CN113763204A - 多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，所述的方法包括下述步骤：1)收集基础资料；2)基于收集到的基础资料，设计调水方案；3)基于收集到的基础资料，构建城市内河水系一维水动力‑水质模型；4)基于构建的模型，对设计的调水方案进行模拟；5)调整和改进模拟参数，优化调水方案。本发明通过数值模拟的手段优选出了最佳调水方案，兼顾活水效果、经济成本、可靠性和灵活性等多目标，极大助力于城市水资源管理和水环境提升决策工作。
Description
技术领域：
本发明涉及城市水环境综合治理、水资源管理领域，具体为一种多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法。
背景技术：
随着“水十条”的持续推进，流域水环境治理目标往水活、水清、水美转变。但在当前的城市水环境治理中仍缺乏系统性、循环性、平衡性，尤其是调水工程上仍存在调水系统设计和运行的随意性、过度性，如过度依赖城市内部的闸泵系统，理想化设计补水路线，随机补水，补水范围存在局限性甚至多处反向调水等多个问题，已有的调水方案系统中调水设施由于运行费用过高而形同虚设。如何提高城市内部复杂拓扑特性河网的水流交换能力和水力连通性、增强水体流动性、在提高水环境容量，改善水质的同时，保证调水方案工程边际成本和效益的均衡，最终实现治理成本最小、效益最大，成了当前调水方案方案设计的一大难题。因此，通过水环境数值模拟手段，不断优化调水方案，并使之高效益、低成本应用具有非常现实的意义。
发明内容：
本发明提供了一种多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，通过数值模拟的手段不断对调水方案进行优化调整，最终推选出最佳调水方案，兼顾活水效果、经济成本、可靠性和灵活性等多目标。
本发明的多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，所述的方法包括下述步骤：
1)收集基础资料；
2)基于收集到的基础资料，设计调水方案；
3)基于收集到的基础资料，构建城市内河水系一维水动力-水质模型；
4)基于构建的模型，对设计的调水方案进行模拟；
5)调整和改进模拟参数，优化调水方案。
进一步的，所述的收集的基础数据，至少包括城市河网水系拓扑特征、河道断面数据、水文气象资料、水质现状数据。
进一步的，所述的步骤2)具体为：基于收集到的基础资料，通过流域需水计算方法，确定城市河网是否需要补水，确定补水时机和补水量，并进一步确定优质补水水源地。
进一步的，所述的步骤4)具体为：
基于构建的模型，率定河道糙率、水质指标的扩散系数与衰减系数，从水位、流量、水质浓度的角度验证模型的精度；并通过率定验证后的模型分析城市河网的水动力特性，包括河道流向、水力联系及储水量分配特征；
进一步的，所述的步骤5)具体为：基于构建的模型，对设计的调水方案进行模拟，对调水方案从效果、工程量进行评估；基于初步模拟结果进行活水量、活水路线优化调度，调整和改进活水路线，优化调水设施的布设位置、规模及调度组合，以使得在最低工程量条件下实现最佳活水效果，实现调水方案系统构建过程更加科学合理。
本发明通过数值模拟的手段优选出了最佳调水方案，兼顾活水效果、经济成本、可靠性和灵活性等多目标，极大助力于城市水资源管理和水环境提升决策工作。
附图说明
图1为本发明多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法的流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对对本发明进行进一步详细说明。
本发明多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，首先进行资 料收集，对城市内河水系水文气象、河道水下地形、水系现状(水位、流量、流速、水质等)及相关闸、泵数据进行收集，对城市内河水系调水方案需水量进行计算，并从增强水体流动性、提高水环境容量角度设计相应的调水方案；其步骤为：
(1)通过资料收集和原位观测，获取城市内部地表水资源情况、地形数据、河道水下断面数据、河道水位与流量数据、河道流速与流向数据、水质数据、气象数据、闸坝泵涵等基础数据和资料。
(2)通过收集的数据和资料，了解城市河网水动力和水质现状，并重点分析河网水体流动性差、水力联系脱节的原因，并对河道活水需水量进行计算；
(3)对城市内可用活水水源地进行调查：活水水源地包括且不限于湖泊、水库、河道、再生水等；对可用活水水源地的调水余量进行论证；对可用活水水源地的调水时间进行论证；
(4)设计优质调水方案，通过水文水力计算初步确定各河道分配水量，活水路线设计时尽量贴近自然流向，优选环形活水路线，优选大循环+小循环的多循环活水形式，在充分利用又有的闸泵等工程设施基础上，酌情增补相应的配水工程，并确定活水工程措施的布设位置、类型和规模。设计的调水方案可增加河道连通路线，构成系统的区域水网。
在收集到的资料基础上，针对城市河网错综复杂的拓扑特征和水流特性，构建城市内河水系一维水动力-水质模型，对设计的城市河网区域补水活水方案进行模拟，从水动力活性、水质恢复效果、经济成本等角度进行方案优化，最终推选出最佳调水方案方案。
(1)基于构建的城市河网水动力-水质模型，率定河道糙率、水质指标的扩散系数与衰减系数，从水位、流量、水质浓度等角度验证模型的精度；并通过率定验证后的模型分析城市河网的水动力特性，包括河道流向、水力联系及储水量分配特征；
(2)基于构建的模型，对设计的调水方案进行模拟，对调水方案从效果、工程量进行评估；基于初步模拟结果进行活水量、活水路线优化调度，调整和改进活水路线，优化调水设施的布设位置、规模及调度组合，从而使得在最低工程量条件下实现最佳活水效果，实现调水方案系统构建过程更加科学合理。
(3)对最终推荐的优化调水方案的综合效果进行评估。
综上可知，本发明多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，首先进行资料收集和现状调查，对城市内河水系调水方案需水量进行计算，并从增强水体流动性、提高水环境容量角度设计相应的生态补水方案。而后基于构建的城市内河水系一维水动力- 水质模型，对设计的城市河网区域补水活水方案进行模拟，从水动力活性、水质恢复效果、经济成本等角度进行方案优化，最终推选出最佳调水方案。
其中，
(1)资料收集包括：水文气象数据、区域地形数据、河道水下地形数据、水动力(流向、流速等)数据、水环境数据(水质浓度等)；
(2)现状调查包括：水系分布、水环境质量情况、已有和规划的水利工程资料、点源及面源污染情况、污水处理系统情况、水环境整治措施等；
(3)通过收集的数据和资料，了解城市河网水动力和水质现状，并重点分析河网水体流动性差、水力联系脱节的原因，并对河道活水需水量进行计算；
(4)对城市内可用活水水源地进行调查：活水水源地包括且不限于湖泊、水库、河道、再生水等；对可用活水水源地的调水余量进行论证；对可用活水水源地的调水时间进行论证；
确定补水量范围：调水方案时所需水量可通过多种方法计算，包括通过水质目标约束法，计算需要达到一定标准的水质等级所需的补水量；通过生态需水量计算方法，包括水量平衡法、蒙大拿法等，计算城市河网各河流的生态需水量等。对不同方法下计算的所需补水量，进行对比分析，确定区域地表水所需补水量范围。在补水水源地水量充足，远大于所计算的需水量条件情况下，也可基于构建的城市河网水动力-水质模型进行试算，优化取水总量。
(5)设计优质调水方案，通过水文水力计算初步确定各河道分配水量，活水路线设计时尽量贴近自然流向，优选环形活水路线，优选大循环+小循环的多循环活水形式，在充分利用又有的闸泵等工程设施基础上，酌情增补相应的配水工程，并确定活水工程措施的布设位置、类型和规模。设计的调水方案可增加河道连通路线，构成系统的区域水网。
确定补水点：基于构建的城市河网水动力-水质模型，结合城市防洪要求、河道水质要求以及河流的生态基流量确定补水点位，在不影响防洪排涝前提下，设计不同补水点、不同补水量组合工况，对比不同工况下河流水动力、水质变化提升效果，选取最佳补水点位-补水量工况；
确定闸泵调度方案：基于构建的城市河网水动力-水质模型，模拟设计的调水方案方案实施后的河道流量、流速、水质，并不断调整闸门开启度、泵站规模与扬程、压力管道长度，直至河道水动力-水质条件提升幅度最大且工程措施成本最低，获得的最佳闸泵调度方案；
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，在本发明的技术构思范围内，对本发明的技术方案进行多种等同变化，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，其特征在于：所述的方法包括下述步骤：
1)收集基础资料；
2)基于收集到的基础资料，设计调水方案；
3)基于收集到的基础资料，构建城市内河水系一维水动力-水质模型；
4)基于构建的模型，对设计的调水方案进行模拟；
5)调整和改进模拟参数，优化调水方案。
2.如权利要求1所述的多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，其特征在于：所述的收集的基础数据，至少包括城市河网水系拓扑特征、河道断面数据、水文气象资料、水质现状数据。
3.如权利要求1所述的多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，其特征在于：所述的步骤2)具体为：基于收集到的基础资料，通过流域需水计算方法，确定城市河网是否需要补水，确定补水时机和补水量，并进一步确定优质补水水源地。
4.如权利要求1所述的多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，其特征在于：所述的步骤4)具体为：
基于构建的模型，率定河道糙率、水质指标的扩散系数与衰减系数，从水位、流量、水质浓度的角度验证模型的精度；并通过率定验证后的模型分析城市河网的水动力特性，包括河道流向、水力联系及储水量分配特征。
5.如权利要求1所述的多目标优化下平原区河网调水工程提升水环境效果评估方法，其特征在于：所述的步骤5)具体为：基于构建的模型，对设计的调水方案进行模拟，对调水方案从效果、工程量进行评估；基于初步模拟结果进行活水量、活水路线优化调度，调整和改进活水路线，优化调水设施的布设位置、规模及调度组合，以使得在最低工程量条件下实现最佳活水效果，实现调水方案系统构建过程更加科学合理。
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