羅 義，趙丙昊，蘇 夢(mèng)，趙世高，馬 愷，宋星嫻

(河北建筑工程學(xué)院(市政與環(huán)境工程系)，河北 張家口 075000)

引 言

伴隨著人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)于水的供給和需求之間的差距越來(lái)越大[1]。近年來(lái)，水污染的惡化使這一差距變得更加嚴(yán)重，常規(guī)分配模式主要以水量為關(guān)鍵因素，不再滿足水的分配需求。水資源可持續(xù)發(fā)展和合理利用水資源需要考慮水量和水質(zhì)之間的關(guān)系。由于流域經(jīng)常覆蓋大面積區(qū)域，水資源管理活動(dòng)，用水和環(huán)境之間存在復(fù)雜的相互作用，因此需要模擬構(gòu)建出良好的水生態(tài)模型[2-3]。

文獻(xiàn)[4]開發(fā)了一種水管理模型，利于水資源管理的流量模擬模塊，它提供河道水流和其他水體中的流量，這些流量是由于在使用和環(huán)境要求之間分配了水而產(chǎn)生的，這是考慮到水權(quán)和優(yōu)先權(quán)的運(yùn)營(yíng)規(guī)則以及身體上的限制[4]。文獻(xiàn)[5]GESCAL開發(fā)了水質(zhì)模型，可以模擬水體中所有水體的水質(zhì)和流域，并且能夠評(píng)估不同的替代方案，以改善河道水流關(guān)鍵點(diǎn)的水質(zhì)[5]。以上兩種方法雖然在一定程度上取得良好的效果，但只在水質(zhì)和水資源分配問題上進(jìn)行探討，沒有研究污染物和需求量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本文針對(duì)浙江省椒江流域現(xiàn)狀進(jìn)行實(shí)例研究。椒江是浙江省第三大河，其經(jīng)緯度為北緯28.7°、121.4°，位于臺(tái)州市臺(tái)州灣附近。椒江北為牛頭頸山南為海門山，流域面積約6 570km2，椒江干流長(zhǎng)約208km。椒江流域水資源特點(diǎn)是：(1)降雨徑流年際和年際變化顯著，空間分布不均，西部山區(qū)多，東部平原地區(qū)少，與人口、耕地、經(jīng)濟(jì)分布不一致；(2)山區(qū)河流天然水質(zhì)總體較好，平原地區(qū)河流受到不同程度的污染，導(dǎo)致用水價(jià)值下降，水資源短缺加劇。平原地區(qū)的供水主要依靠大型水庫(kù)長(zhǎng)灘水庫(kù)，近年來(lái)，長(zhǎng)灘水庫(kù)的供水已不能滿足平原地區(qū)日益增長(zhǎng)的用水需求，因此本研究利用水量水質(zhì)水生態(tài)的水池模型對(duì)竹溪水庫(kù)工程實(shí)施前后不同用戶的缺水量進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)不同用戶之間的水資源分配進(jìn)行調(diào)整。椒江流域地形圖示意圖如圖1所示。

1.2 方法

本研究針對(duì)浙江省椒江流域現(xiàn)狀構(gòu)建了新型水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型，該模型的示意圖如圖2所示。

圖2 水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型示意圖

如圖2所示，為了模擬椒江流域內(nèi)水量和水質(zhì)的變化，該模型中將椒江流域分為河道水流以外的區(qū)域和河道水流本身兩部分，河道水流以外的區(qū)域被分成一系列的水池，在每個(gè)水池中，該模型分別模擬了徑流產(chǎn)生和污染物產(chǎn)生的過程，還考慮了家庭和工業(yè)用途以及農(nóng)田灌溉所需的水庫(kù)運(yùn)行、水量和水質(zhì)，在每個(gè)水池和河道水流之間，也考慮到水量和水質(zhì)的交換[6]。在旱田中，農(nóng)作物主要是雨養(yǎng)作物通過降雨或灌溉將水供應(yīng)到土壤表面。然后，水從地表徑流，滲透或者滲濾和蒸散的形式流出而不會(huì)被淹沒。每個(gè)水池的不透水區(qū)域可稱為防滲區(qū)，這些地區(qū)產(chǎn)生的降雨徑流是用水質(zhì)水量水生態(tài)模型計(jì)算的，在水平衡計(jì)算中，這部分徑流被認(rèn)為直接排放到附近的河道水流中[7-8]。

在水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型中，稻田中的水主要積聚在土壤表面，稻田中的水平衡方程為：

M=(W+G1+P1)-(ET+G2+P2)

(1)

式(1)中，W表示自然降雨量(cm)，ET表示蒸散量(cm)，P1表示地表水流入量(cm)，P2表示地表水流出量(cm)，G1表示地下水的流入量(cm)，G2表示地下水的流出量(cm)，M表示存儲(chǔ)水量的變化值(cm)。池水深度布線法用于確定土壤表面的日池深度[9]，稻田積水深度可通過以下公式確定：

Hd=(Hd-1+Wd+IWd)-(Fd+ETd+Pd)

(2)

式(2)中，下標(biāo)d表示日期，H表示蓄水池的深度(cm)，IW表示灌溉量(cm)，F(xiàn)表示入滲量(cm)，P表示地表排水量(cm)。稻田地表排水受稻田出水高度的控制，其用公式定義為：

(3)

式(3)中，Oh表示排水溝高度(cm)。排出排水溝上方的池塘水。排水溝高度是保持稻田最佳水塘養(yǎng)殖深度的重要管理參數(shù)[10]。當(dāng)上層飽和時(shí)，土壤水將滲透到下層。在稻田中，表層土壤被水覆蓋，即使更深層的土壤水分也被認(rèn)為是飽和的。因此，土壤水分是由達(dá)西定律在灌溉農(nóng)田的模型中決定的。天然水域的水源是流域的降雨和流入，而損失主要是蒸發(fā)[11]。

1.2.1 水池的污染負(fù)荷和需水量計(jì)算

為了解決水資源充分利用的問題，本研究對(duì)水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型的水池中污染負(fù)荷和需水量進(jìn)行計(jì)算，并通過GA遺傳算法進(jìn)行水平衡調(diào)度，下面將分別闡述過程。

在整個(gè)水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型中，每個(gè)水池中的污染物產(chǎn)生主要包括家庭活動(dòng)、工業(yè)活動(dòng)和農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物。工業(yè)活動(dòng)和家庭來(lái)源產(chǎn)生的污染物負(fù)荷取決于相關(guān)的用水需求[12]，例如工業(yè)污染物負(fù)荷W等于工業(yè)中污染物產(chǎn)生系數(shù)與工業(yè)用水需求Q的乘積。

W1=λQ

(4)

式(4)中，λ表示工業(yè)中的污染物生產(chǎn)系數(shù)。在農(nóng)業(yè)中，污染物是通過降雨徑流和灌溉回流輸送到河道水流和湖泊中。農(nóng)業(yè)造成的污染物負(fù)荷估計(jì)為：

W2=kbQ

(5)

式(5)中，W2表示污染物負(fù)荷，k表示肥料中的污染物百分比，b表示農(nóng)田的耕地所占面積，Q表示調(diào)整每單位面積的肥料數(shù)量。在農(nóng)田中，污染物運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化過程包括上層水和互流過程以及土壤顆粒表面的過程。在水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型的上層水中，稻田中上層水中污染物的質(zhì)量保護(hù)包括降雨的濕沉降，施肥，土壤與上層水之間的吸附和吸附，污染物的降解以及稻田中的地表排水[13]。污染物的平衡方程為：

(6)

式(6)中，V表示污染物的控制量，C表示污染物的濃度，X1和X2分別表示施肥和降雨對(duì)污染物排出的貢獻(xiàn)值，Kc表示污染物的降解系數(shù)，D表示土壤顆粒對(duì)污染物的吸附程度。在整條流域中，污染物的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程主要為上層水與流之間的污染物遷移，使用經(jīng)驗(yàn)方程式能夠評(píng)估作物造成的污染物積累。

在整個(gè)水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型中，每個(gè)水池的需水量主要包括農(nóng)業(yè)和工業(yè)和生活用水。而在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)田灌溉的需水是總體供水的重要組成部分，尤其是在作物生長(zhǎng)季節(jié)。灌溉計(jì)劃因作物類型而異[14]。稻田和雨水作物的灌溉時(shí)間表是由農(nóng)田的生長(zhǎng)和水的平衡來(lái)決定的，該灌溉時(shí)間表的目的是確定施于田間的確切水量和確切的施藥時(shí)間。

(1)雨養(yǎng)作物

雨養(yǎng)作物包括油菜，玉米，冬小麥等。雨養(yǎng)作物的灌溉計(jì)劃是通過水平衡法，通過分析根區(qū)的蓄水量來(lái)確定的。為了保證雨養(yǎng)作物的生長(zhǎng)，必須將根區(qū)的貯水量保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)[15]。在雨養(yǎng)作物的生長(zhǎng)期T中，根區(qū)的貯水量可描述如下：

(7)

式(7)中，t表示雨養(yǎng)作物的生長(zhǎng)期，M表示在t時(shí)段內(nèi)土壤儲(chǔ)水量的變化值(mm)，P0表示在t時(shí)段內(nèi)保持在根區(qū)的有效降雨量(mm/s)，k表示在t時(shí)段內(nèi)的地下水補(bǔ)給量(mm/s)，G表示在t時(shí)段內(nèi)的灌溉水量(mm/s)。在計(jì)算過程中，通常將生長(zhǎng)期t劃分為幾個(gè)小時(shí)，時(shí)間段長(zhǎng)為24h(t=24×3,600s)，與流域中的水文模擬相一致。

(2)稻田

稻田中水量的變化可以寫為以下等式：

(8)

式(8)中，L表示在t時(shí)段內(nèi)稻田中的水深(mm)，J表示在t時(shí)段內(nèi)降雨強(qiáng)度(mm/s)，M表示在t時(shí)段內(nèi)灌溉強(qiáng)度(mm/s)，E表示在t時(shí)段內(nèi)用水率(mm/s)q表示在t時(shí)段內(nèi)排水率(mm/s)，RS表示在t時(shí)段內(nèi)降雨徑流(mm)。在洪水季節(jié)發(fā)生時(shí)段，對(duì)于半潮濕和半干旱地區(qū)來(lái)說(shuō)，降雨徑流遠(yuǎn)小于其他外部因素對(duì)稻田中的水深影響[16]。

整個(gè)稻谷的生長(zhǎng)季節(jié)分為幾個(gè)時(shí)期，在每個(gè)生長(zhǎng)期，都有兩個(gè)控制深度：適合作物生長(zhǎng)的最大水深和最小水深Lmax和Lmin，水深取決于灌溉計(jì)劃和經(jīng)驗(yàn)?？紤]最大允許水深Hp，需要分析稻田水供需平衡。關(guān)于水稻生長(zhǎng)期間稻田水位的變化如圖3所示。

圖3 水稻生長(zhǎng)期間稻田水位變化

如圖3所示，分析稻田水供需平衡的第一步就要確定好初始水位A點(diǎn)，經(jīng)過短時(shí)間的耗水量(蒸發(fā)，蒸騰作用，滲透作用)，水位將降至B點(diǎn)。如果沒有降雨，則開始灌溉，并確定灌溉蓄水量W1，其表達(dá)式如下所示：

W1=Lmax-Lmin

(9)

式(9)中，Lmax表示在t時(shí)段內(nèi)稻田中的最大水深(mm)，Lmin表示在t時(shí)段內(nèi)稻田中的最小水深(mm)。當(dāng)持續(xù)灌溉直到水位以最大水深增加到C點(diǎn)，然后在短暫的消耗后，水位下降到C點(diǎn)，然后在降雨量P1時(shí)達(dá)到G點(diǎn)，然后在a之后水位下降到D點(diǎn)。如果C點(diǎn)的降水量是P2而不是P1，則水位將達(dá)到H點(diǎn)，超過最大允許水深Hp。在這一點(diǎn)上，必須排干水直到水位達(dá)到E點(diǎn)，并且排水深度為J。僅在水深小于Lmin時(shí)才開始灌溉。灌溉或排水的時(shí)間取決于水深，這樣能夠確保水深始終在最小水深和最大允許水深之間。

1.2.2 水資源分配的優(yōu)化調(diào)度

在實(shí)際應(yīng)用中，水資源如何合理配置是一個(gè)重要問題，在構(gòu)建水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型后也應(yīng)需要考慮在內(nèi)。在本研究水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型中，水資源分配主要是由河道內(nèi)生態(tài)供水，分配給河道水流生態(tài)系統(tǒng)的水允許計(jì)算河道水流的調(diào)節(jié)水流[17-18]。在了解水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型的水資源分配原理后，本研究在椒江流域上設(shè)立5個(gè)河池，根據(jù)遺傳算法(GA)求解基于5個(gè)河池水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型的水資源分配優(yōu)化。采用這種方法僅僅是為了對(duì)比研究的需要，更能夠清楚地表達(dá)本研究的主旨。關(guān)于目標(biāo)函數(shù)和主要約束條件如下：

1.2.2.1 目標(biāo)函數(shù)

在水資源分配的優(yōu)化調(diào)度過程中，為了協(xié)調(diào)環(huán)境(X1)、水質(zhì)(X2)和水量(X3)三個(gè)因素之間的可持續(xù)發(fā)展，保持水平衡，目標(biāo)函數(shù)設(shè)為最小總?cè)彼?，其定義式為：

(10)

式(10)中，w表示總?cè)彼?，j代表環(huán)境、水質(zhì)和水量三個(gè)不同影響因素，T表示總時(shí)間集，Q表示在t1時(shí)刻通過地下水和污水回流后水池模型得到的供水量，S表示在t2時(shí)間的總供水量。θ表示水分虧別判別系數(shù)，△T表示水資源分配過程Q-S的時(shí)間間隔，△T=t1-t2。若Q-S小于0，則θ=0，若Q-S大于等于0，則θ=1[19]。其中關(guān)于Q是通過每個(gè)影響因素之間的差進(jìn)行計(jì)算的，其方程式為：

Q(X1,t)=[γ(t)(Q1-Q2)]

(11)

式(11)中，γ表示環(huán)境因子判別系數(shù)，Q1-Q2表示不同影響因素下水池模型得到供水量之間的差值。在椒江流域中，水質(zhì)的調(diào)節(jié)需水量與河水流量往往成反比，更大的河道水流流量意味著需要更少的水來(lái)改善水質(zhì)[20]?；谒|(zhì)目標(biāo)通過質(zhì)量平衡法計(jì)算了水質(zhì)改善需求為：

Q(X2,t)=max(v(Q3-Q4))

(12)

(13)

其中，f表示5個(gè)河池，Q3表示在t時(shí)刻改善每個(gè)水功能區(qū)水質(zhì)的需水量，Q4表示從每個(gè)水池匯總獲得的入流“調(diào)節(jié)水流”，v表示水質(zhì)的調(diào)節(jié)判別系數(shù)，C(f)表示每個(gè)水功能區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)，CS和QS分別是每個(gè)水功能區(qū)的污水和污水量中的污染物測(cè)量指標(biāo)濃度。改善每個(gè)水池水質(zhì)的需水量需要由Q5和Q6兩個(gè)指標(biāo)計(jì)算得出，其公式為：

(14)

式(14)中，Q(3,t)表示在t時(shí)刻每個(gè)水功能區(qū)的缺水量，Q5表示每個(gè)河池的需水量，Q6表示每個(gè)河池的供水量，β表示水量因子判別系數(shù)。

1.2.2.2 主要約束條件

關(guān)于優(yōu)化調(diào)度的主要約束條件如下：

(1)水庫(kù)水平衡約束

Vt=Vt-1+QRu×ΔT-LW-sum

(15)

式(15)中，Vt和Vt-1分別表示在t時(shí)刻和t-1時(shí)刻的水庫(kù)的的容量，QRu表示水庫(kù)流入量，T代表時(shí)間，LW表示水庫(kù)供水量，sum表示水的流失量。

(2)水庫(kù)蓄水能力約束

Vmin≤V≤Vmax

(16)

式(16)中，Vmin表示在非汛期低于正常蓄水水位且在汛期低于防洪水位的最小蓄水量，V表示水庫(kù)的實(shí)時(shí)蓄水容量，Vmax表示在非汛期低于正常蓄水水位且在汛期低于防洪水位的最大蓄水量。

(3)供水平衡約束

TS(j,t)=TR(j,t)

(17)

式(17)中，TS表示在t時(shí)刻回流的污水和調(diào)度河池的總供水量，TR表示每個(gè)河池收到的總水量。

(4)缺水平衡約束

U(j,t)=G(j,t)+Q(j,t)

(18)

式(18)中，U、G和Q分別表示t時(shí)刻每種影響因素的需水量，接收水量和缺水量。

(5)水電廠發(fā)電量約束

Nmin≤N≤Nmax

(19)

式(19)中，Nmin表示水電站的最小水力發(fā)電量，N表示水電站的實(shí)時(shí)水力發(fā)電量；Nmax表示水電站的最大水力發(fā)電量。綜上所述，通過遺傳算法計(jì)算環(huán)境(γ)、水質(zhì)(v)和水量(β)三個(gè)不同影響因子，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)基于5個(gè)河池水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型的水平衡。

2 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證水量水質(zhì)水生態(tài)的水池模型的適用性和可靠性，本研究將該模型應(yīng)用于浙江省椒江流域來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，下面講具體描述。關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，本研究利用蒂森多邊形法，根據(jù)椒江流域江流的6個(gè)雨天日和3個(gè)干旱日的數(shù)據(jù)獲取5個(gè)水池的日降水量和蒸發(fā)量，指定的雨季是從七月到十月；正常季節(jié)包括四月，五月，六月和十一月；旱季是指一月，二月，三月和十二月。模型要求5個(gè)水池的需水量作為輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出化學(xué)需要量(COD)和氨氮含量(NH3-N)的參數(shù)gf和k，COD和氨氮含量的主要參數(shù)如下表所示。

表 五個(gè)水池的水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型系數(shù)

考慮到河道水流的水污染，椒江流域的供水分為兩類：較清潔的供水，是指家庭和重要工業(yè)從水庫(kù)通過管道的供水，而普通的供水是指供水。通過河道水流和水庫(kù)為普通工業(yè)和農(nóng)業(yè)供水，根據(jù)河道水流的水量和水質(zhì)來(lái)供應(yīng)來(lái)自河道水流的普通水。根據(jù)水庫(kù)的儲(chǔ)水和運(yùn)行規(guī)律，有兩個(gè)主要參數(shù)影響著水量水質(zhì)，分別是水質(zhì)系數(shù)δ和水量系數(shù)α，水質(zhì)系數(shù)越高δ或水量系數(shù)α越低，水生態(tài)模型優(yōu)化程度越好[21]，因此，通過計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了水量水質(zhì)實(shí)驗(yàn)分析。

本次實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用的機(jī)臺(tái)選用CentOS6.8(x64)操作系統(tǒng)，Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2640 v2、2.00GHz主頻、千兆網(wǎng)卡、8核16G內(nèi)存、1T GB硬盤的硬件環(huán)境。軟件方面采用MATLAB進(jìn)行仿真。選擇文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]的水生態(tài)模型作為對(duì)比，通過本研究提出的模型，分別迭代計(jì)算0～1 000次，得出三種模型不同水質(zhì)系數(shù)δ和水量系數(shù)α的柱狀圖如圖4、圖5所示。

圖4 三種模型水質(zhì)系數(shù)δ對(duì)比

圖5 三種模型水量系數(shù)α對(duì)比

從圖4中可以明顯看出，在多次迭代計(jì)算后本研究的模型得出的水量系數(shù)α均低于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]，水質(zhì)系數(shù)δ均高于文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]，這是因?yàn)楸狙芯吭诜峙淞说叵滤臀鬯?，根?jù)遺傳算法求解的水資源分配優(yōu)化來(lái)利用局部地表水和雨水，對(duì)于水資源的需求量較少，家庭生活用水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水的都得到了優(yōu)化。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)浙江省椒江流域地區(qū)水資源分配現(xiàn)狀進(jìn)行研究，其主要貢獻(xiàn)如下：

3.1 構(gòu)建了一種新型水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型，可以動(dòng)態(tài)模擬流域的水文過程和向用戶提供的水質(zhì)。在同一步驟(24小時(shí))內(nèi)計(jì)算需水量，供水量，污染物產(chǎn)生量和水量平衡，然后計(jì)算每個(gè)罐中不同用途的缺水量。

3.2 在椒江流域上設(shè)立5個(gè)河池，合理利用局部地表水和雨水對(duì)椒江流域地區(qū)進(jìn)行水資源分配優(yōu)化，并采用遺傳算法對(duì)水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型參數(shù)進(jìn)行求解。

3.3 對(duì)水量水質(zhì)水生態(tài)多目標(biāo)耦合模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明本研究模型有效降低了水資源的需求量，提高了水資源質(zhì)量，驗(yàn)證了本研究水生態(tài)模型的適用性。

然而，污水的排放是水質(zhì)惡化的根本原因，要徹底改善水質(zhì)，需要加強(qiáng)污染源的管理。針對(duì)這一現(xiàn)況未來(lái)會(huì)建立水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)椒江流域地區(qū)的污水輸移規(guī)律有待進(jìn)一步探究。