平原区含植被河网水质水量联合调度研究

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平原地区地势平缓,河道关系复杂,社会经济状况较好,工业与农业发展相对较快,但存在水资源时空分布不均匀、生态及农业需水严重不足,环境质量较差等问题。伴随着城镇规模的不断扩张,平原河网地区内的水利工程建设数量逐渐增多,河道内的连通性严重降低,另一方面植被在河道的生态修复应用过程中得到了大量的应用,已成为一种不容忽视的影响因素。廊坊市是我国典型的平原河网地区,区域内河道形态单一,河流流速极为缓慢,容易遭受周围环境的干扰,存在着严重的水生态环境问题,因此协调闸坝等水利工程的调度问题与水环境修复、保护之间的矛盾的研究,具有较强的应用价值与实践意义。因此,本文设置关键研究区为廊坊市凤河-永定河区域,采用经典Darcy-Weisbach方程,通过对含植被河道阻力系数理论分析,识别影响阻力系数的关键因子,包括植被淹没度、阻力长度。基于广泛搜集的水槽实验数据,利用遗传算法提出了淹没植被环境下的阻力系数计算的新方法。应用集成一维水动力水质模型较为成熟的HEC-RAS软件进行计算,基于历史数据进行模型的率定、验证,并成功建立了“多水源分析、多目标设定、多情景计算”的平原河网水质水量联合调度研究方法。分析研究区水网特征及水资源、水环境、水生态特点,科学统筹当地水、再生水、外调水3类水源,构建以闸坝群调度为核心的水质水量联合调度模型,对9种典型情景下闸坝群联合调度进行模拟计算和优化,提出了以防洪安全为基础、以水资源优化调配为目标、以水环境改善为重点、以多闸坝调度为核心的水网水质水量联合调度方案。研究结果表明(1)建立了植被化河网阻力系数的求解方法。本文通收集到的水槽实验数据,处理得到429组,运用遗传算法权衡了复杂度、准确性和公式的物理意义,建立了淹没植被阻力系数与淹没度、阻力长度的定量关系表达式fv=7.92α2β/(α+β),所求公式应用参数较少,精度较高,并对当地维管束植物进行调研,分区求解了研究区内主要河道的曼宁系数;(2)建立了植被化河道一维水动力水质模型,丰水期Manning系数取值在0.023-0.048之间,平水期Manning系数取值在0.021-0.041之间,枯水期取值在0.02-0.038之间,所建模型能够反映实际,可信度高,模型能够反映出研究区域的水动力水质特性,为进一步研究提供了计算工具;(3)在分区曼宁系数求解和一维水动力水质模型构建的基础上,综合考虑了影响区域内河网水量水质的各方面因素,应用层次分析法进行评价体系的构建,运用一维水动力水质耦合模型优选出每种情境下的优化方案。
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