干旱區(qū)城市景觀水體優(yōu)化調(diào)度研究

徐繼紅

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

隨著水污染和水資源緊缺的加劇，以供水量和經(jīng)濟效益最大為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度模式已不能滿足發(fā)展需求，而兼顧社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的水量水質(zhì)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點之一[1]。Mohammad K等人建立研究區(qū)灌溉系統(tǒng)的地表水和地下水資源動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化模型，模型考慮了水質(zhì)、地下水回流與輸出[2]。國內(nèi)研究起步較晚，但發(fā)展很快，對灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度和區(qū)域(流域/跨流域)水資源優(yōu)化調(diào)度的研究都取得了很大成就，但是大都強調(diào)水量，而對水量水質(zhì)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的研究較少[3-7]。城市景觀水體的優(yōu)化調(diào)度由于水域面積比較小、水深較淺、水域環(huán)境復(fù)雜、影響因素多、水質(zhì)差、投入產(chǎn)出比低等原因，目前對其研究很少。往往早期投巨資修建，但缺乏后期運行維護，使景觀水體面臨水量不足、水質(zhì)惡化等問題，失去原有的調(diào)節(jié)水溫、氣候和提高環(huán)境質(zhì)量的功能。本文將系統(tǒng)優(yōu)化的理論和方法引入景觀水體中，在滿足水體水量和水質(zhì)的條件下，建立城市景觀水體水量——水質(zhì)耦合優(yōu)化調(diào)度模型，并利用NSGA-Ⅱ算法、模糊層次分析法以及綜合距離評價法求解，最終提出合理的景觀水體運行方式及水質(zhì)處理措施，使水體日均費用最低。

1 建立水量——水質(zhì)耦合的優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 水體、水量平衡

足夠的水量是景觀水體存在的前提條件。景觀水體作為半封閉或封閉性水域，既有水量的損耗和使用，也有水量的補充。在景觀水體的設(shè)計、運行和維護中必須充分考慮影響水量的各種因素，如：水體規(guī)模、水源(包括河水、地下水等)、損耗(蒸發(fā)、滲漏等)以及場地用水(綠化灌溉、噴灑路面等)。在水量平衡計算的基礎(chǔ)上，確定水體損失量和補水量。

1.1.1 水體損耗

水量損耗主要體現(xiàn)在自然蒸發(fā)、水體滲漏、綠地澆灌、道路澆灑量等方面。由于目前景觀水體、水質(zhì)不容樂觀，污染比較嚴(yán)重，大多不能滿足綠地澆灌和硬地噴灑所需水質(zhì)，且隨著污水處理回用技術(shù)的提高，對水質(zhì)要求不高的市政用水開始普及使用中水，因此景觀水體水量損耗主要為自然蒸發(fā)和景觀水體底部和側(cè)部的滲漏。

a. 蒸發(fā)量：

Wz=AFT

(1)

式中Wz——水面蒸發(fā)量，m3；A——水體面積，m2；F——水體日平均蒸發(fā)量，m3/(m2·d)；T——時間，d。

b. 滲漏量：

Ws=αKIAsT

(2)

式中Ws——景觀水體的底部和側(cè)壁在一段時期(T天)內(nèi)的滲漏量，m3；

K——滲透系數(shù)，cm/s；

I——水力梯度；

As——滲透截面積，cm2；

α——單位換算系數(shù)，其值為0.0864。

1.1.2 水體補充

由于景觀水體的蒸發(fā)和滲漏，水量減少，水位不斷降低，為維持一定的水位，必須采取一定的補水措施?？紤]到地面沉降問題，許多地區(qū)限制地下水的利用；對于景觀水而言，自來水的費用較高，一般不使用自來水作為補充水源；景觀水體大多處于城區(qū)，距離天然河流、湖泊、水庫等都比較遠(yuǎn)，長距離的輸送水顯然在經(jīng)濟和實際操作中也不太現(xiàn)實。利用再生水補給景觀水，可以降低經(jīng)濟成本，提高城市水資源利用率，節(jié)約大量的新鮮水資源，目前再生水已逐漸成為景觀水體的主要補充水源。但是在追求再生水回收利用的低水價帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢的同時，也要考慮到其水質(zhì)問題。景觀水體的流動性比較差，補充再生水之后很容易使藻類過量繁殖，水體富營養(yǎng)化。

a. 大氣降水

Wy=P(A+Aj)

(3)

式中Wy——景觀水體一段時間內(nèi)接納的雨水量，m3；

P——景觀水體一段時間內(nèi)的面雨量，m；

Aj——景觀水體的有效匯水面積，m2。

b. 人工補水(再生水)

Wb=Wz+Ws-Wy

(4)

式中Wb——景觀水體一段時間的補充水量，m3。

1.2 水體水質(zhì)維護

景觀水體建成之后，由于其生態(tài)的脆弱性，自凈能力較差，很容易發(fā)生富營養(yǎng)化，達不到國家地面水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。往往需要結(jié)合自身情況采取一系列的物理、化學(xué)和生態(tài)方法，維持水體水質(zhì)，使水中的COD、TN、TP等指標(biāo)達標(biāo)。其中要遵循的原則為：經(jīng)濟實用；提高補水水源質(zhì)量；增加水體流通性；建立適宜的生態(tài)系統(tǒng)，提高其自凈能力。

1.3 建立優(yōu)化調(diào)度模型

景觀水體優(yōu)化調(diào)度是根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化的理論、方法，通過合理選擇景觀水體水量補充與水質(zhì)維護的各種技術(shù)方案，在滿足景觀水體水位、水質(zhì)達標(biāo)的前提下，使運行維護費用達到最小，從而實現(xiàn)景觀河湖的各項功能。一般景觀水日常運行維護費用主要由補水的水費、保證水質(zhì)達標(biāo)的處理成本及運行電費等組成，以景觀水體運行維護費用最小為目標(biāo)函數(shù)：

E=Eb+Ec+Ed

(5)

式中E——水體日常運行維護費；Eb——達到目標(biāo)水位所需的補充水的水費；Ec——保證水質(zhì)達標(biāo)的處理費用；Ed——景觀水運行的電費。

1.3.1 模型約束條件

a. 景觀水體水位應(yīng)滿足最低水位要求，并盡量達到常水位以實現(xiàn)水體的景觀功能。

Hmin≤H≤Hmax

(6)

式中H，Hmin，Hmax——景觀水體水位及補水要求的水位上、下限。

b. 為了抑制藻類生長，防止水體富營養(yǎng)化，需控制水體流速，流速范圍為

u1≤u≤u2

(7)

式中u1，u2——景觀水體流速的上、下限。

c. 為保證水質(zhì)，補充水必須先經(jīng)過處理再進入景觀水體，所以需要控制各處理單元的水力負(fù)荷，以各處理單元的水力停留時間表示：

θ1≤θ≤θ2

(8)

式中θ，θ1，θ2——水力停留時間及水力停留時間上、下限。

d. 景觀水體中的水體水質(zhì)應(yīng)滿足國家規(guī)定的水體標(biāo)準(zhǔn)：

c≤c0

(9)

式中c0——景觀水體中污染物限值。

e. 景觀水體補水前、后水量應(yīng)保持平衡：

Wq+Wb+Wy-Wz-Ws=Wh

(10)

式中Wq，Wh——補水前后景觀水水體水量。

f. 日補充水量受補充水源及補水設(shè)備供水能力約束：

Qb≤min{Qy，Qs}

(11)

式中Qb——日補充水量；Qy、Qs——補充水源及補水設(shè)施供水能力。

1.3.2 模型求解

模型求解采用遺傳算法(NSGA-Ⅱ算法)結(jié)合VB NET 2.0編程實現(xiàn)[8]。

2 模型應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

以新疆庫爾勒市杜鵑河城市景觀水體為研究對象，該區(qū)域?qū)儆谫Y源型缺水地區(qū)。考慮到3—11月該地區(qū)水面蒸發(fā)和滲透量遠(yuǎn)大于降水量，因此需要補充景觀水；冬季(12月、1月、2月)屬于冰凍期，不考慮補水。3月冰凍期剛結(jié)束，河道處于枯水期，不僅水位低，水質(zhì)也比較差。選取4月為初始狀態(tài)，尋求經(jīng)濟的水量補充措施并且考慮到水質(zhì)及該區(qū)對景觀水體水質(zhì)要求，采用推動水體循環(huán)和濕地處理相結(jié)合的方法維護水體水質(zhì)，防止水體發(fā)生富營養(yǎng)化。通過優(yōu)化景觀水體的調(diào)度方案，達到整個系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

景觀水體的正常水深2.2m，最高水位2.5m，3月最低水位1.8m。景觀水體的總水量為500萬m3，水面面積1.2km2。

2.2 基本參數(shù)的確定

2.2.1 研究區(qū)水體水量的損失與補充

根據(jù)該區(qū)域多年水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的各月水面蒸發(fā)系數(shù)，除冰凍期外，其余各月份蒸發(fā)系數(shù)相差不大。取5月水面平均蒸發(fā)系數(shù)為99mm/月，則該景觀水體的日蒸發(fā)量Qzd為3960m3/d。

研究區(qū)滲透量仍取5月數(shù)值，計算該景觀水體5月的日滲透損失量Qsd為1480m3/d。由于5月降雨量很少，故不考慮雨水對景觀水體的補充，則再生水日補充量Qbd為日蒸發(fā)量與日滲漏量之和，為5440m3/d。

2.2.2 初始水位及目標(biāo)水位

景觀水體的正常水深為2.2m，冰凍期結(jié)束未補水時的景觀水體水位最低降低到1.8m。假設(shè)當(dāng)前水位為2.0m，根據(jù)景觀要求和補水費用，確定補水目標(biāo)水位為2.2m。

2.2.3 補水期及維護期的確定

一般情況下，景觀水體的補水方式為間歇補水，具體來說，當(dāng)水位降低至某一水位時，集中補充一段時間——補水期(tb)；當(dāng)水位達到要求水位后停止補水，由于蒸發(fā)和滲漏等損失，水位會下降；當(dāng)降低到設(shè)定水位時，再次補水，這期間為維持期(tw)。補水期+維持期為一個完整的補水周期。

根據(jù)上述設(shè)定，水位由初始2.0m上升到2.2m，總補水量W=0.2×1.20×106=24萬m3

由于受再生水補充水源及補水設(shè)施供水能力的限制，其日補水量不能太大，tb不能太短；但tb過長，則日補水量過少，水位上升緩慢，再加上蒸發(fā)和滲漏損失等，水位長期不能達到目標(biāo)水位，影響河湖景觀美感要求，因此設(shè)定補水期為15～30d。停止補水后，進入維持期，維護期為44d。

2.3 目標(biāo)函數(shù)和約束

2.3.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為景觀水體日平均維護費用最小：

(12)

式中f——景觀水體日平均維護費用，元/d；Ewater——達到目標(biāo)水位所補充的再生水水費，元；

Eele——補水期內(nèi)再生水補充泵所耗電費，元；

Ecir-ele——補水期內(nèi)循環(huán)泵所耗電費，元。

2.3.2 約束條件

a. 河湖達到常水位，以實現(xiàn)景觀功能，故水位需提升0.2m：H=0.2m。

b. 為抑制藻類生長，防止水體發(fā)生富營養(yǎng)化，并使循環(huán)費用最小，控制景觀河道的流速：0.05m/s≤u≤0.1m/s。

c. 再生水流經(jīng)濕地的最佳水力停留時間：θ=1d。

d. 河道水體滿足設(shè)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，以氨氮為例：cNH3-N≤2mg/L。

e. 景觀水體補水前后水量平衡：

Wq+Wb-Wz-Ws=Wh

(13)

f. 日補充水量受再生水水廠供水能力和再生水管網(wǎng)供水能力的約束：Qbd≤2萬m3/d。

g. 補水期約束：15d≤tb≤30d。

2.4 結(jié)果分析

優(yōu)化調(diào)度模型的求解采用VB.NET 2.0編程實現(xiàn)[8]，首先是采用帶精英策略的非受支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ算法)，得到多組調(diào)度方案，具體計算步驟為：?隨機產(chǎn)生一個初始父代種群P0，對種群進行非劣排序并賦秩于每個個體，然后進行選擇、交叉、變異遺傳操作，產(chǎn)生規(guī)模為N的下一代種群Q0，令進化代數(shù)t=0；?產(chǎn)生新的規(guī)模為2N的種群Rt=Pt∪Qt，對該種群按照非劣排序，并確定其非劣前端F1，F(xiàn)2，…；?對所有的Fi按照擁擠度距離機制進行排序，選擇其中最好的N個個體產(chǎn)生新的種群Pt+1；?對新種群Pt+1進行選擇、交叉、變異操作，產(chǎn)生新的子代群體Qt+1；?判斷是否達到終止條件或進化代數(shù)達到最大，若是，進化結(jié)束，否則返回?繼續(xù)。初始調(diào)度方案為：日蒸發(fā)量Qzd為3960m3/d，日滲透損失量Qsd為1480m3/d，再生水日補充量Qbd為5440m3/d，初始水深H為2.0m，補水期tb為25d，維持期tw為44d，停留時間θ為1d，河道流速為0.06m/s。NSGA-Ⅱ算法的種群設(shè)置為200，進化代數(shù)為150，交叉概率0.8，變異概率0.1，得到穩(wěn)定且均勻分布的Pareto前沿面。其次引入一種新型的計算權(quán)重方法——模糊層次分析法(FAHP)確定調(diào)度方案評價指標(biāo)權(quán)重，各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)相加等于1。再次是基于理想解的綜合距離評價方法(TOPSIS)計算各方案的貼近度，貼近度越大方案越理想，即為最終的最優(yōu)方案。最后得到最佳運行方案：補水期tb=30d；水力停留時間為1d，再生水氨氮含量為3.04mg/L；河道循環(huán)流速為u=0.05m/s，水體總循環(huán)周期為8～10d；補水周期內(nèi)日平均運行費用為5822元。對比tb分別為15d、20d、25d和30d的調(diào)度方案，可知日均維護費用隨補水周期的增長而降低，因此在滿足補水期約束的前提下，盡量延長補水期可以降低日平均維護費用。

3 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能降耗成為人們關(guān)注的焦點，而景觀水體在運行過程中，水量水質(zhì)問題日益凸顯。本文將優(yōu)化調(diào)度模型引入景觀水體運行維護中，在小流域范圍內(nèi)進行研究，依據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化的理論和方法，在合理選擇景觀水體水量補充與水質(zhì)保持技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合補水方式、補水量、補水周期、河道水體循環(huán)及循環(huán)周期等運行參數(shù)的合理確定，建立景觀水體運行與維護的優(yōu)化調(diào)度模型，確保在水體水位適當(dāng)、水質(zhì)達標(biāo)的前提下，降低景觀水體維護運行管理費用，以發(fā)揮景觀水體的最大功能和效益。同時結(jié)合實例，通過優(yōu)化調(diào)度模型的分析計算，結(jié)合NSGA-Ⅱ算法、模糊層次分析法以及綜合距離評價法，確定經(jīng)濟合理的運行方案，為景觀水體治理方案的優(yōu)化決策、水質(zhì)管理和規(guī)劃提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

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