CN113031667B - 一种感潮水源抑咸避咸调控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种感潮水源抑咸避咸调控系统，该系统的水沙盐同步监测模块实时自动采集水源地的水位、浊度和电导率，并根据浊度计算含沙量，再根据含沙量对盐度进行修正；水沙盐耦合数值预报模块将实时的水位、含沙量和修正的盐度输入潮流‑盐度‑泥沙耦合模型，预测未来某时段的水源地的数据，并得到水源地的盐水入侵规律；泄水抑咸调度模块根据该规律，制定水源地的上游水库泄水抑咸调度方案；蓄淡避咸调控模块根据修正的盐度，判断水源地的盐度是否达标，如果达标，则水厂可从水源地实时取水；根据水源地的下游水库的水位、预测的水源地的盐度，确定感潮水源地输送到下游水库的水量。本发明在保障水厂原水安全的同时，可大大节约淡水资源。
Description
技术领域
本发明涉及水利调度领域，具体涉及一种感潮水源抑咸避咸调控系统。
背景技术
潮汐河口在潮流和径流共同作用下，盐度发生明显的空间和时间变化，盐水入侵河口水源地，致使原水水体含盐度超标，直接影响水厂原水供应，影响城市饮用水安全。为保障城市饮用水安全，需对河口水源地盐度进行监测和预报，并进行水库泄水抑咸和避咸调度。盐度通常通过测定的电导率值转换而来，温度对电导率的影响已有公式加以修正，然而悬沙浓度对电导率的影响未予修正。盐度预报未考虑水沙盐耦合作用而使精度降低。以往多采用水库泄水抑咸或蓄淡避咸的单一调度方式，导致淡水资源浪费。因此，研发基于盐度监测预报的水库泄水抑咸和蓄淡避咸联合调度系统，对于有效地节约水资源是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种感潮水源抑咸避咸调控系统，将“泄水抑咸”与“蓄淡避咸”技术结合起来，保证水厂进水的氯度达到安全要求，并能有效提高合格原水的供应效率，很好地解决了现有水利控制系统原水供应盲目、效率低的问题。
一种感潮水源抑咸避咸调控系统，该系统包括水沙盐同步监测模块、水沙盐耦合数值预报模块、泄水抑咸调度模块和蓄淡避咸调控模块；
所述水沙盐同步监测模块通过若干水位、浊度和电导率实时监测装置自动采集感潮水源地的水位、浊度和电导率并传输数据，并根据浊度计算含沙量，再根据此含沙量对盐度进行修正，得到修正的盐度；
所述水沙盐耦合数值预报模块将实时的水位、含沙量和修正的盐度输入潮流-盐度-泥沙耦合模型，预测未来某时段的感潮水源地的水位、含沙量和盐度，并得到水源地的盐水入侵规律；
所述泄水抑咸调度模块根据预测得到的盐水入侵规律，制定水源地的上游水库泄水抑咸调度方案；
所述蓄淡避咸调控模块根据计算得到的修正的盐度，判断水源地的盐度是否达标，如果达标，则水厂可从感潮水源地实时取水；根据水源地的下游水库的水位、预报的未来每日设定间隔的感潮水源地的盐度，确定感潮水源地输送到下游水库的水量。
进一步地，所述水沙盐同步监测模块包括水位仪、电导率仪、浊度仪和数据处理单元，所述水位仪、电导率仪、浊度仪在感潮水源地设定站点自动、实时采集数据，并发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据浊度计算含沙量，再根据此含沙量对盐度进行修正，得到修正的盐度，并将水位、修正的盐度和含沙量数据存储在数据库中。
进一步地，所述水沙盐同步监测模块通过下式将浊度转换为含沙量
C＝a+bTu+cTu2
其中，C为悬沙浓度；Tu为浊度；a、b、c为率定常数；
所述水沙盐同步监测模块通过下述盐度修正模型对基于电导率的盐度进行含沙量修正
其中，S为修正盐度；Sc为电导率盐度；C为悬沙浓度；α、β为常数。
进一步地，所述水沙盐耦合数值预报模块将数据库存储的实时的水位、含沙量和修正的盐度输入模型，并给定水位、含沙量和盐度的模型边界条件，求解如下的潮流-盐度-泥沙耦合模型，预测未来某时段的感潮水源地的水位、含沙量和盐度：
其中，ρ＝ρ0+(ρs/ρ0-1)S+(ρc/ρ0-1)C将水体、盐度和泥沙耦合起来；ρ为密度；t为时间；V为流速；f为单位质量力；ρ0为水的密度；ρs为盐的密度；ρc为泥沙密度；μ为粘滞系数；μt为涡动粘滞系数；Φ为盐度；Φω沉降通量；Z为水位；g为重力加速度；ρgZ为表面力，ρ随时间和空间而变，
为斜压，D为扩散系数。
进一步地，所述上游水库泄水抑咸调度方案包括日下泄流量表，上游水库按不小于该表给定的流量值进行调度，使得感潮水源地盐度即使在大潮或枯水期间也能保证每天在设定时间段内达标。
进一步地，所述蓄淡避咸调控模块对下游水库进行蓄淡避咸自动调度控制，具体为：根据预报的盐度确定第k日感潮水源地淡水时段Tk，若感潮水源地的取水口氯度达标，则开启水泵向下游水库输水；反之则关闭水泵。
进一步地，通过多泵轮启调控m个水泵，在Tk时段内开启其中nk个水泵为水库补充水量，
W＝W0-Wc
Wc＝pZk+q
其中，W0为下游水库的库容，Wc为第k日下游水库的现存水量，W为下游水库所需水量，QT为相应补水流量，Q0为每个水泵的额定流量，p、q为常数Zk为第k日下游水库的水位。
进一步地，所述多泵轮启为按照一定次序轮流开启水泵，避免同一水泵持续运作，保证抽水量的同时减少水泵的消损；设水泵编号为1，2，...，m，若第k日使用的最后一台泵序号为j，则第k+1日使用的泵序号为j+1～j+n(k+1)或j+1～j+n(k+1)-m。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于潮汐河流水沙盐准确预报的泄水抑咸调度和避咸调度控制系统，能有效地避免咸水进入水厂，泄水抑咸与蓄淡避咸调控的有机结合，在保障水厂原水安全的同时，可大大节约宝贵的淡水资源。
附图说明
图1是本发明感潮水源抑咸避咸调控系统的结构框图；
图2是水沙盐同步监测模块的结构框图；
图3是水沙预测与抑咸调度模块的结构框图；
图4是避咸调控模块的结构框图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，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。
在感潮河流段咸淡水相互作用，水源地水体盐度发生经常性变化，为保证水厂进水的盐度达到安全要求，并有效提高合格原水的供应效率，本发明提供一种感潮水源抑咸避咸调控系统。该感潮水源抑咸避咸调控系统将“泄水抑咸”与“蓄淡避咸”技术结合起来，包括水沙盐同步监测模块、水沙盐耦合数值预报模块、泄水抑咸调度模块和蓄淡避咸调控模块。
如图1所示，通过水沙盐同步监测模块，实时获取感潮水源地的水位、含沙量和修正的盐度数据并存储为数据库，这些数据是水沙盐耦合数值预报模块的边界条件，是执行蓄淡避咸调控模块的重要参考，也是水厂是否直接从水源地取水的重要依据。通过水沙盐耦合数值预报模块得到感潮水源地盐水入侵分布规律。以水沙盐同步监测模块获得的水位、含沙量和修正的盐度作为潮流-盐度-泥沙耦合输运模型边界条件，预测未来某时刻感潮水源地盐度并得到盐水入侵规律。若预测感潮水源地盐度不达标，即盐水时段，则可通过泄水抑咸调度模块进行流量调控，使感潮水源地盐度其达标。与此同时，通过蓄淡避咸模块，水厂从感潮水源地下游水库取水。若预测感潮水源地盐度达标，即淡水时段，水厂可直接从感潮水源地取水。应用“多泵轮启”技术，由感潮水源地向下游水库输水以保证水库有效库容。
具体的实施过程如下：如图2所示，通过水沙盐同步监测模块，实现感潮水源地盐度的实时监测。在感潮水源地布置若干水位仪、浊度仪和电导率仪三种实时监测装置，自动采集感潮水源地的水位、浊度和电导率并传输数据，并发送给此模块的数据处理单元，数据处理单元通过以下公式通过浊度计算含沙量，再根据此含沙量对盐度进行修正，得到修正的盐度，并将水位、含沙量和修正的盐度数据存储在数据库中。
浊度-含沙量转换方程
C＝a+bTu+cTu2
其中，C为悬沙浓度；Tu为浊度；a、b、c为率定常数；
所述水沙盐同步监测模块通过下述盐度修正模型对基于电导率的盐度进行含沙量修正
其中，S为修正盐度；Sc为电导率盐度；C为悬沙浓度；α、β为常数。
进一步地，所述水沙盐耦合数值预报模块将数据库存储的实时的水位、含沙量和修正的盐度输入模型，并给定水位、含沙量和盐度的模型边界条件，求解如下的潮流-盐度-泥沙耦合模型，预测未来某时段的感潮水源地的水位、含沙量和盐度：
共中，ρ＝ρ0+(ρs/ρ0-1)S+(ρc/ρ0-1)C将水体、盐度和泥沙耦合起来；ρ为密度；t为时间；V为流速；f为单位质量力；ρ0为水的密度；ρs为盐的密度；ρc为泥沙密度；μ为粘滞系数；μt为涡动粘滞系数；Φ为盐度；Φω沉降通量；Z为水位；g为重力加速度；ρgZ为表面力，ρ随时间和空间而变，
为斜压，D为扩散系数。
如图3所示，通过泄水抑咸调度模块调控感潮水源地盐度使其达标。根据水沙盐耦合数值预报模块得到的盐水入侵规律，判断水源地盐度是否达标，若大潮或枯水期不能达标，则制定水源地的上游水库泄水抑咸调度方案，包括日最低下泄流量表，水库发电按不小于该表给定的流量值进行调度，使得水源地盐度即使在大潮或枯水期间也能保证每天在设定时间段内达标。
如图4所示，通过蓄淡避咸调控模块，在淡水时段补充下游水库库容实现“蓄淡”，在盐水时段从下游水库取水实现“避咸”。具体为：根据水沙盐耦合数值预报模块预报的盐度确定第k日感潮水源地淡水时段Tk，若感潮水源地的取水口盐度达标，则开启水泵向下游水库输水；反之则关闭水泵。“多泵轮启”具体实施如下：通过多泵轮启调控m个水泵，在Tk时段内开启其中nk个水泵为水库补充水量，
W＝W0-Wc
Wc＝pZk+q
其中，W0为下游水库的库容，Wc为第k日下游水库的现存水量，W为下游水库所需水量，QT为相应补水流量，Q0为每个水泵的额定流量，p、q为常数Zk为第k日下游水库的水位。
多泵轮启即按照一定次序轮流开启水泵，避免同一水泵持续运作，保证抽水量的同时减少水泵的消损；设水泵编号为1，2，...，m，若第k日使用的最后一台泵序号为j，则第k+1日使用的泵序号为j+1～j+n(k+1)或j+1～j+n(k+1)-m。
本发明将泄水抑咸与蓄淡避咸调控的有机结合，有效保证水厂合格的原水供应及安全，可大大节约宝贵的淡水资源。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，该系统包括水沙盐同步监测模块、水沙盐耦合数值预报模块、泄水抑咸调度模块和蓄淡避咸调控模块；
所述水沙盐同步监测模块通过若干水位、浊度和电导率实时监测装置自动采集感潮水源地的水位、浊度和电导率并传输数据，并根据浊度计算含沙量，再根据此含沙量对盐度进行修正，得到修正的盐度；通过下式将浊度转换为含沙量C
C＝a+bTu+cTu2
其中，Tu为浊度；a、b、c为率定常数；
通过下述盐度修正模型对基于电导率的盐度进行含沙量修正
其中，S为修正盐度；Sc为电导率盐度；α、β为常数；
所述水沙盐耦合数值预报模块将实时的水位、含沙量和修正的盐度输入潮流-盐度-泥沙耦合模型，预测未来某时段的感潮水源地的水位、含沙量和盐度，并得到水源地的盐水入侵规律；
所述泄水抑咸调度模块根据预测得到的盐水入侵规律，制定水源地的上游水库泄水抑咸调度方案；
所述蓄淡避咸调控模块根据计算得到的修正的盐度，判断水源地的盐度是否达标，如果达标，则水厂可从感潮水源地实时取水；根据水源地的下游水库的水位、预报的未来每日设定间隔的感潮水源地的盐度，确定感潮水源地输送到下游水库的水量。
2.根据权利要求1所述的感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，所述水沙盐同步监测模块包括水位仪、电导率仪、浊度仪和数据处理单元，所述水位仪、电导率仪、浊度仪在感潮水源地设定站点自动、实时采集数据，并发送给所述数据处理单元，所述数据处理单元根据浊度计算含沙量，再根据此含沙量对盐度进行修正，得到修正的盐度，并将水位、修正的盐度和含沙量数据存储在数据库中。
3.根据权利要求1所述的感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，所述水沙盐耦合数值预报模块将数据库存储的实时的水位、含沙量和修正的盐度输入模型，并给定水位、含沙量和盐度的模型边界条件，求解如下的潮流-盐度-泥沙耦合模型，预测未来某时段的感潮水源地的水位、含沙量和盐度：
其中，ρ＝ρ0+(ρs/ρ0-1)S+(ρc/ρ0-1)C将水体、盐度和泥沙耦合起来；ρ为密度；t为时间；V为流速；f为单位质量力；ρ0为水的密度；ρs为盐的密度；ρc为泥沙密度；μ为粘滞系数；μt为涡动粘滞系数；Φ为S和C构成的向量；Φω沉降通量；Z为水位；g为重力加速度；ρgZ为表面力，ρ随时间和空间而变，
为斜压，D为扩散系数。
4.根据权利要求1所述的感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，所述上游水库泄水抑咸调度方案包括日下泄流量表，上游水库按不小于该表给定的流量值进行调度，使得感潮水源地盐度即使在大潮或枯水期间也能保证每天在设定时间段内达标。
5.根据权利要求1所述的感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，所述蓄淡避咸调控模块对下游水库进行蓄淡避咸自动调度控制，具体为：根据预报的盐度确定第k日感潮水源地淡水时段Tk，若感潮水源地的取水口氯度达标，则开启水泵向下游水库输水；反之则关闭水泵。
6.根据权利要求5所述的感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，通过多泵轮启调控m个水泵，在Tk时段内开启其中nk个水泵为水库补充水量，
W＝W0-Wc
Wc＝pZk+q
其中，W0为下游水库的库容，Wc为第k日下游水库的现存水量，W为下游水库所需水量，QT为相应补水流量，Q0为每个水泵的额定流量，p、q为常数，Zk为第k日下游水库的水位。
7.根据权利要求6所述的感潮水源抑咸避咸调控系统，其特征在于，所述多泵轮启为按照一定次序轮流开启水泵，避免同一水泵持续运作，保证抽水量的同时减少水泵的消损；设水泵编号为1,2,…,m，若第k日使用的最后一台泵序号为j,则第k+1日使用的泵序号为j+1～j+n(k+1)或j+1～j+n(k+1)-m。
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