CN107730110B - 一种流域防洪-供水-水环境改善综合调度评估技术方法 - Google Patents
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Abstract
一种流域防洪‑供水‑水环境改善综合调度评估技术方法,属于环境与生态水力学技术领域。本发明包括以下步骤:(1)构建流域防洪、供水、水生态环境改善调度指标;(2)建立各调度指标计算方法,确立各调度指标评估标准;(3)结合流域不同水情期调度目标,以层次分析法获取不同水情期流域综合调度指标权重;(4)形成流域不同水情期防洪‑供水‑水生态环境改善多目标综合调度评估体系。该技术方法综合考虑流域防洪、供水以及水生态环境改善调度的评估,调度指标数据易于获取,评估标准等级分为优、良、中、差、劣,指标权重客观反映多目标调度关系。本发明可为流域综合调度提供更为全面和有效的评估方法,利于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于环境与生态水力学技术领域,具体涉及一种流域防洪-供水-水环境改善综合调度评估技术方法。
背景技术
流域河湖水利工程调度是实现流域洪涝风险规避与水资源优化配置的重要手段。随着流域社会经济发展与资源环境矛盾的日益突出,人类对环境质量、生存健康的关注度越来越高,对流域水利调度提出了更高、更全面的要求,流域水利调度的目的逐渐发生改变,从传统的军事、航运、供水、防洪、排涝、抗旱等单方面的重开发利用向统筹水资源调配、兼顾水生态环境修复等人水和谐的综合调度方面转变。科学评估流域综合调度工作的优劣,对于指导和优化流域综合调度工作也至关重要。
目前有关流域调度评估方法多侧重于防洪、供水以及水生态调度等单目标调度,缺乏以防洪与供水调度为主,兼顾水生态环境改善调度的评估方法。现有的单目标调度评估指标也存在概念复杂、不易获取、难以有效反映流域单目标调度实际水平的问题,影响评估结果的准确性。同时,如何定量分配防洪、供水以及水生态环境改善调度,在不同水情条件下实现综合调度重点突出,调度效益最大化也是流域综合调度评估研究的重要目标。
发明内容
本发明的目的在于提供一种流域防洪-供水-水环境改善综合调度评估技术方法。为了实现该目的具体技术方案为:
一种流域防洪-供水-水环境改善综合调度评估技术方法,该方法包括以下步骤:
(1)构建流域综合调度评估指标,所述的评估指标包括流域防洪调度指标、流域供水调度指标和流域水生态环境改善调度指标;
(2)建立各调度指标计算方法,确立各调度指标评估标准;
(3)结合流域不同水情期调度目标,以层次分析法获取不同水情期流域综合调度指标权重;
(4)形成流域不同水情期防洪-供水-水生态环境改善多目标综合调度评估体系。
优选的,步骤(1)中,所述的流域防洪调度指标包括反映工程运行效率的外排工程泄流状态和反映水位安全效应的代表站超保风险指数;所述流域供水调度指标包括反映引水工程运行效果的引水量比和引水工程供水效率及反映代表站供水能力的代表站水位满足度;所述流域水生态环境改善调度指标包括反映水环境状况变化的河湖受水区水质改善程度和饮用水源区水质满足度、反映水生态状况变化的湖泊生态水位满足度和湖泊受水区蓝藻密度变化率以及反映水体有序流动的河道流速改善程度。
优选的,所述代表站包含水位站、水质监测站和区域骨干水利工程的控制断面,其中,所述的水位站能代表区域、城市河网与湖泊整体水位,所述的水质监测站能够反映区域水环境质量与水生态状况。
优选的,评估指标计算方法与评分标准具体为:
(1)外排工程泄流状态
其中,DS为流域与区域外排工程泄流状态,Q为某外排工程控制断面实际泄流水量,Qd为外排工程最大设计过流水量,Zw为流域与区域代表站防洪警戒水位(汛限水位),Z为调度期间流域与区域代表站实际水位;
外排工程泄流状态评分标准具体为:
(2)代表水位站超保风险指数
其中,R为代表水位站超保风险指数,Z为调度期间代表水位站超保期间的实际水位或平均水位,Zd为代表水位站保证水位,Tr为超保天数;
代表水位站超保风险指数评分标准具体为:
(3)引水水量比
其中,ω为引水水量比,V为调度期间实际引水量,Va为流域与区域调度同期近5年平均引水量,Za为引水工程所在流域或区域代表站近5年平均水位,Z为引水工程所在流域或区域代表站调度期间实际水位;
引水量评分标准具体为:
(4)引水工程供水效率
其中,WSE为引水工程供水效率,Vwd为调度期间引入流域或目标区域的水量,Vwa为调度期间流域或区域总引水量;
引水工程供水效率评分标准具体为:
(5)代表水位站水位满足度
其中,RL为代表水位站水位满足程度,Z为调度期间代表水位站实际水位,Zs为代表水位站允许最低旬平均水位;
代表水位站水位满足度评分标准具体为:
(6)河湖受水区水质改善程度
其中,WQ为河湖受水区水质改善程度,Cwa为调度后流域或区域河流与湖泊受水区水质指标的浓度,Cwb为调度前流域或区域流域或区域河流与湖泊受水区水质指标的浓度;
河湖受水区水质改善程度评分标准具体为:
(7)饮用水源区水质满足度
其中,DQ为饮用水源区水质改善度,Cda为调度后流域或区域重要水域饮用水源区水质指标的浓度,Cdb为调度前流域或区域重要水域饮用水源区水质指标的浓度;
饮用水源区水质满足度评分标准具体为:
(8)湖泊生态水位满足度
其中,EW为湖泊生态水位满足度,Za为调度后流域或区域某湖泊的实际水位,Zb为调度前流域或区域某湖泊水位,Zeco为流域或区域某湖泊最低生态水位;
湖泊生态水位满足度评分标准具体为:
(9)湖泊受水区蓝藻密度变化率
其中,AW为湖泊受水区蓝藻密度变化率,Ca为调度后流域或区域湖泊受水区蓝藻密度,Cb为调度前流域或区域湖泊受水区蓝藻密度;
湖泊受水区蓝藻密度变化率评分标准具体为:
(10)河道流速改善程度
式中:RF为河道流速改善程度,Va为调度期流域或区域河道监测断面流速,m/s,Vb为调度前流域或区域河道监测断面流速,m/s,Vs为不同类型河道最小适宜流速,m/s;
河道流速改善程度评分标准具体为:
优选的,所述步骤(3)中,评估指标的权重采用层次分析法确定。
优选的,所述步骤(4)中,流域不同水情期防洪-供水-水生态环境改善多目标综合调度评估体系由评估指标及其权重组成,具体为:
其中,WDR为防洪-供水-水生态环境改善多目标综合调度评估结果,Wj为j指标的权重,Pj为j指标的赋分。
多目标综合调度评估结果赋分分级标准具体为:
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)综合考虑流域防洪、供水以及水生态环境改善多目标调度,可客观评估流域综合调度工作优劣;
(2)选择流域代表站水位、骨干工程过水水量、河道流速、饮用水源地常规水质指标等作为调度评估指标,指标涵盖流域防洪、供水以及水生态环境,数据可自动化监测,获取方便;
(3)调度指标及其评估标准定量化,建立的评估指标体系针对性好,可操作性强,利于推广应用;
(4)根据流域不同水情期调度需求,运用层次分析法计算各调度指标权重,定量分配单目标调度,实现不同水情条件下综合调度重点突出。
附图说明
图1为2013年太湖水位
图2为供水与水生态环境调度期流域综合调度指标层权重
图3为2015年太湖水位过程图
图4为防洪期综合调度指标层权重
具体实施方式
下面列举实施例对本发明进一步说明,但不因此限制本发明的内容。
实施例1
本实施例为太湖流域2013年以供水与水生态环境调度为目标的水资源综合调度评价。
(1)评估指标确定
由于本年度的水资源调度基于供水与水生态环境目标开展,故不考虑评估防洪调度效果的外排工程泄流状态和代表站超保风险指数这2项指标,仅采用评估流域供水调度和流域水生态环境调度的指标。流域供水调度评估指标具体包括:反映引水工程运行效果的引水量比和引水工程供水效率以及反映代表站供水能力的代表站水位满足度。流域水生态环境调度评估指标具体包括:反映水环境状况变化的河湖受水区水质改善程度和饮用水源区水质满足度,反映水生态状况变化的湖泊生态水位满足度和湖泊受水区蓝藻密度变化率以及反映水体有序流动的河道流速改善程度。
(2)代表站点确定
太湖流域水位代表站点包括:王母观、坊前、青阳、湘城、陈墓、新市、杭长桥和青浦。
(3)指标权重确定
根据2013年太湖水位实际情况(图1),2013年全年有3个供水与水生态环境调度期,分别为第一阶段(1月1日~2月6日)、第二阶段(7月22日~10月5日)以及第三阶段(11月19日~12月31日)。采用层次分析法,供水与水生态环境调度指标的权重值分配结果如图2所示。
(4)调度效果评估
1)供水调度效果评估
以望虞河“引江济太”工程为例,参照《2013年太湖流域引江济太年报》,在2013年供水与水生态环境调度期(3个时间段),望虞河引江水量分别为3.03亿m3、12.72亿m3、5.32亿m3,引水入湖水量分别为0.76亿m3、8.55亿m3、2.10亿m3。2013~2015年太湖流域“引江济太”工程平均引江水量为17.39亿m3,3个阶段望虞河引水量比与引水工程入湖效率指数值如表1所示,结果表明,望虞河引水量比值赋分为优,而引水入湖效率值赋分为良。流域水位代表站以及饮用水源地最低取水水位满足度的赋分均为100,表明,2013年流域供水调度可完全满足流域生产与生活用水需求(表2)。
表1太湖流域引水量比与引水工程入湖效率值及赋分
表2太湖流域代表站水位满足度值及赋分
2)水生态环境调度效果评估
2013年供水与水生态环境调度期,河湖受水区水质改善程度指标选择太湖贡湖湾、望虞河以及太浦河作为评价对象,水质站点分别选择贡湖站、望亭水利枢纽站、张桥站、金泽站,水质指标选择氨氮、高锰酸盐指数以及总磷作为评估指标,三种水质指标权重等同。饮用水源地选择受“引江济太”工程影响较为直接的太湖贡湖水源地与太湖湖东水源地。水质指标选择氨氮浓度与高锰酸盐指数,两指标权重等同。根据所选择的评估对象的实测资料,2013年供水与水生态环境调度期河湖受水区水质改善程度与饮用水源地水质改善度指标的评估赋分情况如表3和表4所示。
湖泊生态水位满足度指标中湖泊选择太湖,在供水与水生态环境调度期,太湖水位均满足其生态水位要求,故而其赋分为100。湖泊受水区蓝藻密度变化率指标选择太湖贡湖湾作为评估对象,河道流速改善程度指标选择望亭水利枢纽水文监测断面作为评估对象。依据2013年供水与水生态环境调度期间各评估对象的实测资料,湖泊生态水位满足度、湖泊受水区蓝藻密度变化率以及河道流速改善程度指标值与赋分如表5所示。
表3太湖流域河湖受水区水质改善程度值及赋分
表4太湖流域饮用水源区水质满足度值及赋分
表5太湖流域湖泊生态水位满足度、湖泊受水区蓝藻密度变化率、河道流速改善程度值与
赋分
3)供水与水生态环境调度综合效果评估
根据2013年供水与水生态环境调度期各评估指标的赋分情况,结合各指标的权重赋值进行计算,得出该时期太湖流域综合调度总体赋分为77,总体属于良等级。
实施例2
本实施例为太湖流域2015年以防洪调度为目标的水资源综合调度评价。
(1)评估指标确定
由于本年度的水资源调度基于防洪目标开展,而防洪调度的同时需要兼顾供水与水生态环境调度。故评估指标不仅包括评估防洪调度效果的外排工程泄流状态和代表站超保风险指数这2项指标,还包含评估流域供水调度和流域水生态环境调度的指标。流域供水调度评估指标具体包括:反映引水工程运行效果的引水量比和引水工程供水效率以及反映代表站供水能力的代表站水位满足度。流域水生态环境调度评估指标具体包括:反映水环境状况变化的河湖受水区水质改善程度和饮用水源区水质满足度,反映水生态状况变化的湖泊生态水位满足度和湖泊受水区蓝藻密度变化率以及反映水体有序流动的河道流速改善程度。
(2)代表站点确定
防洪调度下,太湖流域水位代表站点包括:王母观、坊前、青阳、湘城、陈墓、新市、杭长桥、青浦、常州(三)、无锡(大)、苏州(枫桥)、嘉兴、太湖。
(3)指标权重确定
根据2015年太湖水位变动特征(图3),2015年3月21日至9月10日,太湖平均水位值高于太湖防洪控制水位,本实施例选择该时间段作为2015年的防洪调度期。采用层次分析法,调度各评估指标的权重值分配结果如图4所示。
(4)调度效果评估
1)防洪调度效果评估
2015年防洪调度期,太湖流域望亭水利枢纽、常熟水利枢纽、太浦闸枢纽、新沟河闸以及小河闸等流域骨干外排工程的均发生泄洪,以该时期外排工程平均过流水量为评估对象,同时采用以该时期内太湖水位平均值作为流域代表站水位,对各骨干外排工程的泄流状态进行评估,最终得出太湖流域外排工程泄流状态值与赋分,如表6所示。可见,2015年防洪调度期,太湖流域外排工程泄流状态评分总体处于优等级。
依据2015年太湖流域水情报告,2015年防洪调度期间,太湖流域共有包括流域重点保护对象(太湖与重点城市)与各水利分区水位代表站在内的9个站点出现水位超保情况,分别为王母观(超保8天)、坊前(超保14天)、青阳(超保6天)、湘城(超保1天)、青浦(超保1天)、常州(三)(超保11天)、无锡(大)(超保6天)、苏州(枫桥)(超保4天)、嘉兴站(超保12天)。由此可以计算得出太湖流域代表站超保风险指数如表7所示。从表中可以看出,2015年防洪调度期,太湖流域代表站超保风险指数总体评分为66,处于良等级。
表6太湖流域外排工程泄流状态指标值与赋分
表7太湖流域流域代表站水位超保风险指数值及赋分
2)供水调度效果评估
根据2015年太湖流域引江济太年报,2015年防洪调度期间“引江济太”工程并未进行引水调度,故而引水量比与引水工程入湖效率指标的权重分配应为0,代表站水位满足度指标的权重赋值应为0.1429。根据2015年防洪调度期间各流域水位代表站的水位情况,均满足代表站允许最低旬平均水位,故而流域各水位代表站该指标的评分均为100,流域代表站水位满足度赋分总体也为100。
3)水生态环境调度评价赋分
2015年防洪调度期,河湖受水区水质改善程度指标选择太湖贡湖湾、望虞河以及太浦河作为评价对象,水质站点分别选择贡湖站、望亭水利枢纽站、张桥站、金泽站,水质指标仍选择总磷、氨氮以及高锰酸盐指数作为评估指标。饮用水源地选择流域重要饮用水源地(表4),水质指标仍选择氨氮与高锰酸盐指数。根据所选择的评估对象的实测资料,2015年防洪调度期河湖受水区水质改善程度与饮用水源地水质满足度指标的评估赋分情况如表8和表9所示。
表8太湖流域河湖受水区水质改善程度值及赋分
表9太湖流域饮用水源区水质满足度值及赋分
湖泊生态水位满足度指标中湖泊选择太湖、滆湖、阳澄湖、淀山湖、洮湖、澄湖、昆承湖、元荡和独墅湖,在防洪调度期,各湖泊水位均满足其生态水位要求,故而其赋分为100。湖泊受水区蓝藻密度变化率指标选择太湖贡湖湾作为评估对象,河道流速改善程度指标选择望亭水利枢纽与太浦闸枢纽水文监测断面作为评估对象。依据2015年防洪调度期间各评估对象的实测资料,湖泊生态水位满足度、湖泊受水区蓝藻密度变化率以及河道流速改善程度指标值与赋分如表10所示。
表10太湖流域湖泊生态水位满足度、湖泊受水区蓝藻密度变化率、河道流速改善程度值与赋分
4)防洪调度综合效果评估
根据2015年防洪调度期各评估指标的赋分情况,结合各指标的权重赋值进行计算,得出该时期太湖流域综合调度总体赋分为74.6,总体属于良等级。
Claims (3)
1.一种流域防洪-供水-水环境改善综合调度评估技术方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)构建流域综合调度评估指标,所述的评估指标包括流域防洪调度指标、流域供水调度指标和流域水生态环境改善调度指标;
(2)建立各调度指标计算方法,确立各调度指标评估标准;
(3)结合流域不同水情期调度目标,以层次分析法获取不同水情期流域综合调度指标权重;
(4)形成流域不同水情期防洪-供水-水生态环境改善多目标综合调度评估体系;
其中,步骤(1)中:
所述的流域防洪调度指标包括反映工程运行效率的外排工程泄流状态和反映水位安全效应的代表站超保风险指数;
所述流域供水调度指标包括反映引水工程运行效果的引水水量比和引水工程供水效率及反映代表站供水能力的代表站水位满足度;
所述流域水生态环境改善调度指标包括反映水环境状况变化的河湖受水区水质改善程度和饮用水源区水质满足度、反映水生态状况变化的湖泊生态水位满足度和湖泊受水区蓝藻密度变化率以及反映水体有序流动的河道流速改善程度;
所述代表站包含水位站、水质监测站和区域骨干水利工程的控制断面,其中,所述的水位站能代表区域、城市河网与湖泊整体水位,所述的水质监测站能够反映区域水环境质量与水生态状况;
其中,评估指标计算方法与评分标准具体为:
(1)外排工程泄流状态
其中,DS为流域与区域外排工程泄流状态,Q为某外排工程控制断面实际泄流水量,Qd为外排工程最大设计过流水量,Zw为流域与区域代表站防洪警戒水位,Z为调度期间流域与区域代表站实际水位;
外排工程泄流状态评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为(0.80,1.00]、赋分(80~100);所述良推荐标准为(0.60,0.80]、赋分(60~80);所述的中推荐标准为(0.40,0.60]、赋分(40~60);所述的差推荐标准为(0.20,0.40]、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(0,0.20]、赋分(0~20);
(2)代表水位站超保风险指数
其中,R为代表水位站超保风险指数,Z为调度期间代表水位站超保期间的实际水位或平均水位,Zd为代表水位站保证水位,Tr为超保天数;
代表水位站超保风险指数评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为(0.8,1.0],(1.0,+∞)、赋分(80~100,100);所述良推荐标准为(0.60,0.80]、赋分(60~80);所述的中推荐标准为(0.40,0.60]、赋分(40~60);所述的差推荐标准为(0.20,0.40]、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(0,0.2]、赋分(0~20);
(3)引水水量比
其中,ω为引水水量比,V为调度期间实际引水量,Va为流域与区域调度同期近5年平均引水量,Za为引水工程所在流域或区域代表站近5年平均水位,Z为引水工程所在流域或区域代表站调度期间实际水位;
引水量评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为(0.8,1.0]、赋分(80~100);所述良推荐标准为(0.6,0.8],(1,1.2]、赋分(60~80);所述的中推荐标准为(0.4,0.6],(1.2,1.4]、赋分(40~60);所述的差推荐标准为(0.2,0.4],(1.4,1.6]、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(0,0.2],(1.6,+∞)、赋分(0~20);
(4)引水工程供水效率
其中,WSE为引水工程供水效率,Vwd为调度期间引入流域或目标区域的水量,Vwa为调度期间流域或区域总引水量;
引水工程供水效率评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[0.56,1.0]、赋分(80~100);所述良推荐标准为[0.42,0.56)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0.28,0.42)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[0.14,0.28)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为[0,0.14)、赋分(0~20);
(5)代表水位站水位满足度
其中,RL为代表水位站水位满足程度,Z为调度期间代表水位站实际水位,Zs为代表水位站允许最低旬平均水位;
代表水位站水位满足度评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[0.8,+∞)、赋分(80~100);所述良推荐标准为[0.6,0.8)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0.4,0.6)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[0.2,0.4)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为[0,0.2)、赋分(0~20);
(6)河湖受水区水质改善程度
其中,WQ为河湖受水区水质改善程度,Cwa为调度后流域或区域河流与湖泊受水区水质指标的浓度,Cwb为调度前流域或区域流域或区域河流与湖泊受水区水质指标的浓度;
河湖受水区水质改善程度评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[66%,100)、赋分(80~100);所述良推荐标准为[33%,66%)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0,33%)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[-33%,0)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(-∞,-33%)、赋分(0~20);
(7)饮用水源区水质满足度
其中,DQ为饮用水源区水质改善度,Cda为调度后流域或区域重要水域饮用水源区水质指标的浓度,Cdb为调度前流域或区域重要水域饮用水源区水质指标的浓度;
饮用水源区水质满足度评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[66%,100)、赋分(80~100);所述良推荐标准为[33%,66%)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0,33%)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[-33%,0)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(-∞,-33%)、赋分(0~20);
(8)湖泊生态水位满足度
其中,EW为湖泊生态水位满足度,Za为调度后流域或区域某湖泊的实际水位,Zb为调度前流域或区域某湖泊水位,Zeco为流域或区域某湖泊最低生态水位;
湖泊生态水位满足度评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[66%,100)、赋分(80~100);所述良推荐标准为[33%,66%)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0,33%)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[-33%,0)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(-∞,-33%)、赋分(0~20);
(9)湖泊受水区蓝藻密度变化率
其中,AW为湖泊受水区蓝藻密度变化率,Ca为调度后流域或区域湖泊受水区蓝藻密度,Cb为调度前流域或区域湖泊受水区蓝藻密度;
湖泊受水区蓝藻密度变化率评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[66%,100)、赋分(80~100);所述良推荐标准为[33%,66%)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0,33%)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[-33%,0)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(-∞,-33%)、赋分(0~20);
(10)河道流速改善程度
式中:RF为河道流速改善程度,Va为调度期流域或区域河道监测断面流速,m/s,Vb为调度前流域或区域河道监测断面流速,m/s,Vs为不同类型河道最小适宜流速,m/s;
河道流速改善程度评分标准具体为:
分级为优、良、中、差、劣;所述的优推荐标准为[0.8,+∞)、赋分(80~100);所述良推荐标准为[0.6,0.8)、赋分(60~80);所述的中推荐标准为[0.4,0.6)、赋分(40~60);所述的差推荐标准为[0.2,0.4)、赋分(20~40);所述的劣推荐标准为(-∞,0.2)、赋分(0~20)。
2.如权利要求书1所述的方法,其特征在于,所述步骤(3)中,评估指标的权重采用层次分析法确定。
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浅谈平原河网地区生态友好型调度——以太湖流域为例;陆志华等;《浙江水利科技》;20170930(第5期);全文 * |
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