CN114611846B - 一种城市新区多模式生态补水系统及方法 - Google Patents

一种城市新区多模式生态补水系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种城市新区多模式生态补水系统及方法，属于生态补水的技术领域。包括以下步骤：获取至少一处的水源，基于所述水源存在的水质问题匹配对应的水质处理技术，得到符合入河水质标准的若干个生态补水水源；根据河网水资源的调度方式计算关于河道的生态补水需求量，基于生态补水需求量选用或者切换对应的补水模式，基于所述补水模式采用多水源互补的形式，按照预定区域和/或预定阶段完成补水。本发明提供了维护城市新区河道生态环境发挥正常物质循环、能量流动和信息交换，保护河流水生生物、维持生态系统健康和满足水资源可持续利用所需要的水资源总量，并提供了关于水资源总量的河网计算模型。

Description

一种城市新区多模式生态补水系统及方法
技术领域
本发明属于生态补水的技术领域，特别是涉及一种城市新区多模式生态补水系统及方法。
背景技术
城市河道是城市生态环境的主要载体之一，为城市中居民打造美好的居住环境，并为所在城市的可持续发展提供各项基础性保障和相关资源。
目前，大多数河道是人工生成的，因此基本属于无上游天然来水的城市河道，可以通过人为的方式进行生态补水。即在污染源治理基础上增加生态补水措施，通过补充受损河道生态系统缺失的环境因子—水，提高水体流动性，加大水环境容量及自净能力，改善、修复、恢复生态系统结构、功能及自我调节能力，使其继续为人类创造良好的、健康的生存环境，促进人类社会的可持续发展。
通过前期踏勘与资料分析，确定生态科技岛存在三股水源，可用于岛内河网生态补水，分别为：长江水源、夹江水源和污水处理厂尾水。以长江水源为例，虽然其水质优，水量大，但浑浊度高，存在血吸虫危害，并且全年有13.56%左右时段无法引水。因此，将其作为生态科技岛内水系生态补水水源时，需制定合理解决方案，提升长江水源透明度，消灭钉螺，保障引水安全，并提出枯水期应急备用水源方案。
发明内容
本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种城市新区多模式生态补水系统及方法。
本发明采用以下技术方案：一种城市新区多模式生态补水方法，至少包括以下步骤：
获取至少一处的水源，基于所述水源存在的水质问题匹配对应的水质处理技术，得到符合入河水质标准的若干个生态补水水源；
根据河网水资源的调度方式计算关于河道的生态补水需求量，基于生态补水需求量选用或者切换对应的补水模式，基于所述补水模式采用多水源互补的形式，按照预定区域和/或预定阶段完成补水。
在进一步的实施例中，所述水源至少包括：长江水源、街道出厂水源、以及尾水水源；
则生态补水水源的补水量Q的计算公式如下：
Figure 869923DEST_PATH_IMAGE001
，式中，i为水源的种类，
Figure 649398DEST_PATH_IMAGE002
为水源i的净化率，
Figure 494994DEST_PATH_IMAGE003
水源净化前的水源量。
在进一步的实施例中，所述补水模式至少包括：引排模式和内循环模式。
在进一步的实施例中，补水模式为引排模式时，至少包括：Ⅰ区、Ⅱ区、…j区；分别计算得到关于对应区域的生态补水需求量Q Ⅰ、Q Ⅱ、…Q j ，计算得到每个区域的生态补水需求量与关于水源i的补水量
Figure 708938DEST_PATH_IMAGE004
之间的差值
Figure 614577DEST_PATH_IMAGE005
，其中，其中j为划分得到的区域数量，j为大于等于3的整数，1≤k≤j；若
Figure 149857DEST_PATH_IMAGE006
，则将对应的水源调度给对应的区域，剩余的水源与剩余的区域则采用互补的方式进行调度，其中
Figure 267986DEST_PATH_IMAGE007
为预先设定的差值阈值。
在进一步的实施例中，补水模式为内循环模式时，至少包括以下补水流程：
按照开发建设进度将补水阶段分为至少三个阶段：近期、中期、以及远期；并基于开发建设需求河道划分为至少两个补水片区：先行启动区和后开发区；
当处于近期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区；
当处于中期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区和/或后开发区；
当处于远期补水阶段时，根据需求补充蒸发渗漏、景观需水、和闸门漏水。
在进一步的实施例中，在执行补水模式时，河道流速需满足以下条件：
v =max（v 1 ,v 2 ,v 3 ,v 4 ）
式中，v为河流生态流速；v 1 为维持河流连通性生态流速，保持河道流动性，实现畅通流动；v 2 为增强河流的自净能力所需的流速；v 3 为鱼类适宜流速；v 4 为水生植物生长适宜流速。
在进一步的实施例中，当河网水资源的调度方式为引排调度时，则关于每个区域的生态补水需求量的计算公式如下：
Q Y = Q S + Q ZS + Q J
式中，Q Y 为引排模式下关于区域的生态补水量，万m3/d；Q S 为河网最小生态流量，万m3/d；Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量，万m3/d；Q J 为城市景观用水量，万m3/d；
若Q Y ＜Q，则选用引排模式；反之则切换为内循环模式，Q为生态补水水源的补水量。
在进一步的实施例中，当河网水资源的调度方式为内循环调度时，则水源的需求量的计算公式如下：
Q N = Q ZS + Q J + Q L + Q SZ
式中：Q N 为内循环模式生态补水量，万m3/d； Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量，万m3/d；Q J 为城市景观用水量，万m3/d；Q L 为闸门渗漏量，万m3/d；Q SZ 为维持水质需水量，万m3/d；
若Q N ＜Q，可选用内循环模式。
在进一步的实施例中，河网最小生态流量的计算流程如下：
步骤1、将指定区域内的至少一个河道构建成河网：以关于河道的设计图为基础，新建break点，对照编制区域的影像，建立河道中心线，并以线创建若干个断面；基于所述若干个断面根据区域水系特点，水流方向进行断面连接得到河网；
步骤2、于河网中以线型对象概化构建水工建筑物：输入水工建筑物的种类，以及与之相对应的尺寸信息、运行规则；
步骤3、预先设置关于河网的空间步长L、时间步长t、以及河道糙率n；并自定义关于河网的初始场：
Figure 195490DEST_PATH_IMAGE008
其中，Z 0 （s）、v 0 （s）分别为初始流场的水位和流速值，s为河道在x向的水流位移，Z（s，0）表示当前流场在x向存在水流位移s，在y向无水流位移；v（s，0）表示当前流场在x向位移s时的流速，在y向的流速为0；
步骤4、按照以下模型求解关于断面的断面流量
Figure 6451DEST_PATH_IMAGE009
Figure 996404DEST_PATH_IMAGE010
式中：x，t分别为河道x向坐标及时间，B为河道总宽度/米，H为断面水深/米，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为单位河长的旁侧入流量，A为断面面积/平方米，
Figure 947917DEST_PATH_IMAGE012
为旁侧入流在水流方向上的流速分量/米每秒 ，g为重力加速度，K为流量模数，R是水力半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为动量修正系数；
步骤5、河网最小生态流量
Figure 136453DEST_PATH_IMAGE014
。
在进一步的实施例中，先行启动区和后开发区的维持水质需水量Q SZ 取决于当前片区的河道自身的污染度，通过以下公式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，式中：Q SZ 为维持水质需水量，万m3/d；V为河网总槽蓄量，万m3；T为换水周期，天；
其中，
Figure 383895DEST_PATH_IMAGE016
式中：T为换水周期，天；M为纳污能力，t；W为入河污染物总量，t/a；W 自净为入河污染物自净量，t/a。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序， 所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
本发明的有益效果：本发明提供了维护城市新区河道生态环境发挥正常物质循环、能量流动和信息交换，保护河流水生生物、维持生态系统健康和满足水资源可持续利用所需要的水资源总量。针对生态科技岛河道水动力不足、水质存在恶化风险等水环境突出问题，河道基本生态流量应以促进河网水体流动、提升河道自净能力。
并根据选用的补水模式，并结合城市地貌、土地利用现状、建设规划等因素影响配置对应的补水阶段和补水区域，实现因地制宜的补水方式，贯彻落实“节水优先”是建设生态文明、促进绿色发展的必然要求。
附图说明
图1为本发明的城市新区多模式生态补水方法流程图。
图2为河网最小生态流量的计算流程中的河网示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图说明对本发明做进一步的描述。
城市河道生态补水目标是满足河道生态环境需水，改善城市水环境。由于功能的变化和人类活动干扰，城市河道已丧失天然河流所具有的部分自然与生态属性，对于基本无上游天然来水的城市河道，可以通过人为的方式进行生态补水。但是，以南京的生态科技岛为例，目前三股水源均存在问题，导致清洁水源不足，难以满足现阶段岛内河网生态环境需水。
实施例1
长江水源、夹江水源和污水处理厂尾水在提质后均可达到地表Ⅲ类水标准，但仍存在不足。例如长江全年13.56 %的时段水位低于3.8 m，引水受限；污水处理厂尾水湿地处理效率不稳定，部分时段可能水质不达标，无法供水。因此，本实施例采用多水源互补的方式，并针对不同问题（季节、水质目标等）制定相应的生态补水方案。
本实施例为解决上述技术问题，公开了一种城市新区多模式生态补水方法，至少包括以下步骤：获取至少一处的水源，基于所述水源存在的水质问题匹配对应的水质处理技术，得到符合入河水质标准的若干个生态补水水源；
根据河网水资源的调度方式计算关于河道的生态补水需求量，基于生态补水需求量选用或者切换对应的补水模式，基于所述补水模式采用多水源互补的形式，按照预定区域和/或预定阶段完成补水。
同样以南京的生态科技岛为例，在本实施例中，水源至少包括：长江水源、街道水厂以及污水处理厂尾水。长江水源水质优，水量大，但浑浊度高，存在血吸虫危害，并且全年有13.56%左右时段无法引水。因此，将其作为生态科技岛内水系生态补水水源时，需要做以下水质处理：泵站引长江水后，先进入沉淀河道，沉淀江水中泥沙和大粒径颗粒物，然后再作为生态补水水源引入生态科技岛河道。悬浮物沉淀方法主要有两种，分别为自然沉淀和混凝沉淀。自然沉淀效果决定于沉淀池中水的流速和水在池中的停留时间。本方案采用自然沉降，并定期对池内沉积物进行清理。生态科技岛街道水厂位于洲岛东南部，取水口靠近夹江饮用水源地，水质较好。夹江水源经水厂净化后，水质透明度有待做进一步提升，将其作为生态补水水源可以提升生态科技岛河网水环境品质，需要做以下水质处理：夹江水（水源）-取水泵（利用水厂取水泵）-加絮凝剂（利用水厂加药水池进行加药）-沉淀调节池（利用水厂闲置水池）-提升泵（新增）-河道补水（用水点）。净水厂根据实际需求，可以建成地上或地下模式。
在进一步的实施例中，利用江心洲污水处理厂附近预留地，建设尾水人工湿地，将尾水净化达标后作为补水水源排入岛内河道。采用“反硝化滤池+生物强化调蓄+垂直潜流人工湿地+稳定塘”组合工艺完成净化处理。
基于上述描述，无论水源的来源如何，都是需要进行水处理的，因此实际上的水源量与处理得到的可作为补水用的水源量是存在偏差的，因此为了更好的计算后期补水量的需求及调度，在本实施例中，生态补水水源的补水量Q的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，式中，i为水源的种类，
Figure 392302DEST_PATH_IMAGE002
为水源i的净化率，
Figure 353698DEST_PATH_IMAGE018
水源净化前的水源量。
换言之，定义长江水源、街道出厂水源、以及尾水水源分别为1号水源，2号水源和3号水源，即i的取值为3。则
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示长江水源在净化之前的水量，
Figure 131162DEST_PATH_IMAGE020
表示街道出厂水源在净化之前的水量，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示尾水水源在净化之前的水量。对应的，
Figure 549505DEST_PATH_IMAGE022
为长江水源的净化率，则净化后得到的供生态补水的量实际为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure 45208DEST_PATH_IMAGE024
为街道出厂水源的净化率，则净化后得到的供生态补水的量实际为
Figure 433464DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 32810DEST_PATH_IMAGE026
为尾水水源的净化率，则净化后得到的供生态补水的量实际为
Figure 215530DEST_PATH_IMAGE027
。因此，当生态补水水源为以上三种水源时，生态补水水源的补水量Q的计算公式如下：
Figure 932950DEST_PATH_IMAGE017
。为每个水源净化之后的可用水源量的叠加。
在另一个实施例中，城市河道生态补水规模应综合考虑河网生态环境需水量、空间格局、外界影响因子、可利用的水资源量，及水资源调度等方面，协调统筹适宜的水量作为城市河道生态补水。根据城市河网水资源调度方式的差异，河道生态补水需水量也有所区别。生态科技岛为封闭圩区，在岛内水系连通基础上，采用引排或内循环的调度方案，并基于选用的调度方案分别计算对应的关于河道的生态补水需求量，通过生态补水需求量与生态补水水源的补水量进行对比选用或者切换更符合需求的补水模式。其中补水模式为引排模式或者内循环模式，或者两者同时存在的双模式。
当选用引排模式时，至少包括以下补水流程：利用河道内控导工程，将将河道按照其自身的地段进行区域划分，至少包括：Ⅰ区（沉沙补水区）、Ⅱ区（再生循环区）、Ⅲ区（活水涵养区），即在本实施例中，j=3（Ⅲ）；按照上述区域分别计算得到关于对应区域的生态补水需求量Q Ⅰ、Q Ⅱ、Q Ⅲ。计算得到每个区域的生态补水需求量与关于水源i的补水量
Figure 734684DEST_PATH_IMAGE028
之间的差值，具体表现为：
Figure 814636DEST_PATH_IMAGE029
，其中，其中j为划分得到的区域数量，j为大于等于3的整数，1≤k≤j。举例说明，当计算Ⅲ区与一号水源的补水量之间的差值时，则表示为，
Figure 574781DEST_PATH_IMAGE030
，计算Ⅲ区与二号水源的补水量之间的差值时，则表示为，
Figure 15383DEST_PATH_IMAGE031
。
采用以下方式配置关于区域的水源调度方案：若
Figure 479863DEST_PATH_IMAGE032
，则优先将差值落在范围内的对应的水源调度给对应的区域，剩余的水源与剩余的区域则采用互补的方式进行调度，其中
Figure 555266DEST_PATH_IMAGE033
为预先设定的差值阈值。
举例说明：经计算得到关于沉沙补水区的生态补水量为Q Ⅰ=17万m3/d，关于再生循环区的生态补水量为Q Ⅱ= 8万m3/d，关于活水涵养区生态补水量为Q Ⅲ=4万m3/d。且长江水源的补水量
Figure 345368DEST_PATH_IMAGE023
=17万m3/d，街道出厂水源的补水量
Figure 240642DEST_PATH_IMAGE025
=6万m3/d，尾水水源的补水量
Figure 39971DEST_PATH_IMAGE027
=10万m3/d。则首先根据生态补水总量和水源的总补水量判断引排模式是否满足需求，则关于河道的生态补水量为Q Ⅰ+ Q Ⅱ + Q Ⅲ =29万m3/d，水源的总补水量为
Figure 969881DEST_PATH_IMAGE023
+
Figure 665305DEST_PATH_IMAGE025
+
Figure 811990DEST_PATH_IMAGE027
=33万m3/d，符合需求。反之则切换补水模式。
将Q Ⅰ、Q Ⅱ、Q Ⅲ分别与
Figure 883851DEST_PATH_IMAGE028
进行对比计算得到j*i个差值
Figure 933847DEST_PATH_IMAGE034
，以Q Ⅰ为例，将Q Ⅰ分别与
Figure 941117DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 935618DEST_PATH_IMAGE036
和
Figure 686536DEST_PATH_IMAGE037
做差值，并得到
Figure DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 635380DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，即分别为0、11、7，则
Figure 344710DEST_PATH_IMAGE041
属于，优先将长江水源的补水量调度给沉沙补水区。剩余的水源与剩余的区域则采用互补的方式进行调度，其中
Figure 92086DEST_PATH_IMAGE033
为预先设定的差值阈值。进一步的，以Q Ⅱ为例，将Q Ⅱ分别与
Figure 381116DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 264759DEST_PATH_IMAGE027
做差值，并得到
Figure 613832DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 956826DEST_PATH_IMAGE043
，即分别为2、-2，则
Figure 174181DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 787696DEST_PATH_IMAGE043
的正数均属于
Figure 697883DEST_PATH_IMAGE044
，则对Q Ⅲ做进一步的判断，将Q Ⅲ分别与
Figure 764059DEST_PATH_IMAGE025
和
Figure 785105DEST_PATH_IMAGE027
做差值，并得到
Figure 518706DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 976625DEST_PATH_IMAGE046
，分别为-2和-6，则
Figure 654731DEST_PATH_IMAGE047
，因此优先将2号水源调度给Ⅲ区，即将街道出厂水源调度给再生循环区。
城市河道生态环境需水量计算不仅需要考虑河道生态基流来保持河道的连续性和完整性、维持河流生态系统的健康，还需考虑提升河道稀释纳污能力的需水量，以及城市热岛效应增加的更多水面蒸发量、人类生产生活过度开发地下水产生的渗漏量和河道外城市景观用水量等。
基于上述描述，每个区域的生态补水需求量均采用以下公式：Q Y = Q S + Q ZS + Q J ；式中，Q Y 为引排模式下关于区域的生态补水量（在上述实施例中，Q Y 为Q Ⅰ、Q Ⅱ或Q Ⅲ），万m3/d；Q S 为河网最小生态流量，万m3/d；Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量，万m3/d；Q J 为城市景观用水量，万m3/d；若Q Y ＜Q，则选用引排模式；反之则切换为内循环模式。
其中，Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量采用以下计算公式得到：
Figure 354834DEST_PATH_IMAGE048
；其中
Figure 67575DEST_PATH_IMAGE049
式中： W w 为河流水面蒸发需水量，A r 为河流水面面积，km2； E w 为水面蒸发量，mm /a； P为河流内降水量，mm /a。
根据南京市历年降雨与水面蒸发数据分析，多年平均降雨量大于蒸发量，因此，生态科技岛蒸发需水量为0。
当河道中的水位升高、水压增大，而地下水位较低时会产生渗漏，计算城市河道渗漏量 Wu 的经验公式为：
W u = k A r
式中：W u 为河流年渗漏损失量，m3；A r 为河流年均水面面积，m2；k为经验系数，m。经验系数k根据河道是否进行防渗处理、河床底质类型与厚度、河道断面形状等，综合河流水文特征和河床地质条件分析确定。
开发建设初期，河道无水生植被覆盖，自净能力较弱，综合考虑点源污染截污不到位、建筑工地排污、面源污染削减率较低等因素，以氨氮和SS达标为主要目标，当以尾水湿地出水和净水厂出水为补水水源时（SS < 5 mg/L），在无强降雨或其他突发情况下，建议换水周期9 ~ 10天。
在进一步的实施例中。现有技术中是针对同一河道进行笼统式的河网最小生态流量计算，但是由于不同的下垫面具有不同的产流规律，降雨径流模拟将本区域下垫面分成水面（包括河道、湖泊等水面）、水田、旱地或绿地和城镇道路、屋面、广场、农业大棚等有覆盖不透水的下垫。因此在同一河道内的不同断面处得到需求量是不一样的，如果采用现有计算方式获取的河网最小生态流量往往是不精确的，即达不到局部的需求。
故为了解决这一技术问题，本实施例还公开了：河网最小生态流量的计算流程如下：
步骤1、将指定区域内的至少一个河道构建成河网：以关于河道的设计图为基础，新建break点，对照编制区域的影像，建立河道中心线，并以线创建若干个断面；基于所述若干个断面根据区域水系特点，水流方向进行断面连接得到河网；如图2所示。
步骤2、于河网中以线型对象概化构建水工建筑物：输入水工建筑物的种类，以及与之相对应的尺寸信息、运行规则；举例说明：例如，河道中的各种附属构筑物，包括闸门、涵洞等，都需要其相应的尺寸参数及过流计算参数；泵站的参数，包括水泵的数量、水泵流量扬程曲线及其启闭控制参数等。
步骤3、预先设置关于河网的空间步长L、时间步长t、以及河道糙率n；并自定义关于河网的初始场：
Figure 194931DEST_PATH_IMAGE050
其中，Z 0 （s）、v 0 （s）分别为初始流场的水位和流速值，s为河道在x向的水流位移，Z（s，0）表示当前流场在x向存在水流位移，在y向无水流位移；v（s，0）表示当前流场在x向的流速，在y向的流速为0；其中空间步长L的取值如下：实测河道断面间距约为100~500m，模型计算步长为100m；时间步长t采用60s；河道糙率n的取值如表1所示。
步骤4、按照以下模型求解关于断面的断面流量
Figure 766858DEST_PATH_IMAGE009
Figure 864127DEST_PATH_IMAGE051
Figure 805276DEST_PATH_IMAGE052
式中：x，t分别为河道x向坐标及时间，B为河道总宽度/m，H为断面水深/m，
Figure 962587DEST_PATH_IMAGE053
为单位河长的旁侧入流量，A为断面面积/m2，
Figure 756231DEST_PATH_IMAGE054
为旁侧入流在水流方向上的流速分量/(m/s) ，g为重力加速度，K为流量模数，R是水力半径，
Figure 532557DEST_PATH_IMAGE055
为动量修正系数；
其中，
Figure 219891DEST_PATH_IMAGE056
，C是谢才系数，取值为
Figure 689049DEST_PATH_IMAGE057
；
步骤5、河网最小生态流量
Figure DEST_PATH_IMAGE058
。
表1 河道糙率n
Figure 737033DEST_PATH_IMAGE059
随着开发建设地推进，点源污染减少、河道自净能力增强、海绵城市面源污染削减措施部分建设完成，生态补水量需求随之降低。但生态科技岛内建筑工地造成的污染源位置变化快、时效性高，并且具备不确定性，因此这个时期补水建议针对重点污染区域，分区补水，节约清洁水源量。
全岛开发建设完成后，河道自净容量高于入河污染物总量，生态补水仅需补充河道蒸发渗透、城市景观用水、闸门漏水等损失水量即可，其中主要为闸门漏水。
故当选用内循环模式时，或者补水模式从引排模式切换至内循环模式后，补水流程和需求量均发生改变，具体表现如下：
补水模式为内循环模式时，根据建设期不同，全岛生态补水量也不同。因此至少包括以下补水流程：
按照开发建设进度将补水阶段分为至少三个阶段：近期、中期以及远期；并基于开发建设需求河道划分为至少两个补水片区：先行启动区和后开发区；
当处于近期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区；
当处于中期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区和/或后开发区；
当处于远期补水阶段时，根据需求补充蒸发渗漏、景观需水、和闸门漏水。
当处于近期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区：首先计算这个阶段先行启动区的水源需求，然后按照将水源需求分别与补水量
Figure 176105DEST_PATH_IMAGE028
做差值，采用上文描述的优先级调度原则，调用符合要求的水源，即调用差值属于给定范围内的水源，若同时存在至少两个属于范围内的水源，则优先选用差值为正且差值为最小值对应的水源。
当处于中期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区和/或后开发区；若需要调度的区域仅为一个（先行启动区或后开发区），则采用近期补水阶段使用的调度的原则。若需要调度的区域为先行启动区和和后开发区，采用引排模式使用的差值对比调度原则，在此不再赘述。
基于上述描述，任何阶段的水源需求量，均采用以下计算公式，如果存在两个区域需求，则对每个区域同样使用以下公式进行计算：Q N = Q ZS + Q J + Q L + Q SZ
式中：Q N 为内循环模式生态补水量，万m3/d； Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量，万m3/d；Q J 为城市景观用水量，万m3/d；Q L 为闸门渗漏量，万m3/d；Q SZ 为维持水质需水量，万m3/d；若Q N ＜Q，可选用内循环模式，开始切换。
其中，先行启动区和后开发区的维持水质需水量Q SZ 取决于当前片区的河道自身的污染度，通过以下公式计算得到：
Figure 858890DEST_PATH_IMAGE060
；
式中：Q SZ 为维持水质需水量，万m3/d；V为河网总槽蓄量，万m3；T为换水周期，天（d）；
其中，
Figure 92425DEST_PATH_IMAGE061
式中：T为换水周期，天；M为纳污能力，t；W为入河污染物总量，t/a；W 自净为入河污染物自净量，t/a。
纳污能力（M）计算参照《水域纳污能力计算规程》（GB/T25173-2010），当流入和流出湖（库）的水量平衡时，公式如下：
Figure 595082DEST_PATH_IMAGE062
式中：M为纳污能力；Cs为水质目标浓度值；C0为补充水源水质浓度值，mg/L；V为河网总槽蓄量，m3。
入河污染物自净量（W自净）即河流自净容量，在充分考虑河流自净功能基础上，包括物理自净能力（挥发、扩散、稀释、沉降、吸附）、化学自净能力（氧化、水解等）及生物降解（光合作用、呼吸作用），还需额外考虑底泥污染物的释放，公式如下：
Figure 978790DEST_PATH_IMAGE063
式中：W自净为河流自净容量，t/a；C s 为河道出口断面的目标水质浓度（mg/L）；K为污染物降解系数，1/d；V为河网总槽蓄量，m3；f 植为水生植物吸收的污染物的质量函数，与光照、温度、植物种类、种植密度以及水深等因素有关；f 底泥为底泥释放污染物的质量函数，与流速、温度、水深等因素有关。
其中，引排模式和内循环模式均需要保证适当的河道流速，因为流速是维持河流水系连通、保持河流生物生境功能、增强河道自净能力、以及营造河流景观的重要因子。增大水流流速，能够显著增加水中的溶解氧水平，为增强水体的自净能力提供条件。但是过高的流速容易导致河道底泥悬浮，从而影响河流的自净能力。如果流速过低，则会引起河道营养盐富集，水体自净能力降低因此，河道流速必须在合理阈值内，才能保障河道水体的自净能力。
河道流速需满足以下条件：v =max（v 1 ,v 2 ,v 3 ,v 4 ）
式中，v为河流生态流速；v 1 为维持河流连通性生态流速，保持河道流动性，实现畅通流动；v 2 为可提高河流的复氧量，增强河流的自净能力；v 3 为鱼类适宜流速；v 4 为水生植物生长适宜流速。
本实施例综合考虑河网生态环境需水量、空间格局、外界影响因子、可利用的水资源量，及水资源调度等方面，协调统筹适宜的水量作为城市河道生态补水，并取得了显著的效果，且满足以下原则：（1）系统协调、整体统筹：根据引水水源的实际情况和河道水力特性等，采用水力学方法，基于建立精细化河道数值模型，精细化评估研究区域的生态需水量、换水频次，结合工程与非工程措施，优化水资源配置，达到精细化、高效化配水的目标。（2）节水优先、循环利用：秉持“节水即治污”的理念，坚持节水优先，强化用水总量和强度双控。将污水资源化利用作为节水开源的重要内容，再生水纳入水资源统一配置，推动污水资源化利用。（3）因地制宜、多源供水：在充分了解区域地理、地势、水源等条件的基础上，综合分析，寻找最有利的水源条件，尽可能地提高清洁水源保障能力。

Claims (9)

1.一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
获取至少一处的水源，基于所述水源存在的水质问题匹配对应的水质处理技术，得到符合入河水质标准的若干个生态补水水源；
根据河网水资源的调度方式计算关于河道的生态补水需求量，基于生态补水需求量选用或者切换对应的补水模式，基于所述补水模式采用多水源互补的形式，按照预定区域和/或预定阶段完成补水；所述补水模式至少包括：引排模式和内循环模式；
所述水源至少包括：长江水源、街道出厂水源以及尾水水源；
则生态补水水源的补水量Q的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，式中，i为水源的种类，
Figure 654156DEST_PATH_IMAGE002
为水源i的净化率，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
水源净化前的水源量。
2.根据权利要求1所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，补水模式为引排模式时，至少包括以下补水流程：
将河道按照其自身的地段进行区域划分，至少包括：Ⅰ区、Ⅱ区、…j区；分别计算得到关于对应区域的生态补水需求量Q Ⅰ、Q Ⅱ、…Q j ，计算得到每个区域的生态补水需求量与关于水源i的补水量
Figure 164772DEST_PATH_IMAGE004
之间的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，其中， j为划分得到的区域数量，j为大于等于3的整数，1≤k≤j；
若
Figure 305028DEST_PATH_IMAGE006
，则优先将差值落在范围内的对应的水源调度给对应的区域，剩余的水源与剩余的区域则采用互补的方式进行调度，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为预先设定的差值阈值。
3.根据权利要求1所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，补水模式为内循环模式时，至少包括以下补水流程：
按照开发建设进度将补水阶段分为至少三个阶段：近期、中期以及远期；并基于开发建设需求河道划分为至少两个补水片区：先行启动区和后开发区；
当处于近期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区；
当处于中期补水阶段时，将水源按照需求调度到先行启动区和/或后开发区；
当处于远期补水阶段时，根据需求补充蒸发渗漏、景观需水和闸门漏水。
4.根据权利要求1所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，在执行补水模式时，河道流速需满足以下条件：
v =max（v 1 ,v 2 ,v 3 ,v 4 ）
式中，v为河流生态流速；v 1 为维持河流连通性生态流速；v 2 为增强河流的自净能力所需的流速；v 3 为鱼类适宜流速；v 4 为水生植物生长适宜流速。
5.根据权利要求2所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，当河网水资源的调度方式为引排调度时，则关于每个区域的生态补水需求量的计算公式如下：
Q Y = Q S + Q ZS + Q J
式中，Q Y 为引排模式下关于区域的生态补水量，万m3/d；Q S 为河网最小生态流量，万m3/d；Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量，万m3/d；Q J 为城市景观用水量，万m3/d；
若Q Y ＜Q，则选用引排模式；反之则切换为内循环模式；Q为生态补水水源的补水量。
6.根据权利要求5所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，河网最小生态流量的计算流程如下：
步骤1、将指定区域内的至少一个河道构建成河网：以关于河道的设计图为基础，新建break点，对照编制区域的影像，建立河道中心线，并以线创建若干个断面；基于所述若干个断面根据区域水系特点，水流方向进行断面连接得到河网；
步骤2、于河网中以线型对象概化构建水工建筑物：输入水工建筑物的种类，以及与之相对应的尺寸信息、运行规则；
步骤3、预先设置关于河网的空间步长L、时间步长t、以及河道糙率n；并自定义关于河网的初始场：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，Z 0 （s）、v 0 （s）分别为初始流场的水位和流速值，s为河道在x向的水流位移，Z（s，0）表示当前流场在x向存在水流位移s，在y向无水流位移；v（s，0）表示当前流场在x向位移s时的流速，在y向的流速为0；
步骤4、按照以下模型求解关于断面的断面流量
Figure 559292DEST_PATH_IMAGE010
Figure 904823DEST_PATH_IMAGE012
Figure 556646DEST_PATH_IMAGE014
式中：x，t分别为河道x向坐标及时间，B为河道总宽度，H为断面水深，
Figure 417155DEST_PATH_IMAGE016
单位河长的旁侧入流量，A为断面面积，
Figure 678372DEST_PATH_IMAGE018
为旁侧入流在水流方向上的流速分量，g为重力加速度，K为流量模数，R是水力半径，
Figure 878409DEST_PATH_IMAGE020
为动量修正系数；
步骤5、河网最小生态流
Figure 638817DEST_PATH_IMAGE022
。
7.根据权利要求3所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，当河网水资源的调度方式为内循环调度时，则水源的需求量的计算公式如下：
Q N = Q ZS + Q J + Q L + Q SZ
式中：Q N 为内循环模式生态补水量； Q ZS 为河网蒸发渗漏需水量；Q J 为城市景观用水量；Q L 为闸门渗漏量；Q SZ 为维持水质需水量；
若Q N ＜Q，可选用内循环模式。
8.根据权利要求7所述的一种城市新区多模式生态补水方法，其特征在于，先行启动区和后开发区的维持水质需水量Q SZ 取决于当前片区的河道自身的污染度，通过以下公式计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，式中：Q SZ 为维持水质需水量；V为河网总槽蓄量；T为换水周期；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
式中：T为换水周期；M为纳污能力；W为入河污染物总量；W 自净为入河污染物自净量。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
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