南通市主城区纳潮动水工程运行调度优化研究

南通市水利局扬州大学水利科学与工程学院如皋市农田水利试验站南通市水利勘测设计研究院有限公司该成果将蒙特卡罗方法和图论概念应用到河网计算中,建立了随机游动模型,提出了直接求解河网非恒定流的计算方法,具有创新性。对南通市主城区河网水的流动规律及不同特征下的洪涝灾害进行了数值模拟,为主城区纳潮动水工程运行提供了优化调度的技术基础。在南通主城区纳潮动水工程运行方案的基础上,提出了采用大潮间断引水方式和泵站连续引水方式相结合的引水方案,并对引水水源、引水路线选择、引水时间和引水量、纳潮动水工程改善水质的效果等进行了分析,初步建立了一套比较完善的分片控     

引水改善城市河网水质效果评估研究

引水仍是目前改善城市河网水质最常用的方法之一,但引水对河网水质改善的整体效果缺乏统一的评价标准和评估体系。以杭州市江干区为例,构建了一维河网水质模型,模拟了不同的引水水量和水源水质方案下河网水质改善情况;利用水质改善率、类别变化指数和浓度变化指数分析了引水对河网水质的改善效果。结果表明:引水水量对河网水质有一定的改善效果,但随着引水水量的增大,河网水质改善幅度逐渐变小;水源水质的提升对河网水质提高有明显效果,且改善幅度随水质的提升而提高,是影响引水效果的关键因素。     

基于汉口分类处理的平原河网水质模拟方法

在目前常用的平原河网水质模拟三级解法中,对所有汉口出口断面浓度均采用均匀混合假设,然而汉口处不同的水动力条件和来流水质使得均匀混合假设未必适用于所有的汉口.为修正传统方法中的这一理论不足,该文提出对不同类型的汉口进行分类,并基于不同的处理建立平原河网水质模型.较之传统的三级解法,该方法直接求解断面浓度,无需求解汉口处的浓度,可有效简化求解过程并提高精度.将模型应用于江苏昆山某河网,求解非恒定流条件下各断面的COD浓度.结果表明:在未采用均匀混合假设的汉口,出流断面浓度与传统模型的结果差异明显;该模型计算结果与实测值吻合较好,可应用于平原河网水质模拟.     

基于汊口分类处理的平原河网水质模拟方法

在目前常用的平原河网水质模拟三级解法中,对所有汊口出口断面浓度均采用均匀混合假设,然而汊口处不同的水动力条件和来流水质使得均匀混合假设未必适用于所有的汊口。为修正传统方法中的这一理论不足,该文提出对不同类型的汊口进行分类,并基于不同的处理建立平原河网水质模型。较之传统的三级解法,该方法直接求解断面浓度,无需求解汊口处的浓度,可有效简化求解过程并提高精度。将模型应用于江苏昆山某河网,求解非恒定流条件下各断面的COD浓度。结果表明:在未采用均匀混合假设的汊口,出流断面浓度与传统模型的结果差异明显;该模型计算结果与实测值吻合较好,可应用于平原河网水质模拟。     

基于浙东引水的慈溪平原河网水质改善研究

慈溪市作为浙东引水工程引曹北线的末端受水区，生态引水量逐年提升，引配水效果显著，河网水质改善明显。在建立河网一维水动力和水质模型模拟预测的基础上，针对河网内部引水布水调度系统，推荐分阶段分时期优化调度方案，为后续优化慈溪平原河网相关工程调度、最大化发挥浙东引水的环境效益提供技术参考。     

基于同步原型观测的水质改善效果敏感性分析与应用

将无锡运东大包围调水试验过程划分为背景期、调度期和恢复期3个阶段,通过长系列河网水动力-水质多要素同步原型观测,获得河网干支流水动力特性,掌握不同控制断面水质指标的变化规律,并分析水动力过程对不同水质指标改善的敏感性。在此基础上,基于引水流量、汊道分流比、河网流速、水位以及水质改善幅度控制阈值,论证白屈港-严埭港-转水河-环城河-古运河沿线主引水通道的可行性与存在的问题,构建区域精细化河网水动力模型,在模型率定验证基础上模拟了高水位单通道自引泵排、低水位单通道泵引泵排、双通道自引泵排运行方案,比选了不同生态补水方案的水动力与水质效果,为无锡运东大包围畅流活水方案制定提供了研究方法与数据支持。     

扬州市中心城区河网闸泵联合调度优化研究与应用

建立扬州市中心城区河网水动力-水环境模型,模拟换水条件下河网水流运动,根据实测资料并结合模型演算,得出在生态流速控制阈值范围内的适宜年引水量阈值、逐月月引水流量阈值和区域水网的换水周期;针对水功能区水质改善和生态需水满足度提升,优化研究现有闸泵联合调度方式,提出闸泵运行精准调度方案和调控效益分析成果,为区域生态需水保障和水资源配置调度提供可靠的依据。     

遗传算法在大伙房跨流域引水工程优化调度中的应用

在大伙房水库跨流域调水工程规划成果的基础上,重点研究遗传算法在制定优化调水方案中的应用。结合调水工程实际情况建立了优化调水模型,然后用遗传算法对该优化模型进行求解,并解决了求解过程中遗传算法计算各环节的问题,得到了优化方案。与传统的长系列调节计算结果相比,在相同供水指标和保证率条件下,优化调度方案引水少、弃水也少,更优先地利用了当地(受水流域)的水资源。     

太湖流域滨湖城市多水源引水方案优化研究

引调水是目前许多城市改善河道水环境的重要手段,不同引水水源、流量对河道水质、水动力有较大影响,因此需要定量分析不同引水方案对河道水质、水动力的改善程度。以太湖流域无锡滨湖城市河网为研究对象,以太湖流域一维河网水量水质耦合模型为基础,将梅梁湖和五里湖作为引水水源,在不同引水流量条件下定量分析区域水动力和总磷(TP)浓度改善情况。结果表明,梅梁湖引水方案增加引水流量,可以有效提示水体流动性;五里湖引水时,可有效削减主要河道总磷(TP)浓度。考虑梅梁湖水量充足、水质较差,五里湖水质较好但水量不足,提出了双水源(梅梁湖-五里湖)联合调度方案。     

大型潮汐河网水质模型的求解方法及其应用

用有限体积法对描述河流污染物运动规律的对流扩散方程积分，提出了一种处理潮汐河网汉道水质模拟的新方法；同时针对潮汐河网水质离散方程的特点建立了一种水质模型分级求解程式，实际应用表明：综合利用本文提出的汊道模拟方法及模型分级求解对于大型潮汐河网水质模拟不仅可以提高其模拟精度，而且具有极快的求解速度。     

水量调度对平原河网能量影响分析

平原河网水动力条件相对较差,水质问题较为突出,为改善平原河网地区水环境状况,选取江苏省无锡市滨湖河网2018年洪季和枯季19个断面水文水质监测数据,基于MIKE21滨湖河网水动力-水质模型及Python能量计算模型,探究能量耗散规律以及能量、水质间的关系,并确定最佳调水流量区间。结果表明：滨湖河网水质浓度与河流能量显著负相关;一定调水流量的增加使得河流总能量随之上升,能量到达阈值后,随调水流量的上升,河流总能量呈降低趋势;在能量目标层面上优选引调水方案,能有效协调引调水过程中存在的异质性因素,确定逐日最佳调水流量区间及河网总能量最佳区间,提供流量优化调控方案,保障平原河网水动力与水环境条件。     

WASP5水质模型在平原河网区的应用

以平原河网区水环境为研究对象,选择了WASP5系统作为平原河网水质模拟的基本工具,针对WASP5系统自带的DYNHYD5水动力模型功能的局限性,以及平原河网水力调控系统复杂的特征,选择了具有产汇流模拟、闸坝控制模拟及河网水流模拟等功能的三级联解平原河网水动力模型。通过利用C++语言编程,实现了三级联解平原河网水动力模型与WASP5水质模型的耦合,使之可以应用于平原河网水环境的模拟。并把研究成果运用到实际引调水工程中去,模拟引调水工程中不同实施方案下的环境效益,为引调水工程实施方案的确定提供了理论依据。     

常州市运北主城区畅流活水方案设计与现场验证

为改善常州市运北主城区水环境,采用数学模型计算和现场试验验证相结合的方法,开展畅流活水水环境提升方案研究。依据常州市区域地形和水系情况,确定主城区引水水源、引排格局和引水水量,结合现状工程条件,提出“利用长江优质水源、打造两条清水通道、新建四座活动溢流堰、形成三级水位差”的畅流活水方案。基于Infoworks ICM构建常州市主城区水动力数学模型,模拟澡港河入口水位3.80~4.00 m多种方案下,运北主城区内部河道流量分配情况,确定最佳入城水位,并结合现场试验验证了活水效果。结果表明,常州市运北主城区畅流活水方案实施后大部分河道流量显著增加,流速达7 cm/s以上,多项水质指标达到Ⅲ类及以上水平。研究成果可为其他平原河网地区水环境提升提供借鉴。     

Optimizing Operation Rules of Sluices in River Networks Based on Knowledge-driven and Data-driven Mechanism

Many river networks are controlled by sluices, especially in plain area. To prevent potential floods, maintain water level, and improve water environment in the inner river, the water transfer of river networks is needed and executed often in terms of optimized operation rules of sluices planned in advancing. To guarantee maintaining the optimized operation status, the provision of appropriate operating framework of sluices in river networks is necessary and presented in this study based on the knowledge-driven and data-driven mechanism. The general framework is formed by River Networks Mathematical Model (RNMM), Artificial Neural Networks (ANN) and Genetic Algorithms (GA), in which, ANN is used to build a rapid simulation of the flow variables in river networks, RNMM is used to train the ANN model, and GA method, whose fitness function is constructed by the ANN model, is used to optimize the operation rules of sluices. As a demonstration, the framework was applied to water transfer project of the tidal river networks locating in Pudong New Area of Shanghai in mainland China. Firstly, RNMM of Pudong was built and validated according to observed data during water transfer tests. Then, the Backward Propagation Neural Networks (BPNN) model was established as the fast simulation tool of flow variables of river networks through the numerical experiments with RNMM. The Generalized Genetic Algorithms (GGA) was recommended as optimization algorithm of sluices operation rules. Through comparing the optimization results with the RNMM simulation outputs under eight cases, it is verified that the framework can offer sub-optimal operation rules of sluices in river networks and present excellent speediness, robustness and flexibility. It is encouraged to be applied to more complicated, practical problems.     

引配水对京杭运河杭州段水质的改善预测

根据平原河网的水动力和水质特点,建立了运河水系河网水质模型,并利用2007年该运河水系河网的实测水位及水质资料对模型进行验证。进行了杭州市主城区引配水方案下的水动力计算,并对设计水动力条件下的运河水质进行预测。结果表明,杭州市主城区引配水方案实施后,运河干流及主要支流水质将有较大改善。     

调水引流改善平原河网水环境质量模拟

为科学定量地评估引调水工程对平原河网地区城市内河水质的改善效果,以张家港市中部水系为例,运用MIKE11构建了河网水动力水质耦合模型,模拟了沿江水利枢纽和内河节制闸不同的调度方式对城市内河水质的影响,利用水质浓度改善率探究了水利调度改善城市内河水质的程度。结果表明:增加沿江水利枢纽引水天数对改善城市内河水质有显著作用,但随着引水天数的增加,NH_3-N浓度改善率日均提升幅度逐渐降低;内河节制闸调度工况对改善城市内河水质起到一定的促进作用,实际调水引流工作中可作为一种辅助措施。     

Applying Genetic Algorithm and Neural Network to the Conjunctive Use of Surface and Subsurface Water

The conjunctive use of surface and subsurface water is one of the most effective ways to increase water supply reliability with minimal cost and environmental impact. This study presents a novel stepwise optimization model for optimizing the conjunctive use of surface and subsurface water resource management. At each time step, the proposed model decomposes the nonlinear conjunctive use problem into a linear surface water allocation sub-problem and a nonlinear groundwater simulation sub-problem. Instead of using a nonlinear algorithm to solve the entire problem, this decomposition approach integrates a linear algorithm with greater computational efficiency. Specifically, this study proposes a hybrid approach consisting of Genetic Algorithm (GA), Artificial Neural Network (ANN), and Linear Programming (LP) to solve the decomposed two-level problem. The top level uses GA to determine the optimal pumping rates and link the lower level sub-problem, while LP determines the optimal surface water allocation, and ANN performs the groundwater simulation. Because the optimization computation requires many groundwater simulations, the ANN instead of traditional numerical simulation greatly reduces the computational burden. The high computing performance of both LP and ANN significantly increase the computational efficiency of entire model. This study examines four case studies to determine the supply efficiencies under different operation models. Unlike the high interaction between climate conditions and surface water resource, groundwater resources are more stable than the surface water resources for water supply. First, results indicate that adding an groundwater system whose supply productivity is just 8.67 % of the entire water requirement with a surface water supply first (SWSF) policy can significantly decrease the shortage index (SI) from 2.93 to 1.54. Second, the proposed model provides a more efficient conjunctive use policy than the SWSF policy, achieving further decrease from 1.54 to 1.13 or 0.79, depending on the groundwater rule curves. Finally, because of the usage of the hybrid framework, GA, LP, and ANN, the computational efficiency of proposed model is higher than other models with a purebred architecture or traditional groundwater numerical simulations. Therefore, the proposed model can be used to solve complicated large field problems. The proposed model is a valuable tool for conjunctive use operation planning.     

沿海平原调水引流及水量水质联合调控研究

浙江省沿海平原河网水源补给不足、水环境质量差,实施平原调水引流是增加水资源补给、促进水体有序流动以及改善河网水质的有效措施。以台州温黄平原为例进行研究,构建了水量水质联合调控耦合模型系统,在开展产水产污分析以及原型调水试验研究等工作的基础上,对调水引流水量及其改善河网水环境效果方面开展了分析,根据试验分析结果,提出了实施河网水量水质联合调控的方案。研究成果可为温黄平原乃至整个浙江省沿海平原实施调水引流及水量水质联合调控提供技术支撑和研究示范。     

Comparative Evaluation of Genetic Programming and Neural Network as Potential Surrogate Models for Coastal Aquifer Management

Determining the optimal rates of groundwater extraction for the sustainable use of coastal aquifers is a complex water resources management problem. It necessitates the application of a 3D simulation model for coupled flow and transport simulation together with an optimization algorithm in a linked simulation-optimization framework. The use of numerical models for aquifer simulation within optimization models is constrained by the huge computational burden involved. Approximation surrogates are widely used to replace the numerical simulation model, the widely used surrogate model being Artificial Neural Networks (ANN). This study evaluates genetic programming (GP) as a potential surrogate modeling tool and compares the advantages and disadvantages with the neural network based surrogate modeling approach. Two linked simulation optimization models based on ANN and GP surrogate models are developed to determine the optimal groundwater extraction rates for an illustrative coastal aquifer. The surrogate models are linked to a genetic algorithm for optimization. The optimal solutions obtained using the two approaches are compared and the advantages of GP over the ANN surrogates evaluated.     

常州市主城区畅流活水方案模拟比选及现场试验研究

为了改善常州市主城区水环境,通过数值模拟计算与现场试验相结合的方法,开展畅流活水水环境提升方案研究。利用优质丰富的长江水作为引水水源,通过魏村枢纽和澡港水利枢纽引水,围绕新建工程大运河西枢纽及与4座活动堰工程的调度组合,设置了5组模拟方案,通过水动力数学模型,模拟各方案下城区内部河道流量分配情况,并结合现场试验论证了推荐活水方案的效果。结果表明：推荐方案形成了3级水位差、水位调控精准、流量分配合理的畅流活水格局,河网水环境改善显著,同时大部分水质指标在引水结束后16 d内均仍处于较好的状态,但部分河道的水质反弹明显。通过数学模型开展水动力调控是改善平原河网城市水环境的有效手段;但需要强化日常监测,根据水质变化情况合理确定活水周期,同时对部分水质异常点位开展污染源解析工作,保障河网水环境的长效久治。