基于模拟-优化的重污染河流闸坝群防污调控研究

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1、水利学报2013年8月SHUILIXUEBAO第44卷第8期文章编号：0559-9350（2013）08-0979-08基于模拟-优化的重污染河流闸坝群防污调控研究11，2左其亭，李冬锋（1.郑州大学水科学研究中心，河南郑州450001；2.华北水利水电学院，河南郑州450011）摘要：针对重污染河流频发的水污染事件，以淮河流域重污染河流沙颍河上的闸坝群为研究对象，基于MIKE11软件的HD和AD模块，构建了多闸坝河流的一维水动力-水质模型。在此基础上，建立了闸坝群防污调控优化模型。采用多目标遗传算法和模糊优选相结合的方法对模型求解，得到重污染河流闸坝群优化调控方案。在沙颍河的应用计算结果表明

2、，所建立的模型能够有效地适用于淮河流域所开展的多闸坝水质水量联合调度，可为重污染河流开展闸坝模拟与防污调控研究提供技术支撑。关键词：重污染河流；闸坝群；防污调控；优化模型；水动力-水质模型中图分类号：X522文献标识码：A1研究背景修建闸坝是人类合理开发利用水资源的重要手段。随着经济社会的发展，闸坝对河流水环境和水生态系统的影响逐步引起人们的重视。如何通过闸坝的科学调控以减轻闸坝对水环境产生的负面［1］影响，成为国际水文生态领域研究的热点问题，国内外学者已开展了相关研究工作。如Mccully研究表明闸坝对水环境的影响分为两个方面：一是闸坝的建筑对河流水环境的影响；二是闸坝的调控［2］对河流水环

3、境的影响。Hayes等集成了水量水质和发电的优化调度模型，以满足水库下游水质需要［3］为目标，研究了Cumberland流域水库的日调度规则。Campolo等在Arno河上的实验表明，上游水库［4］的调控能够有效的改善下游的水环境。索丽生研究了淮河闸坝、三峡大坝、海河挡潮闸等闸坝对水环境的负面影响，认为要采用工程或非工程措施，从规划设计、调度运行等方面来减少或消除闸坝［5］对生态的不利影响。张永勇等以淮河流域SWAT水文模型和相邻闸坝的水量水质模型为基础，分析［6］了沙颍河闸坝调控污染水体下泄对淮河干流下游水质的影响。李来山等以淮河部分干流、沙颍河水系、涡河水系、淮河干流南岸诸水系的闸坝为研究

4、对象，阐述淮河流域闸坝分布特征，定性分析了闸坝对水质的影响作用。重污染河流闸坝上游积聚的污水集中下泄，极易引起下游保护河段出现突发性水污染事件，然而，与此相关的研究并不深入。导致淮河突发性水污染下泄事件的直接原因，除与上游污染物大量排放有关外，也与淮河大量闸坝不合理的调控有关。过多的闸坝工程，使得闸坝上游经常蓄积大量的工业废水和生活污水，一旦集中下泄，就会造成下游河段水污染事件。1995年国务院发布的《淮河流域水污染防治暂行条例》中规定“淮河流域水闸应当在保证防汛、抗旱的前提下，兼顾上游下游水质，制定防污调控方案，避免闸控河道蓄积的污水集中下泄”。然而，在实践中如何科学地制定防污调控方案、合理

5、地调度运用闸坝群，对于有效控制突发性水污染事件是至关重要的，但相关科学研究仍较欠缺，不能有力地支撑具体实践行为。因此，本文以淮河流域所开展的闸坝群水质水量联合收稿日期：2012-12-19基金项目：国家自然科学基金（51279183、51079132）；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20094101110002）；河南省高校科技创新团队支持计划（2013）作者简介：左其亭（1967-），男，河南固始人，博士，教授，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：zuoqt@zzu.edu.cn—979—调度为背景，建立基于模拟-优化的闸坝群防污调控模型，研究针对不同水文水质条件下重污染河流

6、的闸坝群的优化调控方案。该研究对合理利用保护河段的环境容量来重新分配和适时消减重污染河流闸坝群所拦蓄的污染物总量，减少保护河段出现突发性水污染事件的概率，具有一定的指导意义。2基于模拟-优化的重污染河流闸坝群防污调控模型的构建2.1研究思路与方法为了满足重污染河流闸坝群防污调控的实际需要，本文以相邻闸坝之间的河段作为计算单元，采用数值模拟和优化调控相结合的闸坝群调控方法，构建了基于模拟的重污染河流闸坝群防污调控优化模型，该模型包含水动力-水质模型和多目标优化模型两个子模型。其中，（1）水动力-水质模型模拟闸坝群在不同的调控方案下河段洪水演进和污染物迁移扩散过程，该模型嵌入到多目标优化模型中，作

7、为多目标优化模型的约束条件进行耦合计算；（2）针对“兴利”和“防污”的目标要求，设立两个目标函数，除嵌入水动力-水质模型作为约束外，再考虑闸坝蓄水量、泄流量约束以及水量平衡、水质平衡和水质目标约束，建立多目标优化模型。图1基于模拟-优化的闸坝群防污调控方案寻找流程该优化模型的求解，采用多目标遗传算法和模糊优选相结合的方法。其基本思路是，在各约束条件下通过多目标遗传算法逐时段进行优化计算，找到各闸坝