进行先后排序，排序权重为4：3：3，选取首选水源和备选水源。
3.根据权利要求1所述的一种平原河网区城市水系流动确定方法，其特征在于，所述步骤S2中的水位流动差按照如下公式确定：
式中，Z1、Z2分别为上下游水面高程；v1、v2分别为上下游断面流速，m/s；hε、hf分别为局部水头损失和沿程水头损失；其中，
L为河段长度m；Q为断面平均流量m3/s；ζ为局部损失系数；K为流量模数m3/s：A为断面面积m2,R为水力半径m；C为谢才系数m1/2/s。
4.根据权利要求1所述的一种平原河网区城市水系流动确定方法，其特征在于，所述步骤S302中一维河网模型模是按照如下方法建立：
式中：Q为断面平均流量m3/s；A为断面面积m2；Z为水位m；B为河面总宽度m；q为旁侧入流流量m3/s；Vx为旁侧入流在水流方向上的流速分量m/s；α为动量修正系数；K为流量模数m3/s：R为水力半径m，C为谢才系数m1/2/s。
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