徐繼紅

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)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(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)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(dòng)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(guó)內(nèi)研究起步較晚，但發(fā)展很快，對(duì)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(qiáng)調(diào)水量，而對(duì)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(duì)其研究很少。往往早期投巨資修建，但缺乏后期運(yùn)行維護(hù)，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(píng)價(jià)法求解，最終提出合理的景觀水體運(yùn)行方式及水質(zhì)處理措施，使水體日均費(fèi)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(bǔ)充。在景觀水體的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)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(chǎng)地用水(綠化灌溉、噴灑路面等)。在水量平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定水體損失量和補(bǔ)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(duì)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(shí)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)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(duì)于景觀水而言，自來水的費(fèi)用較高，一般不使用自來水作為補(bǔ)充水源；景觀水體大多處于城區(qū)，距離天然河流、湖泊、水庫(kù)等都比較遠(yuǎn)，長(zhǎng)距離的輸送水顯然在經(jīng)濟(jì)和實(shí)際操作中也不太現(xiàn)實(shí)。利用再生水補(bǔ)給景觀水，可以降低經(jīng)濟(jì)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(bǔ)充水源。但是在追求再生水回收利用的低水價(jià)帶來的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也要考慮到其水質(zhì)問題。景觀水體的流動(dòng)性比較差，補(bǔ)充再生水之后很容易使藻類過量繁殖，水體富營(yíng)養(yǎng)化。

a. 大氣降水

Wy=P(A+Aj)

(3)

式中Wy——景觀水體一段時(shí)間內(nèi)接納的雨水量，m3；

P——景觀水體一段時(shí)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(bǔ)水(再生水)

Wb=Wz+Ws-Wy

(4)

式中Wb——景觀水體一段時(shí)間的補(bǔ)充水量，m3。

1.2 水體水質(zhì)維護(hù)

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(yíng)養(yǎng)化，達(dá)不到國(guó)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(dá)標(biāo)。其中要遵循的原則為：經(jīng)濟(jì)實(shí)用；提高補(bǔ)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(bǔ)充與水質(zhì)維護(hù)的各種技術(shù)方案，在滿足景觀水體水位、水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，使運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用達(dá)到最小，從而實(shí)現(xiàn)景觀河湖的各項(xiàng)功能。一般景觀水日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要由補(bǔ)水的水費(fèi)、保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的處理成本及運(yùn)行電費(fèi)等組成，以景觀水體運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)：

E=Eb+Ec+Ed

(5)

式中E——水體日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)；Eb——達(dá)到目標(biāo)水位所需的補(bǔ)充水的水費(fèi)；Ec——保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)的處理費(fèi)用；Ed——景觀水運(yùn)行的電費(fèi)。

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(dá)到常水位以實(shí)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(bǔ)水要求的水位上、下限。

b. 為了抑制藻類生長(zhǎng)，防止水體富營(yíng)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(bǔ)充水必須先經(jīng)過處理再進(jìn)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(shí)間表示：

θ1≤θ≤θ2

(8)

式中θ，θ1，θ2——水力停留時(shí)間及水力停留時(shí)間上、下限。

d. 景觀水體中的水體水質(zhì)應(yīng)滿足國(guó)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(bǔ)水前、后水量應(yīng)保持平衡：

Wq+Wb+Wy-Wz-Ws=Wh

(10)

式中Wq，Wh——補(bǔ)水前后景觀水水體水量。

f. 日補(bǔ)充水量受補(bǔ)充水源及補(bǔ)水設(shè)備供水能力約束：

Qb≤min{Qy，Qs}

(11)

式中Qb——日補(bǔ)充水量；Qy、Qs——補(bǔ)充水源及補(bǔ)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(shí)現(xiàn)[8]。

2 模型應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

以新疆庫(kù)爾勒市杜鵑河城市景觀水體為研究對(duì)象，該區(qū)域?qū)儆谫Y源型缺水地區(qū)?？紤]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(bǔ)充景觀水；冬季(12月、1月、2月)屬于冰凍期，不考慮補(bǔ)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(jì)的水量補(bǔ)充措施并且考慮到水質(zhì)及該區(qū)對(duì)景觀水體水質(zhì)要求，采用推動(dòng)水體循環(huán)和濕地處理相結(jié)合的方法維護(hù)水體水質(zhì)，防止水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化。通過優(yōu)化景觀水體的調(diào)度方案，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(bǔ)充

根據(jù)該區(qū)域多年水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(jì)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(duì)景觀水體的補(bǔ)充，則再生水日補(bǔ)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(bǔ)水時(shí)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(bǔ)水費(fèi)用，確定補(bǔ)水目標(biāo)水位為2.2m。

2.2.3 補(bǔ)水期及維護(hù)期的確定

一般情況下，景觀水體的補(bǔ)水方式為間歇補(bǔ)水，具體來說，當(dāng)水位降低至某一水位時(shí)，集中補(bǔ)充一段時(shí)間——補(bǔ)水期(tb)；當(dāng)水位達(dá)到要求水位后停止補(bǔ)水，由于蒸發(fā)和滲漏等損失，水位會(huì)下降；當(dāng)降低到設(shè)定水位時(shí)，再次補(bǔ)水，這期間為維持期(tw)。補(bǔ)水期+維持期為一個(gè)完整的補(bǔ)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(bǔ)水量W=0.2×1.20×106=24萬m3

由于受再生水補(bǔ)充水源及補(bǔ)水設(shè)施供水能力的限制，其日補(bǔ)水量不能太大，tb不能太短；但tb過長(zhǎng)，則日補(bǔ)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(zhǎng)期不能達(dá)到目標(biāo)水位，影響河湖景觀美感要求，因此設(shè)定補(bǔ)水期為15～30d。停止補(bǔ)水后，進(jìn)入維持期，維護(hù)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(hù)費(fèi)用最?。?/p>

(12)

式中f——景觀水體日平均維護(hù)費(fèi)用，元/d；Ewater——達(dá)到目標(biāo)水位所補(bǔ)充的再生水水費(fèi)，元；

Eele——補(bǔ)水期內(nèi)再生水補(bǔ)充泵所耗電費(fèi)，元；

Ecir-ele——補(bǔ)水期內(nèi)循環(huán)泵所耗電費(fèi)，元。

2.3.2 約束條件

a. 河湖達(dá)到常水位，以實(shí)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(zhǎng)，防止水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，并使循環(huán)費(fèi)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(shí)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(bǔ)水前后水量平衡：

Wq+Wb-Wz-Ws=Wh

(13)

f. 日補(bǔ)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(bǔ)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(shí)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(jì)算步驟為：?隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)初始父代種群P0，對(duì)種群進(jìn)行非劣排序并賦秩于每個(gè)個(gè)體，然后進(jìn)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(jìn)化代數(shù)t=0；?產(chǎn)生新的規(guī)模為2N的種群Rt=Pt∪Qt，對(duì)該種群按照非劣排序，并確定其非劣前端F1，F(xiàn)2，…；?對(duì)所有的Fi按照擁擠度距離機(jī)制進(jìn)行排序，選擇其中最好的N個(gè)個(gè)體產(chǎn)生新的種群Pt+1；?對(duì)新種群Pt+1進(jìn)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(dá)到終止條件或進(jìn)化代數(shù)達(dá)到最大，若是，進(jìn)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(bǔ)充量Qbd為5440m3/d，初始水深H為2.0m，補(bǔ)水期tb為25d，維持期tw為44d，停留時(shí)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(jìn)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(jì)算權(quán)重方法——模糊層次分析法(FAHP)確定調(diào)度方案評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法(TOPSIS)計(jì)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(yùn)行方案：補(bǔ)水期tb=30d；水力停留時(shí)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(bǔ)水周期內(nèi)日平均運(yùn)行費(fèi)用為5822元。對(duì)比tb分別為15d、20d、25d和30d的調(diào)度方案，可知日均維護(hù)費(fèi)用隨補(bǔ)水周期的增長(zhǎng)而降低，因此在滿足補(bǔ)水期約束的前提下，盡量延長(zhǎng)補(bǔ)水期可以降低日平均維護(hù)費(fèi)用。

3 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)能降耗成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而景觀水體在運(yùn)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(yùn)行維護(hù)中，在小流域范圍內(nèi)進(jìn)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(bǔ)充與水質(zhì)保持技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合補(bǔ)水方式、補(bǔ)水量、補(bǔ)水周期、河道水體循環(huán)及循環(huán)周期等運(yùn)行參數(shù)的合理確定，建立景觀水體運(yùn)行與維護(hù)的優(yōu)化調(diào)度模型，確保在水體水位適當(dāng)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下，降低景觀水體維護(hù)運(yùn)行管理費(fèi)用，以發(fā)揮景觀水體的最大功能和效益。同時(shí)結(jié)合實(shí)例，通過優(yōu)化調(diào)度模型的分析計(jì)算，結(jié)合NSGA-Ⅱ算法、模糊層次分析法以及綜合距離評(píng)價(jià)法，確定經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)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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