城市小型河流生态补水调度方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种城市小型河流生态补水调度方法及系统，其系统包括补水源、连接河流与补水源的补水管道、补水管道上的补水泵和补水泵对应的水泵控制柜，在相对补水管道输出口的下游方向的河流中设置有流量计，所述流量计与水泵控制柜通信连接至一中控机，中控机通过水泵控制柜来调控补水泵的输送量，以调控补水输入点对河流的补水流量；其方法是利用其系统调度河道流量Q置于区间[0.8Qm，Qm]内，保证河流始终处于生态条件下。本系统及方法克服了现有技术中补水量随意确定，造成极大的水资源和能源浪费，运行费用过高而无法实施的问题；以及一些调度方法繁琐，技术难度高，无法适用于城市小型河流的问题。
【专利说明】城市小型河流生态补水调度方法及系统【技术领域】
[0001]本发明涉及环境保护与资源综合利用【技术领域】，具体是一种针对城市小型河流的生态补水调度方法及系统。
【背景技术】
[0002]我国在经济快速增长、城镇化建设取得令人瞩目成就的同时，由于人们过度地开发利用环境资源，使得城市河流的生态环境问题越来越突出，河流断流、水质污染、湖库萎缩等日益严重。尤其是对于许多季节性河流，枯水期断流已成常态。对河流进行生态补水，被认为是一种解决城市小型河流水环境问题切实有效的技术措施。然而，现有的城市小型河流生态补水系统，普遍存在补水量的确定以及补水调度系统的运行具有很大随意性的问题，如简单将水生生物生境、景观、稀释自净、输沙及河道外生态环境等需水量简单叠加求和得到河道生态环境需水量，使计算出的河道生态环境需水量比实际所需量大，造成极大的水资源和能源浪费，运行费用过高，补水调度系统难以维系而形同虚设。
[0003]CN101892647B公开的一种基于 水库调度的河流生态流量调度方法，在该方法中，首先，建立生态流量管理的基本方案、折衷方案和理想方案，以分别适合高、中和低供水保证率需求，并维持基本、良好和理想的河流生态系统健康状态，同时将水库库容空间进行分区，自下而上依次对应上述生态流量管理方案；然后，采用水库调度曲线指导向人类供水，并与生态流量管理方案结合构成完整的水库生态调度方案；进而运用遗传算法，以满足规划的供水保证率为基本约束，以减小河流水文情势的扰动为优化目标，对水库库容分区、调度曲线等参数进行优化，得到基于水库调度的河流生态流量管理方案。该方法涉及水库入流流量区间分割，针对不同的入流流量情况需要建立多种方案，调度曲线涉及的历史参数众多，整个调控方法繁琐，对于城市小型河流来说成本过高，且调度依赖于水库，对于无水库源的河流也不适用，适用性较低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种城市小型河流生态补水调度方法及系统，其能够自动调度河流生态补水系统的补水流量，解决现有调度方法浪费资源和繁琐的问题。
[0005]一种城市小型河流生态补水调度方法，具体是:
[0006]在河流上游设置补水输入点，补水源通过补水管道由补水输入点对河流进行补水；补水管道上设置补水泵作为输水动力装置，并对应补水泵设置水泵控制柜；在相对补水输入点的下游方向的河流中设置有流量计；所述流量计与水泵控制柜通信连接至一中控机，中控机通过水泵控制柜来调控补水泵的输送量，以调控补水输入点对河流的补水流量，使河道流量Q置于区间[0.8Qm, Qm]内，
[0007]其中，Qm一目标流量，Qm = W/t,式中:W—河道生态环境需水量，t—计算时段；
[0008]其中，W= Wzf+Wsl+Wss+max { Wjl, ffjg, Wzj } +W 外，式中:
[0009]Wzf—河流蒸发需水量；Wsl—河流渗漏需水量；Wss—河道输沙需水量；Wjl—河道生态基流量；Wjg—河道景观环境需水量；Wzj—河流稀释自净需水量；胃外一河道外生态环境需水量；
[0010]河流蒸发需水量Wzf由单位面积蒸发量X水面面积计算得到；
[0011]河流渗漏需水量Wsl由渗漏系数X河流历史平均水量计算得到；
[0012]河道输沙需水量Wss由历年月含沙量的平均值计算得到；
[0013]河道生态基流量Wjl由Tennant法计算得到；
[0014]河道景观环境需水量Wjg由巴甫洛夫斯基公式计算得到；
[0015]河流稀释自净需水量Wzj由现状污染物总负荷与目标污染物总负荷的差值计算得到；
[0016]河道外生态环境需水量W外由面积定额法计算得到。
[0017]进一步地，根据河流上游有无水库，提出两种生态补水自动调度技术方案。
[0018]方案一:
[0019]河流上游有水库,所述补水输入点包括水库补水点和河流补水点，补水管道通过水库补水点对水库补水，水库通过河流补水点对河流补水，河流补水点设置在水库最低生态水位处，并在河流补水点设置电动调节阀，对水库设置液位开关，所述流量计和液位开关通过信号电缆连接至一控制器，所述控制器通过控制电缆连接电动调节阀，所述中控机通过GPRS网络或3G网络与控制器、水泵控制柜通信连接，中控机根据河流流量Q以及液位开关所测的水库水位H对水泵控制柜、控制器发出指令，以调控水库补水点和河流补水点的补水流量，具体包括如下调控步骤:
[0020](a)判断水库水位H:当H = Hmax,补水泵停止,转入步骤(b);当Hmin < H < Hmax,转入步骤(b);当H≤Hmin，电动调节阀关闭，补水泵启动，重复步骤(a)；
[0021](b)判断河道流量Q:当Q < 0.8Qm,电动调节阀打开,转入步骤(a);其余直接转入步骤(C)；
[0022](c)当Q≥Qm,电动调节阀关闭,补水泵停止,转入步骤(a);其余直接转入步骤(a)；
[0023]上述步骤中，Hmax—7_K库最高蓄水位；Hmin—7_K库最低生态水位，采用湖库形态分析法计算得到。
[0024]方案二:
[0025]所述水泵控制柜通过控制电缆连接一控制器，所述中控机通过GPRS网络或3G网络与控制器通信连接，所述流量计通过信号电缆连接一远程I/o模块，所述远程I/O模块通过GPRS网络或3G网络与控制器通信连接，中控机根据流量计所测得的河流流量Q对水泵控制柜发出指令以调控补水泵的输送量，具体调控步骤如下:
[0026](a)判断河道流量Q:当Q < 0.8Qm,补水泵启动,河流开始补水,转入步骤(b);其余重复步骤(a);
[0027](b)当Q < Qm,补水泵运行,河流补水持续，重复步骤(b);当Q≥Qm,补水泵停止，河流补水中止，转入步骤(a)。
[0028]本方法的调控关键参数是河道流量Q，通过调度系统中的流量计将实时检测值反馈到中控机中，中控机调控的参照为能够定值计算出的目标流量Qm，通过中控机对水泵控制柜的控制达到调节补水泵输水流量的目的，进而将河道流量Q控制在确定的区间[0.8Qm, Qm]内，保证河流始终处于生态条件下。本方法在河道生态环境需水量W的计算上合理取舍，克服了现有技术中补水量随意确定，
[0029]造成极大的水资源和能源浪费，运行费用过高而无法实施的问题；以及一些调度方法繁琐，控制条件复杂，技术难度高，无法适用于城市小型河流的问题。
[0030]且进一步针对河流上游有水库的情况，将河流补水点设置在水库最低生态水位处，水库水位不会低于其最低生态水位，以保证水库的生态环境，而且有利于水库下层水体换水，在调控河流流量Q的同时保证了水库的生态环境。对于河流上游无水库的情况，整个调控结构简单有效，对河流流量Q实现单一调控。
[0031]此外，本发明还提供了一种城市小型河流生态补水调度系统，其包括补水源、连接河流与补水源的补水管道、补水管道上的补水泵和补水泵对应的水泵控制柜，在相对补水管道输出口的下游方向的河流中设置有流量计，所述流量计与水泵控制柜通信连接至一中控机。
[0032]进一步的，所述河流包括其上游的水库，所述补水管道的输出端对应水库设置，水库中设置有液位开关，液位开关连接有一控制器；在水库最低生态水位处设置有向河流补水的水库泄水口，水库泄水口设置有电动调节阀，流量计设置在相对水库泄水口的下游方向的河流中，所述电动调节阀和流量计与控制器连接，所述控制器与中控机通信连接。
[0033]本调度系统的流量计作为系统的信号获取装置，为控制核心中控机提供调控依据，中控机进而通过控制水泵控制柜来进行补水，该系统结构简单合理，所需的硬件装置成熟易实施，能够及时有效补水调度。并针对河流上游有水库的结构，增加液位开关来获得水库水位情况，中控机在联合河流流量和水库水位，实现对水库和河流的统一调度，最大限度保证二者处于生态条件下。并且在水库最低生态水位处设置有向河流补水的水库泄水口作为河流补水点，有利于水库下层水体换水，保证水库的生态环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为本发明调度方法的一种现场结构图；
[0035]图2为图1所示现场结构图对应的控制框架图；
[0036]图3为图1所示现场结构图对应的调控流程图；
[0037]图4为本发明调度方法的另一种现场结构图；
[0038]图5为图4所示现场结构图对应的控制框架图；
[0039]图6为图4所示现场结构图对应的调控流程图；
[0040]图7为本发明计算水库最低生态水位Hmin所采用的湖库水位和水面面积变化率的关系曲线图。
[0041]附图标记说明:1-中控机；2_控制器；3_液位开关；4_电动调节阀；5_流量计；6-水泵控制柜；7_补水泵；8_补水管道；9_远程I/O模块。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0043]实施例一:
[0044]当河流上游有水库时，如图1进行设置，将水库泄水口置于水库最低生态水位Hmin处,该水库泄水口作为河流补水点，并在水库泄水口处安装电动调节阀4,以调节水库下泄到河流中的补水量。补水源通过补水管道8向水库中补水，补水管道8的对水库的输出端即为水库补水点，补水管道8上设置补水泵7作为输水动力装置，并设置水泵控制柜6控制补水泵7的运行。在相对补水输入点靠下游方向的河流中设置流量计5以测得河流流量Q，对水库设置液位开关3以实时检测水库水位H，流量计5和液位开关3将检测信号通过信号电缆输送至一控制器2，控制器2通过控制电缆控制电动调节阀4的开度。
[0045]对上述装置设置控制室，用于安置中控机I。中控机I对控制器2和水泵控制柜6通过GPRS网络或3G网络实现远程通信,如图2所示,实时获取水库水位H和河流流量Q,在中控机I内事先设置水库最高蓄水位Hmax、水库最低生态水位Hmin和目标流量Qm参数，中控机I按附图3所示的流程图进入控制程序，即是按如下步骤进行调控:
[0046](a)判断水库水位H:当H = Hmax,补水泵7停止，转入步骤(b)；当Hmin < H
<Hmax,转入步骤(b);当H < Hmin,电动调节阀4关闭,补水泵7启动,重复步骤(a);
[0047](b)判断河道流量Q:当Q < 0.8Qm,电动调节阀4打开,转入步骤(a);其余直接转入步骤(C)；
[0048](c)当Q≤Qm,电动调节阀4关闭,补水泵7停止,转入步骤(a);其余直接转入步骤(a)。
[0049]由于本实例包含水库补水点和河流补水点两个补水点，需要结合河流流量Q和水库水位H联合控制补水流量，在保证水库水位H的情况下，当河流流量Q低于0.SQm时，触发河流补水，直至河流流量Q达到Qm。这样不仅能保证水库水位H不会低于其最低生态水位Hmin，以确保水库的生态环境，而且有利于水库下层水体换水。
[0050]实施例二:
[0051]当河流上游无水库时，其设置相对简单，如图4所示，补水输入点设在河流上游，补水管道8对河流的输出端即为补水输入点。同实施例一，补水管道8上设置补水泵7作为输水动力装置，并设置水泵控制柜6控制补水泵7的运行。不同的是，设置一控制器2作为信息中转站，水泵控制柜6通过控制电缆连接控制器2，流量计5通过信号电缆连接一远程I/O模块9来将流量信息先传输至控制器2，中控机I与控制器2间、以及控制器2与远程I/O模块9间同样可采用GPRS网络或3G网络连接，如图5所示。同样在中控机I内事先设置目标流量Qm参数，中控机I按图6所示的流程图进入控制程序，即是:
[0052](a)判断河道流量Q:当Q < 0.8Qm,补水泵7启动,河流开始补水,转入步骤(b)；其余重复步骤(a)；
[0053](b)当Q < Qm,补水泵7运行,河流补水持续,重复步骤(b);当Q > Qm,补水泵7停止，河流补水中止，转入步骤(a)。
[0054]当河流流量Q低于0.8Qm时，触发河流补水程序，直至河流流量Q达到Qm，一个补水周期完成。为调度方便，水泵控制柜6内设变频器，调节补水泵7转速以达到调节补水流量的目的。
[0055]由于本发明针对的是河流需要补水的情况，对于河流水量充沛期甚至是洪水期不在本方案的调控范围内。本发明中的补水源可取自邻近水资源相对丰富的江河或满足补水水质条件的城市污水处理厂尾水。
[0056]本发明的目的在于使河道流量Q置于区间[0.8Qm，Qm]内，以保障河流生态环境所需的最低流量要求。其中，Qm为目标流量，由公式“Qm = W/t”计算得到，式中:W为河道生态环境需水量，t为计算时段；
[0057]进一步地，W值由公式“W = Wzf+Wsl+Wss+max { ffjl,ffjg, Wzj } +W 外”计算得至Ij,式中:
[0058]Wzf—河流蒸发需水量；Wsl—河流渗漏需水量；Wss—河道输沙需水量；Wjl—河道生态基流量；Wjg—河道景观环境需水量；Wzj—河流稀释自净需水量；胃外一河道外生态环境需水量。
[0059]河流的主要功能是满足水生生物生境、景观、稀释自净、输沙及河道外生态环境需水等要求，河道流量Q应能同时满足上述功能的需要。对于河道生态环境需水量W，由于上述各分项之间往往存在交叉、重叠，因而将各分项进行叠加求和会使得计算结果偏大、不合理。因此，对于重叠明显的Wjl值、Wjg值、Wzj值，采用取最大值的方法来解决重复计算的问题。
[0060]上述各值根据现有技术获得，具体如下:
[0061]河流蒸发需水量Wzf由单位面积蒸发量X水面面积计算得到，流域蒸发量通过试验确定；河流渗漏需水量Wsl由渗漏系数X河流历史平均水量计算得到，渗漏系数根据河流下垫面情况确定；河道输沙需水量Wss由历年月含沙量的平均值计算得到，河流月含沙量数据可由当地水文局获得；河道生态基流量Wjl由Tennant法计算得到，其根据河流实际情况确定基流百分比；河道景观环境需水量Wjg由巴甫洛夫斯基公式计算得到，当河流景观功能不显著时，可忽略该值；河流稀释自净需水量Wzj由现状污染物总负荷与目标污染物总负荷的差值计算得到，当河流沿程有较好的点、面源污染控制措施时，可忽略该值；河道外生态环境需水量W外由面积定额法计算得到，主要为河道外植被需水量。
[0062]对于实施例一中还涉及的水库最高蓄水位Hmax和水库最低生态水位Hmin。水库最高蓄水位Hmax由水库的设计库容量决定，其数值可从当地水库管理部门获取。水库最低生态水位Hmin是维持水库生态系统不发生严重退化的最低水位，最低生态水位至最高蓄水位之间为水库的可调库容。水库最低生态水位Hmin可利用湖库形态分析法计算得到。具体计算方法是利用湖库实测水位和相应水面面积资料，建立湖库水位和水面面积变化率的关系曲线，如图7所示，湖面面积变化率的最大值为A时对应水位值B，此时的水位值B即为水库的最低生态水位。
[0063]此外，本发明还提供了一种城市小型河流生态补水调度系统，上述两个方法实施例均基于该系统，其包括补水源、连接河流与补水源的补水管道8、补水管道8上的补水泵7和补水泵7对应的水泵控制柜6，在相对补水管道8输出口的下游方向的河流中设置有流量计5，所述流量计5与水泵控制柜6通信连接至一中控机I。本调度系统的流量计5作为系统的信号获取装置，为控制核心中控机I提供调控依据，中控机I进而通过控制水泵控制柜6来控制补水。
[0064]对于方法实施例一，由于所述河流包括其上游的水库，其对应的系统进一步是:所述补水管道8的输出端对应水库设置，水库中设置液位开关3来获得水库水位情况，液位开关3连接有一控制器2 ;在水库最低生态水位处设置有向河流补水的水库泄水口，水库泄水口设置有电动调节阀4，流量计5设置在相对水库泄水口的下游方向的河流中，所述电动调节阀4和流量计5与控制器2连接，所述控制器2与中控机I通信连接，中控机I联合河流流量和水库水位，实现对水库和河流的统一调度，并且在水库最低生态水位处设置有向河流补水的水库泄水口作为河流补水点，有利于水库下层水体换水，最大限度保证二者处于生态条件下。
【权利要求】
1.一种城市小型河流生态补水调度方法，其特征在于: 在河流上游设置补水输入点，补水源通过补水管道由补水输入点对河流进行补水；补水管道上设置补水泵作为输水动力装置，并对应补水泵设置水泵控制柜；在相对补水输入点的下游方向的河流中设置有流量计；所述流量计与水泵控制柜通信连接至一中控机，中控机通过水泵控制柜来调控补水泵的输送量，以调控补水输入点对河流的补水流量，使河道流量Q置于区间[0.8Qm, Qm]内， 其中，Qm一目标流量，Qm = W/t,式中:W—河道生态环境需水量，t一计算时段；
其中，W = Wzf+Wsl+Wss+max { Wjl, ffjg, Wzj } +W 外，式中: Wzf—河流蒸发需水量；Wsl—河流渗漏需水量；Wss—河道输沙需水量；Wjl—河道生态基流量；Wjg—河道景观环境需水量；Wzj—河流稀释自净需水量；W外一河道外生态环境需水量； 河流蒸发需水量Wzf由单位面积蒸发量X水面面积计算得到； 河流渗漏需水量Wsl由渗漏系数X河流历史平均水量计算得到； 河道输沙需水量Wss由历年月含沙量的平均值计算得到； 河道生态基流量Wjl由Tennant法计算得到； 河道景观环境需水量Wjg由巴甫洛夫斯基公式计算得到； 河流稀释自净需水量Wzj由现状污染物总负荷与目标污染物总负荷的差值计算得到； 河道外生态环境需水量W外由面积定额法计算得到。
2.根据权利要求1所述的城市小型河流生态补水调度方法，其特征在于: 河流上游有水库，所述补水输入点包括水库补水点和河流补水点，补水管道通过水库补水点对水库补水，水库通过河流补水点对河流补水，河流补水点设置在水库最低生态水位处，并在河流补水点设置电动调节阀，对水库设置液位开关，所述流量计和液位开关通过信号电缆连接至一控制器，所述控制器通过控制电缆连接电动调节阀，所述中控机通过GPRS网络或3G网络与控制器、水泵控制柜通信连接，中控机根据河流流量Q以及液位开关所测的水库水位H对水泵控制柜、控制器发出指令，以调控水库补水点和河流补水点的补水流量，具体包括如下调控步骤: (a)判断水库水位H:当H = Hmax,补水泵停止,转入步骤(b);当Hmin < H < Hmax,转入步骤(b);当H≤Hmin,电动调节阀关闭,补水泵启动,重复步骤(a)； (b)判断河道流量Q:当Q < 0.8Qm,电动调节阀打开,转入步骤(a);其余直接转入步骤(c)； (c)当Q> Qm,电动调节阀关闭,补水泵停止,转入步骤(a);其余直接转入步骤(a)； 上述步骤中，Hmax一7jC库最高蓄水位；Hmin—7K库最低生态水位，采用湖库形态分析法计算得到。
3.根据权利要求1所述的城市小型河流生态补水调度方法，其特征在于: 所述水泵控制柜通过控制电缆连接一控制器，所述中控机通过GPRS网络或3G网络与控制器通信连接，所述流量计通过信号电缆连接一远程I/O模块，所述远程I/O模块通过GPRS网络或3G网络与控制器通信连接，中控机根据流量计所测得的河流流量Q对水泵控制柜发出指令以调控补水泵的输送量，具体调控步骤如下: (a)判断河道流量Q:当Q < 0.8Qm,补水泵启动,河流开始补水,转入步骤(b);其余重复步骤(a); (b)当Q < Qm,补水泵运行,河流补水持续，重复步骤(b);当Q > Qm,补水泵停止,河流补水中止，转入步骤(a)。
4.一种城市小型河流生态补水调度系统,包括补水源、连接河流与补水源的补水管道、补水管道上的补水泵和补水泵对应的水泵控制柜，其特征在于:在相对补水管道输出口的下游方向的河流中设置有流量计，所述流量计与水泵控制柜通信连接至一中控机。
5.根据权利要求4所述的城市小型河流生态补水调度系统，其特征在于:所述河流包括其上游的水库，所述补水管道的输出端对应水库设置，水库中设置有液位开关，液位开关连接有一控制器；在水库最低生态水位处设置有向河流补水的水库泄水口，水库泄水口设置有电动调节阀，流量计设置在相对水库泄水口的下游方向的河流中，所述电动调节阀和流量计与控制器连接， 所述控制器与中控机通信连接。
【文档编号】G06Q50/06GK103981832SQ201410226487
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】卿晓霞, 王波, 郭庆辉, 周健, 白杨龙 申请人:重庆大学