湖泊磷污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估模型研究與應(yīng)用

黎東洲，廖軼鵬，劉國(guó)慶，楊 光，柳 楊，巢予恬

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部太湖流域水治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

磷污染是造成湖泊富營(yíng)養(yǎng)化、藍(lán)藻水華暴發(fā)、生態(tài)系統(tǒng)退化等問(wèn)題的根源之一［1］，而磷污染也是滆湖及周邊區(qū)域面臨的重要問(wèn)題。近年來(lái)，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理及水環(huán)境修復(fù)受到高度重視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在我國(guó)開(kāi)展了大量湖泊治理與保護(hù)工作，崔芳等［2］基于曬區(qū)域分區(qū)研究了鄱陽(yáng)湖入湖總磷估算方法，Taranu 等［3］研究了農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)淺水湖泊的影響，蔡金傍等［4］對(duì)滆湖污染源進(jìn)行了調(diào)查分析，柳楊等［5］基于小流域分區(qū)研究了滆湖長(zhǎng)蕩湖磷污染通量，基本掌握了入湖磷污染的來(lái)源與入湖通道規(guī)律，通過(guò)與降水量建立聯(lián)系，能夠快速估算未來(lái)不同污染源的入湖污染量。

以河湖生態(tài)復(fù)蘇為目標(biāo)，以數(shù)字孿生為手段，支撐滆湖河湖保護(hù)工作具有重要的意義。本文基于滆湖入湖磷污染通量研究成果，通過(guò)數(shù)據(jù)收集、模型構(gòu)建、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等建設(shè)數(shù)字孿生滆湖磷污染評(píng)估系統(tǒng)，旨在有效支撐滆湖河湖生態(tài)管理工作，并為類(lèi)似湖泊磷污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估提供一定的參考。

1 湖泊磷污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估模型構(gòu)建

1.1 湖泊磷污染負(fù)荷評(píng)估模型基本原理

1.1.1 模型框架

磷污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估主要通過(guò)對(duì)各入湖小流域進(jìn)行劃分，利用污染源調(diào)查及模型模擬解析不同小流域的磷污染負(fù)荷通量。通過(guò)建立各小流域入湖磷污染負(fù)荷與雨量的關(guān)系，讀取實(shí)時(shí)、預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行入湖磷污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估，主要構(gòu)建步驟包括小流域劃分、磷污染負(fù)荷調(diào)查及模擬、小流域空間降雨關(guān)聯(lián)及磷污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估模型構(gòu)建。磷污染負(fù)荷評(píng)估計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 磷污染負(fù)荷評(píng)估計(jì)算流程

（1）小流域劃分。根據(jù)河道水系特點(diǎn)，利用地理工具進(jìn)行河網(wǎng)提取、河網(wǎng)分級(jí)及集水區(qū)單元?jiǎng)澐郑鶕?jù)河道等級(jí)信息對(duì)某等級(jí)以下集水區(qū)進(jìn)行合并，形成該等級(jí)對(duì)應(yīng)的小流域。

（2）污染源負(fù)荷調(diào)查評(píng)估。基于小流域劃分成果，針對(duì)不同污染來(lái)源進(jìn)行點(diǎn)源、面源調(diào)查，形成污染源調(diào)查成果。其中點(diǎn)源污染主要統(tǒng)計(jì)各重點(diǎn)工業(yè)、污水處理廠(chǎng)等污染源排放量信息；面源污染主要統(tǒng)計(jì)水產(chǎn)、林業(yè)、生活、工業(yè)、畜禽、農(nóng)業(yè)等污染情況，其中各面源污染系數(shù)根據(jù)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)公式或降雨實(shí)測(cè)進(jìn)行系數(shù)確定。

其中：Wtotal為總污染負(fù)荷，kg；∑W點(diǎn)為點(diǎn)源污染負(fù)荷之和，kg；R為不同面源污染系數(shù)，kg/m3；V為入湖總流量，m3。

（3）入湖污染負(fù)荷估算。在對(duì)污染負(fù)荷估算的過(guò)程中，需要掌握點(diǎn)源污染總量及面源污染總量。以年度污染負(fù)荷為例，通過(guò)調(diào)查年度點(diǎn)源污染總量、對(duì)面源污染系數(shù)及年徑流量進(jìn)行計(jì)算，確定污染源總和；如計(jì)算短中期由降雨導(dǎo)致的湖泊污染負(fù)荷，可以采用水文方法進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算得到產(chǎn)流總量，再根據(jù)公式（1）估算面源污染量，該時(shí)段點(diǎn)源污染總量可以通過(guò)年度點(diǎn)源污染總量除以統(tǒng)計(jì)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，或者根據(jù)不同月份點(diǎn)源污染總量計(jì)算來(lái)提高計(jì)算精度。

1.1.2 模型原理

對(duì)于平原較小區(qū)域，通常采用泰森多邊形法對(duì)匯水單元進(jìn)行劃分［6］。對(duì)于地形比較復(fù)雜、水利工程較多的區(qū)域，需要結(jié)合地形、圩區(qū)、城市排水規(guī)劃等資料對(duì)匯水單元進(jìn)行劃分。山丘區(qū)匯水單元?jiǎng)澐衷瓌t：首先根據(jù)地形進(jìn)行水文分析，劃分出大的匯水區(qū)。局部匯水區(qū)如水庫(kù)匯水區(qū)的劃分，需要與已有資料進(jìn)行校核，然后將匯水區(qū)分配到水庫(kù)或者沿程河道。平原區(qū)圩區(qū)匯水單元?jiǎng)澐衷瓌t：匯水區(qū)不可跨越圩區(qū)，首先確定匯水區(qū)范圍為圩區(qū)的范圍邊界，然后再進(jìn)行細(xì)化。對(duì)農(nóng)村圩區(qū)，依據(jù)排澇規(guī)劃等資料、泰森多邊形法等進(jìn)一步細(xì)分匯水單元。對(duì)城鎮(zhèn)圩區(qū)，依據(jù)市政管網(wǎng)排水規(guī)劃等資料，采用泰森多邊形法等進(jìn)一步細(xì)分匯水單元。平原非圩區(qū)匯水單元?jiǎng)澐衷瓌t：依據(jù)排澇規(guī)劃等資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、泰森多邊形法等劃分集水單元。

1.1.3 產(chǎn)流模型

在產(chǎn)流模型中，考慮比較典型的固定比例徑流模型（Fixed）+初期損失模型來(lái)開(kāi)展不同下墊面特點(diǎn)的產(chǎn)流計(jì)算。

對(duì)于特定硬質(zhì)產(chǎn)流面，產(chǎn)流量是總雨量的固定比例：

式中：R為降水量，mm；Rn為凈雨量，mm；C為徑流系數(shù)，%；P為重現(xiàn)期，a；C（P）為在某一重現(xiàn)期下的徑流系數(shù)，%。

徑流系數(shù)主要由產(chǎn)流面的類(lèi)型、表面植被種類(lèi)以及地面坡度決定，同時(shí)受降雨特性（強(qiáng)度、歷時(shí)）等因素的影響，有時(shí)用重現(xiàn)期來(lái)表示一定概率。對(duì)不透水面的徑流系數(shù)通常取0.70~0.95。

1.1.4 匯流模型

地表匯流計(jì)算的任務(wù)是把各個(gè)子流域的凈雨過(guò)程轉(zhuǎn)化成子流域的出流過(guò)程。通過(guò)把子流域的3個(gè)組成部分近似作為非線(xiàn)性水庫(kù)進(jìn)行處理而實(shí)現(xiàn)匯流計(jì)算，這是一個(gè)集總式的結(jié)構(gòu)。假定每一個(gè)子流域沒(méi)有特殊的形狀，同時(shí)假定子流域的寬度代表地表徑流的典型寬度，水庫(kù)被概化成矩形區(qū)域。這樣寬度就可以看做是待率定參數(shù)，用于調(diào)整預(yù)報(bào)值以便與計(jì)算的水文單元相符。非線(xiàn)性水庫(kù)通過(guò)聯(lián)立求解曼寧方程和連續(xù)性方程。

連續(xù)性方程：

式中：V=A×d，為地表積水量；d為水深；A為子流域面積；i*為凈雨；Q為出流量。

曼寧方程：

式中：W為子流域漫流寬度；n為曼寧糙率系數(shù)；dp為地表蓄滯水深；S為子流域?qū)挾取?/p>

合并式（3）和式（4），得到一個(gè)非線(xiàn)性偏微分方程，解出未知量水深d：

在式（5）中，將子流域漫流寬度W、坡度S和糙率n合并成一個(gè)參數(shù)IWCON，稱(chēng)為流量演算參數(shù)：

對(duì)每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，用有限差分法求解式，因此，凈入流和凈出流必須在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行平均，以腳標(biāo)1 和2 分別表示一個(gè)時(shí)段水深的初始值和終值，方程變?yōu)?/p>

用New-Raphson迭代法進(jìn)行求解。

1.2 模型在線(xiàn)化改造

為支撐系統(tǒng)建設(shè)，需要將模型磷污染負(fù)荷計(jì)算模型進(jìn)行在線(xiàn)改在，通過(guò)接口封裝提供模型負(fù)荷。在線(xiàn)改造主要基于Restful 接口風(fēng)格進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝［6］。在線(xiàn)模型主要需要實(shí)現(xiàn)基于不同降雨數(shù)據(jù)源的自動(dòng)預(yù)報(bào)及人工輸入降雨的交互預(yù)報(bào)。其中自動(dòng)預(yù)報(bào)通過(guò)JDBC等數(shù)據(jù)庫(kù)連接工具自動(dòng)讀取實(shí)時(shí)及預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，通過(guò)水文產(chǎn)匯流計(jì)算公式及污染負(fù)荷計(jì)算公式，評(píng)估入湖磷污染負(fù)荷量。人工預(yù)報(bào)通過(guò)開(kāi)發(fā)人工預(yù)報(bào)接口，通過(guò)輸入預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，提交到模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)JSON 數(shù)據(jù)返回污染負(fù)荷計(jì)算結(jié)果。

2 數(shù)字孿生湖泊磷污染負(fù)荷評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于水利部數(shù)字孿生建設(shè)框架，針對(duì)磷污染負(fù)荷評(píng)估的業(yè)務(wù)需求，通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚、模型支撐、業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，在數(shù)據(jù)底板方面，匯聚湖泊及周邊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與跨行業(yè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建多層級(jí)數(shù)據(jù)底板；模型層面構(gòu)建滆湖可視化模型及磷污染評(píng)估模型，形成數(shù)字孿生平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用，系統(tǒng)框架［7-8］如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架

其中數(shù)據(jù)層面主要對(duì)接河流水系、基礎(chǔ)地理、水利工程等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)雨情、水情、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，影像、地形等地理空間數(shù)據(jù)，雷達(dá)圖、衛(wèi)星云圖、預(yù)報(bào)降雨等跨行業(yè)共享數(shù)據(jù)。通過(guò)構(gòu)建水文模型、磷污染評(píng)估模型，為業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供支撐。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用微服務(wù)體系的前后端分離架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。其中前端采用了VUE頁(yè)面框架，基于Leaflet 的地圖框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，后端數(shù)據(jù)服務(wù)及模型服務(wù)采用SpringBoot 的框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可視化服務(wù)基于WDP API 進(jìn)行渲染交互，開(kāi)發(fā)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 開(kāi)發(fā)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)構(gòu)建主要考慮數(shù)字大廳、“四預(yù)”調(diào)度兩個(gè)主要模塊，其中數(shù)字大廳定位為業(yè)務(wù)態(tài)勢(shì)感知，主要從業(yè)務(wù)層面出發(fā)，抽取各個(gè)業(yè)務(wù)關(guān)鍵信息結(jié)合二三維展示方式進(jìn)行展示；“四預(yù)”調(diào)度圍繞預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案、會(huì)商等四預(yù)業(yè)務(wù)體系進(jìn)行構(gòu)建，系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 功能架構(gòu)

3 案例應(yīng)用——數(shù)字孿生滆湖系統(tǒng)

選取常州滆湖為研究區(qū)，構(gòu)建湖泊璘污染負(fù)荷評(píng)估模型，按照湖泊數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生滆湖系統(tǒng)。

3.1 區(qū)域概況

常州市地處太湖流域西部，北臨長(zhǎng)江，東瀕太湖，西界茅山，南接天目山余脈，腹部有洮、滆兩湖。境內(nèi)地形復(fù)雜，山丘、平原、圩區(qū)兼有，丘陵山區(qū)位于西南部，面積1 012 km2，占全市總面積的23%；中部和東部大部分是平原，面積1 585 km2，占全市總面積的36%；圩區(qū)主要分布在丘陵山腳和腹部洮、滆湖周?chē)?，部分在沿江地區(qū)和與錫澄接界處，面積1 253 km2，占全市總面積的29%；圩外河湖面積525 km2，占全市總面積的12%。全市地勢(shì)高低相間，山圩相依，湖圩相連，河網(wǎng)密布。境內(nèi)從南至北分成三大水系，包括南河水系，太湖、滆湖、洮湖三湖水系及運(yùn)河水系。滆湖周邊土地利用類(lèi)型主要有耕地、園地、林地、草地、濕地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地等。根據(jù)第三次國(guó)土調(diào)查結(jié)果，常州市主要用地?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常州市各土地利用類(lèi)型面積統(tǒng)計(jì)

3.2 滆湖磷污染負(fù)荷在線(xiàn)模型構(gòu)建

常州滆湖區(qū)域共劃分了74 個(gè)自然匯水小流域單元，以自然匯流單元取代行政單元，作為磷污染負(fù)荷空間分布的統(tǒng)計(jì)單元。通過(guò)調(diào)查，滆湖區(qū)域污染源主要分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、林業(yè)和生活污染源。根據(jù)文件統(tǒng)計(jì)結(jié)果，各類(lèi)型污染物入滆湖年總量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 入湖磷污染通量統(tǒng)計(jì)

基于小流域劃分成果及污染源調(diào)查數(shù)據(jù)，建立污染源與流域降水量之前的關(guān)系。在實(shí)際污染負(fù)荷預(yù)報(bào)計(jì)算過(guò)程中，需要對(duì)接實(shí)時(shí)降雨及預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，因此需要將各小流域單元與實(shí)時(shí)降雨、預(yù)報(bào)降雨進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，通過(guò)讀取實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行污染負(fù)荷預(yù)報(bào)。其中實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)對(duì)接江蘇省實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)對(duì)接網(wǎng)格化預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行小流域與實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)過(guò)程中，由于部分小流域無(wú)雨量站點(diǎn)，因此通過(guò)將雨量站點(diǎn)進(jìn)行泰森多邊界劃分，并與小流域進(jìn)行空間疊加的形式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)后通過(guò)對(duì)位于小流域范圍內(nèi)的泰森多邊形對(duì)應(yīng)雨量站點(diǎn)數(shù)值加權(quán)平均的方式獲取雨量值。

在與預(yù)報(bào)降雨站點(diǎn)關(guān)聯(lián)過(guò)程中，由于小流域可能位于一個(gè)或者多個(gè)預(yù)報(bào)降雨格網(wǎng)中，通過(guò)地理空間相交工具建立小流域與預(yù)報(bào)格網(wǎng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并根據(jù)占據(jù)的不同格網(wǎng)面積權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，從而得到小流域預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.3.1 數(shù)字大廳

數(shù)字大廳主要展示滆湖及周邊水系的水環(huán)境信息，包括磷污染負(fù)荷統(tǒng)計(jì)信息及預(yù)報(bào)信息、水質(zhì)信息等。其中磷污染負(fù)荷通過(guò)自動(dòng)預(yù)報(bào)方式，滾動(dòng)計(jì)算污染負(fù)荷，按照工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、林業(yè)進(jìn)行分類(lèi)，展示近7d 入滆湖總磷負(fù)荷預(yù)測(cè)信息，并以年為單位統(tǒng)計(jì)年度入湖總磷污染負(fù)荷總量信息；水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)接滆湖周邊水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息，展示滆湖周邊總磷、總氮、溶解氧等水質(zhì)信息，并對(duì)水質(zhì)較差站點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)告警。

3.3.2 “四預(yù)”調(diào)度

“四預(yù)”調(diào)度模塊主要包括感知、預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案等模塊，其中感知模塊對(duì)接滆湖及周邊實(shí)時(shí)雨情、水情、水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠結(jié)合圖表展示雨量、水位、水質(zhì)等過(guò)程數(shù)據(jù)；預(yù)報(bào)模塊對(duì)接了氣象預(yù)報(bào)降雨信息，能夠展示格網(wǎng)預(yù)報(bào)降雨信息，并通過(guò)自動(dòng)接入預(yù)報(bào)降雨信息進(jìn)行入湖磷污染預(yù)報(bào)評(píng)估，展示各小流域入湖污染負(fù)荷量；預(yù)警模塊能夠?qū)?shí)時(shí)雨情、水情、水質(zhì)信息進(jìn)行告警展示，并根據(jù)入湖污染負(fù)荷閾值進(jìn)行入湖污染預(yù)警展示；預(yù)演模塊主要同通過(guò)磷污染負(fù)荷在線(xiàn)交互計(jì)算接口，通過(guò)輸入降雨信息展示不同降雨條件下的磷污染負(fù)荷結(jié)果；預(yù)案模塊主要結(jié)合突發(fā)污染預(yù)案、水生態(tài)治理方案等信息，展示滆湖生態(tài)治理相關(guān)預(yù)案信息。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)湖泊污染源分析，構(gòu)建湖泊磷污染負(fù)荷模型，建立入湖磷污染與降雨關(guān)系，進(jìn)行模型在線(xiàn)化改造，并以常州滆湖為例，通過(guò)污染源調(diào)查成果，構(gòu)建以小流域?yàn)閱卧慕涤昕臻g關(guān)聯(lián)，對(duì)接實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)降雨數(shù)據(jù)，構(gòu)建污染負(fù)荷在線(xiàn)評(píng)估模型；采用數(shù)字孿生手段，開(kāi)發(fā)了數(shù)字孿生滆湖磷污染負(fù)荷評(píng)估系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了滆湖磷污染負(fù)荷評(píng)估的“四預(yù)”功能，全面掌握滆湖當(dāng)前及歷史水環(huán)境狀態(tài)、未來(lái)入湖污染狀態(tài)，有效支撐滆湖管理保護(hù)工作，系統(tǒng)成果能夠應(yīng)用在類(lèi)似湖泊的磷污染負(fù)荷評(píng)估上。