多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型及应用
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摘要
闸坝的建设与运用对河流生态环境产生胁迫,已成为水利、环境、生态等领域的共识；如何减轻闸坝的胁迫效应、实现闸坝等水利工程的低环境影响利用,是当前学术界和工程界的一个热点和难点问题。近年的探索性实践表明,最现实可行的途径是改善传统的水库闸坝调度模式,采用“生态调度”。针对当前我国水利工程以恢复和改善河流水质为阶段目标的生态调度,其前提是科学定量评估闸坝等水利工程的水文环境效应,而构建适应多闸坝河流的水量水质耦合数学模型则是进行定量评估的基础,可为制定闸坝生态调度方案提供科学依据；同时也是进行河流水质预警预报的核心工具,可为多闸坝重污染河流水污染事件的应急响应提供技术支撑。
多闸坝大型河网水量水质问题极为复杂,涉及到的学科领域也非常宽泛,主要包括：水文、水动力、水质等。本文对上述学科中的相关理论、方法和模型进行交叉集成,从理论上构建了一二维嵌套、分块组合、基于水文-水动力-水质集成的多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型。模型由河道径流模拟模块、闸坝调度过程模拟模块、河道水质模拟模块、区间入流及入河污染负荷估算模块、水质预警实时校正模块组成。其中,河道径流模拟模块包括一维河网水动力学模拟模型、径流演进水文学模拟模型、平面二维水动力学模拟模型；河道水质模拟模块包括一维河网水质模拟模型和平面二维水质模拟模型；区间入流及入河污染负荷估算模块包括区间入流过程估算模型和区间入河污染负荷过程估算模型。
在理论研究的基础上,选择我国多闸坝重污染河流的典型代表——淮河流域中游河网作为论文实证研究区域,区域内的主要水系包括淮河干流、淮北沙颍河与涡河、淮南史河与淠河,建有控制性闸坝枢纽13座,该区域是淮河流域水污染联防工作的重中之重。基于多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型,针对淮河中游河网水流水质特点,构建了分块组合、一二维嵌套的淮河中游河网水量水质耦合数学模型,模型由重点联防区一维水量水质耦合数学模型、沙颍河一维水量水质耦合数学模型、涡河一维水量水质耦合数学模型、鲁台子河段平面二维水动力水质耦合数学模型、蚌埠闸河段平面二维水动力水质耦合数学模型组成。在模型构建的基础上,采用2004年6月1日至12月31日和2008年1月1日至12月31日的水情水质过程对一维水量水质耦合数学模型进行了率定和检验；采用2004年6月8日至7月31日和2008年3月1日至5月31日的水情水质过程对平面二维水动力水质模型进行了率定和检验。率定和检验结果表明,所建水量水质耦合数学模型较好地反映了淮河中游河网在闸坝调控下水流及污染物演进的规律和特征。
为更好的发挥多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型对流域水环境预警与管理的技术支撑作用,论文以淮河中游河网水量水质耦合数学模型为核心,采用J2EE的SSH框架集合,融合GIS技术、WEB技术、富互联网应用技术和Google的互联网地图资源,开发了基于WEBGIS的淮河流域水环境预警与管理系统。系统具备以下3项功能：水环境信息的数字化管理、水环境实时预警、水环境调度预警。采用该系统对2004年7月淮河流域特大水污染事故和2012年7月上中旬淮河流域水情水质过程分别进行了仿真和滚动预警,结果表明该系统可为淮河流域水质预警预报及水环境信息管理提供一个数字化的决策支持平台。
Among many fields including water conservation, eco-environmental protection, it is consensus that the construction and operation of sluices&dams make pressure on river eco-environmental system. And it is a difficult and hot issue that how to reduce the pressure of sluices&dams and realize the operation with lower environmental impact. Exploratory practices wihin recent years show that ecological regulation is most feasible way to reduce the pressure of sluices&dams on river eco-environmental system. The current stage goal of ecological regulation is resuming and improving river water quality in China, its premise is scientific quantification of hydrological and environmental effect of sluices&dams. Developing water quantity&quality model for multi-sluices river is a basis of the quantification, which could provide scientific guide for establishing ecological regulation scheme of sluices&dams. More over, water quantity&quality model is a core in river water quality prediction and pre-warning, which could provide technical support for emergency response of water pollution accident in heavily polluting rivers with multi-sluices.
The water quantity&quality issue is very complex in large scale river networks with multi-sluices, its subjects involved is broad, which mainly include hydrology, hydraulics and water quality. A water quantity&quality model for large scale river networks with multi-sluices has been established based on cross integration of hydrology, hydrodynamics and water quality. The modle adopts modular structure and its framework is one and two-dimensional nesting. The model consist of several below parts:river runoff simulation, sluice scheduling simulation, river water quality simulation, local inflow and river pollution load estimation, water quality real-time correction, river runoff simulation part includes one-dimensional hydrodynamic model for river network, hydrological runoff routing modle and depth-averaged two-dimensional hydrodynamic model. river water quality simulation part includes one-dimensional water quality model for river network and depth-averaged two-dimensional water quality model. local inflow and river pollution load estimation part includes local inflow estimation model and local river pollution load estimation model.
Based upon above theoretical research, positive analysis will be carried out in middle network of Huaihe River basin, which is a typical heavily polluting river with multi-sluices in China. The network is mainly made up of Huaihe main stream, Shayinghe River, Guohe River, Shihe River and Pihe River, which is key region of water pollution joint-prevention, where13large sluices have been constructed.1D and2D coupling flow and water quality model for middle network of Huaihe River has been developed. Its modular structure is made up of three1D parts and two2D parts:1D parts for important region of water pollution joint-prevention, Shayinghe River, Guohe River;2D parts for Lutaizi Reach and Benbuzha Reach. The water quantity and quality series during1June to31December2004were selected to calibrate the1D model, and the series during1January to31December2008were selected to validate the1D model. The series during8June to31July2004were selected to calibrate the2D model, and the series during1March to31May2008were selected to validate the2D model. The results of calibration and validation show that, the established model could refelect the routing law and feature of flow and pollutant in middle network of Huaihe River to a well extent.
In order to make the water quantity&quality model support river basin water environment early warning and management better, the Huaihe water environment early warning and management system has been developed adopting J2EE. ArcGIS Server has been selected as the GIS platform, and Google Maps API is applied, which make a geospatial environment coupling local vector data and internet satellite images. Adobe FLEX has been adopted as Rich Internet Application development tool, which balances the system loads better and beautifies the client pages. Case Applications were carried out to pollution accident in July2004and water quantity&quality seires during July2012, the results shows that, this system could provide technical support for the Huaihe water environmental protection, including digital information management of water environmental data and decision support of water environment early warning.
多闸坝大型河网水量水质问题极为复杂,涉及到的学科领域也非常宽泛,主要包括：水文、水动力、水质等。本文对上述学科中的相关理论、方法和模型进行交叉集成,从理论上构建了一二维嵌套、分块组合、基于水文-水动力-水质集成的多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型。模型由河道径流模拟模块、闸坝调度过程模拟模块、河道水质模拟模块、区间入流及入河污染负荷估算模块、水质预警实时校正模块组成。其中,河道径流模拟模块包括一维河网水动力学模拟模型、径流演进水文学模拟模型、平面二维水动力学模拟模型；河道水质模拟模块包括一维河网水质模拟模型和平面二维水质模拟模型；区间入流及入河污染负荷估算模块包括区间入流过程估算模型和区间入河污染负荷过程估算模型。
在理论研究的基础上,选择我国多闸坝重污染河流的典型代表——淮河流域中游河网作为论文实证研究区域,区域内的主要水系包括淮河干流、淮北沙颍河与涡河、淮南史河与淠河,建有控制性闸坝枢纽13座,该区域是淮河流域水污染联防工作的重中之重。基于多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型,针对淮河中游河网水流水质特点,构建了分块组合、一二维嵌套的淮河中游河网水量水质耦合数学模型,模型由重点联防区一维水量水质耦合数学模型、沙颍河一维水量水质耦合数学模型、涡河一维水量水质耦合数学模型、鲁台子河段平面二维水动力水质耦合数学模型、蚌埠闸河段平面二维水动力水质耦合数学模型组成。在模型构建的基础上,采用2004年6月1日至12月31日和2008年1月1日至12月31日的水情水质过程对一维水量水质耦合数学模型进行了率定和检验；采用2004年6月8日至7月31日和2008年3月1日至5月31日的水情水质过程对平面二维水动力水质模型进行了率定和检验。率定和检验结果表明,所建水量水质耦合数学模型较好地反映了淮河中游河网在闸坝调控下水流及污染物演进的规律和特征。
为更好的发挥多闸坝大型河网水量水质耦合数学模型对流域水环境预警与管理的技术支撑作用,论文以淮河中游河网水量水质耦合数学模型为核心,采用J2EE的SSH框架集合,融合GIS技术、WEB技术、富互联网应用技术和Google的互联网地图资源,开发了基于WEBGIS的淮河流域水环境预警与管理系统。系统具备以下3项功能：水环境信息的数字化管理、水环境实时预警、水环境调度预警。采用该系统对2004年7月淮河流域特大水污染事故和2012年7月上中旬淮河流域水情水质过程分别进行了仿真和滚动预警,结果表明该系统可为淮河流域水质预警预报及水环境信息管理提供一个数字化的决策支持平台。
Among many fields including water conservation, eco-environmental protection, it is consensus that the construction and operation of sluices&dams make pressure on river eco-environmental system. And it is a difficult and hot issue that how to reduce the pressure of sluices&dams and realize the operation with lower environmental impact. Exploratory practices wihin recent years show that ecological regulation is most feasible way to reduce the pressure of sluices&dams on river eco-environmental system. The current stage goal of ecological regulation is resuming and improving river water quality in China, its premise is scientific quantification of hydrological and environmental effect of sluices&dams. Developing water quantity&quality model for multi-sluices river is a basis of the quantification, which could provide scientific guide for establishing ecological regulation scheme of sluices&dams. More over, water quantity&quality model is a core in river water quality prediction and pre-warning, which could provide technical support for emergency response of water pollution accident in heavily polluting rivers with multi-sluices.
The water quantity&quality issue is very complex in large scale river networks with multi-sluices, its subjects involved is broad, which mainly include hydrology, hydraulics and water quality. A water quantity&quality model for large scale river networks with multi-sluices has been established based on cross integration of hydrology, hydrodynamics and water quality. The modle adopts modular structure and its framework is one and two-dimensional nesting. The model consist of several below parts:river runoff simulation, sluice scheduling simulation, river water quality simulation, local inflow and river pollution load estimation, water quality real-time correction, river runoff simulation part includes one-dimensional hydrodynamic model for river network, hydrological runoff routing modle and depth-averaged two-dimensional hydrodynamic model. river water quality simulation part includes one-dimensional water quality model for river network and depth-averaged two-dimensional water quality model. local inflow and river pollution load estimation part includes local inflow estimation model and local river pollution load estimation model.
Based upon above theoretical research, positive analysis will be carried out in middle network of Huaihe River basin, which is a typical heavily polluting river with multi-sluices in China. The network is mainly made up of Huaihe main stream, Shayinghe River, Guohe River, Shihe River and Pihe River, which is key region of water pollution joint-prevention, where13large sluices have been constructed.1D and2D coupling flow and water quality model for middle network of Huaihe River has been developed. Its modular structure is made up of three1D parts and two2D parts:1D parts for important region of water pollution joint-prevention, Shayinghe River, Guohe River;2D parts for Lutaizi Reach and Benbuzha Reach. The water quantity and quality series during1June to31December2004were selected to calibrate the1D model, and the series during1January to31December2008were selected to validate the1D model. The series during8June to31July2004were selected to calibrate the2D model, and the series during1March to31May2008were selected to validate the2D model. The results of calibration and validation show that, the established model could refelect the routing law and feature of flow and pollutant in middle network of Huaihe River to a well extent.
In order to make the water quantity&quality model support river basin water environment early warning and management better, the Huaihe water environment early warning and management system has been developed adopting J2EE. ArcGIS Server has been selected as the GIS platform, and Google Maps API is applied, which make a geospatial environment coupling local vector data and internet satellite images. Adobe FLEX has been adopted as Rich Internet Application development tool, which balances the system loads better and beautifies the client pages. Case Applications were carried out to pollution accident in July2004and water quantity&quality seires during July2012, the results shows that, this system could provide technical support for the Huaihe water environmental protection, including digital information management of water environmental data and decision support of water environment early warning.
引文
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