一种热分层型水库调度优化方法与流程

[0001]
本发明涉及水库溶解氧优化技术领域，具体涉及一种改善水库滞温层溶解氧的优化方法。


背景技术：

[0002]
水库滞温层溶解氧浓度控制着水库氮、磷等内源污染的释放量，对水库水质产生影响，改善滞温层缺氧是保障水库水质的关键。水库溶解氧的演化主要受水动力、热分层、生化过程的控制，在水库实际管理中水库水位、水库调度、硝酸盐等氮浓度的变化是导致水库水动力、热分层、生化过程变化的主要因素。解决上述问题对改善热分层水库水质、保障供水安全方面具有重要的意义。


技术实现要素：

[0003]
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种利用调度优化水库溶解氧的热分层型水库调度优化方法。
[0004]
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
[0005]
提供一种热分层型水库调度优化方法，其包括以下步骤：
[0006]
s1：采集水库热分层期间水质的监测数据，监测数据包括水库年内各月的水温、溶解氧浓度、叶绿素a浓度和氮浓度；
[0007]
s2：利用监测数据分析热分层期间溶解氧层化结构的变化特征；
[0008]
s3：提取水库热分层期间溶解氧变化特征的控制因素；
[0009]
s4：建立水库三维水动力-水质模型；
[0010]
s5：采用监测数据对三维水动力-水质模型进行校核；
[0011]
s6：利用三维水动力-水质模型的控制方程模拟不同水位、调度运行方式和抽水蓄能调度工况下热分层缺氧的时间；
[0012]
s7：根据缺氧时间的分布建立水库的调度方案。
[0013]
本发明的有益效果为：本方案将水库常年监控的数据进行分析，得出水库热分层期间影响水库中溶解氧的影响因素，通过建立合理的模拟模型，并以实测的数据修改模拟模型，确保模型模拟的真实性，能有更加准确的提出优化溶解氧的调度方案，提出改善水库滞温层溶解氧的对策，为热分层水库水环境保护与修复提供有效的科学指导，为水库滞温层缺氧有很好的防控作用。
[0014]
本发明充分构建了以溶解氧为核心的水库三维水动力-水质数值模型，该模型以水动力、热分层、生化过程为基础，充分考虑溶解氧的补给、消耗、缓冲过程及各过程的启闭条件，实现了热分层水库动力场、温度场、浓度场“三场”的耦合模拟，能够较为精细的模拟热分层水库溶解氧的演化过程，对进一步模拟热分层水库溶解氧在不同工况下的演化机理。
附图说明
[0015]
图1为热分层型水库调度优化方法的流程图。
[0016]
图2为潘家口水库各月的温度分布图。
[0017]
图3为潘家口水库热分层期间溶解氧浓度与水温、叶绿素a、氮浓度的分布关系图。
[0018]
图4为2018年潘家口水库溶解氧实测值和模拟值对比图。
[0019]
图5为2018年潘家口水库氨氮实测值和模拟值对比图。
[0020]
图6为2018年潘家口水库叶绿素a实测值和模拟值对比图。
具体实施方式
[0021]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0022]
如图1所示，本方案提供的热分层型水库调度优化方法包括以下步骤：
[0023]
s1：采集水库热分层期间水质的监测数据，监测数据包括水库年内各月的水温、溶解氧浓度、叶绿素a浓度和氮浓度；
[0024]
s2：利用监测数据分析热分层期间溶解氧层化结构的变化特征；包括：
[0025]
s21：通过水库年内各月的垂向水温数据得到水库的热分层期，本方案以潘家口水库为例，如图2所示，4月中旬～11月底是水库的热分层期；
[0026]
s22：绘制热分层期间水库中溶解氧浓度垂向分布图、叶绿素a浓度的垂向分布图、水温的垂向分图和氮浓度的垂向分布图，如图3所示，图3中do为溶解氧浓度，t为水温；
[0027]
s23：对比热分层期间热分层内溶解氧浓度与叶绿素a浓度分布、水温分布和氮浓度分布的关系；
[0028]
s24：得到热分层期间溶解氧层化结构的变化特征。
[0029]
如图3所示，热分层期间潘家口水库氧跃层叶绿素a和溶解氧浓度均随水深同步、急剧降低，热分层期间潘家口水库温跃层的温度梯度与氧跃层溶解氧的浓度梯度有显著的正相关关系。
[0030]
s3：提取水库热分层期间溶解氧变化特征的控制因素，包括：
[0031]
s31：若在热分层期间，热分层内溶解氧浓度随叶绿素a的变化而波动，则水库浮游植物繁殖影响溶解氧浓度变化，反之则水库浮游植物繁殖不影响溶解氧浓度变化；热分层期间潘家口水库各层不同生化过程的作用为溶解氧空间差异性演变提供了驱动力。混合层浮游藻类大量繁殖，叶绿素a浓度较高，光合作用产氧量增加，溶解氧处于过饱和状态。
[0032]
s32：若热分层内溶解氧浓度随水温的变化而波动，则垂向水温影响热分层期间水库垂向水动力分布，垂向水动力差异促进热分层中各层溶解氧浓度变化，反之则垂向水温不影响溶解氧浓度变化；
[0033]
潘家口水库近年来水力停留时间较长、水位年际波动较大，相较于2017年，2018年分层期间水库的大流量供水下泄增加了水体垂向混合，使得温跃层下移，滞温层溶解氧补给量增加，其中8月、11月底层溶解氧分别增加2.4mg/l、0.5mg/l；热分层末期水库调度破坏坝前水体分层，缩短水体热分层的持续时间，减小了坝前底部缺氧的可能。
[0034]
热分层期间溶解氧垂向各层变化特征与水温分层相似，热分层使得垂向各层水体的水动力差异显著，为溶解氧的垂向分层提供了分异性物理环境。水库的表水层在风力扰动和太阳辐射作用下垂向水温、溶解氧混合均匀；温跃层的温度梯度控制了该层溶解氧的补给与消耗，使得氧跃层溶解氧形成较大的浓度梯度。
[0035]
s33：若热分层期间氮浓度随溶解氧浓度变化而波动，则水库中溶解氧浓度受氮滞留效应的影响，反之则溶解氧浓度不受水库中氮滞留效应的影响。
[0036]
热分层期间潘家口水库各层不同生化过程的作用为溶解氧空间差异性演变提供了驱动力。氧跃层受来自上层的大量有机颗粒矿化分解及浮游动物的呼吸等耗氧影响，溶解氧浓度随水深增加急剧下降；氧亏层主要为库底有机物矿化分解耗氧，底部溶解氧浓度随热分层的持续而下降，促使反硝化脱氮反应、沉积物厌氧氨化反应的发生，进而影响水库底部各种形态氮的浓度，水库底部溶解氧浓度控制水库氮的滞留或者释放，水库底部氮的滞留效应也能反应底部溶解氧的浓度变化。近年来潘家口水库硝酸盐滞留效应增加，说明潘家口水库随着污染负荷的增加，滞温层底部溶解氧浓度降低，硝酸盐反硝化脱氮消耗量增加。
[0037]
本发明的氮滞留效应的估算方法为：
[0038]
s41：计算每年营养盐总量的变化量：
[0039]
δm＝m
end-m
init
＝100v
end
·
c
end-100v
init
·
c
init
，其中，m
end
和m
init
分别为水库年末和水库年初的营养盐总量，单位为t；c
init
和c
end
分别为水库年初和年末的营养盐平均浓度，单位为mg/l；v
init
和v
end
分别为年初和年末的水库蓄水量；
[0040]
s42：计算库区每年营养盐的进库量m
in
和出库量m
out
，其中t＝12，m
in
和m
out
的单位均为t；q
in
和q
out
分别为各月进库流量和出库流量，单位为m3/s；c
i
为各月营养盐的浓度，单位为mg/l；
[0041]
s43：计算水库营养盐的滞留效率：ret＝((m
in-m
out
)-δm)/m
in
，其中，ret为营养盐的滞留效率，以百分比表示；m
in
和m
out
为每年营养盐进库和营养盐出库的通量，单位为t；δm为每年库区营养盐总量的变化量，单位为t。ret为正值表示水库营养物质的沉降，负值表示营养物质在水库中的释放。
[0042]
s4：建立水库三维水动力-水质模型，利用三维水动力-水质模型描述水温、溶解氧浓度、叶绿素a浓度和氮浓度等参数的变化，对水库物理、生物和化学过程进行模拟，分析溶解氧层化结构的演化机制，三维水动力-水质模型的控制方程为：
[0043][0044][0045][0046]
其中，t为时间，ρ为水的密度，u
i
、u
j
分别为x
i
、x
i
方向的速度分量，c
s
为水中声的传播速度，p为压力，ω
ij
为柯氏张量，
ɡ
i
为重力矢量，v
t
为紊动粘性系数，δ
ij
为kronecker函数，k为紊动动能，t为温度，d
t
为温度扩散系数，ss为各自的源汇项。
[0047]
s5：采用监测数据对三维水动力-水质模型进行校核，包括：
[0048]
s51：将控制因素水温、叶绿素a浓度、氮浓度输入到三维水动力-水质模型的控制方程中；
[0049]
s52：利用控制方程计算出模拟的热分层期间水库的溶解氧浓度；
[0050]
s53：将模拟出的溶解氧浓度与实测的溶解氧浓度进行对比；
[0051]
s54：若模拟的溶解氧浓度与实测的溶解氧浓度的误差在设定的范围内，则此控制方程能模拟水库真实的溶解氧变化过程，
[0052]
s55：反之，则不能模拟水库真实的溶解氧变化过程，重复步骤s5，修改输入控制方程的参数，再重复步骤s51-s53，直到控制方程能模拟水库真实的溶解氧变化过程。
[0053]
本方案的三维水动力-水质模型使用2018年实测潘家口水库水质数据进行验证，如图4至图所示，8月水库稳定热分层期间温跃层溶解氧浓度相差较大，整个热分层期间模拟的滞温层溶解氧浓度过程与实测浓度差较小。8月、11月氨氮、硝酸盐、叶绿素a滞温层模拟浓度与实测浓度相差较小，表层和温跃层存在一定的浓度差。结果表明校核过的潘家口水动力-水质模型能够良好再现潘家口水库滞温层真实溶解氧的结构和变化过程。
[0054]
s6：利用三维水动力-水质模型的控制方程模拟不同水位、调度运行方式和抽水蓄能调度工况下热分层缺氧的时间；
[0055]
如下表1所示，模拟出的不同工况对应热分层底部溶解氧特征指标，
[0056]
表1
[0057][0058]
s7：根据缺氧时间的分布建立水库的调度方案。
[0059]
根据上表1可知，调度量大条件对应工况为工况2，调度量小条件对应工况为工况4，工况4常规下泄量小、无抽水蓄能对滞温层溶解氧浓度影响随着时间的推移显著增加。调度量小的条件下，水库均存在严重缺氧，其中常规下泄量小、无抽水蓄能调度条件对应工况的缺氧时间最长。
[0060]
所以通过大水量抽泄作用，增加了水体的垂向扰动，也使得水库翻库时间提前，能较大程度抑制滞温层缺氧。若减少水库调度量，特别是关停抽水蓄能调度，潘家口水库滞温
层底部缺氧持续时间将成倍增加，缺氧严重程度加剧。
[0061]
本方案将水库常年监控的数据进行分析，得出水库热分层期间影响水库中溶解氧的影响因素，通过建立合理的模拟模型，并以实测的数据修改模拟模型，确保模型模拟的真实性，能有更加准确的提出优化溶解氧的调度方案，提出改善水库滞温层溶解氧的对策，为热分层水库水环境保护与修复提供有效的科学指导，为水库滞温层缺氧有很好的防控作用。
[0062]
本发明充分构建了以溶解氧为核心的水库三维水动力-水质数值模型，该模型以水动力、热分层、生化过程为基础，充分考虑溶解氧的补给、消耗、缓冲过程及各过程的启闭条件，实现了热分层水库动力场、温度场、浓度场“三场”的耦合模拟，能够较为精细的模拟热分层水库溶解氧的演化过程，对进一步模拟热分层水库溶解氧在不同工况下的演化机理。