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1、精品论文闸坝防污调控能力研究及软件开发王园欣1，左其亭1，李来山2（1. 郑州大学水科学研究中心，郑州 450001；52. 黑龙江水文局，黑龙江 150000） 摘要：淮河流域严重的水资源短缺和水环境污染问题己成为制约当地经济社会发展的重要因 素。从上世纪 90 年代开始，淮河水利委员会就已经采用联防调度的方式来治理污染，但是 对于闸坝作用的机理认识还不够。本文在国家重大水污染治理专项的支撑下，对闸坝的防污 调控能力进行了研究，并构建了闸坝的防污调控计算公式。在 Microsoft Visual Basic 6.0 环10境下，开发了淮河流域闸坝防污调控能力系统软件，也对淮河流域 2004
2、年 7 月的突发性水 污染事件进行了模拟计算，最后证明计算结果是可行的。目前，该软件系统已经在淮河流域水资源保护局进行使用，对指导淮河流域进行闸坝调度有一定的实际意义。 关键词：环境水利；软件系统；闸坝防污调控能力；淮河流域 中图分类号：X52415Research on Regulation Capacity of Dam Pollution-Control and Software DesigningWANG Yuanxin1, ZUO Qiting1, LI Laishan2(1. Center for Water Science Research, Zhengzhou Universi
3、ty, ZhengZhou 450001;202. Hydrology Bureau of Heilongjiang Province, Hei Longjiang 15000)Abstract: Serious water shortage and water pollution are two major factors that have restricted the socioeconomic development in the Huaihe River basin. Since the 1990s，Huaihe River WaterResources Commission has
4、 taken zone scheduling to reduce pollution. However, there is a limited knowledge of mechanism regulation of dams. Based on national major water pollution special25campaigns, this paper carries out a research on regulation capacity of dam pollution-control in heavy polluted rivers, and establishes i
5、ts calculation formula. Using Microsoft Visual Basic 6.0,we design a software of regulation capacity of dam pollution-control. With the software, the sudden water pollution of Huaihe River basin in July,2004 is simulated and calculated. Result shows that it is feasible. At present, this software has
6、 been widely used in the water protection30authority of Huaihe River basin, which is helpful for regulation capacity of dam pollution-control.Keywords: environmental water conservancy; software system; regulation capacity of dam pollution-control; the Huaihe River basin0引言35淮河流域地处我国东部，是我国重要的粮、棉、油生产基
7、地，流域多年平均水资源总量 为 794 亿 m3，人均、亩均水资源占有量仅是全国平均水平的 1/5，属于严重缺水地区之一1。 为了防洪抗旱的需要，淮河流域先后兴建了 1.1 万余座闸坝。众多闸坝的兴建改变了河流的 水文条件，也对淮河的水环境和水生态产生了重大的影响，特别是在汛期首次开闸放水时， 在枯水期闸前蓄积的大量污染物随着污水团集中下泄，极易造成水污染事故。据统计，自上40世纪 90 年代以来，淮河流域先后发生了十几次因污水团下泄引起的重大水污染事故，严重 影响了流域内的供水安全和人体健康，加剧了用水、防洪和防污之间的矛盾，也造成了严重 的经济损失，并对河流生态系统造成了严重破坏2。根据淮
8、河流域的气候特征及闸坝众多的特点，解决淮河流域突出的水污染问题应该建立基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20094101110002）、国家科技重大专项（2009ZX07210-006）、国家自然科学基金（51279183 和 51079132）作者简介：王园欣，（1989-），男，硕士研究生，研究方向：区域水环境与水资源综合管理。通信联系人：左其亭，(1967- )，男，教授，博导，主要研究方向：水文学及水资源。E-mail: - 8 -在了解闸坝作用的基础上，采取生态调度的措施。国际上关于闸坝影响作用的认识主要可以45分成三个阶段3-6：20 世纪 60 年代以前，人们主要
9、重视闸坝的兴利除害功能；20 世纪 60 年 代至 90 年代，对于闸坝的研究侧重于对物质能量传输、河道结构和指示生物种群影响这些 方面；21 世纪以后，众多的学者专家开始研究如何通过调度管理使闸坝发挥更多的积极作 用、避免其负面影响7。国内对闸坝的影响作用的研究主要集中于通过闸坝水质水量联合调 度实现水环境和生态系统良性循环：夏军8研究了水利工程建设对河流环境影响和生态修复50调控的作用；张永勇等9在 SWAT 水文模型及相邻闸坝间的水质水量模型的基础上，模拟 了沙颍河闸坝联合调度对河流水质水量的影响；左其亭等10在实验的基础上，充分考虑底 泥作用，预测了闸坝对重污染河流的水质水量作用规律。
10、从国内外的研究现状来看，闸坝对 河流水质水量方面的理论研究已经有了很大的进展，但是大多都是基于闸坝作用机理方面的 研究，能直接指导生态调度的研究不多。55从上世纪 90 年代开始，淮河水利委员会就在进行水污染联防调度实验，并取得了一定 的成效11。目前经过“九五”、“十五”的大力治理，淮河流域水污染恶化的势头得到有 效控制，河流水质明显改善，但是在闸坝调度过程中对于具体的闸坝调控能力还缺乏一定认 识。本文在“十一五”国家重大水专项淮河-沙颍河水质水量联合调度改善水质关键技术 研究课题的支撑下，对淮河流域闸坝的防污调控能力进行了研究，并在研究成果的基础上60构建了闸坝的防污调控能力软件系统。1闸
11、坝防污调控能力概念及计算方法1.1闸坝防污调控能力的定义闸坝的存在，对河流的水文条件和水质状况产生了很大的影响，随着人们对闸坝作用认 识的深入，闸坝对河流水环境和水生态的影响作用也就备受重视，因而，对闸坝的防污调控65能力的研究就显得尤为重要。 闸坝防污调控能力与闸坝的水文水环境效应密切相关。闸坝的水文效应主要包括闸坝对河流流量、流速、洪峰以及所影响范围内的蒸发、下渗等水文要素的影响，其中在径流方面， 闸坝的存在使汛期洪峰值有所下降，延缓了峰现时间，枯水期则相对增大径流，保证了下游 的生产生活用水；闸坝的水环境效应则主要表现在由于闸坝的存在而导致的河道天然径流状70态的改变，进而导致河流污染负
12、荷迁移转化及时空分布有所改变2。闸坝的防污调控能力主 要是指闸坝对河流水质的调控能力，其量纲和水质的量纲相同或有联系，但是闸坝对水质的 调控能力基础还是基于闸坝可调控的水量而言。同时，闸坝的调度时间的不同，会导致上游 来水量的不同，进而影响闸坝的可调控水量，也就使得闸坝的防污调控能力不同。综上所述，闸坝的防污调控能力的定义可描述为2：通过闸坝调度，利用闸坝蓄水及调75度期间上游来水的某水质浓度与目标河段水质浓度之差，对目标河段水体水质进行改善的能 力。1.2闸坝防污调控能力指标设计调控能力 RC可调度水量水质指标闸可上目闸上前调游标前游水度来水蓄来位水水质水水H1位流C0水水下量质质限H2qC
13、1C280859095100105图 1 闸坝防污调控能力识别指标体系Fig. 1 Identification index system for regulation capacity of dam pollution-control.通过闸坝的防污调控能力内涵和定义，得知闸坝的防污调控能力与闸坝的可调度水量及 相应的水质指标关系密切。所以在构建指标体系的时候也通过可调度水量和水质指标两方面 内容来表达，其中可调度水量考虑的是水量对闸坝防污调度能力的影响，而水质指标考虑的 是水质对闸坝防污调度能力的影响（如图 1 所示）。在可调度水量下，有三个具体的指标即 闸前水位 H1、可调度水位下限 H
14、2、上游来水流量 q：闸前水位、可调度水位下限反映的是 闸坝当前的蓄水位及可控制的水位下限，通过查询水位库容曲线，可以获得当前闸坝内所蓄 积的可调度水量，而上游来水流量表示调度期间闸坝所接受的入库流量，其与调度时间的乘 积为上游来水量，与闸坝蓄积的可调度水量相加就可以获得总的可调度水量；当发生降雨时， 可以增加水文数据检测密度，通过水位、上游来水流量的变化来反映可调度水量的变化。在 水质指标中，主要由目标水质 C0、闸前蓄水水质 C1、上游来水水质 C2 三个具体指标：目标 水质 C0 为通过闸坝调度拟达到的水质状况，当采取的目标不同的时候，一定水质的水体所 能容纳的污染物的总量也不相同，进而
15、导致闸坝的防污调控能力的大小也不同；闸前蓄水水 质 C1 表示闸坝库区所蓄积水体某污染物指标的平均水质状况，C2 表示闸坝库区入库水体某 污染物指标的平均水质状况；水质指标中，也存在由调度期间降水引起来水水质的改变，其 处理方法与可调度水量相同，只需对水质指标加密监测即可。1.3闸坝防污调控能力计算公式由闸坝防污调控能力的定义知，闸坝防污调控能力也可以认为是闸坝可调度的水体对目标河段污染物的削减能力，也就是通过不同的调度方式，使闸坝存蓄的水及调度期间上游来 水与目标河段的水体混合，达到稀释目标水体水质的目的，即闸坝可调度水体水质达到目标 水质时，仍可以容纳的污染物的量。结合上面构建的指标体系，
16、具体计算公式如下2：RC = 100W (C0 - C1 ) + 0.0036qt (C0 - C2 )式中，RC 为闸坝防污调控能力，单位是 104t，当计算结果 RC0 的时候，将 RC 的值定 为 0；W 为闸坝蓄积的可调度水量，单位是 106m3，可通过闸坝的库容曲线由闸前水位 H1和可调度水位下限 H2 求得；q 为上游来水流量，单位是 m3/s； t 为闸坝调度时间，单位是 天（d）；C0、C1、C2 分别为目标水质、坝库区所蓄积水体水质、上游来水水质对应的污染 物质浓度，单位是 mg/l；100 和 0.0036 为单位换算系数。2闸坝防污调控能力软件设计1101151202.1
17、软件集成环境淮河流域闸坝防污调控能力识别软件系统针对研究区范围内主要控制性闸坝，集成了闸 坝资料查询、水质资料查询、水文资料查询、闸坝防污调控能力计算、连接淮河实时数据库 等功能，实现了对淮河重点研究区闸坝防污调控能力的及时查询、计算、识别。软件系统采 用 Microsoft Visual Basic 6.0 作为主要开发工具，以 Microsoft Office Access 与 SQL Server2008 作为数据库管理工具，并与淮河实时数据库进行连接。由于软件系统的开发环境及其功能，需以下硬件达到配置要求：CPU，P4 2.0GHz（以上）；内存，512MB；硬盘，80G （推 荐 7
18、200 转以上）；显示卡，64M 独立显存以上（推荐）；网卡，100M。2.2软件框架设计软件系统主要由数据库、计算模块和帮助三部分构成。1）数据库：主要包含研究区各 重点闸坝的信息、淮河突发性污染事件的历史数据、淮河流域水资源保护局的实时数据、用 户信息等；2）计算模块：主要是闸坝防污调控能力计算模块，包括数据读取、核心计算、 数据保存、计算过程中的人机交互等；3）帮助部分：主要包括系统简要介绍（关于）和详 细介绍（帮助文档）两个部分。具体如图 2 所示。淮河流域闸坝防污调控能力识别系统结构图数据库 计算模型 帮助信息查询 闸坝防污调控能力 场景模拟闸坝情况闸概坝述水文和闸水坝质防情污况调防
19、控污作闸用坝范调闸围控坝能防力污识调别控闸能坝力防评污闸估调坝控防方污案调概控述效果显示功能图用户界面可视化显示125图 2 淮河流域闸坝防污调控能力识别系统结构及功能图Fig. 2 The function and structure of regulation capacity of sluices and dams in Huaihe River basin130135140145150155软件系统的设计主要实现下面三个功能：1）信息查询：包括闸坝的信息、水文和水质数据查询、计算结果的图形展示等；2）闸坝防污调控能力计算：计算闸坝的防污调控能力、 图形展示、输出保存计算结果等；3）场景
20、模拟：可以通过假设不同调度情景和突发调度情 景，计算闸坝的防污调控能力，也可以计算实时的闸坝防污调控能力，为淮河流域的水质水 量联合调度决策系统提供支持。2.3软件界面系统的主界面如图 3 所示，软件窗口采用传统的窗口模式：菜单栏（上部）、显示区（中 间部分）、状态栏（下部）。菜单栏：包含系统实现功能的启动菜单；显示区：显示的是研 究区水系分布情况及重点闸坝的地理位置，同时在左下角滚动显示研究范围与重点闸坝的基 本信息；下部为状态栏，包含系统信息及当前用户信息。在菜单栏中，共有系统管理、闸坝基本资料、防污调控能力识别、帮助四部分信息，其 中系统管理包括数据查询（包含水质数据和水文数据）、用户管
21、理、系统介绍、退出四部分； 闸坝基本资料包含研究区重点水闸和水坝的资料；防污调控能力识别包括突发污染事故防污 调控能力计算、全流域闸坝防污调控能力计算、任意闸坝防污调控能力计算、实时防污调控 能力识别计算四部分；帮助包括关于和帮助文档两部分。图 3 软件系统主界面Fig. 3 Main interface of software system3闸坝防污调控能力实例研究3.1研究区域多年以来，淮河流域一直是我国污染比较严重的河流之一，而沙颍河又是淮河流域污染 最为严重的支流之一，故淮河的水污染治理重点应在沙颍河的治理上。文章中以 2004 年 7 月淮河发生的水污染事件为例，进行突发性水污染事件
22、的闸坝防污调控能力计算。这次水污 染事件主要是因为沙颍河和涡河的污染水体集中下泄，使淮河干流出现大范围的污染，污染 持续了十多天，对下游的造成了重大的损失，其中导致淮南市和蚌埠市出现城市供水间断的 现象，洪泽湖出现死鱼现象。实际上，淮河在 7 月初的时候已经受到了污染，在 7 月 1819 日淮河上游又出现降雨，并形成了洪水，导致淮河干流污染团向下游输移的速度加快， 同时水闸调度也加速了污染团的下泄，这样就加重了淮河干流的污染情势和范围。1601653.2数据来源此次突发性水污染事件发生在 7 月 1819 日洪水之后，若要调度就应该在洪水发生之 前，故文中选择 7 月 12 日15 日的闸坝
23、流量、水位、水质等数据进行计算；水污染事件与 沙颍河和涡河的污染团下泄关系密切，为了保证蚌埠闸以下淮河干流的水质达标，在调度的 时候应该选取淮河干流、沙颍河、涡河、南部山区的闸坝进行调度。综上本文选择了淮河干 流、沙颍河流域、涡河流域及淮河干流上共 15 座闸坝作为计算闸坝防污调控能力的对象： 蚌埠闸、白沙水库、白龟山水库、燕山水库、孤石滩水库、周口闸、槐店闸、阜阳闸、颍上 闸、涡阳闸、蒙城节制闸、梅山水库、鲇鱼山水库、响洪甸水库、佛子岭水库（闸坝的具体 分布如图 4 所示）；此次水污染事件的主要污染物为 COD 和 NH3-N。水质数据和水文数据 均来自于淮河流域水资源保护局及淮河水文局的数
24、据库。3.3结果分析图 4 拟参与调度的闸坝布局图Fig. 4 The layout of proposed scheduling sluices and dams170175180185通过将基础数据导入“淮河流域闸坝防污调控能力识别系统”，计算得出如表 1 所示的 结果。通过对表中结果的分析可以发现：1）在同一调度目标下，闸坝调度时间的延长一般 可以提高闸坝的防污调控能力，此时防污调控能力增加的多少主要与上游来水的水质与流量 关系比较密切；2）当调度时间相同的时候，水质目标越低，闸坝的防污调控能力越大，并 且增加的比较明显，其增加量主要与闸坝的可调度水量关系较大；3）在一般情况下，水库 的
25、防污调控能力要大于水闸的防污调控能力，主要是因为水库的蓄水量一般要大于水闸的， 并且水库一般位于山区等欠发达地区，受人为干扰比较小，故水质一般会比水闸的要好；4） 同为水闸，位于淮河干流且具有较大来水量的水闸所具有的防污调控能力一般较大（如蚌埠 闸与槐店闸的对比）；5）计算结果中有六个闸坝的防污调控能力出现为 0 的现象，经过查 询历史数据发现，此时监测的数据比调度目标的数据要高，水质较差，不具有对此目标河段 的调控能力。上述的几点与淮河联防调度实验的经验也相吻合。190表 1 各闸坝防污调控能力计算结果Tab. 1 The result of regulation capacity of e
26、ach sluices and dams针对 COD 的调控能力（t） 针对 NH3-N 的调控能力（t） 闸坝目标为类水 目标为类水 目标为类水目标为类水24h48h24h48h24h48h24h48h白沙水库125.4131.1334.2359.015.815.941.944.4白龟山水库554.6584.21091.31145.290.996.3158.0166.4燕山水库334.5349.01155.31190.577.680.6180.2185.8孤石滩水库33.655.0188.3235.627.030.446.353.0周口闸00000000槐店闸0014.310.20000阜阳
27、闸00000000颍上闸00162.9277.20000涡阳闸4.70241.6402.50019.022.3蒙城节制闸95.3139.8375.7598.20000鲇鱼山水库1110.41114.92498.52508.5194.6195.8368.1370.0梅山水库1982.51992.63870.63890.0293.0294.8529.0532.0响洪甸水库901.0902.73904.43913.3608.2609.6983.6985.9佛子岭水库73.083.4200.1230.125.028.140.846.5蚌埠闸1125.51624.42857.04306.4312.348
28、3.4528.8818.71952004结束语随着经济社会的发展，人类社会对水资源的需求量还会增加，闸坝的除害兴利作用依然 比较重要，而对于闸坝作用的研究也还会继续进行。本文在前人研究的基础上构建了闸坝防 污调控能力计算体系和软件系统，并且软件系统已经在淮河水资源保护局的水质水量联合调 度决策系统可视化平台上使用，对于指导淮河流域治理突发性水污染事件具有一定的实际意 义。为了更好的治理淮河流域的水污染问题，还需要更加深入的研究闸坝的作用，特别是闸 坝群联合运行时的相互影响作用。因此，闸坝群的共同作用及如何利用闸坝群的调度达到最 优的治污效果将是下一步研究的重点。参考文献 (References
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