（环境工程专业论文）北方某滨海城市景观水体汛期防洪排咸调度.pdf

摘要 随着人类社会对水的需求急剧增长以及人类对自然资源的不合理开发利用，水 环境污染日趋加重，加上水的不合理利用与浪费，世界正面临着水的危机，并威胁 着人类的生存和发展。雨水资源是维系包括水资源环境在内的人类生态环境的重要 方面，当今面临的水资源危机要求我们倍加珍视这一宝贵资源。 本文所研究的区域位于华北地区某缺水城市，该市的雨水资源在时间上的分布 很不均匀，大部分的降雨集中在汛期的六、七、八月，造成了旱季的缺水和汛期的 雨水浪费。如何将汛期尽量多的雨洪水资源储存起来以备枯水期供水所用，是解决 研究区域水资源紧缺、优化水资源配置的重要前提和基础。另外由于研究区域地下 水为高盐水，造成研究区域景观河道水含盐量较高，本课题对汛期雨洪水排水的调 度方案进行了研究，同时研究了降低景观水含盐量的方法，以达到经济效益、社会 效益和环境效益的统一。 本文以研究区域的景观河道为研究对象，利用i n f o w o r k sc s 软件对研究区域景 观河道在汛期暴雨时的调度进行了模拟，得出了比较科学的汛期调度方案；在分析 了研究区域盐度变化的基础上，利用i n f o w o r k sr s 软件对景观河道在降雨后盐度的 变化进行了模拟，分析了雨水对河道盐度的影响并大致研究了湿地对盐度的去除效 果；在以上研究的基础上，结合研究区域特征，探讨了降低研究区域雨水径流系数 的方法以及科学的雨水储存方案。 第一，本文利用w a l l i n g f o r d 软件公司开发的i n f o w o r k sc s 软件对研究区域景 观河道汛期暴雨的调度进行了研究，并对降低水泵开启水位、减小河道的初始水位、 扩大闸的宽度、提前排水等多种情景进行了模拟，得出了汛期暴雨较为科学的调度 方法。 第二，分析了研究区域盐度变化规律，利用w a l l i n g f o r d 软件公司开发的 i n f o w o r k sr s 软件对降雨后景观河道的盐浓度变化进行了模拟，分析了降雨的稀释 作用对河道盐度的影响，并研究了湿地系统对河道盐度的去除效果。 最后，在以上研究成果的基础上，对研究区域的雨水储存方法进行了研究，建 议通过铺设渗透地面、科学规划绿地、建设屋面收集系统等方法降低雨水径流量。 可以在研究区域中选择合适的地区修建雨水蓄水池以储存多余的雨水供早期使用。 关键词：景观河道；汛期调度；盐度；雨水储存：雨水蓄水池 a b s t r a c t a st h er a p i dg r o w t ho ft h ew a t e rd e m a n df o rh u m a ns o c i e t ya n dt h eu n r e a s o n a b l e e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fn a t u r a lr e s o u r c e sw h i c hm a d ew a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o n m o r es e r i o u s ，c o u p l e dw i t ht h eu n r e a s o n a b l eu s eo fw a t e ra n dw a t e rw a s t e ，t h ew o r l di s f a c i n gaw a t e rc r i s i sw h i c ht h r e a t st h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fh u m a n i t y r a i n w a t e r r e s o u r c ei sa i li m p o r t a n ta s p e c tt om a i n t a i nt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，w h i c hi n c l u d e s w a t e rr e s o u r c e se n v i r o n m e n t ，a n dw eh a v et oc h e r i s ht h i sv a l u a b l er e s o u r c eb e c a u s eo f 也ec u r r e n tw a t e rc r i s i s t h es t u d ya r e ai sl a c ki nw a t e ra n dt h ed i s t r i b u t i o no fr a i n f a l li su n e v e ni nt i m e m o s to ft h er a i n f a l lc o n c e n t r a t e si nj u n e ，j u l ya n da u g u s t ，r e s u l t i n gi nt h ew a s t eo f r a i n f a l li nf l o o ds e a s o na n dt h el a c ki nd r ys e a s o n t h e r e f o r e ，h o wt os t o r et h er e s o u r c e s o fr a i n w a t e ra n df l o o di nf l o o ds e a s o na sm u c ha sp o s s i b l ef o rt h eu s eo fd r ys e a s o ni sa n i m p o r t a n tp r e c o n d i t i o na n db a s i st os o l v et h er e g i o n a ls h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sa n d o p t i m i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sa l l o c a t i o n h o w e v e r , b e c a u s et h eg r o u n d w a t e ro fs t u d y a r e ai sw i t hh i g hs a l tc o n t e n tw h i c hr e s u l t si nt h eh i g hs a l t yi nt h ew a t e ro fl a n d s c a p e r i v e r w a y ，t h er e s e a r c hs t u d i e st h ed i s p a t c hp r o g r a mo ff l o o ds e a s o nr a i n f a l l ，a tt h es a m e t i m e ，i ts o l v e st h ep r o b l e mo fw a t e rq u a l i t yo fr a i n f a l lw h i c hi su s e df o rl a n d s c a p ea n d e n s u r e st h es a l to fl a n d s c a p ew a t e ru n d e rt h es t a n d a r d t h e s eo b t a i nt h eu n i f i c a t i o no f e c o n o m i c ，s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s l a n d s c a p er i v e ro f ar e g i o ni nn o r t hc h i n ai st h eo b j e c ti nt h i sp a p e r t h es t u d ye l i c i t s s c i e n t i f i cs c h e d u l eo ft h ef l o o ds e a s o nd i s p a t c h i n g i tu t i l i z e si n f o w o r k sc ss o f t w a r e ， w h i c hs i m u l a t e dt h ed i s p a t c h i n go ft h es i g h tr i v e r w a yi nf l o o ds e a s o ni nr e s e a r c ha r e a b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a n g e so ft h es a l i n i t yi nt h ea r e a ，t h ev a r i a t i o n so fs a l i n i t y a f t e rt h er a i n f a l li nt h a tl a n d s c a p er i v e r w a ya r es t i m u l a t e du s i n gi n f o w o r k sr ss o f t w a r e t h eq u e s t i o no ft h i sr e s e a r c h ，t h ee f f e c t so ft h er a i n w a t e rf a c e st ot h es a l i n i t yo fr i v e r w a y c o u l db em a d et h r o u g hs t i m u l a t i n ga n dt h e nt h ec h a p t e rs t u d i e st h er e m o v a lo ft h e s a l i n i t yu s i n gw a t l a n d s b a s e do na b o v er e s e a r c ha n dc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r so ft h e r e s e a r c ha r e a ，t h es t u d yd i s c u s s e st h ew a y st h a td e b a s et h ec o e f f i c i e n to fr a i nw a t e rf l o w a n dt h ec a s et h a tr a i n f a l li ss a v e ds c i e n t i f i c a l l y f i r s t l y , t h er e s e a r c hs t u d i e st h ed i s p a t c ho ft h er a i n f a l lo f t h el a n d s c a p er i v e r w a yi n t h es t u d ya r e ai nf l o o dr e a s o nu s i n gi n f o w o r k sc ss o f t w a r es i m u l a t e st h ec a s eo f d r o p p i n gt h es w i t c ho nl e v e lo fp u m p s ，r e d u c i n gt h ei n i t i a ll e v e lo ft h er i v e r , e x t e n d i n g t h ew i d t ho ft h es l u i c ea n dd r a i n i n gt h ew a t e ri na d v a n c ea n de l i c i t ss c i e n t i f i cs c h e d u l eo f t h ef l o o ds e a s o nd i s p a t c h i n g s e c o n d l y , t h er e s e a r c ha n a l y s i st h er u l e so fs a l i n i t yc h a n g e si n t h i s d i s t r i c ta n d s i m u l a t e st h ec h a n g e so ft h ec o n c e n t r a t i o no fs a l to fl a n d s c a p er i v e r w a ya f t e rr a i nu s i n g i n f o w o r k sr ss o f t w a r e a tl a s t ，t h es t u d yr e s e a r c h e s t h er e m o v a le f f e c to ft h er i v e r s a l i n i t yu s i n gw a t l a n d s f i n a l l y , b a s e do na b o v er e s e a r c h ，t h i sp a p e rs t u d i e st h em e t h o dt os t o r er a i n w a t e ri n t h es t u d ya r e a , a n da d v i s e st od e b a s et h ea m o u n to ft h er a i nw a t e rb yp a v i n gs a t u r a t i n g f l o o r , p r o g r a m m i n gt h eg r e e n b e l ts c i e n t i f i c a l l y , b u i l d i n gc o l l e c t i o ns y s t e mo nt h er o o f a n ds oo n w ec a nb u i l dar a i n w a t e rr e s e r v o i ri nt h ea p p r o p r i a t el o c a t i o ni nt h es t u d ya r e a s oa st os t o r er e d u n d a n tr a i nw a t e rf o rd r ys e a s o nu s e k e yw o r d s ：l a n d s c a p er r i v e r w a y ；d i s p a t c hi nf l o o ds e a s o n ；s a l i n i t y ；r a i n w a t e r s t o r a g e ；r a i n w a t e rr e s e r v o i r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤注态鲎或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：涨碴榔签字同期：w 岬年易月中日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：琚硌桶 导师签名： 1 印一阮 签字同期：1 呷年易月乡日 签字日期：矽哕年占月多日 第一一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及研究意义 城市河道整治中对景观要求越来越高，河道景观是在满足河道基本功能的前提 下，以人为本，以水为载体，营造水上、河边景观，给人以视觉享受和休闲场地的 河道及河边空间环境的总和。随着城市功能不断完善，人们生活水平不断提高，追 求人水和谐的城市空间成为市民普遍的要求，城市景观河道建设也成为河道整治中 的重剧。 1 1 1 雨水资源利用及其发展趋势 随着经济不断发展和人口快速增长，工业、农业和生活供水需求不断升级，人 类正面临着越来越严重的水资源短缺、水体恶化和环境污染等方面的威胁，水危机 已成为全球化的热点问题。雨水作为一种长期稳定存在的非传统水源，就近易得， 易于处理，数量巨大。雨水的利用，不仅在一定程度上缓解水资源短缺，防治城市 洪涝灾害；减少污染物排放，而且对水环境复合生态系统的良性循环与可持续发展 起着重要作用。雨水作为资源不仅可以用于生活与工业生产，还可以作为小区绿化、 灌溉、市政清洁及补充地下水，发挥多种生态环境效益【2 】。故探索雨水资源化利用 途径有十分重要的意义。 雨水是一种经济的水资源。我国雨水资源丰富，年降水量达6 1 9 0 亿1 2 1 3 。但由 于没有健全的暴雨洪水时的汇集和调蓄设施，造成暴雨时的洪涝灾害和旱季的严重 缺水。如果能将雨水进行有效的收集和处理，用作生活杂用水，景观用水，要比回 用生活污水更便宜，且工艺流程简单，水质更可靠，细菌和病毒的污染率低，出水 的公众可接受性强。我国有些地区地下水开采过度导致地下水水位下降，如能将雨 水收集处理后回注地下，对于暴雨洪水的水量起到调蓄作用，削减洪涝灾害，同时 还能补充地下水。雨水的利用将缓解水资源的短缺，促进经济的可持续发展。 利用雨洪资源主要是通过各种人工手段将雨洪水变为一种能为人类所综合利用 的自然资源，发生暴雨洪水时，采取主动性决策方法，进行系统分析，做到防洪的 主动性、科学性、可靠性和安全性。如何将汛期尽量多的雨洪水资源储存在水库坑 塘中以备枯水期供水所用，是解决我国北方地区水资源紧缺、优化水资源配置的重 要前提和基础。 从节约新鲜水资源、经济因素和水涝危害因素等多方面考虑，雨水资源的充分 利用都有着重要意义。首先，雨水资源化可以节约大量的新鲜水资源，实现区域资 源节约的规划目标；其次，雨水来自天然，利用比较经济，并且由于研究区域暴雨 第章绪论 频率高、强度大，如果不采取雨水资源化措施，会加大初期雨水的收集和处理的工 程费用；再次，研究区域的土地开发与建设将增大地表径流系数，如果不采取恰当 的雨水资源化措施，增大的雨水径流量在汛期产生的泄洪量将对研究区域自身以及 下游地区产生水涝威胁；最后，渗入地下的雨水可补给地下水，研究区域浅层地下 水多为苦咸水，利用雨水渗透，可以淡化地下水，改良土壤使之更利于植物生长， 调节气候，从而改善区域自然生态环境，减轻水体污染，雨水大规模的集中收集、 蓄存费用巨大，采用自然资源化和人工资源化相结合的方式，可提高雨水资源化的 利用效率，降低资源化成本。 1 1 2 景观河道的功能要素 景观河道存在于城乡河道之间，有行洪河道，也有排水内河。一般来说，景观 河道具有以下功能要素： 1 1 2 1 水利功能 水利功能是河道( 包括航道) 的基本属性，景观河道建设必须首先满足其水利 功能。一是河道的引排功能，需要按照河道的功能，满足其引、排流量的要求；二 是河道的调蓄功能，具有必须的调蓄容积，满足河道与闸站协调配合的需要；三是 水质要求，达到水功能区水质目标，同时达到景观用水标准。 1 1 2 2 河口曲线 从景观角度看，河道河口线不宜过分渠化，宜讲究适当弯曲、自然流畅，使景 观河道断面变化，水体流速不同，具有较好的动力条件。但河道最小断面需满足引 排要求，不能因为片面追求曲线，而使河道形成缩窄段。 1 1 2 3 两侧绿化 河道两侧布置绿化带是营造河道景观的最基本和最有效的方法，一方面河道两 侧的绿化带可以减小雨水的地面径流，降低洪灾风险；另一方面，绿化带可以截留 水中的部分污染物，使水体的t d s 含量降低。另外，在河道水质较好，满足绿地浇 洒要求时，可以使用河道水就近浇洒两侧绿地。 1 1 2 4 亲水功能 景观河道与普通景观的最大区别是亲水性。通过合理设置护岸、步道高程，使 人能亲近水体，更进一步通过水利工程措施适当调控水位，做到“外河洪水内河浅、 外河枯水内河满”，其亲水效果将更好。 第章绪论 1 1 3 本课题的提出及研究意义 研究区域本地水资源短缺，主要水资源为境外来水，每年需支付高额的水资源 费用，如果能合理利用雨水资源，不仅能产生可观的经济效益，而且会带来一定的 环境效益和社会效益，因此，雨水资源的充分利用对该地区的发展有重要的意义。 该区域地处海河流域，年降水量变化较大，主要有以下三个特点： 第一，研究区域降雨主要集中在汛期，非汛期雨水量少，同时可利用的雨水资 源少，因此应充分利用汛期雨水； 第二，研究区域汛期降雨主要集中在六、七、八三个月份，集中了全年约7 5 的降水量，因此，雨水利用主要考虑汛期的雨量； 第三，研究区域每年汛期一般出现l - 2 次暴雨，其降雨特点为雨水量大、降雨 历时短，而且汛期雨水没有进行合理的调蓄和利用，导致雨水大量流失，因此有必 要对研究区域汛期雨水进行优化调度，从而实现雨水资源的充分利用。 研究区域景观河湖总面积1 2 k i n 2 ，其中河道全长2 5 k i n ，湖泊面积0 4 5 k m 2 ，湿 地面积0 4 6 k i n 2 。景观河湖内的雨水系统分为四大部分一北部雨水系统、东部雨水系 统、西南雨水系统以及南部雨水系统。，分别建设有4 个雨水泵站。雨水泵站将区域雨 水汇集后排放到河道中，暴雨时由于强度较大，极易发生内涝。同时由于研究区域 浅层地下水多为苦咸水，造成河道水体含盐量较高，t d s 污染较重。因此汛期在保证 研究区域安全的前提下，有必要对该区域的汛期雨水进行调度，实现雨水资源充分 利用的同时使景观河道的含盐量达标。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外雨水利用现状 城市雨水利用的涵义是将直接排入河流或海洋而损失的雨水通过一些技术措施 将其收集、贮留、利用或渗入地下，增加水资源和涵养地下水，有效地抑制城市暴 雨径流，改善城市水环境【3 j 。城市雨水利用主要为直接利用和间接利用。直接利用 表现在雨水收集、雨水贮留等，屋面、路面均可不同程度的收集雨水，收集的雨水 可汇集到雨水贮留池中，对不同用途的雨水进行处理等级的划分，分别利用。雨水 的间接利用表现为雨水渗透。雨水渗透分为点源、线源、面源的渗透和人工渗透设 施。人工湖等为点源渗透；河道、透水道路等为线源入渗；减少城市硬铺盖，加大 城市草坪绿地面积为增加面源入渗量。雨水渗透对改善城市水环境，回复城市良性 水循环具有根本性作用。 雨水收集利用在我国虽然历史久远，但主要存在于缺水的农村地区。1 9 8 8 年以 第一章绪论 来，中东部干旱缺水地区开展了雨水利用试验示范研究。进入9 0 年代以来，随着城 市化带来的水资源短缺和环境生态问题，北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多 城市相继开展了雨水资源化利用的研究与应用示范。 北京在雨水收集利用方面走在了全国的前列。北京自1 9 8 8 年以来修建了5 0 多座 橡胶坝拦截雨水。从2 0 0 0 年至1 j 2 0 0 4 年在北京城区共建设了代表老城区、新建城区、 将建设区、公园绿地、校园特点的5 种类型、6 个雨洪利用实验示范区。在2 0 0 8 年奥 运场馆中，已有1 5 个场馆安装了高水平的雨洪利用系统，并使用了透水性强的铺装 材料，每年可搜集雨水1 0 0 万1 3 1 3 ，其中鸟巢和水立方是其中的代表，在鸟巢内部钢架 结构中，暗藏了特制的“雨水斗”。在国家游泳中心，屋顶也同样设有雨水收集系 统，经过收集、初期弃流、调蓄、消毒处理等过程，将雨水用于室外的灌溉、景观 补充用水，以及室内卫生间用水。 上海浦东的孙桥现代农业园区，将6 万m 2 的大棚顶盖的雨水都收集起来，通过 连结起来的排水侧沟送往四座大型蓄水池。每座蓄水池能积蓄3 0 0 0 m 3 的雨水，并经 沉淀和过滤处理后作为农业用水，浇灌出了优质的瓜果蔬菜。上海浦东机场利用周 边环绕的围场河作为蓄水池。围场河里的天然雨水经过简单处理后，不仅能满足第 二航站区的冲厕用水、宾馆洗车，还能作为能源中心冷却塔补充用水、景观水池补 充用水、道路冲洗压尘及绿化浇灌用水。 相比国外雨水利用已经达到标准化、产业化的城市，我国雨水利用技术还比较 落后，法律法规也不健全。目前，只有北京市制定了雨水利用的法规，整个国家的 法律还有待进一步完善。 国际上真正现代意义上的雨水资源化利用是从2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的， 4 0 多个国家和地区相继开展了不同规模雨水资源化利用与管理的研究和应用【引。 以色列雨水资源化利用非常有成效，“几乎每一滴雨水都被用各种各样的集雨器 具积存起来”，收集的雨水主要用于回补地下水和用于农业灌溉。 日本是在城市中开展雨水资源化利用规模最大的国家，主要以楼顶和屋顶作为 集水面【5 】，所集蓄的雨水主要用于冲洗厕所、浇灌草坪，也用于消防和发生灾害时 应急使用。1 9 6 3 年开始兴建滞洪和储蓄雨水的蓄洪池，这些设施大多建于地下，以 充分利用地下空间。1 9 8 0 年开始推行雨水贮留渗透计划，各种雨水入渗设施得到迅 速发展。1 9 9 2 年开始将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分。 同时，在传统和功能单一的雨水调节池基础上，已发展成集景观、公园、绿地、停 车场、运动场、居民休闲和娱乐场所等为一体的多功能雨水调蓄利用设施，即“微 型水库”。日本目前已拥有利用雨水设施的建筑物1 0 0 多座，屋顶集水面积2 0 多万 k m 2 。 新加坡有着完善的集雨和蓄水系统，共分为六个集雨区，建成了十余个水库和 4 第一章绪论 蓄水池，以便尽可能地收集雨水。目前新加坡实现了雨水1 0 0 收集，平均每天可 收集雨水6 0 万吨，满足正常用水量的约4 0 。预计到2 0 0 9 年，新加坡的蓄水池将 增至1 7 个，集雨水区面积将提高至三分之二【6 1 。 德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之。德国城市街道雨水管道口均设 有截污挂蓝，以拦截雨水径流携带的污染物。在许多小区沿着排水道有渗沟浅沟， 表面植有草皮，供雨水径流流过时下渗。部分雨水则进入雨水池或人工湿地，作为 水景或继续处理利用【7 】。 美国雨水利用常以提高天然入渗能力为目的，在许多城市建立了屋顶蓄水和就 地入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统，如芝加哥市的地下隧道蓄水 系统，解决了城市防洪和雨水利用问题：波特兰市“绿色街道”改造设计项目，在 街道绿化改造中将一部分街道上的停车区域改建成种植区，借助栽种多种植物，形 成一个集雨水收集、滞留、净化、渗透等功能于一体的生态处理系统，并营造出自 然优美的街道景到引。 澳大利亚政府对雨水利用非常重视。在悉尼的体育场设计中，将雨水、污水的 处理和综合利用、生态景观建设和生态保护充分地结合起来，不仅实现了主要场馆 的雨水收集、处理和利用，更达到了环境保护、生态建设和社会经济效益的最大化。 2 0 0 0 年悉尼奥林匹克公园建立了有效的污废水重复利用系统、雨水收集系统和植物 浇灌系统，不仅每年可节约8 5 亿m 3 水，还为公园的水景观提供了可重复利用的水 源【叭。 为了更好开展雨水资源化利用，各国都制定了一系列有关雨水利用的法规。美 国科罗拉多州、佛罗里达州等分别制定了雨水利用条例，日本于1 9 9 2 年颁布了“第 二代城市下水总体规划”。德国制定了严格的法律规定，要求新建小区或改建开发区， 无论工业、商业还是居民小区，均要设计雨水利用设施，目前雨水利用技术已经进 入标准化、产业化阶段，市场上已大量存在收集、过滤、储存、渗透雨水的产品。 1 2 2 国内外雨水利用调度研究 2 0 世纪8 0 年代以前，国内外有关雨水集蓄利用的研究多集中在雨水径流的导 引、收集、蓄存的技术和方法方面。随着研究的深入，人们发现雨水利用科学与水 土保持科学、环境科学、生态农业科学关系越来越紧密，特别是9 0 年代计算机和系 统工程学科的迅速发展，人们对雨水集蓄利用研究的深度和广度均有大幅度的提高， 研究逐渐深入到系统模型以及设计参数的确定方面，如径流模型、集流模型、r f w h 系统等，雨水集蓄利用研究已经逐渐走向系统化、全面化【l o 】。 目前的雨水利用调度主要以水库防洪调度为主。水库防洪调度是指利用水库拦 蓄洪水，削减洪峰，以此提高江河防洪标准，减轻或避免洪水灾害。水库优化调度 第一。章绪论 是个多阶段决策过程的最优化问题【】，基本内容是：根据水库的入流过程，遵照 优化调度准则，运用最优化方法，寻求比较理想的水库调度方案，使防洪、灌溉、供 水等各部门在整个分析期内的总效益最大。 国外关于水库防洪调度的研究起步较早，自1 9 5 7 年美国数学家贝尔曼 ( b e l l m a n ) 提出动态规划原理及1 9 6 0 年霍华特提出马尔科夫决策以后，水库防洪 调度进入了优化调度时则1 2 j 。1 9 7 0 年k o r s a k 提出了用动态规划逐次逼近法求解水 库优化调度问题，同年h e i d a i f i 提出了离散微分动态规划法，1 9 7 2 年南非学者j a n i s o n 和w i c k s o n ，以预报洪水作为输入，以发电量最大为目标运用动态规划原理，在洪 水预报基础上引用优化技术进行水库及水库群的洪水调度【1 3 】。1 9 7 5 年h o w s o n 提出 了逐次优化法，逐次优化法的优点是不需要对状态变量进行离散处理就渴望得到精 确解【1 4 1 。到2 0 世纪8 0 年代，水库防洪实时调度在理论上和运用上得到了发展。1 9 8 3 年美国学者w a s i m i s a 和k i m a n i d i spk 利用离散时间的线性最优控制方法求解水 库防洪系统的运行策略【l5 1 6 】。同年，y a z i 舀1 h 等人为g r e e nr i v e rb a s i n 建立了一个 线性规划模型进行水电系统汛期实时调度【1 7 】。1 9 9 0 年，o l e a y l u n v e r 和l a n y wm a y s 提出了一种新的实时调度优化模型及其算法，这种方法由防洪调度的非线性规划模 型和洪水演算的模拟模型组成【l 引。9 0 年代后期国外注重于从实时洪水预报系统过渡 到防洪决策支持系统，注重于工程措施和非工程措施联合的的防洪系统运行的研究， 单纯工程性防洪系统的优化运行研究已不多见。 我国的防洪调度虽然起步比国外晚几年，但国内对水库防洪调度的研究也有很 大发展。我国在5 0 年代末6 0 年代初开始研究将动态规划原理应用于水库优化调度， 7 0 年代应用随机序列理论，按动态规划原理研究水库优化调度，8 0 年代初提出应用 模糊集理论网络技术进行水库调度，8 0 年代中期以后优化调度理论得到了充分的重 视，1 9 8 3 年华中工学院虞锦江提出了满足防洪要求的洪水优化调度的数学模型一水 电站水库优化控制模型，他运用动态规划原理，采用变基爬山法研究了一场洪水过 程中以发电量最大为目标的水库最优调度方案【1 9 】。1 9 8 7 年他又研究了梯级水电站洪 水优化调度【2 引。1 9 8 5 年水电部水调中心为丹江口水库建立了一个线性规划模型进行 防洪优化调度，该模型考虑了分洪区顺序、河道洪水变形及区间补偿等问题 2 1 1 。1 9 8 7 年武汉水利电力大学博士研究生胡振鹏利用前向卷动决策方法动态规划模型对汉江 中下游防洪系统进行了实时调度【2 2 1 。1 9 8 8 由大连理工大学王本德，陈守煌等人利用 模糊优化调度方法对大伙房水库进行优化调度【2 3 】。1 9 9 4 年河海大学黄志中，周之豪 等人利用大系统分解协调理论进行了水库实时防洪调度【2 4 1 。1 9 9 5 年河海大学的杨 侃与长江水利委员会谭培伦、仲志余运用网络分析原理建立了长江防洪系统的时空 网络模型1 2 副。1 9 9 7 年华中理工大学的张勇传、马寅午采用“防洪系统洪水分类预测 优化调度方法建立了洪水优化调度总体控制模型【2 倒。1 9 9 9 年华中理工大学张勇传 第一一章绪论 提出了水库系统的辨识型优化调度模型 2 7 】。目前国内也在开展防洪决策支持系统的 研究工作，并且已取得很大成效。 近年来，不少专家学者研究将专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 和神经网络系统 应用于决策支持系统 2 8 - 2 9 ，以建立智能决策支持系统，提高解决半结构化和非结 构化问题水平。南京水文水资源研究所刘国纬等在南水北调决策支持系统中应用了 神经网络系统【3 叫，西安理工大学黄强等在黄河干流水量调度决策支持系统中探讨了 专家系统应用问题【3 。此外，d s s 和地理信息系统( g e o g r a p h i cl a f o r m a t i o ns y s t e m ， g i s ) 有机结合，将提高传统决策支持系统的空间分析和信息可视化水平。 1 3 本课题主要研究方法及内容 1 3 1 主要研究内容 本课题来源于天津市临空产业区水资源综合开发利用规划，规划区域为天津市 滨海新区临空产业区的空港物流加工一期，该规划以科学发展观为指导，以保障区 域社会与经济可持续发展作为主线，坚持开源节流和防污治污并重，通过多种手段 实现水资源的优化配置、有效保护、合理开发和高效利用，促进社会、经济、资源 环境的协调发展，把研究区域建成为国内领先并具有国际竞争力的资源节约型、环 境友好型、生态宜居型工业园。本研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 景观河道汛期雨水调度。汛期雨水的强度大，降雨历时长，如果不采取一 定的调度措施，极易形成洪灾，对区域形成不可估量的损失。本文第二章对研究区 域的基本情况和历史降雨资料进行了介绍，并利用软件对汛期雨水的调度进行模拟， 以寻求研究区域汛期时较可行的调度方案； ( 2 ) 景观河道的排成研究。由于研究区域距离渤海较近，其土壤以及地下水含 盐量较高，导致景观河道水的含盐量也较普通河道高，对河道的水质影响较大。本 文第三章首先对研究区域河道水质进行了分析，利用软件对景观河道在降雨后的盐 度变化进行了模拟，得出了降雨后河道各断面的盐度变化情况。并根据前人的研究 成果对湿地系统去除河道盐度效果进行了估计； ( 3 ) 减小研究区域的降雨径流系数的措施以及汛期多余雨水的储存方法的建议。 随着研究区域的规划开发，建筑物以及路面的数量会越来越多，导致研究区域的雨 水水质恶化，雨水径流量增大，使研究区域的洪灾风险加大。因此要通过多种措施 减小研究区域的降雨径流系数，降低洪灾风险。另外由于研究区域的规划不当，造 成区域汛期雨水白白排掉，而旱期缺水，因此可以选取合适的雨水储存方法，将汛 期多余雨水储存起来供旱季使用。 第。章绪论 1 3 2 研究方法 本文的研究以软件模拟为主，计算为辅。利用i n f o w o r k sc s 软件对河道的汛期 调度情景进行模拟，得出合理的汛期雨水调度方案；对研究区域的水质变化进行了 分析；利用i n f o w o r k sr s 软件对降雨后河道的盐度变化进行模拟，得出河道各雨水 系统降雨后盐度的变化以及影响盐度变化的因素。并研究了湿地系统对河道洗盐的 效果。 结合对研究区域的实地考察和查阅文献，寻求符合研究区域的已有条件、对区 域可行的降低雨水径流系数的方法和防止水质恶化的方法。另外寻求合理的雨水储 存方法，储蓄汛期雨水，实现水资源的优化配置。 第二章景观河道汛期防洪调度 第二章景观河道汛期防洪调度 2 1 研究区域景观河湖基本情况 2 1 1 地理位置 研究区域地处华北平原东北部，属于平原地区，西北高，东南低，海拔高度1 3 m ，地面坡度小于1 1 0 0 0 。 2 1 2 气候气象 规划区域气候属于暖温带半湿润大陆型季风气候。由于濒临渤海，受季风环流 的影响很大。冬季受蒙古、西伯利亚冷风高气压中心的影响，盛行寒冷干燥的西北 风：夏季，由于受大陆低气压和低纬度北太平洋副热带高压中心的影响，盛行高温 的东南风。因而形成气候冬夏长、春秋短，春季干旱多风，夏季高温高湿雨水多， 秋季冷暖适宜，冬季寒冷少雪，四季变化明显的特点。 该地区地处海河流域，平均气温1 2 6 ，最高七月平均气温2 6 ，年降水量 变化较大。根据研究区域1 9 8 6 年至2 0 0 5 年降雨量调研结果：近2 0 年平均降水量约 为5 1 8 m m ，其中最大年降雨量为8 5 7 m m ，发生在1 9 9 8 年；最小年降雨量为2 9 7 m m ， 发生在2 0 0 2 年。此外，雨水资源还具有年内分配不均的特点，每年的降水量主要集 中在6 - , 9 月份，约占全年降水量的7 5 左右。其他月份不仅雨量少，而且降雨强 度也很小，有的降雨过程甚至形成不了径流，也就无法利用。所以，雨水利用主要 考虑汛期的雨量。 2 1 3 景观河湖 本课题研究对象为研究区域范围内的景观河湖，该景观河湖作为研究区域的雨 水出路，其底标高o o m ，常水位2 0 - - 2 2 m ，雨季水位2 5 m ，旱季( 4 、5 月份) 1 8 m ， 地下水位l 1 5 m 。研究区域雨水系统分为四大部分一北部雨水系统、东部雨水系 统、西部雨水系统以及南部雨水系统，建设有4 个雨水泵站，如图2 1 所示。 第二章祭观河道汛妍防洪调发 圈2 - 1 研究区域雨水系统规划罔 2 2 研究区域降雨瓷料统计及分析 降雨量是指降落在地面的雨水未经蒸发、渗透流失而积聚在水平面上的承层厚 度。单位时问内的降雨量即为降雨强度。 22 1 降雨分级 最常用的对降雨的分类方法是按降雨量来划分降雨的等级。根据国家气象部门 规定的降雨量标准( 按1 2 小时和2 4 小时降雨量划分) ，降雨可分为小雨、中雨、大 雨、暴雨、大暴雨和特太暴雨六种见表2 - l 。如暴雨我国气黎部门规定：1 小时 内的雨量为1 6 r a m 或以上的雨： 2 4 小时内的雨量为5 0 m r a 或以上的雨。 第二章景观河道汛期防洪调度 表2 - 1 降雨强度等级 降雨等级 1 2 小时降雨量( i l l m ) 2 4d , n j - 降雨量( m _ r 1 1 ) 小雨02-50 1 4 0 2 0 0 按降雨的性质划分，降雨还可分为：连续性降雨；间断性降雨；阵性降 雨。 2 2 2 研究区域降雨资料 图2 - 2 为研究地区2 0 0 2 一- 2 0 0 4 年的降雨量统计及月变化曲线。由图看出，降雨 主要集中在6 - - 9 月，占全年降雨量的6 5 以上。主要原因为我国季风明显，全年 雨量多集中在6 9 月，因此把这期间定为“汛期”。 名 鲁 一 窿1 甚 篷 l23456789l o1 11 2 月份 图2 2 研究地区2 0 0 2 2 0 0 4 年的降雨量统计及月变化曲线 依据天津市的历史资料整理出的暴雨等级及重现期数据，如表2 2 所示，对比 可以看出暴雨的重现期在1 2 年，大暴雨的重现期从5 年到1 1 0 年不等，具体又按 照等级进行细分。 印们加们加o 第二章景观河道汛期防洪调度 表2 2 天津市暴雨等级和频次分布 通过查阅天津市滨海新区统计年鉴( 1 9 9 8 - - 2 0 0 6 ) ，以及天津市统计年鉴( 1 9 9 2 - - - 2 0 0 7 ) ，得到研究区域的降水数据，包括年平均降水量、最大日降水量和最长连续降 水天数等，其中部分年份资料缺失，历史降水数据统计结果见表2 3 。 雨水在实际利用时会受到许多其他凶素的制约，如气候条件、降雨季节的分配、 雨水水质、地形条件以及特定地区建筑的布局和构造等因素的影响。因此，在雨水 利用时要根据利用的目的，通过合理的规划，在技术和经济可行的条件下使降雨量 尽可能多地转化为可利用雨量。 2 2 3 雨水利用调度存在的问题 ( 1 ) 由于目前的研究都是针对水库的调度研究，而有关城市景观河湖如何充分 利用雨水的调度研究未见报道，而且目前的水库调度多以防洪为主，拦蓄比较少， 景观河湖也存在这个问题，所以需要结合已有的水库调度方法来研究景观河湖的调 度： ( 2 ) 目前雨水调度的研究都是针对流域较大、汇流时间较长的水库，分析降雨 径流关系，根据洪水预报，编制水库预报调度方案进行预报调度，效果比较显著。 而这种方法对流域较小、汇流时间较短的景观河湖效果就不一定理想； ( 3 ) 目前，研究区域雨水资源没有得到科学合理地调蓄和利用。因此，有必要 结合区域的实际情况，统筹考虑防洪、减灾、恢复自然生态环境等多方面的因素， 对雨洪水进行科学合理的调度利用，将雨洪灾害转为可利用的资源，缓解区域缺水 的矛盾。 第二章景观河道汛期防洪调度 2 3 建模软件筛选及数据准备 在对多种排水软件比较和选择之后，由于英国w a l l i n g f o r d 软件公司开发的 i n f o w o r k s 水务模型软件平台成功地将计算机信息技术、网络技术、水环境工程及 资产管理融为一体，而且软件设计细腻，融入了多年水问题研究的资深背景、先进 的水管理理念以及全球用户的成熟需求，因此，决定采用w a l l i n g f o r d 软件公司开发 的i n f o w o r k sc s 软件建立研究区域雨水模型。 i n f o w o r k sc o l l e c t i o ns y s t e m ( 简称i n f o w o r k sc s ) 是w a l l i n g f o r d 软件公司开发的 水务模型i n f o w o r k s 软件包中的一个模块。该模型系统能够精确模拟雨污水收集系 第二章景观河道汛期防洪调度 统，预测雨污水管道系统的工作状态，或降雨对于环境的影响。 2 3 1i n f o w o r k sc s 软件的应用范畴 i n f o w o r k sc s 的主要应用为城市排水系统的现状评估、改造规划和新建城市化 排水系统的设计与规划；城市降雨径流控制及调储设计及评估；提供必备的管网局 限性分析和方案优化；为雨、污水系统控制运行提供了可操作