面向水環境治理的晉安河流域“水多水動”調度方案研究

孟慶魁，胡耀華，廖衛紅，雷曉輝，王 超

（1.西北農林科技大學，陜西楊凌712100；2.中國水利水電科學研究院，北京100038）

0 引 言

隨著城市建設進程的推進，河道環境問題已成為當今最熱門的生態環境問題之一［1］。福州市位于閩江下游及沿海地區，福州內河河網水源除部分來自北部山地匯水外，主要來自閩江潮水。由于城區內河水源補給受到閩江潮汐控制，潮位差很大程度的影響到河網水質［2］。利用閘門控制水體交換，水閘會影響河網水體置換的速度。污水稀釋的條件因河道、河段而異，局部河段污水因頂托、回蕩難以排出的問題還是相當嚴重。為此，福州市城區水系聯排聯調中心提出了“水多水動”的概念，即通過上游引水以及納潮引水兩種形式實現內河水位合理分配，保持內河流速與景觀水位。

結合水動力與水質的聯合調度是實現社會經濟與生態環境協調發展的有效舉措，是當今國內外水科學的前沿和熱點之一［3］。目前常通過閘泵調度來實現水體交換與流動以改善水質。在國外很早就開始了這方面的研究，目前比較成熟的模型有美國環保部開發的SWMM 模型和HSPF［4，6］模型，美國水文工程中心開發的STORM［7］模型，美國地質勘查局開發的DR3MQUAL［8］模型，美國農業部開發的SWAT模型［9，10］以及英國Walling Ford 公司開發的Infoworks ICM 等。國內開展閘泵調度優化及其影響的研究呈較快發展態勢。鄭保強等人［11］通過一維的水環境數學模型來進行水閘調度的模擬，評估了水閘調度對河流水質的影響。邢寶龍等人［12］用SCE－UA 算法優化了水閘調度參數，提高了計算效率。梁志宏等人［13］建立了一二維潮流數值模型以優化網河水系水閘群聯合調度的方法。徐貴泉等人［14］利用黃浦江水系、崇明島河網水量水質模型，從引排水口配置、水閘開啟方式等研究了分片水資源調度優化方案。在各種模型逐漸成熟后，后人開始運用現有模型進行不同區域的研究。樊智等［15］應用MIKE 21 水動力水質模型，研究東太湖吳江應急水源地的涵閘調度規則，綜合考慮水質優化、控藻和運行成本，制定一套全年調度方案，為應急水源地的調度管理提供支持。張海軍等［16］同樣運用MIKE 21 建了嘉興市區一維河網水動力水質耦合模型，應用所構建的模型，評估現狀調度方案的水質改善效果，提出優化調度原則，探索優化調度方案。周川等［17］選用Infoworks ICM 軟件建立華北某市H 河水質模型，通過水質模型分析現況采取的治理措施無法使河水達到地表水準IV類標準，驗證了軟件在水質模型應用方面的作用。龍華等［18］利用MIKE HYDRO搭建通順河河網一維水動力水質模型，以水環境質量改善為出發點，制定通順河流域水資源調度方案。楊衛等［19］采用基于DEM 的平面二維水動力-水質模型，分析5 種引水流量工況下湯遜湖的水環境改善效果，對不同引水方案的環境效益進行評估。劉非等［20］將城市綜合流域排水模型（ICM，Integrated Catchment Management Model）應用于武漢長江隧道及其周邊區域利用修正的Morris篩選法定量分析ICM 模型中水文參數的局部靈敏度，并采用統計學方法分析各參數敏感度值的穩定性，為模型的參數率定提供參考。

針對福州市內河水質問題，目前這方面的研究較少。為了維持福州市河道水位達到景觀水位且有效的緩解水質污染問題，本文針對福州市中心城區晉安河-光明港流域河網，通過InfoWorks ICM 水動力模型，建立一維非恒定流Saint-Venant 方程組來模擬河流及河口的水流狀態，通過對比9 種不同的調水試驗，進行閘泵配置調整，選擇了最優的調度方案。同時，建立水質模型，進行水環境調度模擬，以生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，簡稱BOD）等級從Ⅳ類變為Ⅲ類的時長此作為目標函數之一進行調度方案的評價，最終給出了各個目標函數都最優的調度方案，對有效解決福州市內河水位不高及水質污染問題有重要意義。

1 研究區域概況

福州市城區內河密布，共有42 條，總長99.3 km，水網平均密度達3 km/km2以上。福州內河與閩江下游感潮河道相連，受潮汐影響，內河潮漲潮落，歷來是福州航運、排澇等的主要河道。閩江全長530 km，在福州市境內150 km；流域面積60 992 km2，在福州市境內8 011.27 km2。晉安河是福州市內最長的城市內河，橫跨晉安區南北，全長6.68 km，2019年全年平均水位3.69 m。光明港為江北城區末端水系，為城區蓄滯洪區，長約6.79 km，2019年全年平均水位3.61 m。其河道水位均隨閩江潮位變化而變化，無法維持在穩定狀態。福州市重點河道斷面水質均在Ⅲ級及以上，部分斷面水質常年在Ⅴ級及以上。其中晉安河-光明港流域各支河具體位置如圖1所示。

根據實際調控經驗，一般通過86 師水閘調節，在上游引水泵站分別開啟2、3、4 臺機組情況下，分配到晉安河的流量分別為10、17.5、25 m3/s。在沿江水閘中，在內外水頭差大于0.5 m時，由于同步門槽誤差等問題，水閘摩擦力增大，啟閉機動力不足，水閘啟閉困難，因此，在內外水頭差大于0.5 m 時無法啟閉閘門，且只能全開或全閉。各個閘站參數如表1所示。

表1 沿江閘站參數表Tab.1 Gate parameter table

在內河水位較高時，晉安河-光明港流域主要通過魁岐排澇站、魁岐排澇二站、東風排澇站和紅星泵站來調控水位。各個排澇站主要參數如表2所示。

由表2 可知，魁岐排澇站、魁岐排澇二站單泵流量大數量少，而東風排澇站和紅星泵站單泵流量小數量多。在實際排水過程中，應由魁岐排澇站、魁岐排澇二站承擔主要排水任務，東風排澇站和紅星泵站用于精確調控水位。各個閘泵位置如圖1所示。

圖1 晉安河-光明港流域主要河道及水工設施Fig.1 Main river channels and hydraulic facilities in the Jinan River-Guangming Port basin

表2 排水泵站參數表Tab.2 Drainage pump station parameter table

因此，通過閘泵來調控水位應注意以下幾點：①魁岐排澇站流量過大，在沒有大規模排澇任務時一般不開啟。②魁岐排澇二站單泵設計流量26.7 m3/s，與上游來水工況25 m3/s 最為接近，在引水量保持25 m3/s，外江高潮位時，所有閘門關閉，此時，魁岐排澇二站應承擔主要排水任務。③東風排澇站流量小數量多，可通過不同開泵數量組合，來填充上游來水與魁岐排澇二站排水的流量差，實現精確調控。

2 模型原理與模型建立

2.1 模型原理

InfoWorks ICM 的全稱是城市綜合流域排水模型，該模型廣泛應用于排水系統現狀評估、洪澇災害評估和調蓄池設計與控制模擬等［21，22］。InfoWorks ICM 利用降雨模塊、產流模塊、匯流模塊和管流模塊來模擬一場降雨的整個水文過程。軟件采用分布式的模型模擬降雨，徑流的過程，根據地面的位置以及不同組成要素的地面產流特征對集水區進行劃分，以此提高模型的準確性［23］。InfoWorks ICM 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：

水流連續方程：

水流運動方程：

式中：x為里程；t為時間；Z為水位；B為過水斷面水面寬度；Q為流量；q為側向單寬流量，正值表示流入，負值表示流出；A為過水斷面面積；g為重力加速度；u為斷面平均流速；β為校正系數；R為水力半徑；c為謝才系數為曼寧糙率系數。

由質量守恒定理可以得到水質模型的控制方程一維形式如下：

式中：c為水質組分濃度；u為水流流速；E為擴散系數；s為源匯項。

本研究以BOD 為例，模擬河道內污染物濃度變化情況。BOD是指在一定條件下，微生物（主要是細菌及其酶）分解存在于水中的可生化降解有機物所進行的生物化學反應過程中消耗溶解氧量。BOD 的濃度能夠有效的反應水體的污染程度［24，25］。

2.2 河網概化

福州市江北城區涉及眾多的河道及湖泊，需先將河網進行概化。經概化后，河網應能夠反映本地區天然河網的水動力情況，其概化原則是：等效原則及調蓄容積不變原則。在本文中，該區域水系的概化過程是在天然河網的基礎上進行合并，將河網中主要河道依據以上原則進行概化后，可得到如圖2 所示的概化河網。然后將全部124 個斷面數據按照Info works ICM 的格式進行處理后批量導入軟件中。

圖2 福州市晉安河-光明港流域河網概化圖Fig.2 Generalized map of river network in Jinan River-Guangming Port Basin of Fuzhou

2.3 邊界條件

在應用水動力學數學模型進行河網非恒定流模擬時，必須預先給出對應于計算時段邊界條件的全過程。潮位過程如圖3所示。該過程最高潮位約5.6 m，最低0.9 m。因福州市水質監測站點正在建設中，并無詳細各種污染物濃度數據，因此本研究采用水質等級來進行水質狀況描述與模擬。如圖4 所示，上游邊界是通過上游泵站向晉安河流域補充的水量，依據所開泵數量不同分為25、17.5、10 m3/s。下游邊界為江四水閘、紅星水閘、鰲峰水閘和魁岐水閘外從2018年9月24日至2018年9月30日的實測潮位，在此時間段內無降雨。

圖3 閩江潮位圖Fig.3 Tidal map of Minjiang River

2.4 模型建立

通過上述方法及過程建立了一維水動力模型，如圖4 所示即為一維水動力模型示意圖。

圖4 一維水動力模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of one-dimensional hydrodynamic model

2.5 模型率定

非汛期及無降水的模型率定采用的外江潮位數據是10%保證率的大潮潮位，取2018年9月29日的典型潮位過程，及同時段晉安河水位測站觀測數據，并選用沿江閘站的記錄數據作為模型邊界，對模型進行率定。根據葉陳雷等人［26］的研究內容，對于河道模型權重最高的參數為河道糙率值。最終率定結果取河道糙率值為0.033。模型最終的模擬結果與實測過程對比分析見圖5。實測水位與模擬水位誤差分析如表3 所示，從表中可以看出誤差范圍幾乎均在±0.1 m，可知兩者的水位變化趨勢一致，擬合較好。由此可知模型選擇的參數合理，可以用于模擬分析。

表3 模型率定結果Tab.3 Model calibration results

圖5 典型潮位過程線下晉安河水位過程率定結果Fig.5 The calibration results of the Jin'an River water level process under the typical tide level process line

3 閘泵控制方案設置

3.1 調度目標

晉安河要求景觀水位要達到4.2 m，因此“水多水動”調度目標擬定為內河各個斷面水位需要精確穩定控制在4.2±0.1 m內。晉安河流域按照國家標準要求水質達到Ⅲ類水的標準。

在情景模擬分析時，考慮到對城區水系的空間覆蓋程度，選取8 組河道斷面，以8 組研究對象的水位未達到景觀水位的平均時長作為指標之一進行調度方案的評價。其中光明港一支河的景觀水位為4.2 m，光明港二支河的景觀水位為3.7 m，紅星河的景觀水位為3.9 m。選取的8 組重點研究對象涵蓋了晉安河-光明港流域的上中下游，具體位置如圖6所示。

圖6 福州城區8組重點庫湖及斷面Fig.6 Eight groups of key reservoir lakes and sections in Fuzhou urban area

除此之外，在情景模擬分析時，考慮經濟效益問題，還將水泵開啟總時長，閘門啟閉次數作為目標函數進行綜合分析對比。同時結合水環境調度，將晉安河-光明港流域水質從Ⅳ類水變為Ⅲ類水的時長作為目標函數之一進行調度方案的評價。

3.2 調度方案擬定

維持內河水位，首先需要水位上漲到要求水位，然后進行水位保持。內河水位上漲主要有以下兩種方式：①依靠文山里泵站引水，若初始內河水位為3.2 m，僅依靠25 m3/s 引水流量，下游所有閘門保持關閉，河道水位上漲過程如圖7 所示，由3.2 m 漲至4.5 m 約用時17～18 h。②依靠外江潮位納潮補水，若起調內河水位為3.2 m，保持上游25 m3/s 引水流量，當外江水位高于3.2 m 時開啟下游所有閘門納潮引水，河道水位過程如圖8，可知，內河水位幾乎保持與外江一致，水位從3.2 m上漲至4.5 m僅需2.5 h。

圖7 依靠文山里泵站引水河道水位上漲過程圖Fig.7 Process diagram of water level rise in water diversion channel relying on Wenshanli Pumping Station

圖8 依靠閩江潮位納潮補水河道水位上漲過程圖Fig.8 Relying on the rising process chart of the water level of the Minjiang River tide level

根據上文分析，結合實際調度經驗，在維持水位4.2 m 目標下，需要進行兩個階段的調控：第一個階段為納潮引水階段，高潮位期間，關閉所有水閘，若閘內水位超過4.3 m，開啟魁岐排澇二站排澇機組排水，當閘內水位降到3.9 m 時，排澇機組停止抽排，進入保水階段。

第二個階段為水位保持階段，依據實際調控經驗，一般運用魁岐水閘、江四水閘和紅星水閘來調控水位。調控方式有如下3種。

調控方式一：當閘外水位低于閘內水位，開啟魁岐水閘和紅星水閘，同時關閉魁岐排澇二站機組；待閘內水位降低至4.1 m 時關閉魁岐水閘和紅星水閘，通過魁岐排澇二站機組控制水位；調控方式二：當閘外水位低于閘內水位，開啟魁岐水閘和紅星水閘，同時關閉魁岐排澇二站機組；待閘內水位降低至4.1 m時關閉魁岐水閘3、4、5 號閘門和紅星水閘，魁岐水閘1、2 號門保持開啟，直到下次漲潮時，關閉水閘；調控方式三：當閘外水位低于閘內水位，開啟魁岐水閘和紅星水閘，同時關閉魁岐排澇二站機組；待閘內水位降低至4.1 m 時關閉魁岐水閘和紅星水閘，開啟江四水閘，直到下次漲潮時，關閉水閘。3 種調控方式區別在于水位保持階段的閘泵控制規則不相同。

綜上所述，針對晉安河-光明港流域在維持水位4.2 m 目標下，對不同的調度方案進行命名，如表4 為晉安河-光明港流域在維持水位4.2 m情景下的不同調度方案表。

表4 晉安河-光明港流域維持4.2 m情景下不同調度方案Tab.4 Different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

4 結果與討論

4.1 “水多水動”調度

將上述9 種調度方案進行模擬，可以分別得到各調度方案的模擬結果。魁岐水閘處的外江潮位，內河水位，閘門流量時間變化曲線如圖9所示。

圖9 各方案魁岐水閘處各數據曲線圖（2018年）Fig.9 Various data curve diagrams of Kuiqi sluice in various schemes

將各個目標函數的結果進行統計，得到如表5 各個方案的對比結果。模擬總時長為10 080 min。

表5 晉安河-光明港流域維持4.2 m情景下不同調度方案結果對比Tab.5 Comparison of the results of different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

通過對表5 結果的對比可以看出上游25 m3/s 流量下，方案三泵站開啟時間最短，為180 min，閘門開啟次數最少，重點斷面未達到景觀水位時長與其他方案相差較小，因此推薦方案為方案三。同樣的，通過對比泵站開啟時間、閘門開啟次數及重點斷面未達景觀水位平均時長可以得出上游17.5 m3/s 流量下，推薦方案為方案五；上游10 m3/s流量下，推薦方案為方案七。

4.2 水環境調度

在模型中，設置內河水質等級為Ⅳ類，閩江水質等級為Ⅲ類。晉安河與光明港交匯處BOD濃度變化情況如圖10所示。

圖10 晉安河與光明港交匯處BOD濃度變化情況（2018年）Fig.10 Changes in BOD concentration at the junction of Jin'an River and Guangming Port

從模擬結果可以看出，在水閘打開的時間段內，內河污染物濃度迅速降低，從Ⅳ類達到Ⅲ類的標準；水閘關閉期間，內河污染物濃度從Ⅳ類逐漸降低，可以達到改善內河水質的目的。將“水多水動”調度不同流量下的推薦方案，進行水質模擬，上述3 種推薦方案的模擬結果如圖11 所示。統計其水質從Ⅳ類變為Ⅲ類的總時間，結果如表6所示。

表6 晉安河-光明港流域維持4.2 m情景下不同調度方案結果對比Tab.6 Comparison of the results of different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

圖11 3種方案晉安河與光明港交匯處BOD濃度變化曲線圖（2018年）Fig.11 Three schemes of BOD concentration change curve at the intersection of Jin'an River and Guangming Port

從表6可以看出，維持水位4.2 m情況下，在方案三中，晉安河水質從Ⅳ類變為Ⅲ類的時間最短。因此當水環境發生污染后，最優的調度方案為上游文山里泵站引水25 m3/s，下游調控方式為：高潮位期間，關閉所有水閘，若閘內水位超過4.3 m，開啟魁岐排澇二站排澇機組排水，當閘內水位降到4.1 m 時，排澇機組停止抽排；當閩江潮位退潮時，閘外水位低于閘內水位，開啟魁岐水閘和紅星水閘，同時關閉魁岐排澇二站機組；待閘內水位降低至4.1 m 時關閉魁岐水閘和紅星水閘，開啟江四水閘，直到下次漲潮時，關閉水閘。這種調控方式既能在較低能耗的情況下滿足維持河道水位的目標，又能在水質不達標的情況下最為迅速的使河道水質達到要求。

5 結 論

（1）本文分析了福州市當前河道水位及水質方面面臨的問題，建立了一維河道模型及水質模型，通過模型率定，河道水位誤差在±0.1 m，模型參數選擇合理，模擬結果較好。進一步驗證了Infoworks ICM 模型在一維河道模型建立的可靠性。

（2）針對如何維持河道水位的問題，在模型中進行了多種調度方案的模擬，通過能夠達到維持水位目標、閘門開啟次數、水泵開啟時長以及重點斷面未達到景觀水位平均時長作為目標函數進行方案評價，在能達到景觀水位要求的同時滿足了經濟效益的最優，為“水多水動”調度方案的選擇提供依據。最終針對上游不同流量情況，分別推薦了調度方案。

（3）針對水環境污染問題，對“水多水動”的推薦調度方案進行水環境調度模擬，以水質等級從Ⅳ類變為Ⅲ類的時間作為目標函數對方案進行進一步的評價，對調度方案進行進一步的評價，提出了能夠更快解決水污染問題的方案。最終推薦的調度方案既可以在最低電量消耗下滿足福州市維持河道水位的需求，又可以在發生水環境污染時最快的解決水質污染問題。