摘要：珠江三角洲河網(wǎng)水系復(fù)雜，聯(lián)圍眾多，其中以中順大圍水系結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、閘泵群聯(lián)合調(diào)度難度最大。為充分挖掘水工程聯(lián)合調(diào)度對(duì)水量水質(zhì)的調(diào)控潛力，以中順大圍作為研究對(duì)象，構(gòu)建中順大圍一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，實(shí)現(xiàn)各閘泵調(diào)度方案下的圍內(nèi)水量水質(zhì)過(guò)程模擬；在此基礎(chǔ)上，建立閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)在不同引換水條件下閘泵群調(diào)度方案的最優(yōu)決策；最后基于水量水質(zhì)模擬及調(diào)度模型研發(fā)了中順大圍河網(wǎng)水量水質(zhì)調(diào)度模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中順大圍水動(dòng)力特性模擬、污染物濃度及水質(zhì)變化動(dòng)態(tài)模擬、水污染應(yīng)急調(diào)度及過(guò)程可視化，形成了中順大圍水系連通下基于閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的水量-水質(zhì)模擬調(diào)控技術(shù)體系?；谠撓到y(tǒng)對(duì)2個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果表明：在進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的情況下，調(diào)度時(shí)段末圍內(nèi) COD和 NH3-N 的加權(quán)濃度分別相比不進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的情況改善了10.26%和27.27%，調(diào)度效果顯著，可為中順大圍水量水質(zhì)調(diào)度決策提供可靠的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜河網(wǎng)；閘泵群調(diào)度；水動(dòng)力-水質(zhì)模擬；模擬系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-9235（2024）06-0001-09

Hydrodynamic and Water Quality Dispatching Simulation System in ZhongshunDawei River Network

LIU Jin1，3， CHEN Yechao2， DING Wu1*， ZHANG Wei1，4， LI Wen1

（1. Pearl River Hydraulic Research Institute， Pearl River Water Resources Commission， Guangzhou 510611， China;2. ZhongshanEmbankment Management Center， Zhongshan 528499， China;3. Key Laboratory of Water Security Guarantee in Guangdong-HongKong-Marco Greater Bay Area of Ministry of Water Resources， Guangzhou 510611， China;4. Key Laboratory of the Pearl RiverEstuary Regulation and Protection of Ministry of Water Resources， Guangzhou 510611， China）

Abstract： The river system in the Pearl River Delta river network is complex with numerous embankments， among which the Zhongshun Dawei river system has the most complex structure and the greatest difficulty in the joint dispatching of sluices and pumps. In order to fully explore the potential of joint dispatching of water projects in controlling water quantity and quality， this paper took Zhongshun Dawei as the research object， constructed a one-dimensional hydrodynamic-water quality coupling model for Zhongshun Dawei， and simulated water quantity and quality processes within the embankment under various dispatching schemes of sluices and pumps. On this basis， a joint optimization dispatching model for sluices and pumps was established to achieve the optimal decision- making of dispatching schemes under different water diversion conditions. Finally， based on the simulation and dispatching models of water quantity and quality， a water quantity and quality dispatching simulation system for the Zhongshun Dawei river network was developed， which realized the simulation of hydrodynamic characteristics of Zhongshun Dawei， the dynamic simulation of pollutant concentration and water quality changes， the emergency dispatching of water pollution， and the visualization of the process. A waterquantity and quality simulation and control technology system based on joint optimization dispatching of sluices and pumps under the connection of the Zhongshun Dawei river system was formed. Based on the system， two typical scenarios were analyzed， and the results show that in the case of optimization dispatching， the weighted concentrations of COD and NH3-N at the end of the dispatching period are improved by 10.26% and 27.27%， respectively， compared with the case without optimization dispatching. These findings demonstrate the significant dispatching effects and provide reliable technical support for water quantity and quality dispatching decision-making in the Zhongshun Dawei region.

Keywords： complex river network; dispatching of sluices and pumps; hydrodynamic-water quality simulation; simulation system

粵港澳大灣區(qū)是國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，近年來(lái)，大灣區(qū)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善［1］，然而部分地區(qū)受河網(wǎng)水流特性的制約，水循環(huán)動(dòng)力不足，導(dǎo)致赤潮暴發(fā)頻率和規(guī)模顯著增大，對(duì)區(qū)域水體環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。許多學(xué)者從非工程措施的角度入手，采用閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的方法控制水體定向、有序流動(dòng)，提高自?xún)裟芰σ越鉀Q水環(huán)境污染問(wèn)題［2-4］。開(kāi)展水量水質(zhì)調(diào)度的首要工作是構(gòu)建水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型進(jìn)行水網(wǎng)數(shù)值模擬計(jì)算，水動(dòng)力、水質(zhì)模型按照計(jì)算要素的空間分布特征，可分為零維、一維、二維和三維模型［5-6］，考慮到實(shí)際的應(yīng)用需求及復(fù)雜的數(shù)據(jù)條件，目前應(yīng)用較為廣泛的是基于圣維南方程組的“節(jié)點(diǎn)-河道”一維水動(dòng)力模型［7］以及基于對(duì)流擴(kuò)散方程的一維水質(zhì)模型［8］；如胡嘉鏜等［9］高廣銀［10］在珠江三角洲河網(wǎng)構(gòu)建了一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，并在局部重點(diǎn)區(qū)域構(gòu)建了三維水質(zhì)模型，整體實(shí)現(xiàn)了珠江三角洲河網(wǎng)水量水質(zhì)的高精度模擬。在水網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，可通過(guò)優(yōu)化閘泵工程的調(diào)度方案實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水活水以改善水生態(tài)環(huán)境的目的［11］，如鄒麗芬等［11］通過(guò)建立水動(dòng)力-水質(zhì)模型，設(shè)計(jì)了多種閘泵調(diào)度方案形成調(diào)度預(yù)案集，涵蓋不同情景下河網(wǎng)水量水質(zhì)調(diào)度方案的推介，并采用水環(huán)境改善指標(biāo)對(duì)各調(diào)度方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，以選取最優(yōu)調(diào)度方案，為該區(qū)域的水環(huán)境整治提供技術(shù)支持［12-13］。在模型的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)成果的直觀展示，多維度支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用，需利用技術(shù)手段對(duì)模型進(jìn)行封裝，并建立相應(yīng)的信息化系統(tǒng)平臺(tái)；目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了水資源決策支持管理系統(tǒng)的研究工作，如孔猛［14］提出了集數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)報(bào)、決策支持和應(yīng)急指揮于一體的水質(zhì)動(dòng)態(tài)應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架，實(shí)現(xiàn)了水環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及突發(fā)性水污染事件的應(yīng)急監(jiān)測(cè)、信息傳輸、分析預(yù)報(bào)和協(xié)調(diào)指揮功能，有效支撐了流域水資源的優(yōu)化配置及水污染事件的科學(xué)調(diào)度，盡管系統(tǒng)平臺(tái)業(yè)務(wù)功能較為完備，但在指揮決策方面仍依賴(lài)于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則調(diào)度，尚未集成高精度的水動(dòng)力水質(zhì)模擬模型及閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。

綜上，目前針對(duì)閘泵群聯(lián)合實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度的研究相對(duì)較少，大都停留在基于調(diào)度預(yù)案庫(kù)的實(shí)時(shí)優(yōu)選層面，同時(shí)，水資源管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)缺乏閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的支撐，導(dǎo)致自動(dòng)化、智能化決策支撐能力不足。為此，以珠江三角洲地區(qū)中順大圍為研究對(duì)象，基于中順大圍一維水動(dòng)力-水質(zhì)模型及優(yōu)化算法構(gòu)建閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)閘泵群聯(lián)控方案的實(shí)時(shí)制定，并基于上述模型研發(fā)集水量水質(zhì)預(yù)報(bào)-工程調(diào)度-水量水質(zhì)過(guò)程模擬及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估-動(dòng)態(tài)展示于一體的中順大圍河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)度模擬系統(tǒng)，為典型河網(wǎng)水系的水量水質(zhì)調(diào)度業(yè)務(wù)平臺(tái)構(gòu)建提供一定的參考價(jià)值。

1中順大圍水量水質(zhì)調(diào)度現(xiàn)狀

中順大圍（圖1）共有水閘180余宗，建成大小機(jī)電排灌站上千宗。沿中順大圍東、西干堤，大小水道的外江入口，以及聯(lián)圍內(nèi)不同河段，都有大小水閘，控制河段的水流出入，調(diào)節(jié)河涌水位，以保障聯(lián)圍防洪排澇和水環(huán)境安全，保證聯(lián)圍內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取用水和排放部分污水。

近年來(lái)，隨著圍內(nèi)鎮(zhèn)區(qū)河涌整治和排澇工程的建設(shè)，改變了以往圍內(nèi)河涌互通互連的格局，除“一橫二縱”骨干河道外，圍內(nèi)有外江水閘的小欖、古鎮(zhèn)、橫欄三鎮(zhèn)已各自建內(nèi)河節(jié)制閘自行封閉獨(dú)立成圍，港口、東升兩鎮(zhèn)也即將封閉和被封閉，調(diào)度格局產(chǎn)生了重大變化。調(diào)度方式也分為了聯(lián)圍層和鎮(zhèn)區(qū)層2個(gè)層次，聯(lián)圍層由中山市堤圍管理中心（中順大圍工程管理處）負(fù)責(zé)直屬東河樞紐、西河、鋪錦水閘三宗大中型水閘的調(diào)度，鎮(zhèn)區(qū)層由各鎮(zhèn)區(qū)自行調(diào)度轄區(qū)水閘及泵站工程。

圍內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá)，人口不斷增長(zhǎng)，現(xiàn)已基本城市化，工業(yè)污水和生活污水排放量較大，由于圍內(nèi)河涌受潮汐影響，水體呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)、自?xún)裟芰Σ?，水環(huán)境容量小，污染物在河網(wǎng)內(nèi)部回蕩，河涌水質(zhì)污染較為嚴(yán)重，尤其是中山市城區(qū)所處的岐江河排水不暢，城區(qū)河段污染較為嚴(yán)重，圍內(nèi)水環(huán)境問(wèn)題突出。由于中順大圍河網(wǎng)閘泵群調(diào)度基本上以各片區(qū)自行調(diào)度為主，圍內(nèi)閘泵工程缺乏整體聯(lián)合調(diào)度，對(duì)水環(huán)境改善效果較差。

2區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)度模擬模型構(gòu)建

選取中順大圍74條干支流河涌1522個(gè)河道斷面、41個(gè)擋潮閘及節(jié)制閘、2個(gè)沿江排澇泵站構(gòu)建研究區(qū)域一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，并以閘泵群?jiǎn)㈤]為決策變量，以河網(wǎng)水體置換周期最短、污染物濃度最低、河涌水質(zhì)達(dá)標(biāo)率最高為目標(biāo)函數(shù)，以河涌水位、閘門(mén)啟閉速度等為約束條件構(gòu)建區(qū)域閘泵群聯(lián)控的水量-水質(zhì)優(yōu)化調(diào)度模型，模型整體計(jì)算流程見(jiàn)圖2。一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型用于計(jì)算圍內(nèi)河涌的流量、水位及水質(zhì)的變化過(guò)程；閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型主要用于驅(qū)動(dòng)一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型的優(yōu)化計(jì)算，獲得基于水量水質(zhì)調(diào)度目標(biāo)下的閘泵群最優(yōu)調(diào)度方案。

2.1一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型

感潮河網(wǎng)地區(qū)水流及污染物傳輸過(guò)程復(fù)雜，本文采用圣維南方程組作為河道非恒定流控制方程，包括連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程［7］，采用一維對(duì)流擴(kuò)散方程作為水質(zhì)控制方程［8］。

水流連續(xù)方程：

?Z 1?Q q

?tB ?x B

水流運(yùn)動(dòng)方程：

t（Q）+gAx（Z）+ （βuQ）+ g 2 AR（Q|Q）=0

污染物對(duì)流-擴(kuò)散-降解方程：

+ - ADk -（qc）L +

wAC=0（3）

式中：x 為里程，m；t為時(shí)間，s；Z 為水位，m；B 為過(guò)水?dāng)嗝嫠鎸挾龋琺；Q 為流量，m3/s；q 為側(cè)向單寬流量，m2/s，正值表示流入，負(fù)值表示流出；A 為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；g 為重力加速度，m/s2；u 為斷面平均流速；β為校正系數(shù)；R 為水力半徑；c 為謝才系數(shù)，c = R16/n；n 為曼寧糙率系數(shù)；C 為斷面污染物濃度，mg/ L；Dk 為污染物縱向擴(kuò)散系數(shù)；（qc）L 為點(diǎn)源污染物濃度；w 為污染物降解系數(shù)。

一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用“分級(jí)聯(lián)解法”。其構(gòu)建及計(jì)算流程主要包括如下步驟。①河網(wǎng)建模。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)的水系圖，建立河網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定斷面位置及河段屬性。②地形概化。根據(jù)河道地形，插值得到各斷面地形。③邊界條件。選取典型水文時(shí)期的上下游及區(qū)間的邊界時(shí)間序列，以及下游邊界斷面的水位-流量關(guān)系數(shù)據(jù)作為邊界水文條件。④初始條件。根據(jù)模擬開(kāi)始時(shí)刻的邊界條件，設(shè)定與初始時(shí)刻實(shí)際河網(wǎng)水動(dòng)力及污染物條件盡量一致的河網(wǎng)各斷面水位、流量、污染物濃度。⑤參數(shù)率定。根據(jù)河道各水文水位站點(diǎn)的實(shí)測(cè)水位、流量、污染物濃度過(guò)程，在所有邊界上輸入歷史實(shí)測(cè)值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果中監(jiān)測(cè)站點(diǎn)處的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，對(duì)模型計(jì)算的準(zhǔn)確度進(jìn)行檢驗(yàn)，如果結(jié)果誤差大于規(guī)范要求的誤差值，則通過(guò)調(diào)整糙率、污染物擴(kuò)散系數(shù)、降解系數(shù)后再進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的偏差滿足相關(guān)規(guī)范的要求。⑥模型驗(yàn)證。選取有實(shí)測(cè)水文水質(zhì)資料，采用經(jīng)過(guò)率定后的參數(shù)進(jìn)行模型計(jì)算。將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，若采用該參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差不大，則說(shuō)明模型驗(yàn)證較好；若采用該參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差較大，則需重新進(jìn)行模型參數(shù)率定步驟，直到采用模型率定選擇的參數(shù)計(jì)算的結(jié)果也能滿足模型驗(yàn)證的要求為止。

2.2閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

針對(duì)中順大圍閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，以調(diào)度期內(nèi)各時(shí)間步長(zhǎng)的41個(gè)擋潮閘及節(jié)制閘的閘門(mén)開(kāi)度及2個(gè)沿江排澇泵站的啟閉狀態(tài)為優(yōu)化變量，采用 NSGA-Ⅱ?qū)Χ嗄繕?biāo)多約束問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化求解；其中適應(yīng)度值的計(jì)算主要通過(guò)概化閘泵工程特性，模擬其在調(diào)度方案下的啟閉過(guò)程，結(jié)合水動(dòng)力水質(zhì)模型，對(duì)河網(wǎng)內(nèi)水體置換速度、污染物濃度等進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2.1過(guò)閘流量計(jì)算

閘門(mén)關(guān)閉情況下，過(guò)閘流量 Q=0；閘門(mén)開(kāi)啟情況下，過(guò)閘流量按寬頂堰公式計(jì)算。

自由出流：

Q = mBH0（1）.5（4）

淹沒(méi)出流：

Q =φBHs（5）

式中：Q 為過(guò)閘流量；m 為自由出流系數(shù)；φ為淹沒(méi)出流系數(shù)；B 為閘門(mén)開(kāi)啟總寬度，m；Z0為閘底高程，m； Zu 為閘上游水位，m；Zd為閘下游水位，m；H0為閘上游水深，m；Hs 為閘下游水深，m。

2.2.2目標(biāo)函數(shù)

a）圍內(nèi)各河涌水體置換速度最快，即：

Tmin=（6）

式中：T 為水體置換周期，s；V 為河網(wǎng)水體總蓄水量， m3；Qy為閘泵群總的引水量，m3/s。

b）污染物平均濃度最低，即：

式中：C（-）為污染物平均濃度，mg/L；Vi 為第i條河流的水體容積，m3；Ci 為第i條河流的污染物濃度，mg/L。

c）河涌水質(zhì)達(dá)標(biāo)率最高：

λmax =（8）

式中：λ為河涌水質(zhì)的達(dá)標(biāo)率；Lb為水質(zhì)達(dá)標(biāo)河流總長(zhǎng)度，m；L 為圍內(nèi)河網(wǎng)總長(zhǎng)度，m。

2.2.3約束條件

a）圍內(nèi)各河涌水位約束。

式中：Zk，t、Z、Z（-） k，t 分別為第 t 調(diào)度時(shí)段第 k 個(gè)斷面處的水位、最低控制水位、最高控制水位，m。

b）水閘邊界水力約束條件。

Qj，t =f （Zu j，t，Zd j，t，Zj，0，Bj，t ）≤Qj，max（10）

式中：f為過(guò)閘流量計(jì)算；Zj，0為閘底高程；Zu j，t 為閘上游水位；Zd j，t 為閘下游水位；Bj，t 為調(diào)度 t 時(shí)刻第i個(gè)水閘的閘門(mén)開(kāi)啟總凈寬，m；Qj，max 為第j 個(gè)閘門(mén)的過(guò)流能力，m3/s。

c）閘泵群?jiǎn)㈤]速度約束。

Hi≤ Hi，max

ΔQi≤ΔQi，max

式中：Hi、Hi，max 分別為閘門(mén)單位時(shí)間內(nèi)啟閉的高度及最大限制高度；ΔQi、ΔQi，max分別為第i座泵站單位時(shí)間內(nèi)的抽排流量及最大限制抽排流量，m3/s。

3中順大圍河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)度模擬系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

中順大圍河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)度模擬系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線主要分為數(shù)據(jù)歸納與整編、模型集成與管理平臺(tái)研發(fā)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)3個(gè)層面。在數(shù)據(jù)收集階段，詳細(xì)梳理與深入探究中順大圍水量水質(zhì)應(yīng)急決策流程；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合 GIS技術(shù)，對(duì)一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模擬模型、閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行集成與業(yè)務(wù)功能模塊的研發(fā)，并接入國(guó)家氣象數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，形成集氣象預(yù)報(bào)-閘泵群聯(lián)調(diào)-情景動(dòng)態(tài)展示為一體的流程化技術(shù)體系，結(jié)合防汛部門(mén)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，研發(fā)感潮河網(wǎng)閘泵群實(shí)時(shí)調(diào)度平臺(tái)原型。平臺(tái)研發(fā)主要技術(shù)路線見(jiàn)圖3，以“1個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，3個(gè)核心模塊”為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)的子功能模塊主要包括：水雨情信息、工情信息、調(diào)度方案、水動(dòng)力水質(zhì)模擬、大屏監(jiān)控、系統(tǒng)管理。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，其前瞻性主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：首先，系統(tǒng)具備良好的可視化功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)展示直觀地呈現(xiàn)調(diào)度方案的成果和水環(huán)境的變化情況；決策者可以通過(guò)直觀的圖表、地圖和動(dòng)畫(huà)等形式更好地理解和評(píng)估調(diào)度效果，迅速獲取關(guān)鍵信息以做出準(zhǔn)確決策。其次，系統(tǒng)通過(guò)集成預(yù)測(cè)、模擬和評(píng)估功能為決策者提供科學(xué)的決策支持；基于一維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，能夠準(zhǔn)確模擬中順大圍河網(wǎng)的水量和水質(zhì)變化過(guò)程。通過(guò)模擬和評(píng)估不同調(diào)度方案的效果，決策者可以選擇最優(yōu)方案并做出合理決策。

3.2功能子模塊

中順大圍河網(wǎng)水量水質(zhì)調(diào)度模擬系統(tǒng)利用已建成的一維感潮河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)模型及閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)合圍內(nèi)水情、工情實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，分析計(jì)算中順大圍的防洪排澇、水環(huán)境改善、外江壓咸等情景模式下的閘泵群最優(yōu)調(diào)度方案。同時(shí)系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)建設(shè)了水、雨、工情信息查詢(xún)，為圍內(nèi)的水量、水質(zhì)調(diào)度提供決策輔助支持。

3.2.1水雨工情實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊

水雨工情信息模塊主要對(duì)圍內(nèi)的水利工程數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合有效的管理與展示?；诙囝?lèi)信息數(shù)據(jù)，結(jié)合一維 GIS 常規(guī)功能，實(shí)現(xiàn)圖表與 GIS視點(diǎn)跳轉(zhuǎn)的耦合查詢(xún)展示；實(shí)現(xiàn)雨情、水情信息實(shí)時(shí)預(yù)警、水文預(yù)報(bào)；提供圍內(nèi)所有水位、雨量站的數(shù)據(jù)查詢(xún)，對(duì)歷年不同年月日的水位、雨量作均值、極值對(duì)比，能快速解決用戶對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)比的需求；對(duì)雨量數(shù)據(jù)提供等值面渲染，方便用戶更直觀地了解降雨量的空間分布關(guān)系；實(shí)現(xiàn)未來(lái)水文情況的預(yù)測(cè)，對(duì)防洪、抗旱、水資源合理利用有重要意義。工情信息模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水閘、泵站等工程信息進(jìn)行查詢(xún)，提供關(guān)鍵字搜索相關(guān)閘泵，以彈出框形式展示對(duì)應(yīng)閘泵的詳細(xì)信息，包含相關(guān)具體信息參數(shù)與文字介紹。

3.2.2標(biāo)準(zhǔn)化建模

系統(tǒng)綜合實(shí)現(xiàn)了一維水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建、計(jì)算方案配置及成果可視化展示，形成了標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的業(yè)務(wù)操作流程。其中標(biāo)準(zhǔn)化建模是按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，基于河網(wǎng)全要素的最簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)元素，通過(guò)幾何算法自動(dòng)分析河網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并生成相應(yīng)模型配置文件。系統(tǒng)支持任意河道、斷面等對(duì)象的刪減、新增等，并可自動(dòng)更新所有拓?fù)潢P(guān)系，自動(dòng)合并河網(wǎng)模型。此外，系統(tǒng)平臺(tái)還基于 GIS 視圖的全新建模方式，建模要素采用地理空間坐標(biāo)，在谷歌、天地圖等在線地圖上即可完成建模過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)化建模界面見(jiàn)圖4。

3.2.3計(jì)算方案配置

系統(tǒng)平臺(tái)計(jì)算方案配置包含水位/流量邊界設(shè)置、監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置、糙率設(shè)置、線源設(shè)置、湖庫(kù)設(shè)置、泵站初始狀態(tài)設(shè)置、水閘初始狀態(tài)設(shè)置、水文響應(yīng)單元設(shè)置、匯水區(qū)設(shè)置、初始場(chǎng)設(shè)置、統(tǒng)計(jì)設(shè)置、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化算法參數(shù)配置等，見(jiàn)圖5。

3.2.4水動(dòng)力-水質(zhì)成果管理

成果管理負(fù)責(zé)將模型計(jì)算結(jié)果可視化，主要實(shí)現(xiàn)在最優(yōu)閘泵群聯(lián)控方案下圍內(nèi)的水量-水質(zhì)過(guò)程的動(dòng)態(tài)展示及各類(lèi)要素的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)。成果管理主要包含斷面水位流量過(guò)程、斷面水質(zhì)過(guò)程、水面線、監(jiān)測(cè)斷面計(jì)算結(jié)果、河涌涌容統(tǒng)計(jì)、進(jìn)出水總量統(tǒng)計(jì)、湖庫(kù)統(tǒng)計(jì)成果、水閘統(tǒng)計(jì)成果、泵站統(tǒng)計(jì)成果，水質(zhì)動(dòng)態(tài)展示等。成果管理界面見(jiàn)圖6、7。

4系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

基于中順大圍河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)調(diào)度模擬系統(tǒng)，以“2011·1”和“2011·8”2場(chǎng)典型水文條件計(jì)算分析了無(wú)聯(lián)排聯(lián)調(diào)條件、閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度2種方案下中順大圍內(nèi)河涌水動(dòng)力、水環(huán)境變化特征。本實(shí)例中，調(diào)度周期設(shè)定為8 d，調(diào)度時(shí)間步長(zhǎng)為12 h，多目標(biāo)遺傳算法（NSGA2）的參數(shù)設(shè)置如下：種群數(shù)NP=30，迭代次數(shù)Maxiter=200，交叉百分比 C=20%，變異百分比 M=20%；在無(wú)聯(lián)調(diào)條件下，聯(lián)圍內(nèi)水閘泵站的啟閉方案按照調(diào)度規(guī)則設(shè)定，既外江水閘及圍內(nèi)節(jié)制閘保持開(kāi)啟，達(dá)到控制水位時(shí)關(guān)閘，同時(shí)為保證防洪排澇安全，在豐水期（暴雨洪水期間）適時(shí)開(kāi)啟東河泵站排水；在閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案下，采用 NSGA2優(yōu)化調(diào)度期內(nèi)各時(shí)間步長(zhǎng)的41個(gè)擋潮閘及節(jié)制閘的閘門(mén)開(kāi)度及2個(gè)沿江排澇泵站的啟閉狀態(tài)。

不進(jìn)行閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度條件下，基于水量水質(zhì)模擬模型計(jì)算表明，“2011·1”典型水文條件時(shí)，中順大圍 COD 和 NH3-N 的加權(quán)濃度呈波動(dòng)式下降（圖8），其中 COD濃度在初期波動(dòng)較為明顯，經(jīng)過(guò)4 d 后，波動(dòng)減弱，呈現(xiàn)平緩下降趨勢(shì)，在調(diào)度時(shí)段末，COD 加權(quán)濃度約為17 mg/L；NH3-N 濃度相對(duì)COD 濃度波動(dòng)更為明顯，不僅體現(xiàn)在調(diào)度前幾日，在接近調(diào)度時(shí)段末，且波動(dòng)過(guò)程仍較存在，其加權(quán)濃度從調(diào)度初始的2.0 mg/L 降為最終的約1.0 mg/ L。同時(shí)可見(jiàn)，在初始時(shí)段大潮期間，水動(dòng)力較強(qiáng)，聯(lián)圍內(nèi)外水體交換程度大，污染物濃度下降較快；隨著后期潮汐動(dòng)力轉(zhuǎn)弱，內(nèi)河涌污染物濃度下降趨緩，水環(huán)境改善效果越來(lái)越不明顯?！?011·8”典型水文條件時(shí)，中順大圍 COD 和 NH3-N加權(quán)濃度隨時(shí)間變化過(guò)程與“2011·1”典型水文條件時(shí)類(lèi)似（圖9）。

基于閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案下，在“2011·1”典型水文條件中，調(diào)度時(shí)段末 COD、NH3-N 的加權(quán)濃度分別為15.18、0.77 mg/L，比不進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度方案分別降低了1.79、0.23 mg/L，改善效果分別提高了10.57%、23.07%；“2011·8”典型水文條件時(shí)，調(diào)度時(shí)段末 COD、NH3-N 的加權(quán)濃度分別為16.80、0.69 mg/L，比無(wú)聯(lián)調(diào)方案分別降低了1.86、0.32mg/L，改善效果分別提高了9.95%、31.46%。由此可見(jiàn)，基于閘泵群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度相對(duì)不進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度方案而言，具有更好的水環(huán)境改善效果（表1）。

5結(jié)語(yǔ)

為提升中順大圍水環(huán)境治理能力，本研究針對(duì)中順大圍水量水質(zhì)特性，提出了一種基于閘泵群聯(lián)控的水量水質(zhì)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型。該模型通過(guò)對(duì)圍內(nèi)閘泵群的有序調(diào)度，增強(qiáng)了水系的水循環(huán)動(dòng)力，加快了水體的交換更新；在閘泵群聯(lián)合實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)了中順大圍河網(wǎng)水質(zhì)水動(dòng)力調(diào)度模擬系統(tǒng)，形成了集水量水質(zhì)預(yù)報(bào)-工程調(diào)度-水量水質(zhì)過(guò)程模擬及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估-動(dòng)態(tài)展示于一體的技術(shù)支撐體系?；谠撓到y(tǒng)對(duì)2個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)例分析，結(jié)果顯示，在進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的情況下，調(diào)度時(shí)段末圍內(nèi) COD 和 NH3-N 的加權(quán)濃度分別相比不進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的情況改善了10.26%和27.27%?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)可為保障圍內(nèi)水系的連通性、改善河網(wǎng)水環(huán)境以及確保河網(wǎng)區(qū)城市群的供水安全提供重要的技術(shù)支撐。

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