孟慶魁，胡耀華，廖衛(wèi)紅，雷曉輝，王 超

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

0 引 言

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，河道環(huán)境問(wèn)題已成為當(dāng)今最熱門(mén)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一［1］。福州市位于閩江下游及沿海地區(qū)，福州內(nèi)河河網(wǎng)水源除部分來(lái)自北部山地匯水外，主要來(lái)自閩江潮水。由于城區(qū)內(nèi)河水源補(bǔ)給受到閩江潮汐控制，潮位差很大程度的影響到河網(wǎng)水質(zhì)［2］。利用閘門(mén)控制水體交換，水閘會(huì)影響河網(wǎng)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(wèn)題還是相當(dāng)嚴(yán)重。為此，福州市城區(qū)水系聯(lián)排聯(lián)調(diào)中心提出了“水多水動(dòng)”的概念，即通過(guò)上游引水以及納潮引水兩種形式實(shí)現(xiàn)內(nèi)河水位合理分配，保持內(nèi)河流速與景觀(guān)水位。

結(jié)合水動(dòng)力與水質(zhì)的聯(lián)合調(diào)度是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的有效舉措，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外水科學(xué)的前沿和熱點(diǎn)之一［3］。目前常通過(guò)閘泵調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)水體交換與流動(dòng)以改善水質(zhì)。在國(guó)外很早就開(kāi)始了這方面的研究，目前比較成熟的模型有美國(guó)環(huán)保部開(kāi)發(fā)的SWMM 模型和HSPF［4，6］模型，美國(guó)水文工程中心開(kāi)發(fā)的STORM［7］模型，美國(guó)地質(zhì)勘查局開(kāi)發(fā)的DR3MQUAL［8］模型，美國(guó)農(nóng)業(yè)部開(kāi)發(fā)的SWAT模型［9，10］以及英國(guó)Walling Ford 公司開(kāi)發(fā)的Infoworks ICM 等。國(guó)內(nèi)開(kāi)展閘泵調(diào)度優(yōu)化及其影響的研究呈較快發(fā)展態(tài)勢(shì)。鄭保強(qiáng)等人［11］通過(guò)一維的水環(huán)境數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行水閘調(diào)度的模擬，評(píng)估了水閘調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)的影響。邢寶龍等人［12］用SCE－UA 算法優(yōu)化了水閘調(diào)度參數(shù)，提高了計(jì)算效率。梁志宏等人［13］建立了一二維潮流數(shù)值模型以?xún)?yōu)化網(wǎng)河水系水閘群聯(lián)合調(diào)度的方法。徐貴泉等人［14］利用黃浦江水系、崇明島河網(wǎng)水量水質(zhì)模型，從引排水口配置、水閘開(kāi)啟方式等研究了分片水資源調(diào)度優(yōu)化方案。在各種模型逐漸成熟后，后人開(kāi)始運(yùn)用現(xiàn)有模型進(jìn)行不同區(qū)域的研究。樊智等［15］應(yīng)用MIKE 21 水動(dòng)力水質(zhì)模型，研究東太湖吳江應(yīng)急水源地的涵閘調(diào)度規(guī)則，綜合考慮水質(zhì)優(yōu)化、控藻和運(yùn)行成本，制定一套全年調(diào)度方案，為應(yīng)急水源地的調(diào)度管理提供支持。張海軍等［16］同樣運(yùn)用MIKE 21 建了嘉興市區(qū)一維河網(wǎng)水動(dòng)力水質(zhì)耦合模型，應(yīng)用所構(gòu)建的模型，評(píng)估現(xiàn)狀調(diào)度方案的水質(zhì)改善效果，提出優(yōu)化調(diào)度原則，探索優(yōu)化調(diào)度方案。周川等［17］選用Infoworks ICM 軟件建立華北某市H 河水質(zhì)模型，通過(guò)水質(zhì)模型分析現(xiàn)況采取的治理措施無(wú)法使河水達(dá)到地表水準(zhǔn)IV類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了軟件在水質(zhì)模型應(yīng)用方面的作用。龍華等［18］利用MIKE HYDRO搭建通順河河網(wǎng)一維水動(dòng)力水質(zhì)模型，以水環(huán)境質(zhì)量改善為出發(fā)點(diǎn)，制定通順河流域水資源調(diào)度方案。楊衛(wèi)等［19］采用基于DEM 的平面二維水動(dòng)力-水質(zhì)模型，分析5 種引水流量工況下湯遜湖的水環(huán)境改善效果，對(duì)不同引水方案的環(huán)境效益進(jìn)行評(píng)估。劉非等［20］將城市綜合流域排水模型（ICM，Integrated Catchment Management Model）應(yīng)用于武漢長(zhǎng)江隧道及其周邊區(qū)域利用修正的Morris篩選法定量分析ICM 模型中水文參數(shù)的局部靈敏度，并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析各參數(shù)敏感度值的穩(wěn)定性，為模型的參數(shù)率定提供參考。

針對(duì)福州市內(nèi)河水質(zhì)問(wèn)題，目前這方面的研究較少。為了維持福州市河道水位達(dá)到景觀(guān)水位且有效的緩解水質(zhì)污染問(wèn)題，本文針對(duì)福州市中心城區(qū)晉安河-光明港流域河網(wǎng)，通過(guò)InfoWorks ICM 水動(dòng)力模型，建立一維非恒定流Saint-Venant 方程組來(lái)模擬河流及河口的水流狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比9 種不同的調(diào)水試驗(yàn)，進(jìn)行閘泵配置調(diào)整，選擇了最優(yōu)的調(diào)度方案。同時(shí)，建立水質(zhì)模型，進(jìn)行水環(huán)境調(diào)度模擬，以生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，簡(jiǎn)稱(chēng)BOD）等級(jí)從Ⅳ類(lèi)變?yōu)棰箢?lèi)的時(shí)長(zhǎng)此作為目標(biāo)函數(shù)之一進(jìn)行調(diào)度方案的評(píng)價(jià)，最終給出了各個(gè)目標(biāo)函數(shù)都最優(yōu)的調(diào)度方案，對(duì)有效解決福州市內(nèi)河水位不高及水質(zhì)污染問(wèn)題有重要意義。

1 研究區(qū)域概況

福州市城區(qū)內(nèi)河密布，共有42 條，總長(zhǎng)99.3 km，水網(wǎng)平均密度達(dá)3 km/km2以上。福州內(nèi)河與閩江下游感潮河道相連，受潮汐影響，內(nèi)河潮漲潮落，歷來(lái)是福州航運(yùn)、排澇等的主要河道。閩江全長(zhǎng)530 km，在福州市境內(nèi)150 km；流域面積60 992 km2，在福州市境內(nèi)8 011.27 km2。晉安河是福州市內(nèi)最長(zhǎng)的城市內(nèi)河，橫跨晉安區(qū)南北，全長(zhǎng)6.68 km，2019年全年平均水位3.69 m。光明港為江北城區(qū)末端水系，為城區(qū)蓄滯洪區(qū)，長(zhǎng)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(wú)法維持在穩(wěn)定狀態(tài)。福州市重點(diǎn)河道斷面水質(zhì)均在Ⅲ級(jí)及以上，部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)常年在Ⅴ級(jí)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(jù)實(shí)際調(diào)控經(jīng)驗(yàn)，一般通過(guò)86 師水閘調(diào)節(jié)，在上游引水泵站分別開(kāi)啟2、3、4 臺(tái)機(jī)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(nèi)外水頭差大于0.5 m時(shí)，由于同步門(mén)槽誤差等問(wèn)題，水閘摩擦力增大，啟閉機(jī)動(dòng)力不足，水閘啟閉困難，因此，在內(nèi)外水頭差大于0.5 m 時(shí)無(wú)法啟閉閘門(mén)，且只能全開(kāi)或全閉。各個(gè)閘站參數(shù)如表1所示。

表1 沿江閘站參數(shù)表Tab.1 Gate parameter table

在內(nèi)河水位較高時(shí)，晉安河-光明港流域主要通過(guò)魁岐排澇站、魁岐排澇二站、東風(fēng)排澇站和紅星泵站來(lái)調(diào)控水位。各個(gè)排澇站主要參數(shù)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(shù)量少，而東風(fēng)排澇站和紅星泵站單泵流量小數(shù)量多。在實(shí)際排水過(guò)程中，應(yīng)由魁岐排澇站、魁岐排澇二站承擔(dān)主要排水任務(wù)，東風(fēng)排澇站和紅星泵站用于精確調(diào)控水位。各個(gè)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(shè)施Fig.1 Main river channels and hydraulic facilities in the Jinan River-Guangming Port basin

表2 排水泵站參數(shù)表Tab.2 Drainage pump station parameter table

因此，通過(guò)閘泵來(lái)調(diào)控水位應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①魁岐排澇站流量過(guò)大，在沒(méi)有大規(guī)模排澇任務(wù)時(shí)一般不開(kāi)啟。②魁岐排澇二站單泵設(shè)計(jì)流量26.7 m3/s，與上游來(lái)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(shí)，所有閘門(mén)關(guān)閉，此時(shí)，魁岐排澇二站應(yīng)承擔(dān)主要排水任務(wù)。③東風(fēng)排澇站流量小數(shù)量多，可通過(guò)不同開(kāi)泵數(shù)量組合，來(lái)填充上游來(lái)水與魁岐排澇二站排水的流量差，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控。

2 模型原理與模型建立

2.1 模型原理

InfoWorks ICM 的全稱(chēng)是城市綜合流域排水模型，該模型廣泛應(yīng)用于排水系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)估、洪澇災(zāi)害評(píng)估和調(diào)蓄池設(shè)計(jì)與控制模擬等［21，22］。InfoWorks ICM 利用降雨模塊、產(chǎn)流模塊、匯流模塊和管流模塊來(lái)模擬一場(chǎng)降雨的整個(gè)水文過(guò)程。軟件采用分布式的模型模擬降雨，徑流的過(guò)程，根據(jù)地面的位置以及不同組成要素的地面產(chǎn)流特征對(duì)集水區(qū)進(jìn)行劃分，以此提高模型的準(zhǔn)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(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程：

水流連續(xù)方程：

水流運(yùn)動(dòng)方程：

式中：x為里程；t為時(shí)間；Z為水位；B為過(guò)水?dāng)嗝嫠鎸挾龋籕為流量；q為側(cè)向單寬流量，正值表示流入，負(fù)值表示流出；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；g為重力加速度；u為斷面平均流速；β為校正系數(shù)；R為水力半徑；c為謝才系數(shù)為曼寧糙率系數(shù)。

由質(zhì)量守恒定理可以得到水質(zhì)模型的控制方程一維形式如下：

式中：c為水質(zhì)組分濃度；u為水流流速；E為擴(kuò)散系數(shù)；s為源匯項(xiàng)。

本研究以BOD 為例，模擬河道內(nèi)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(xì)菌及其酶）分解存在于水中的可生化降解有機(jī)物所進(jìn)行的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中消耗溶解氧量。BOD 的濃度能夠有效的反應(yīng)水體的污染程度［24，25］。

2.2 河網(wǎng)概化

福州市江北城區(qū)涉及眾多的河道及湖泊，需先將河網(wǎng)進(jìn)行概化。經(jīng)概化后，河網(wǎng)應(yīng)能夠反映本地區(qū)天然河網(wǎng)的水動(dòng)力情況，其概化原則是：等效原則及調(diào)蓄容積不變?cè)瓌t。在本文中，該區(qū)域水系的概化過(guò)程是在天然河網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合并，將河網(wǎng)中主要河道依據(jù)以上原則進(jìn)行概化后，可得到如圖2 所示的概化河網(wǎng)。然后將全部124 個(gè)斷面數(shù)據(jù)按照Info works ICM 的格式進(jìn)行處理后批量導(dǎo)入軟件中。

圖2 福州市晉安河-光明港流域河網(wǎng)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(yīng)用水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行河網(wǎng)非恒定流模擬時(shí)，必須預(yù)先給出對(duì)應(yīng)于計(jì)算時(shí)段邊界條件的全過(guò)程。潮位過(guò)程如圖3所示。該過(guò)程最高潮位約5.6 m，最低0.9 m。因福州市水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)正在建設(shè)中，并無(wú)詳細(xì)各種污染物濃度數(shù)據(jù)，因此本研究采用水質(zhì)等級(jí)來(lái)進(jìn)行水質(zhì)狀況描述與模擬。如圖4 所示，上游邊界是通過(guò)上游泵站向晉安河流域補(bǔ)充的水量，依據(jù)所開(kāi)泵數(shù)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(shí)測(cè)潮位，在此時(shí)間段內(nèi)無(wú)降雨。

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

2.4 模型建立

通過(guò)上述方法及過(guò)程建立了一維水動(dòng)力模型，如圖4 所示即為一維水動(dòng)力模型示意圖。

圖4 一維水動(dòng)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(wú)降水的模型率定采用的外江潮位數(shù)據(jù)是10%保證率的大潮潮位，取2018年9月29日的典型潮位過(guò)程，及同時(shí)段晉安河水位測(cè)站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，并選用沿江閘站的記錄數(shù)據(jù)作為模型邊界，對(duì)模型進(jìn)行率定。根據(jù)葉陳雷等人［26］的研究?jī)?nèi)容，對(duì)于河道模型權(quán)重最高的參數(shù)為河道糙率值。最終率定結(jié)果取河道糙率值為0.033。模型最終的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)過(guò)程對(duì)比分析見(jiàn)圖5。實(shí)測(cè)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(shì)一致，擬合較好。由此可知模型選擇的參數(shù)合理，可以用于模擬分析。

表3 模型率定結(jié)果Tab.3 Model calibration results

圖5 典型潮位過(guò)程線(xiàn)下晉安河水位過(guò)程率定結(jié)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(shè)置

3.1 調(diào)度目標(biāo)

晉安河要求景觀(guān)水位要達(dá)到4.2 m，因此“水多水動(dòng)”調(diào)度目標(biāo)擬定為內(nèi)河各個(gè)斷面水位需要精確穩(wěn)定控制在4.2±0.1 m內(nèi)。晉安河流域按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)。

在情景模擬分析時(shí)，考慮到對(duì)城區(qū)水系的空間覆蓋程度，選取8 組河道斷面，以8 組研究對(duì)象的水位未達(dá)到景觀(guān)水位的平均時(shí)長(zhǎng)作為指標(biāo)之一進(jìn)行調(diào)度方案的評(píng)價(jià)。其中光明港一支河的景觀(guān)水位為4.2 m，光明港二支河的景觀(guān)水位為3.7 m，紅星河的景觀(guān)水位為3.9 m。選取的8 組重點(diǎn)研究對(duì)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(qū)8組重點(diǎn)庫(kù)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(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，還將水泵開(kāi)啟總時(shí)長(zhǎng)，閘門(mén)啟閉次數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行綜合分析對(duì)比。同時(shí)結(jié)合水環(huán)境調(diào)度，將晉安河-光明港流域水質(zhì)從Ⅳ類(lèi)水變?yōu)棰箢?lèi)水的時(shí)長(zhǎng)作為目標(biāo)函數(shù)之一進(jìn)行調(diào)度方案的評(píng)價(jià)。

3.2 調(diào)度方案擬定

維持內(nèi)河水位，首先需要水位上漲到要求水位，然后進(jìn)行水位保持。內(nèi)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(nèi)河水位為3.2 m，僅依靠25 m3/s 引水流量，下游所有閘門(mén)保持關(guān)閉，河道水位上漲過(guò)程如圖7 所示，由3.2 m 漲至4.5 m 約用時(shí)17～18 h。②依靠外江潮位納潮補(bǔ)水，若起調(diào)內(nèi)河水位為3.2 m，保持上游25 m3/s 引水流量，當(dāng)外江水位高于3.2 m 時(shí)開(kāi)啟下游所有閘門(mén)納潮引水，河道水位過(guò)程如圖8，可知，內(nèi)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(guò)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(bǔ)水河道水位上漲過(guò)程圖Fig.8 Relying on the rising process chart of the water level of the Minjiang River tide level

根據(jù)上文分析，結(jié)合實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，在維持水位4.2 m 目標(biāo)下，需要進(jìn)行兩個(gè)階段的調(diào)控：第一個(gè)階段為納潮引水階段，高潮位期間，關(guān)閉所有水閘，若閘內(nèi)水位超過(guò)4.3 m，開(kāi)啟魁岐排澇二站排澇機(jī)組排水，當(dāng)閘內(nèi)水位降到3.9 m 時(shí)，排澇機(jī)組停止抽排，進(jìn)入保水階段。

第二個(gè)階段為水位保持階段，依據(jù)實(shí)際調(diào)控經(jīng)驗(yàn)，一般運(yùn)用魁岐水閘、江四水閘和紅星水閘來(lái)調(diào)控水位。調(diào)控方式有如下3種。

調(diào)控方式一：當(dāng)閘外水位低于閘內(nèi)水位，開(kāi)啟魁岐水閘和紅星水閘，同時(shí)關(guān)閉魁岐排澇二站機(jī)組；待閘內(nèi)水位降低至4.1 m 時(shí)關(guān)閉魁岐水閘和紅星水閘，通過(guò)魁岐排澇二站機(jī)組控制水位；調(diào)控方式二：當(dāng)閘外水位低于閘內(nèi)水位，開(kāi)啟魁岐水閘和紅星水閘，同時(shí)關(guān)閉魁岐排澇二站機(jī)組；待閘內(nèi)水位降低至4.1 m時(shí)關(guān)閉魁岐水閘3、4、5 號(hào)閘門(mén)和紅星水閘，魁岐水閘1、2 號(hào)門(mén)保持開(kāi)啟，直到下次漲潮時(shí)，關(guān)閉水閘；調(diào)控方式三：當(dāng)閘外水位低于閘內(nèi)水位，開(kāi)啟魁岐水閘和紅星水閘，同時(shí)關(guān)閉魁岐排澇二站機(jī)組；待閘內(nèi)水位降低至4.1 m 時(shí)關(guān)閉魁岐水閘和紅星水閘，開(kāi)啟江四水閘，直到下次漲潮時(shí)，關(guān)閉水閘。3 種調(diào)控方式區(qū)別在于水位保持階段的閘泵控制規(guī)則不相同。

綜上所述，針對(duì)晉安河-光明港流域在維持水位4.2 m 目標(biāo)下，對(duì)不同的調(diào)度方案進(jìn)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(diào)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(diào)度方案Tab.4 Different dispatching schemes under the scenario of maintaining 4.2 m in Jinan River-Guangming Port basin

4 結(jié)果與討論

4.1 “水多水動(dòng)”調(diào)度

將上述9 種調(diào)度方案進(jìn)行模擬，可以分別得到各調(diào)度方案的模擬結(jié)果?？l處的外江潮位，內(nèi)河水位，閘門(mén)流量時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖9所示。

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

將各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表5 各個(gè)方案的對(duì)比結(jié)果。模擬總時(shí)長(zhǎng)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(diào)度方案結(jié)果對(duì)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(guò)對(duì)表5 結(jié)果的對(duì)比可以看出上游25 m3/s 流量下，方案三泵站開(kāi)啟時(shí)間最短，為180 min，閘門(mén)開(kāi)啟次數(shù)最少，重點(diǎn)斷面未達(dá)到景觀(guān)水位時(shí)長(zhǎng)與其他方案相差較小，因此推薦方案為方案三。同樣的，通過(guò)對(duì)比泵站開(kāi)啟時(shí)間、閘門(mén)開(kāi)啟次數(shù)及重點(diǎn)斷面未達(dá)景觀(guān)水位平均時(shí)長(zhǎng)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(huán)境調(diào)度

在模型中，設(shè)置內(nèi)河水質(zhì)等級(jí)為Ⅳ類(lèi)，閩江水質(zhì)等級(jí)為Ⅲ類(lèi)。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(jié)果可以看出，在水閘打開(kāi)的時(shí)間段內(nèi)，內(nèi)河污染物濃度迅速降低，從Ⅳ類(lèi)達(dá)到Ⅲ類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)；水閘關(guān)閉期間，內(nèi)河污染物濃度從Ⅳ類(lèi)逐漸降低，可以達(dá)到改善內(nèi)河水質(zhì)的目的。將“水多水動(dòng)”調(diào)度不同流量下的推薦方案，進(jìn)行水質(zhì)模擬，上述3 種推薦方案的模擬結(jié)果如圖11 所示。統(tǒng)計(jì)其水質(zhì)從Ⅳ類(lèi)變?yōu)棰箢?lèi)的總時(shí)間，結(jié)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(diào)度方案結(jié)果對(duì)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(xiàn)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(zhì)從Ⅳ類(lèi)變?yōu)棰箢?lèi)的時(shí)間最短。因此當(dāng)水環(huán)境發(fā)生污染后，最優(yōu)的調(diào)度方案為上游文山里泵站引水25 m3/s，下游調(diào)控方式為：高潮位期間，關(guān)閉所有水閘，若閘內(nèi)水位超過(guò)4.3 m，開(kāi)啟魁岐排澇二站排澇機(jī)組排水，當(dāng)閘內(nèi)水位降到4.1 m 時(shí)，排澇機(jī)組停止抽排；當(dāng)閩江潮位退潮時(shí)，閘外水位低于閘內(nèi)水位，開(kāi)啟魁岐水閘和紅星水閘，同時(shí)關(guān)閉魁岐排澇二站機(jī)組；待閘內(nèi)水位降低至4.1 m 時(shí)關(guān)閉魁岐水閘和紅星水閘，開(kāi)啟江四水閘，直到下次漲潮時(shí)，關(guān)閉水閘。這種調(diào)控方式既能在較低能耗的情況下滿(mǎn)足維持河道水位的目標(biāo)，又能在水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的情況下最為迅速的使河道水質(zhì)達(dá)到要求。

5 結(jié) 論

（1）本文分析了福州市當(dāng)前河道水位及水質(zhì)方面面臨的問(wèn)題，建立了一維河道模型及水質(zhì)模型，通過(guò)模型率定，河道水位誤差在±0.1 m，模型參數(shù)選擇合理，模擬結(jié)果較好。進(jìn)一步驗(yàn)證了Infoworks ICM 模型在一維河道模型建立的可靠性。

（2）針對(duì)如何維持河道水位的問(wèn)題，在模型中進(jìn)行了多種調(diào)度方案的模擬，通過(guò)能夠達(dá)到維持水位目標(biāo)、閘門(mén)開(kāi)啟次數(shù)、水泵開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)以及重點(diǎn)斷面未達(dá)到景觀(guān)水位平均時(shí)長(zhǎng)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，在能達(dá)到景觀(guān)水位要求的同時(shí)滿(mǎn)足了經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)，為“水多水動(dòng)”調(diào)度方案的選擇提供依據(jù)。最終針對(duì)上游不同流量情況，分別推薦了調(diào)度方案。

（3）針對(duì)水環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)“水多水動(dòng)”的推薦調(diào)度方案進(jìn)行水環(huán)境調(diào)度模擬，以水質(zhì)等級(jí)從Ⅳ類(lèi)變?yōu)棰箢?lèi)的時(shí)間作為目標(biāo)函數(shù)對(duì)方案進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)價(jià)，對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)價(jià)，提出了能夠更快解決水污染問(wèn)題的方案。最終推薦的調(diào)度方案既可以在最低電量消耗下滿(mǎn)足福州市維持河道水位的需求，又可以在發(fā)生水環(huán)境污染時(shí)最快的解決水質(zhì)污染問(wèn)題。