东太湖应急水源地水库涵闸优化调度降低水华风险的研究案例

净水技术2017,36(6):30-34WaterPurificationTechnology行业导向与研究进展|樊智，陈丹，陈瑞弘，等•东太湖应急水源地水库涵闸优化调度降低水华风险的研究案例[J]•净水技术，2017,6(6):30-34.FanZhi,ChenDan,ChenRuihong,etal.CasestudyonoptimizationofreservoirsluicegateoperationforwaterbloomriskreductioninemergencywatersourceofEastTaihuLake[J].WaterPurificationTechnology,017,36(6):30—34.东太湖应急水源地水库涵闸优化调度降低水华风险的研究案例樊智〇,陈丹2，陈瑞弘2，张海平1(.同济大学环境科学与工程学院，上海200092;.丹华水利环境技术(上海）有限公司，上海200030)摘要以东太湖吴江应急水源地为对象，应用MIKE21水动力水质模型，以水体置换率为特征参数，以水质优化为目的，对水库涵闸调度规则进行研究。结合库区实际气象水文条件，在分析三种基础调度方案的基础上制定动态调度方案，并根据最不利条件对其进行检验分析。最终，综合考虑水质优化、控藻和运行成本，制定出一套全年调度方案，为吴江应急水源地水库的调度管理提供支持。关键词水库水华风险优化调度MIKE21模型应急水源地东太湖案例研究中图分类号：TU991.11文献标识码：A文章编号：1009-0177(2017)06-0030-05DOI：10.15890/j.cnki.jsjs.2017.06.005CaseStudyonOptimizationofReservoirSluiceGateOperationforWaterBloomRiskReductioninEmergencyWaterSourceofEastTaihuLakeFanZhi1,ChenDan2,ChenRuihong2,ZhangHaiping1(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092,China；2.DHIChina,Shanghai200030,China)AbstractOptimalsluicegateoperationofemergencywatersourceofWujianginEastTaihuLakewasstudiedinordertomaintainandimprovethereservoirwaterqualitywithacoupledhydrodynamicandwaterqualitymodelbasedonMIKE21software.Waterexchangeratewasappliedasthecharacteristicparameter.Accordingtotheactualmeteorologicalandhydrologicalconditionsinthearea，adynamicoperationschemewasformulatedbasedonanalyzingthreebasicoperationschemes，whichwasfurtherexaminedwithunfavorableconditions.Finally，ayearroundoptimaloperationschemewasdevelopedconsideringthewaterqualityoptimization,algaecontrollingandoperationcost.Theresultswillprovidestrongsupportforoperationalmanagementofemergencywatersource.KeywordsreservoirwaterbloomriskoperationoptimizationMIKE21modelemergencywatersourceEastTaihuLakecasestudy[收稿日期]2016-12-21[基金项目]国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07403001)[作者简介]樊智（983—)男，硕士，研究方向为区域水污染系统规划。电话：[phone];E-mail:[e-mail]。[通信作者]张海平，教授，E-mail:[e-mail]。[本文编辑]魏雨晴—30—水库调度在水库运行过程中一直扮演着举足轻重的角色。随着河湖水体富营养化压力的增大以及水库供水水质要求的提高，水库的调度运行从最初的防洪发电[1]、调水[2]、调沙[3]，向着水质优化调度和藻类水华防治的[4_7]方向发展。其中对水质的改净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYV〇1.36,N〇.6,2017June25th,2017善作用主要通过引入洁净水体[6]、增加水体复氧加速有机物降解[8]、强化水体紊动抑制藻类生长、破坏藻类等浮游植物繁殖的生存条件，进而减缓富营养化进程和水华发生频率[_1〇]。水力调度对水质改善和水华防治的作用已在不少研究中得到验证，我国也有一些成功的案例。但是针对特定的水库，如何具体制订水库调度规则，进而通过有限地水力调度操作，发挥水库涵闸最大的优化作用，仍然有待研究。本文以东太湖吴江应急水源地为对象，应用MIKE21水动力水质模型，以水体置换率为特征参数，以水质优化为目的，对水库涵闸调度规则进行研究。结合库区实际水文气象条件，在分析三种基础调度方案的基础上制定动态调度方案，并根据最不利条件对其进行检验分析。最终，综合考虑水质优化、控藻和运行成本，制定出一套全年调度方案，为吴江应急水源地水库的调度管理提供支持。1吴江应急水源地概况吴江市应急备用水源地位于东太湖内，利用东太湖围垦圩子，将盛西圩、盛东圩（部分）、老太湖西圩和老太湖东圩（部分）建设成一个库区作为应急备用水源地。该水源地来水源于东太湖，水中DO、NH3-N、CODMn、bod5、TP浓度总体达到n-m类，tn为m-w类。因此，水库具有来水营养盐含量较高、换水周期长、水深浅的特点。库区与太湖湖体相比，由于围堤限制，库区的风区长度大大缩短，水动力较弱，容易刺激藻类生长。吴江应急备用水源地工程包括总长为5102m的库区围堤、2座净宽为12m的节制闸及12座过水面积共48m2的涵闸，各闸涵位置及编号如图1所示。堤顶高程为4.8m，设计水位为3.5m。湖底高程为0.5〜1.5m，周边高，中间低。水位3.0m时，库区水面为366.7万m2，蓄水量为751.5万m3;水位2.8m时，水面为36.0万m2,蓄水量为678.2万m3。实测数据显示，除TN外，其他水质指标均符合地表水n类水质标准（tn浓度符合m类标准）。图1吴江应急备用水源地各闸涵位置及编号Fig.1LocationsandNumbersofSluiceGatesinEmergencyWaterSource一31—樊智，陈丹，陈瑞弘，等.东太湖应急水源地水库涵闸优化调度降低水华风险的研究案例V〇1.36，N〇.6,20172模型构建应用丹麦水力学研究所（DHI)开发的MIKE21软件构建库区二维水动力水质模型。MIKE21水动力模型的控制方程为基于Boussinesq假定和流体静压假定的浅水方程，基于非结构网格的有限体积法求解。在水动力模型基础上构建对流扩散方程，仅模拟保守性示踪剂在库区的输移。水动力水质耦合模型中涉及到几个表征水体水动力和水质变化特性的重要模型参数，包括涡黏系数、曼宁系数及扩散系数等。2014年9月〜2015年10月，应用美国YSI公司的自容式多单元三维流速仪(Argonaut-XR1.5-MHz)，在库区代表性的4个位置进行水位、流速的连续观测，实测数据用于水动力模型的率定和验证，确定涡黏系数与曼宁系数值。结果显示，水位模拟值与实测资料非常吻合，误差在0.3cm以内;模拟的平均流速流向值与实测值总体一致，误差在1〇%以内。基于文献[11_12]确定扩散系数计算方法，并利用库区实测C0DMn、NH3-N、TN、TP资料进行进一步率定，结果显示水质模拟的误差在20%以内。本研究中模型的参数设置如表1所示。表1模型参数Tab.1ValuesofModelParameter模型参数取值网格数量49100网格尺度5~10m涡黏系数Smagorinsky亚格子尺度模型，Smagorinsky系数为0.28曼宁系数45~70mV3/s扩散系数与涡黏系数成比例的方式，比值为13模拟工况对应急备用水源地的实测水文观测结果显示，应急水源地的流态受风应力控制，为典型的风生流，吞吐流不明显，流速、流向呈现出明显的随机性和脉动性，流速整体较小，一般小于6cm/s，平均约4cm/s。因此，可以通过开启闸涵，实现库内外的水交换，并促进库区水体流动，减少滞水区，以降低水华爆发的风险。设置了各种风况和闸涵控制方式，对应急备用水源地的流场和换水率进行模拟，分析各种条件下的水质与流场特征，包括滞水区、短路流等。输水条件根据实际运行状况，取20万t/d。设计风向根据历史风场资料确定，风速取4.5m/s。研究区域的盛行风为东南风，对多种风向的模拟结果表明，东南风为最不利风向，库区滞水区面积相对最大，因此本文选取东南风相关工况作为代表性工况进行介绍。模拟方案如表2所示。表2调度方案Tab.2OperationSchemes方案编号调度类型方案描述1基础调度西南侧涵闸（号、2号、3号和111号闸）全开2基础调度西北侧涵闸（号、5号、6号、7号、8号和9号闸）全开3基础调度东北侧涵闸（10号、11号、12号和222号闸）全开4优化调度全部涵闸轮流调度设置模型开始计算时，库内水体的示踪物浓度为100mg/L,外部太湖水体的示踪物浓度为0mg/L。随着闸涵开启引水，库内水体不断得到稀释，因此，模型计算一段时间后，可得到库区内各水域的示踪物浓度随时间过程线。该浓度过程线反映了库内水体不断被稀释的过程，同时也反映了该水域的换水率，即换水率=(100-示踪物浓度值)/100。4模拟结果分析4.1西南侧涵闸全开西南侧涵闸（方案1)全部开启、其他涵闸全部关闭时，水流从西南侧进人库区后，受风生流控制，主流顺东南侧堤岸顺时针流向取水口，形成短路流。整个库区形成两个大的区域，西南片的吞吐流与风生流方向一致，水体置换较快，30d后水体置换率达到65%，45d后达到80%以上。与此形成对照的是，库区东北片形成了一个大的滞水区，面积约为1.65km2，流动极其缓慢，至45d后部分水体的置换率只有约45%。4.2西北侧涵闸全开西北侧涵闸（方案2)全部开启、其他涵闸全部关闭时，由水流从西北侧进人库区后，受风生流控制，主流在西南侧堤岸中段偏西位置顺东南向流向取水口，形成短路流。整个库区形成两个大的区域，西南片水体置换较快，30d后水体置换率达到净水技术WATERPURIFICATIONTECHNOLOGYV〇1.36,N〇.6,2017June25th,201765%，45d后达到80%以上;库区东北片形成了一个大的滞水，面积约为1.23km2,至45d后部分水体的置换率只有约45%。4.3东北侧涵闸全开东北侧涵闸（方案3)全部开启、其他涵闸全部关闭时，水流从东北侧进入库区后，受风生流控制，主流沿东北侧堤岸顺时针向西北方向运动，然后沿西北侧堤岸、在西南侧堤岸中段偏西位置顺东南向流向取水口。此流径对改善东北片的滞留情况有所帮助，因此45d后，东北片滞水区的水体置换率达到65%左右，比西南侧、西北侧涵闸全部开启的情形有所改善。另一方面，由于大量进水在绕东北片滞水区流动过程被用于稀释，导致西南片的置换率相对降低，在西南侧形成一片弱滞水区，面积约为0.48km2，45d后置换率约为70%，低于西南侧、西北侧涵闸全部开启时的80