嘉興平原河網水質閘泵調控優(yōu)化方案淺析

姚曉萍 莫祖瀾

(1.嘉興市杭嘉湖南排工程管理局，浙江嘉興 314001;2.浙江大學土木系市政工程研究所，浙江杭州 310058)

1 概述

嘉興位于杭嘉湖平原的東部，該地區(qū)地勢較為平坦，平原面積約占99%。嘉興水網密度為全國之最，其境內河網密布、河道縱橫，全市有總長1.38萬km的河道、67個0.1km2以上的湖蕩，水面率約為7.77%，屬典型的平原河網地區(qū)。

隨著嘉興社會經濟的發(fā)展及城市化進程的不斷加快，部分單位片面追求水資源的開發(fā)與利用，而忽視了對水資源及水環(huán)境的保護，致使大量的工業(yè)廢水、禽畜養(yǎng)殖廢水和生活污水直接排入鄰近河道，對水體水質造成了嚴重的污染。

近年來，嘉興市環(huán)保局對全市境內市控以上斷面的地表水常規(guī)檢測結果進行了評價，評價標準為《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)，2008—2011年的評價結果如下頁表1所示。從中可看出，嘉興河網水環(huán)境現(xiàn)狀不容樂觀。

表1 2008—2011年嘉興市河網水質評價

2 研究區(qū)域綜述

2.1 研究區(qū)域選定

本文的研究基于嘉興市區(qū)的引水沖污示范區(qū)。示范區(qū)以北郊河、新塍塘、環(huán)城河和杭州塘為外圍，橫跨秀洲區(qū)、經濟開發(fā)區(qū)和南湖區(qū)，面積約為6km2(見圖1)。示范區(qū)內水工建筑物較多，有朱家橋閘泵站、殷家橋港閘泵站、明月河南閘、明月河北閘、石臼漾閘、明月河翻水泵站、和睦橋港堰壩、常住橋港堰壩等。

圖1 示范區(qū)內河網

2.2 研究區(qū)域內現(xiàn)有引水方案

研究區(qū)域內現(xiàn)有引水方案見表2。

表2 嘉興市6km2示范區(qū)現(xiàn)有調水方案

3 考慮引水因素約束的多目標優(yōu)化模型的構建

研究成員在2011—2013年期間在嘉興6km2示范區(qū)現(xiàn)場選取了13～14個水質監(jiān)測點，進行實地水質的調研。水質現(xiàn)場檢測或采樣的位置如圖2所示。

圖2 示范區(qū)水質現(xiàn)場檢測或采樣點位置

根據對嘉興6km2示范區(qū)實地調研所取得的基礎資料與數據，通過不斷試驗研究，模擬了嘉興河網水環(huán)境模型，并利用實測水力與水質數據對參數進行了率定與驗證。根據前期的試驗結果，將內河流速限值、外河水質和引水比例補充為閘泵調控優(yōu)化模型的約束條件，并同時完善了目標函數，得到了本文考慮引水因素的閘泵水動力調控優(yōu)化模型。

4 考慮引水因素的水動力調控優(yōu)化方案的確定

基于上文建立的多目標優(yōu)化模型，開展引水和自然因素對水體自凈能力影響的試驗研究，以及引水比例和引水水質對沖污效果影響的試驗研究。通過一系列試驗研究，得到以下三種引水方案:

a.實測外河水質情況下，其優(yōu)化引水方案為:朱家橋港泵站、殷家橋港泵站和明月河翻水泵站的引水流量分別為 0.29m3/s、1.54m3/s和 1.17m3/s，引水時間為90h、2h 和101h。

b.工況一:假定外河水平均NH3-N濃度為2.0mg/L、-N濃度為0.4mg/L、TP濃度為0.5mg/L，外河水質情況較差。由于外河水的NH3-N濃度達到了2.0mg/L，為劣Ⅴ類水，因此由本文構建的模型直接判定為各泵站不引水。但是，由于常住橋港和和睦橋港仍然每天引水，結果顯示:除了明月河的TP濃度為0.49mg/L超過Ⅴ類標準限值，其他監(jiān)測斷面的各污染物濃度均在規(guī)定的限值內。

c.工況二:假定外河水平均NH3-N濃度為0.5mg/L、-N濃度為1.5mg/L、TP濃度為0.2mg/L，外河水質情況較好。由本文構建的模型優(yōu)化得到的運行方案為:朱家橋港泵站、殷家橋港泵站和明月河翻水泵站的引水流量分別為 0.23m3/s、0.31m3/s和 0.21m3/s，引水時間為1h、1h和1h。

上述所構建的優(yōu)化方案滿足以下7個約束條件:?各泵站引水流量應在額定流量范圍內;?各泵站引水時間應在規(guī)定時間區(qū)間內;?所引外河水中NH3-N和-N的比例應在1∶3～1∶5之間，TP濃度應優(yōu)于《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)中規(guī)定的Ⅴ標準限值;?引水后內河各代表斷面的河水流速低于規(guī)定流速限值;?引水后內河各水質控制斷面的水質應優(yōu)于或達到期待的標準限值;?各閘門引水流量應在其相應水位差下的最大流量范圍內;?各閘門引水時間應在規(guī)定時間區(qū)間內。

根據各引水優(yōu)化方案及現(xiàn)有實際引水方案的試驗結果，所得的各泵站引水流量和引水時間、各內河監(jiān)測斷面的水質結果，以及總的引水費用如表3所示。本文的引水費用以泵站的電耗為基準，假設泵站揚程和效率一致，引水費用以總引水量表示。

從表3可以看出，實際引水方案雖然總引水量比最優(yōu)引水方案少，但是不能使內河所有監(jiān)測斷面的水質指標濃度達標。工況一的外河水質較差，本文模型的運行方案均不能使所有水質監(jiān)測斷面的水質指標達標，但是在本文模型的運行方案中，僅明月河TP濃度超過Ⅴ類標準;從運行費用比較，本文模型的運行電耗為0，相應的運行費用也為0，大大節(jié)省了運行費用。工況二的外河水質較好，本文模型的運行方案不僅能使水質有更好的改善，而且運行費用明顯較低。

結果表明:在外河水質條件發(fā)生變化(變好或變差)的情況下，本文建立的考慮引水因素的閘泵水動力調控優(yōu)化引水方案，避免了盲目引水或過度引水等情況的發(fā)生，可以更為有效地改善內河水水質或減少不必要的引水成本。

表3 不同引水方案下引水方案、引水結果與引水量對比

5 結論

本文在閘泵調控優(yōu)化模型的約束條件中引入了內河流速限值、外河水質和引水比例等約束變量，并在其目標函數中補充完善了閘門啟閉費用，由此得到考慮引水因素的閘泵水動力調控優(yōu)化模型。該模型能在外河水水質發(fā)生變化時及時提出更為經濟有效的引水方案，避免盲目引水導致內河水質狀況下降和過度引水導致引水費用增加等情況，在實際工程應用中有更廣的適用范圍。

6 建議

本文基于嘉興河網的水體自凈能力，通過試驗研究得到不同條件下的最優(yōu)的引水方案，并構建了平原河網水動力調控優(yōu)化模型，取得了較好的成果。但由于各方面的限制，在后續(xù)的研究中還有諸多方面有待進一步的探討和完善:

a.河網水環(huán)境模型的精度有待進一步提高。建議今后增加水質資料的收集及水質模型的率定。

b.多措施綜合治理河網水環(huán)境。引水調度能在短期內快速改善河網的水環(huán)境，但這只是一種治標不治本的措施，而且經濟投入較大。水環(huán)境的有效治理應將截污、底泥疏浚、人工浮島等有效結合起來，從根本上治理河網的水環(huán)境。■