許建平，董阿忠，張金龍，康艷萍，謝義林

（江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

對(duì)于濱江河網(wǎng)地區(qū)，區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)布局密集，聯(lián)通復(fù)雜、流向復(fù)雜、坡降較小，水體流動(dòng)緩慢[1]，伴隨著濱江城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化建設(shè)推進(jìn)，區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量日益下降。利用泵閘優(yōu)化調(diào)度實(shí)現(xiàn)水體交換與流動(dòng)以改善水質(zhì)[2]，已經(jīng)成為改善濱江城市水環(huán)境的創(chuàng)新之舉。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，原調(diào)度方法已不能滿足人民群眾對(duì)河流防洪安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水景觀等要求，制約了水利工程綜合效益的充分發(fā)揮。原調(diào)水方案依靠常規(guī)半經(jīng)驗(yàn)、半理論的調(diào)度方法，主要以調(diào)度圖為指導(dǎo)，雖簡(jiǎn)單直觀、概念清晰，但調(diào)度圖目標(biāo)比較單一，調(diào)度結(jié)果并非全局最優(yōu)，很難處理多目標(biāo)、多約束、高維變量等復(fù)雜問題，同時(shí)工作量大、調(diào)水效果不理想[3-5]。前人對(duì)于智慧調(diào)度的研究多在濱海地區(qū)，濱江地區(qū)較少[6-9]。

因此，依托已建成的實(shí)時(shí)雨水情、實(shí)時(shí)工情、實(shí)時(shí)水質(zhì)采集站點(diǎn)，通過建立濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)水質(zhì)水量一體化模型，結(jié)合水利工程調(diào)度技術(shù)，構(gòu)建濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量水質(zhì)變化預(yù)演很有必要。

1 水循環(huán)水環(huán)境模擬模型

水循環(huán)水環(huán)境模擬模型是基于河道地形、湖泊、水文站網(wǎng)位置、社會(huì)經(jīng)濟(jì)分區(qū)、土地利用等資料所構(gòu)建的水質(zhì)水量一體化模型，是河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的耦合。首先基于河道地形、湖泊地形、水利工程規(guī)模及位置等資料，構(gòu)建水動(dòng)力模型；基于行政分區(qū)、下墊面信息、流域站網(wǎng)、水田灌溉資料等，構(gòu)建水文模型；基于區(qū)域取排水、污染負(fù)荷資料等，構(gòu)建取排水及污染負(fù)荷模型，采用實(shí)測(cè)水文水環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水量水質(zhì)的模擬。

1.1 水文水動(dòng)力模型

水文水動(dòng)力模型主要模擬研究區(qū)域水量在閘泵調(diào)度過程中情況及其動(dòng)態(tài)變化，包括以下 4 個(gè)子模型，各模型相互聯(lián)系共同作用：

1）降雨徑流模型。根據(jù)濱江城市地理特征，將土地利用劃分為旱地、水面、水田、建設(shè)用地 4 類。分別采用上述 4 類下墊面產(chǎn)水模式，模擬江陰市降雨產(chǎn)流過程。

平原區(qū)坡面匯流采用河網(wǎng)多邊形法。根據(jù)河道、泵閘分布，將區(qū)域劃分成多個(gè)河網(wǎng)多邊形，每個(gè)多邊形作為獨(dú)立的計(jì)算單元。各單元內(nèi)分別建立分布式水文模型，在各多邊形區(qū)域中近似劃分各河道的集雨面積，采用近似單位線的方法確定每個(gè)河道集雨區(qū)的坡面匯流時(shí)間，將該河道集雨面積上的產(chǎn)流按照單位線法以旁側(cè)入流的形式均勻匯入該河道。

2）河網(wǎng)水動(dòng)力模型。河網(wǎng)水動(dòng)力模型可分為一維河道和零維模型，前者用于模擬平原河網(wǎng)內(nèi)水流的運(yùn)動(dòng)，后者則主要考慮湖泊、塘壩、葦蕩等的調(diào)蓄作用。

3）水利工程模型。本次研究主要通過水利工程及輸水河道，將長(zhǎng)江水輸送到濱江城市地區(qū)，改善當(dāng)?shù)氐乃h(huán)境狀況。水閘、泵站等水利工程是水環(huán)境調(diào)度中最重要的控制工具，可通過水力學(xué)方法模擬水閘、泵站等的水流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于不同的聯(lián)系要素采用相應(yīng)的水力學(xué)公式，采用局部線性化離散出流量與上下游水位的線性關(guān)系或非線性迭代方法求解。

4）工程調(diào)度模型?；诮幩乃畡?dòng)力及水利工程模型，可通過水利工程運(yùn)行規(guī)則控制各閘、泵等水利工程的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)江陰市白屈港智慧調(diào)水。觸發(fā)控制條件后，可以對(duì)閘門實(shí)行 2 種控制模式，即閘泵分項(xiàng)控制和聯(lián)控模式。分項(xiàng)控制模式下，閘門是按照計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)逐步開啟或關(guān)閉；閘泵聯(lián)控模式下，閘門的啟閉是一次性直接開啟或關(guān)閉。

閘泵聯(lián)控模式可以對(duì)閘門實(shí)現(xiàn)開啟度、流向、流量及分孔控制；分項(xiàng)控制模式除可以實(shí)現(xiàn)流向、流量及分孔控制，還可以實(shí)現(xiàn)閘門的增量開啟或關(guān)閉。

1.2 水環(huán)境模型

水環(huán)境模擬可以模擬研究區(qū)域水質(zhì)在閘泵調(diào)度過程中動(dòng)態(tài)變化，水體水質(zhì)受到污染負(fù)荷、污染物運(yùn)移輸運(yùn)轉(zhuǎn)化及來水共同作用情況。水環(huán)境模型由以下 3 種模型組合而成：

1）污染負(fù)荷模型。污染負(fù)荷模型從結(jié)構(gòu)上分為產(chǎn)生和處理模塊 2 個(gè)部分。產(chǎn)生模塊用于計(jì)算各種污染源的產(chǎn)生量，處理模塊用于計(jì)算污染物經(jīng)過各個(gè)處理單元后的污染負(fù)荷入河量。

2）河網(wǎng)水質(zhì)模型。河網(wǎng)模型系統(tǒng)中的水質(zhì)模型分別是調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)和河網(wǎng)水質(zhì)模型。調(diào)蓄節(jié)點(diǎn)水質(zhì)模型主要模擬流域內(nèi)除太湖以外的湖泊水質(zhì)變化規(guī)律，河網(wǎng)水質(zhì)模型用于研究太湖平原河網(wǎng)污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。水質(zhì)模型與水量模型耦合聯(lián)算，采用控制體積法進(jìn)行數(shù)值離散。

3）來水組成模型。來水組成模型是以水質(zhì)模擬計(jì)算為基礎(chǔ)的，在模型方程中只考慮了對(duì)流項(xiàng)，沒有考慮源項(xiàng)，計(jì)算結(jié)果不同于水質(zhì)模擬，來水組成計(jì)算有理論解，考慮了所有水源，對(duì)任何一個(gè)河段或斷面，各種來水組成比例總和等于 100%。

2 水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)

對(duì)于濱江地區(qū)進(jìn)行智慧調(diào)水研究，區(qū)域內(nèi)水質(zhì)變化與引調(diào)水息息相關(guān)，需依據(jù)濱江地區(qū)水文水動(dòng)力條件，構(gòu)建依托于水循環(huán)水環(huán)境模擬模型，結(jié)合閘泵聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，構(gòu)建濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)，以模擬區(qū)域水量水質(zhì)變化，可為濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境調(diào)控給予一定的技術(shù)支持。

本系統(tǒng)采用的模型為一套完整的水循環(huán)、水環(huán)境模擬系統(tǒng)，基于自主研發(fā)的 GIS 平臺(tái)，完成了模型前后處理功能研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了水文、水動(dòng)力及水質(zhì)模型的耦合，同時(shí)將其平臺(tái)化，集構(gòu)模、連庫(kù)、計(jì)算、調(diào)試、展示等為一體。該系統(tǒng)所采用的工情、水文、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過江陰市水利局和環(huán)保局的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)交互共享得到。本系統(tǒng)首頁(yè)如圖 1 所示。

圖1 江陰市水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)首頁(yè)

2.1 模型計(jì)算與分析

選擇好模擬開始時(shí)間、預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)間和預(yù)報(bào)時(shí)段數(shù)值，勾選需要保障水質(zhì)的站點(diǎn)，如需進(jìn)行預(yù)報(bào)參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊預(yù)報(bào)參數(shù)設(shè)置按鈕，對(duì)降雨和工程調(diào)度進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，設(shè)置完成之后點(diǎn)擊“確定”按鈕，然后點(diǎn)擊“預(yù)報(bào)模型計(jì)算”按鈕，計(jì)算完成之后模型將返回相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)果包括水質(zhì)參數(shù)曲線圖、水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)表、調(diào)度結(jié)果概化圖及水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。

水質(zhì)參數(shù)為 CODMn，NH3N，TP 和 TN。調(diào)度結(jié)果概化圖展示了每個(gè)站點(diǎn)的調(diào)度開度H及整個(gè)調(diào)度方案期間該站點(diǎn)的總流量 ∑Q，如圖 2 所示。

圖2 調(diào)度結(jié)果概化圖

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要分成實(shí)時(shí)水質(zhì)、水情、雨情和工情 4 種類型數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)模塊主要是對(duì)水質(zhì)、水位、雨量、閘門開度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢展示。

2.3 報(bào)表管理

報(bào)表管理功能主要對(duì)白屈港和新夏 2 個(gè)站點(diǎn)的抽水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要包括流量日、月及年報(bào)表，例如流量日?qǐng)?bào)表主要是對(duì)每小時(shí)的抽水量的統(tǒng)計(jì)，最大值、最大值發(fā)生時(shí)間、最小值、最小值發(fā)生時(shí)間及平均值。

2.4 三維調(diào)水演示

利用傾斜攝影和基于 Skyline 平臺(tái)的三維技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了白屈港水利樞紐和調(diào)水沿線重點(diǎn)閘站的三維建模和調(diào)水演示，同時(shí)連接后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可直接在三維平臺(tái)上展示相關(guān)數(shù)據(jù)。主要分為以下 4 個(gè)部分：

1）三維展示。白屈港水利樞紐系統(tǒng)提供了按照既定路徑，展示白屈港水利樞紐的三維模型功能，如圖 3，4 展示的白屈港抽水站和周莊套閘模型。瀏覽過程中，可暫停對(duì)單個(gè)閘站模型利用鼠標(biāo)進(jìn)行的移動(dòng)、縮放和旋轉(zhuǎn)等操作以實(shí)現(xiàn)模型詳細(xì)瀏覽。

圖3 白屈港抽水站模型

圖4 周莊套閘模型

2）默認(rèn)調(diào)水方案演示。包括完整調(diào)水方案和單個(gè)方向調(diào)水演示，其中單個(gè)方向調(diào)水演示包括了東線、西線、南線和東南線。演示采用動(dòng)態(tài)箭頭的方式，動(dòng)態(tài)模擬了水的流向。

3）實(shí)時(shí)水質(zhì)查詢。系統(tǒng)可查詢到當(dāng)前江陰地區(qū)的實(shí)時(shí)水質(zhì)，如圖 5 所示，并根據(jù)水質(zhì)情況，按照統(tǒng)一的顏色在三維底圖上展示監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)類別。

圖5 實(shí)時(shí)水質(zhì)查詢

4）推薦調(diào)水方案演示。包括詳細(xì)的調(diào)水方案信息和三維底圖的顯示，其中灰色表示相應(yīng)的閘站關(guān)閉，綠色表示相應(yīng)的閘站開啟，閘站的標(biāo)簽則顯示了閘門開啟高度和過水流量，閘門開啟的水閘用綠色為底色以示區(qū)別，推薦調(diào)水方案演示如圖 6 所示。

圖6 白屈港水利樞紐推薦調(diào)水方案演示

3 水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)應(yīng)用

運(yùn)用實(shí)時(shí)水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋校正，可快速高效生成最佳的閘泵調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)泵閘優(yōu)化調(diào)度，以保障研究區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)水量穩(wěn)定。

進(jìn)入水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)，工程調(diào)度模型將根據(jù)設(shè)置好的預(yù)報(bào)參數(shù)自動(dòng)推薦最優(yōu)聯(lián)合調(diào)度方案，通過推薦的調(diào)度方案模擬調(diào)度期間水質(zhì)水量變化趨勢(shì)，如最終預(yù)報(bào)調(diào)度結(jié)果滿足需求，則依據(jù)此調(diào)度方案指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度。若不滿足實(shí)際情況，進(jìn)行人工修改調(diào)整方案并再次進(jìn)行模擬調(diào)度直到預(yù)報(bào)調(diào)度結(jié)果滿足實(shí)際調(diào)水需求。實(shí)際調(diào)度完成后對(duì)當(dāng)前調(diào)度方案結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，若實(shí)際調(diào)度結(jié)果與調(diào)度方案預(yù)報(bào)結(jié)果相符，則依據(jù)此方案指導(dǎo)日常調(diào)度，若偏差較大，則需進(jìn)行模型校準(zhǔn)。具體調(diào)度流程如圖 7 所示。

圖7 水利工程調(diào)度流程圖

3.1 水環(huán)境調(diào)控調(diào)度模擬

選取晃山橋、湖莊橋、鳳凰 3 個(gè)水質(zhì)站作為調(diào)水對(duì)象?；诠こ陶{(diào)度模型，組合各水利工程不同的運(yùn)行方式，形成多種調(diào)水方案，模擬和分析不同調(diào)水方案下各水利工程對(duì)晃山橋、湖莊橋、鳳凰 3 個(gè)站水環(huán)境狀況的影響；篩選和推薦分別滿足 3 個(gè)站、2 個(gè)站、單站水質(zhì)達(dá)標(biāo)要求的 7 種較優(yōu)調(diào)水方案；將上述 7 種方案通過調(diào)度預(yù)案的方式設(shè)入模型，實(shí)現(xiàn) 7 種調(diào)水方案的智能決策。選擇湖莊橋、鳳凰、晃山橋水環(huán)境改善調(diào)水方案進(jìn)行展示。

3.1.1 調(diào)水方案

水環(huán)境改善擬推薦方案為白屈港抽水站引水流量為 80 m3/s，白屈港西側(cè)各閘（東橫河西、應(yīng)天、斜涇、馮涇、青祝等河閘）全部關(guān)閉，白屈港東側(cè)周莊、文林、璜塘、祝塘等套閘適當(dāng)開啟，使長(zhǎng)江來水分別主要通過璜塘閘、周莊套閘（或祝塘套閘）、文林套閘，沿白屈港、張家港、富貝河段、東清等河段完成湖莊橋，晃山橋及鳳凰 3 個(gè)站水環(huán)境循環(huán)改善。本方案調(diào)水路線具體如圖 8 所示，白屈港調(diào)水工程運(yùn)行情況如表 1 所示。

表1 閘泵運(yùn)行情況

圖8 調(diào)水循環(huán)路線

3.1.2 方案結(jié)果

基于 3.1.1 的調(diào)水方案，依據(jù) 2020年歷史水文水環(huán)境資料，模擬和計(jì)算 2020年平水期 1月湖莊橋、晃山橋、鳳凰 3 個(gè)站的水質(zhì)情況。通過調(diào)水方案，湖莊橋、晃山橋、鳳凰 3 個(gè)站的水環(huán)境狀況基本可達(dá) Ⅲ 類水標(biāo)準(zhǔn)。具體結(jié)果如圖 9～11 所示。圖中計(jì)算的后期部分，是指預(yù)報(bào)的結(jié)果。

圖9 湖莊橋站水質(zhì)模擬

3.2 水環(huán)境調(diào)控調(diào)度模擬評(píng)價(jià)

模擬參數(shù)設(shè)置分為預(yù)報(bào)降雨和工程調(diào)度設(shè)置。預(yù)報(bào)降雨設(shè)置可設(shè)置每個(gè)降雨分區(qū)降雨量數(shù)值；工程調(diào)度設(shè)置可設(shè)置樞紐工程的調(diào)度模式，支持水位、流量和開啟度控制 3 種不同的方式。

圖10 晃山橋站水質(zhì)模擬

圖11 鳳凰站水質(zhì)模擬

依據(jù)調(diào)度方案中的工程調(diào)度規(guī)則模擬水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面在調(diào)度期間 CODMn，NH3-N，TP，TN 參數(shù)的變化趨勢(shì)，由圖 9～11 可知，調(diào)度期結(jié)束，站點(diǎn)的水質(zhì)滿足 Ⅲ 類水的考核標(biāo)準(zhǔn)，此調(diào)度方案可以指導(dǎo)實(shí)際工程調(diào)度。

依據(jù)模型推薦的閘泵聯(lián)合調(diào)度規(guī)則指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度，待調(diào)度結(jié)束后，通過比較實(shí)際調(diào)度結(jié)果與模擬調(diào)度結(jié)果的水質(zhì)水量的變化趨勢(shì)是否一致，如果一致證明此調(diào)度方案可行，如果不一致則進(jìn)行相應(yīng)的模型修正，經(jīng)過不斷的模擬調(diào)度與實(shí)際調(diào)度相比對(duì)從而優(yōu)化閘泵聯(lián)合調(diào)度方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究利用江陰市內(nèi)外河道地形、湖泊地形、水文站網(wǎng)、流域下墊面等資料，構(gòu)建江陰市水循環(huán)水環(huán)境調(diào)度模型；基于該模型，結(jié)合白屈港水利工程運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)、構(gòu)建各類水利工程聯(lián)合調(diào)度方案。模擬和分析各類調(diào)度方案下晃山橋、湖莊橋、鳳凰 3 個(gè)站的水質(zhì)濃度與水量情況，根據(jù)模型推薦的調(diào)度方案指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度，并通過實(shí)際調(diào)度結(jié)果不斷優(yōu)化完善閘泵聯(lián)合調(diào)度方案。經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)際調(diào)度，優(yōu)化后的閘泵聯(lián)合調(diào)度方案能夠滿足白屈港工程調(diào)水提升的整體要求，依據(jù)推薦的調(diào)度方案能夠常年保證晃山橋、湖莊橋、鳳凰 3 個(gè)站的水質(zhì)達(dá)到 Ⅲ 類水的考核標(biāo)準(zhǔn)，并有效地改善了無(wú)錫市區(qū)、錫山區(qū)、惠山區(qū)及江陰市東部地區(qū)的水環(huán)境。

因此，本研究構(gòu)建的濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境調(diào)控仿真模擬系統(tǒng)可為濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)水環(huán)境調(diào)控給予一定的技術(shù)支持，較為系統(tǒng)地將水循環(huán)、水環(huán)境數(shù)值模型與水利工程調(diào)度相結(jié)合，根據(jù)輸入的邊界條件即時(shí)生成最優(yōu)調(diào)度方案，且可實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)水量及各水利工程運(yùn)行情況，生動(dòng)直觀，對(duì)濱江復(fù)雜河網(wǎng)地區(qū)的智慧調(diào)水研究進(jìn)行了補(bǔ)足。鑒于研究區(qū)域較小，建議結(jié)合數(shù)字孿生流域建設(shè)，在本研究成果基礎(chǔ)上擴(kuò)大研究范圍，開展武澄錫虞區(qū)數(shù)字孿生應(yīng)用研究，滿足該區(qū)域水旱災(zāi)害防御、水環(huán)境調(diào)度，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演和預(yù)案的“四預(yù)”功能要求。