中順大圍河網水動力水質調度模擬系統研究

摘要：珠江三角洲河網水系復雜，聯圍眾多，其中以中順大圍水系結構最為復雜、閘泵群聯合調度難度最大。為充分挖掘水工程聯合調度對水量水質的調控潛力，以中順大圍作為研究對象，構建中順大圍一維水動力-水質耦合模型，實現各閘泵調度方案下的圍內水量水質過程模擬；在此基礎上，建立閘泵群聯合優化調度模型，實現在不同引換水條件下閘泵群調度方案的最優決策；最后基于水量水質模擬及調度模型研發了中順大圍河網水量水質調度模擬系統，實現中順大圍水動力特性模擬、污染物濃度及水質變化動態模擬、水污染應急調度及過程可視化，形成了中順大圍水系連通下基于閘泵群聯合優化調度的水量-水質模擬調控技術體系。基于該系統對2個典型場景進行實例分析，結果表明：在進行優化調度的情況下，調度時段末圍內 COD和 NH3-N 的加權濃度分別相比不進行優化調度的情況改善了10.26%和27.27%，調度效果顯著，可為中順大圍水量水質調度決策提供可靠的技術支撐。

關鍵詞：復雜河網；閘泵群調度；水動力-水質模擬；模擬系統

中圖分類號：TV697.1文獻標識碼：A文章編號：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

粵港澳大灣區是國內經濟最發達的地區之一，近年來，大灣區水生態環境質量明顯改善［1］，然而部分地區受河網水流特性的制約，水循環動力不足，導致赤潮暴發頻率和規模顯著增大，對區域水體環境及經濟發展產生了巨大的影響。許多學者從非工程措施的角度入手，采用閘泵群聯合優化調度的方法控制水體定向、有序流動，提高自凈能力以解決水環境污染問題［2-4］。開展水量水質調度的首要工作是構建水動力-水質耦合模型進行水網數值模擬計算，水動力、水質模型按照計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］，考慮到實際的應用需求及復雜的數據條件，目前應用較為廣泛的是基于圣維南方程組的“節點-河道”一維水動力模型［7］以及基于對流擴散方程的一維水質模型［8］；如胡嘉鏜等［9］高廣銀［10］在珠江三角洲河網構建了一維水動力水質模型，并在局部重點區域構建了三維水質模型，整體實現了珠江三角洲河網水量水質的高精度模擬。在水網水量水質數值模擬計算的基礎上，可通過優化閘泵工程的調度方案實現補水活水以改善水生態環境的目的［11］，如鄒麗芬等［11］通過建立水動力-水質模型，設計了多種閘泵調度方案形成調度預案集，涵蓋不同情景下河網水量水質調度方案的推介，并采用水環境改善指標對各調度方案進行評價，以選取最優調度方案，為該區域的水環境整治提供技術支持［12-13］。在模型的基礎上，為實現成果的直觀展示，多維度支撐業務應用，需利用技術手段對模型進行封裝，并建立相應的信息化系統平臺；目前國內已有相關學者開展了水資源決策支持管理系統的研究工作，如孔猛［14］提出了集數據采集、分析、預報、決策支持和應急指揮于一體的水質動態應急監測系統總體框架，實現了水環境動態監測及突發性水污染事件的應急監測、信息傳輸、分析預報和協調指揮功能，有效支撐了流域水資源的優化配置及水污染事件的科學調度，盡管系統平臺業務功能較為完備，但在指揮決策方面仍依賴于專家經驗和規則調度，尚未集成高精度的水動力水質模擬模型及閘泵群聯合優化調度模型。

綜上，目前針對閘泵群聯合實時優化調度的研究相對較少，大都停留在基于調度預案庫的實時優選層面，同時，水資源管理業務系統缺乏閘泵群聯合優化調度模型的支撐，導致自動化、智能化決策支撐能力不足。為此，以珠江三角洲地區中順大圍為研究對象，基于中順大圍一維水動力-水質模型及優化算法構建閘泵群聯合優化調度模型，實現閘泵群聯控方案的實時制定，并基于上述模型研發集水量水質預報-工程調度-水量水質過程模擬及風險評估-動態展示于一體的中順大圍河網水動力水質調度模擬系統，為典型河網水系的水量水質調度業務平臺構建提供一定的參考價值。

1中順大圍水量水質調度現狀

中順大圍（圖1）共有水閘180余宗，建成大小機電排灌站上千宗。沿中順大圍東、西干堤，大小水道的外江入口，以及聯圍內不同河段，都有大小水閘，控制河段的水流出入，調節河涌水位，以保障聯圍防洪排澇和水環境安全，保證聯圍內工農業生產取用水和排放部分污水。

近年來，隨著圍內鎮區河涌整治和排澇工程的建設，改變了以往圍內河涌互通互連的格局，除“一橫二縱”骨干河道外，圍內有外江水閘的小欖、古鎮、橫欄三鎮已各自建內河節制閘自行封閉獨立成圍，港口、東升兩鎮也即將封閉和被封閉，調度格局產生了重大變化。調度方式也分為了聯圍層和鎮區層2個層次，聯圍層由中山市堤圍管理中心（中順大圍工程管理處）負責直屬東河樞紐、西河、鋪錦水閘三宗大中型水閘的調度，鎮區層由各鎮區自行調度轄區水閘及泵站工程。

圍內工業發達，人口不斷增長，現已基本城市化，工業污水和生活污水排放量較大，由于圍內河涌受潮汐影響，水體呈往復流運動、自凈能力差，水環境容量小，污染物在河網內部回蕩，河涌水質污染較為嚴重，尤其是中山市城區所處的岐江河排水不暢，城區河段污染較為嚴重，圍內水環境問題突出。由于中順大圍河網閘泵群調度基本上以各片區自行調度為主，圍內閘泵工程缺乏整體聯合調度，對水環境改善效果較差。

2區域河網水動力水質調度模擬模型構建

選取中順大圍74條干支流河涌1522個河道斷面、41個擋潮閘及節制閘、2個沿江排澇泵站構建研究區域一維感潮河網水動力水質耦合模型，并以閘泵群啟閉為決策變量，以河網水體置換周期最短、污染物濃度最低、河涌水質達標率最高為目標函數，以河涌水位、閘門啟閉速度等為約束條件構建區域閘泵群聯控的水量-水質優化調度模型，模型整體計算流程見圖2。一維感潮河網水動力水質耦合模型用于計算圍內河涌的流量、水位及水質的變化過程；閘泵群聯合優化調度模型主要用于驅動一維感潮河網水動力水質耦合模型的優化計算，獲得基于水量水質調度目標下的閘泵群最優調度方案。

2.1一維感潮河網水動力水質耦合模型

感潮河網地區水流及污染物傳輸過程復雜，本文采用圣維南方程組作為河道非恒定流控制方程，包括連續方程和運動方程［7］，采用一維對流擴散方程作為水質控制方程［8］。

水流連續方程：

?Z 1?Q q

?tB ?x B

水流運動方程：

t（Q）+gAx（Z）+ （βuQ）+ g 2 AR（Q|Q）=0

污染物對流-擴散-降解方程：

+ - ADk -（qc）L +

wAC=0（3）

式中：x 為里程，m；t為時間，s；Z 為水位，m；B 為過水斷面水面寬度，m；Q 為流量，m3/s；q 為側向單寬流量，m2/s，正值表示流入，負值表示流出；A 為過水斷面面積，m2；g 為重力加速度，m/s2；u 為斷面平均流速；β為校正系數；R 為水力半徑；c 為謝才系數，c = R16/n；n 為曼寧糙率系數；C 為斷面污染物濃度，mg/ L；Dk 為污染物縱向擴散系數；（qc）L 為點源污染物濃度；w 為污染物降解系數。

一維感潮河網水動力水質數學模型計算采用“分級聯解法”。其構建及計算流程主要包括如下步驟。①河網建模。根據研究區域內的水系圖，建立河網拓撲結構，確定斷面位置及河段屬性。②地形概化。根據河道地形，插值得到各斷面地形。③邊界條件。選取典型水文時期的上下游及區間的邊界時間序列，以及下游邊界斷面的水位-流量關系數據作為邊界水文條件。④初始條件。根據模擬開始時刻的邊界條件，設定與初始時刻實際河網水動力及污染物條件盡量一致的河網各斷面水位、流量、污染物濃度。⑤參數率定。根據河道各水文水位站點的實測水位、流量、污染物濃度過程，在所有邊界上輸入歷史實測值，根據計算結果中監測站點處的計算值與實測值對比，對模型計算的準確度進行檢驗，如果結果誤差大于規范要求的誤差值，則通過調整糙率、污染物擴散系數、降解系數后再進行計算，直到計算結果與實測值之間的偏差滿足相關規范的要求。⑥模型驗證。選取有實測水文水質資料，采用經過率定后的參數進行模型計算。將計算值與實測值進行比較，若采用該參數進行計算的結果與實測值相差不大，則說明模型驗證較好；若采用該參數進行計算的結果與實測值相差較大，則需重新進行模型參數率定步驟，直到采用模型率定選擇的參數計算的結果也能滿足模型驗證的要求為止。

2.2閘泵群聯合優化調度模型

針對中順大圍閘泵群聯合優化調度模型，以調度期內各時間步長的41個擋潮閘及節制閘的閘門開度及2個沿江排澇泵站的啟閉狀態為優化變量，采用 NSGA-Ⅱ對多目標多約束問題進行優化求解；其中適應度值的計算主要通過概化閘泵工程特性，模擬其在調度方案下的啟閉過程，結合水動力水質模型，對河網內水體置換速度、污染物濃度等進行數值計算。

2.2.1過閘流量計算

閘門關閉情況下，過閘流量 Q=0；閘門開啟情況下，過閘流量按寬頂堰公式計算。

自由出流：

Q = mBH0（1）.5（4）

淹沒出流：

Q =φBHs（5）

式中：Q 為過閘流量；m 為自由出流系數；φ為淹沒出流系數；B 為閘門開啟總寬度，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目標函數

a）圍內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）河涌水質達標率最高：

λmax =（8）

式中：λ為河涌水質的達標率；Lb為水質達標河流總長度，m；L 為圍內河網總長度，m。

2.2.3約束條件

a）圍內各河涌水位約束。

式中：Zk，t、Z、Z（-） k，t 分別為第 t 調度時段第 k 個斷面處的水位、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為過閘流量計算；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 為調度 t 時刻第i個水閘的閘門開啟總凈寬，m；Qj，max 為第j 個閘門的過流能力，m3/s。

c）閘泵群啟閉速度約束。

Hi≤ Hi，max

ΔQi≤ΔQi，max

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

3中順大圍河網水動力水質調度模擬系統

3.1系統總體功能設計

中順大圍河網水動力水質調度模擬系統研發技術路線主要分為數據歸納與整編、模型集成與管理平臺研發、系統開發3個層面。在數據收集階段，詳細梳理與深入探究中順大圍水量水質應急決策流程；在此基礎上，結合 GIS技術，對一維感潮河網水動力水質模擬模型、閘泵群聯合優化調度模型進行集成與業務功能模塊的研發，并接入國家氣象數值預報結果，形成集氣象預報-閘泵群聯調-情景動態展示為一體的流程化技術體系，結合防汛部門的實際業務需求，研發感潮河網閘泵群實時調度平臺原型。平臺研發主要技術路線見圖3，以“1個數據平臺，3個核心模塊”為基礎，開發的子功能模塊主要包括：水雨情信息、工情信息、調度方案、水動力水質模擬、大屏監控、系統管理。相較于傳統系統，其前瞻性主要體現在2個方面：首先，系統具備良好的可視化功能，通過動態展示直觀地呈現調度方案的成果和水環境的變化情況；決策者可以通過直觀的圖表、地圖和動畫等形式更好地理解和評估調度效果，迅速獲取關鍵信息以做出準確決策。其次，系統通過集成預測、模擬和評估功能為決策者提供科學的決策支持；基于一維水動力-水質模型，能夠準確模擬中順大圍河網的水量和水質變化過程。通過模擬和評估不同調度方案的效果，決策者可以選擇最優方案并做出合理決策。

3.2功能子模塊

中順大圍河網水量水質調度模擬系統利用已建成的一維感潮河網水動力水質模型及閘泵群聯合優化調度模型，結合圍內水情、工情實時監控信息，分析計算中順大圍的防洪排澇、水環境改善、外江壓咸等情景模式下的閘泵群最優調度方案。同時系統還開發建設了水、雨、工情信息查詢，為圍內的水量、水質調度提供決策輔助支持。

3.2.1水雨工情實時監控模塊

水雨工情信息模塊主要對圍內的水利工程數據、水文數據進行綜合有效的管理與展示。基于多類信息數據，結合一維 GIS 常規功能，實現圖表與 GIS視點跳轉的耦合查詢展示；實現雨情、水情信息實時預警、水文預報；提供圍內所有水位、雨量站的數據查詢，對歷年不同年月日的水位、雨量作均值、極值對比，能快速解決用戶對數據對比的需求；對雨量數據提供等值面渲染，方便用戶更直觀地了解降雨量的空間分布關系；實現未來水文情況的預測，對防洪、抗旱、水資源合理利用有重要意義。工情信息模塊主要實現對水閘、泵站等工程信息進行查詢，提供關鍵字搜索相關閘泵，以彈出框形式展示對應閘泵的詳細信息，包含相關具體信息參數與文字介紹。

3.2.2標準化建模

系統綜合實現了一維水動力-水質耦合模型的標準化構建、計算方案配置及成果可視化展示，形成了標準化、一體化的業務操作流程。其中標準化建模是按規定的數據格式，基于河網全要素的最簡化數據元素，通過幾何算法自動分析河網拓撲結構，并生成相應模型配置文件。系統支持任意河道、斷面等對象的刪減、新增等，并可自動更新所有拓撲關系，自動合并河網模型。此外，系統平臺還基于 GIS 視圖的全新建模方式，建模要素采用地理空間坐標，在谷歌、天地圖等在線地圖上即可完成建模過程。標準化建模界面見圖4。

3.2.3計算方案配置

系統平臺計算方案配置包含水位/流量邊界設置、監測斷面設置、糙率設置、線源設置、湖庫設置、泵站初始狀態設置、水閘初始狀態設置、水文響應單元設置、匯水區設置、初始場設置、統計設置、運行參數設置、優化算法參數配置等，見圖5。

3.2.4水動力-水質成果管理

成果管理負責將模型計算結果可視化，主要實現在最優閘泵群聯控方案下圍內的水量-水質過程的動態展示及各類要素的模擬結果統計。成果管理主要包含斷面水位流量過程、斷面水質過程、水面線、監測斷面計算結果、河涌涌容統計、進出水總量統計、湖庫統計成果、水閘統計成果、泵站統計成果，水質動態展示等。成果管理界面見圖6、7。

4系統實例應用

基于中順大圍河網水動力水質調度模擬系統，以“2011·1”和“2011·8”2場典型水文條件計算分析了無聯排聯調條件、閘泵群聯合優化調度2種方案下中順大圍內河涌水動力、水環境變化特征。本實例中，調度周期設定為8 d，調度時間步長為12 h，多目標遺傳算法（NSGA2）的參數設置如下：種群數NP=30，迭代次數Maxiter=200，交叉百分比 C=20%，變異百分比 M=20%；在無聯調條件下，聯圍內水閘泵站的啟閉方案按照調度規則設定，既外江水閘及圍內節制閘保持開啟，達到控制水位時關閘，同時為保證防洪排澇安全，在豐水期（暴雨洪水期間）適時開啟東河泵站排水；在閘泵群聯合優化調度方案下，采用 NSGA2優化調度期內各時間步長的41個擋潮閘及節制閘的閘門開度及2個沿江排澇泵站的啟閉狀態。

不進行閘泵群聯合優化調度條件下，基于水量水質模擬模型計算表明，“2011·1”典型水文條件時，中順大圍 COD 和 NH3-N 的加權濃度呈波動式下降（圖8），其中 COD濃度在初期波動較為明顯，經過4 d 后，波動減弱，呈現平緩下降趨勢，在調度時段末，COD 加權濃度約為17 mg/L；NH3-N 濃度相對COD 濃度波動更為明顯，不僅體現在調度前幾日，在接近調度時段末，且波動過程仍較存在，其加權濃度從調度初始的2.0 mg/L 降為最終的約1.0 mg/ L。同時可見，在初始時段大潮期間，水動力較強，聯圍內外水體交換程度大，污染物濃度下降較快；隨著后期潮汐動力轉弱，內河涌污染物濃度下降趨緩，水環境改善效果越來越不明顯。“2011·8”典型水文條件時，中順大圍 COD 和 NH3-N加權濃度隨時間變化過程與“2011·1”典型水文條件時類似（圖9）。

基于閘泵群聯合優化調度方案下，在“2011·1”典型水文條件中，調度時段末 COD、NH3-N 的加權濃度分別為15.18、0.77 mg/L，比不進行優化調度方案分別降低了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，調度時段末 COD、NH3-N 的加權濃度分別為16.80、0.69 mg/L，比無聯調方案分別降低了1.86、0.32mg/L，改善效果分別提高了9.95%、31.46%。由此可見，基于閘泵群聯合優化調度相對不進行優化調度方案而言，具有更好的水環境改善效果（表1）。

5結語

為提升中順大圍水環境治理能力，本研究針對中順大圍水量水質特性，提出了一種基于閘泵群聯控的水量水質實時優化調度模型。該模型通過對圍內閘泵群的有序調度，增強了水系的水循環動力，加快了水體的交換更新；在閘泵群聯合實時優化調度模型的基礎上，進一步研發了中順大圍河網水質水動力調度模擬系統，形成了集水量水質預報-工程調度-水量水質過程模擬及風險評估-動態展示于一體的技術支撐體系。基于該系統對2個典型場景進行實例分析，結果顯示，在進行優化調度的情況下，調度時段末圍內 COD 和 NH3-N 的加權濃度分別相比不進行優化調度的情況改善了10.26%和27.27%。可見，該系統可為保障圍內水系的連通性、改善河網水環境以及確保河網區城市群的供水安全提供重要的技術支撐。

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（責任編輯：李澤華）