基于水動力水質(zhì)模型的梁灘河水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王磊 陳石磊 張恒飛 劉康 歐陽磊

摘要：

梁灘河地處三峽庫區(qū)核心地段，近年來在工業(yè)、生活點源污染以及農(nóng)村面源污染作用下，水質(zhì)顯著惡化，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境以及經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展造成了潛在威脅。為此，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，基于開源水動力水質(zhì)模型TELEMAC-MASCARET，研發(fā)梁灘河水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合考慮水質(zhì)監(jiān)管需求，可實現(xiàn)水質(zhì)水量實時監(jiān)測、污染物沿程推演分析以及異常預(yù)警。系統(tǒng)可為水環(huán)境監(jiān)督管理與綜合治理提供支撐。

關(guān)鍵詞：

水環(huán)境綜合治理； 水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)； TELEMAC-MASCARET； 物聯(lián)網(wǎng)； 梁灘河； 三峽庫區(qū)

中圖法分類號：X832

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.021

文章編號：1006-0081（2023）05-0128-06

0 引 言

梁灘河地處三峽庫區(qū)上游，為嘉陵江一級支流，橫貫重慶九龍坡、沙坪壩、北碚三大主城區(qū)［1］。近年來，受農(nóng)村面源污染、工業(yè)和生活污水排放以及嘉陵江回水頂托影響，梁灘河水質(zhì)日漸惡化，總體呈劣Ⅴ類，對上游三峽庫區(qū)水環(huán)境產(chǎn)生了一定影響［2］。鑒于梁灘河重要地理位置，國家以及當?shù)丨h(huán)保局對梁灘河水質(zhì)惡化問題高度重視［3］。

為實現(xiàn)梁灘河水環(huán)境污染問題識別、分析與管控，王曉鋒［4］根據(jù)梁灘河氮、磷營養(yǎng)鹽物質(zhì)時空分布特征以及輸出情況，對水質(zhì)進行了分析評價，為梁灘河綜合整治以及庫區(qū)水環(huán)境維持提供科學(xué)依據(jù)；李謝玲［5］基于一維水質(zhì)模型，實現(xiàn)了梁灘河水環(huán)境納污能力與禽畜養(yǎng)殖容量的定量分析計算；雷振宇［6］基于中科院一維對流反應(yīng)水質(zhì)模型計算結(jié)果，根據(jù)重慶市合流功能區(qū)劃標準，制定了梁灘河污染現(xiàn)狀削減與優(yōu)化布局設(shè)計方案；冉濤［7］基于污染物通量核算模型與均衡因子，對水質(zhì)濃度超標情況進行核算，為梁灘河流域水污染問題聯(lián)防聯(lián)治、公平治污提供了生態(tài)補償措施。

上述研究基于梁灘河歷史監(jiān)測采樣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了污染物時空分布特征與風(fēng)險分析、水環(huán)境容量模擬計算以及水質(zhì)改善方案的科學(xué)制定。但由于水環(huán)境總是處于不斷變化的時空之中，僅基于歷史采樣數(shù)據(jù)分析模擬，輔助決策治理可能實時性欠佳［8］。此外，大多數(shù)學(xué)者在進行一維水質(zhì)模擬時常采用MIKE［9］、Delft3D［10］等商業(yè)軟件，存在二次開發(fā)與系統(tǒng)集成困難、價格高昂等局限性［11］。

針對上述問題，本研究基于開源軟件TELEMAC-MASCARET建立一維水動力水質(zhì)模型，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息化技術(shù)，構(gòu)建梁灘河水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)，為實現(xiàn)梁灘河水量水質(zhì)實時監(jiān)測、動態(tài)模擬、精準管控提供使能支撐。

1 研究區(qū)域概況

梁灘河是嘉陵江下游右岸的一級支流，發(fā)源于重慶市九龍坡區(qū)走馬鎮(zhèn)石橋村，流經(jīng)九龍坡、沙坪壩、北碚3區(qū)18個鎮(zhèn)（街道），于北碚區(qū)北溫泉街道毛背沱匯入嘉陵江。梁灘河主要支流包含龍鳳河、青木溪、西溪河、蘇家橋河，龍鳳河為其最大支流。梁灘河流域面積510 km2，主干河流長88.7 km，其中九龍坡、沙坪壩、北碚區(qū)段河流長度分別為21.4，48.8，18.5 km。梁灘河地處淺丘地帶，河流平均海拔300 m，總落差224 km，平均坡降2.60%，屬典型山區(qū)河流。流域內(nèi)土壤豐沃，氣候終年溫暖，年降雨量約為1 000 mm，雨量充沛，年內(nèi)分配不均，集中分布于夏季。適宜的氣候與肥沃的土壤為當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造了得天獨厚的條件，流域內(nèi)的歇馬鎮(zhèn)為北碚區(qū)“四大糧倉”之一［12］。

梁灘河地處三峽庫區(qū)核心地段［13］，是嘉陵江在重慶境內(nèi)最重要的一級支流，為重慶主要飲用水源之一，見圖1。20世紀90年代初期以前，梁灘河河水清澈，魚蝦成群。近年來，受社會經(jīng)濟與工業(yè)發(fā)展影響，梁灘河境內(nèi)人口密集，小型作坊加工企業(yè)密布。在生活污染、工業(yè)廢水污染、畜禽養(yǎng)殖污染與農(nóng)業(yè)面源污染的綜合作用下，梁灘河水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類狀態(tài)，現(xiàn)已成為重慶市污染情況最復(fù)雜、治理難度最大的次級河流之一，并對其干流嘉陵江與上游三峽庫區(qū)水質(zhì)構(gòu)成了一定威脅［14］。

2 梁灘河水動力水質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 建模方法

TELEMAC是法國國立水利與環(huán)境實驗室開發(fā)的一款研究水動力學(xué)與水文學(xué)高性能仿真開源軟件，可有效解決波浪傳播、水質(zhì)污染、地表水文以及泥沙遷移等問題［15］。模型引擎強大、計算模塊豐富、代碼開源且支持二次開發(fā)、系統(tǒng)集成與在線計算。本文基于TELEMAC的一維水動力水質(zhì)模塊MASCARET，完成梁灘河水動力水質(zhì)模型構(gòu)建，為水質(zhì)預(yù)演分析預(yù)警平臺構(gòu)建提供使能支撐。MASCARET一維水動力模塊基于圣維南方程求解河道沿程水位、流量隨時間變化情況。水質(zhì)模塊目前已完成TRANSPORT_PUR，O 2，BIOMASS，EUTRO，MICROPOL，THERMIC共6種水質(zhì)模型集成。綜合考慮模擬精度以及實際水質(zhì)監(jiān)管需要，本文采用O 2模型進行水質(zhì)模擬，并基于目前商業(yè)軟件廣泛應(yīng)用的有限體積法進行對流過程求解。

2.2 河道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集整編

梁灘河橫貫重慶九龍坡、沙坪壩、北碚三大主城區(qū)，根據(jù)《梁灘河一河一策》入河排污口統(tǒng)計調(diào)查情況，主要干支流共有147個排污口，其中116個入河排污口位于沙坪壩區(qū)，占全市排污口總數(shù)的78.92%，見表1?；诹簽┖友鼐€排污口分布情況以及水量水質(zhì)自動化在線監(jiān)測設(shè)備布設(shè)情況，本次梁灘河一維水動力水質(zhì)模型建模范圍為從白市驛鎮(zhèn)下游水質(zhì)水量監(jiān)測站點至沙坪壩與北碚區(qū)界（市環(huán)保已建的西溪橋市控水質(zhì)監(jiān)測站點）約49.16 km主干河道。

水動力水質(zhì)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性與代表性是模擬準確計算的重要保障，因此在模型構(gòu)建時，應(yīng)根據(jù)實地踏勘以及前期調(diào)研獲取的梁灘河沿線重點場鎮(zhèn)、重點排污口以及河道形狀變化情況，綜合考慮模擬準確性與斷面測量經(jīng)濟成本進行布設(shè)。基于此，于梁灘河白市驛鎮(zhèn)至沙坪壩與北碚區(qū)界布設(shè)河道測量斷面65個，斷面空間分布情況如圖2所示。

2.3 邊界條件設(shè)置

水動力水質(zhì)模型的上邊界設(shè)置為白市驛鎮(zhèn)，水動力采用流量-時間邊界，水質(zhì)采用污染物濃度-時間邊界；下邊界設(shè)置為沙坪壩與北碚區(qū)區(qū)界，水動力采用水位-時間邊界［16］，水質(zhì)采用污染物濃度-時間邊界；內(nèi)邊界設(shè)置為龍鳳河、青木溪、蘇家橋、橋東河、西溪河5條主要支流匯入處，所采用的邊界類型與上邊界一致，模型邊界條件設(shè)置情況如圖3所示。

2.4 模擬參數(shù)設(shè)置

模擬參數(shù)主要包含時空步長參數(shù)設(shè)置以及水質(zhì)水動力參數(shù)。其中，時空步長參數(shù)設(shè)置需綜合考慮計算精度、運算時間限制、模型收斂性以及展示效果要求。通常情況下，時間步長越小、模擬計算精度越高，但運算耗時越長。此外，由于TELEMAC-MASCARET采用顯式法進行求解，時空步長將會受到Courant-Friedrichs-Levy（CFL）條件限制。鑒于上述因素，模型模擬時間步長為1 s，空間步長設(shè)置為200 m，運算時間設(shè)置為4 h（14 400 s），結(jié)果展示時間步長設(shè)置為5 min（300 s）。

水動力水質(zhì)參數(shù)可分為水動力參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)。水動力參數(shù)主要為河道曼寧系數(shù)，與斷面形狀以及河道材質(zhì)有關(guān)。參考梁灘河流域水動力模擬相關(guān)文獻，將曼寧系數(shù)設(shè)置為0.033，并采用試錯法根據(jù)模擬水位與實測水位差值對局部河段糙率進行調(diào)整［8］。水質(zhì)參數(shù)主要包含對流擴散模型參數(shù)以及生化反應(yīng)參數(shù)，其中擴散系數(shù)則根據(jù)梁灘河流域面積、河道長度以及相關(guān)文獻，設(shè)置為10 m2/d，生化反應(yīng)物理參數(shù)初步選用模型默認推薦值。

2.5 模擬情景設(shè)置

參照《梁灘河一河一策》統(tǒng)計成果，共設(shè)置局部河段瞬時污染以及龍鳳河支流污染持續(xù)注入兩種情景。

（1） 對于局部河段瞬時污染，主要分析受突發(fā)事故影響，梁灘河局部河段水質(zhì)不達標，上下游以及邊界入流水質(zhì)情況良好，污染物（以氨氮為例）在水體中遷移擴散過程的模擬結(jié)果（圖4）。在模擬初始階段，距起點17.48 km處氨氮污染物濃度超過1.0 mg/L，超標河段長度共計3.17 km，峰值濃度為2.2 mg/L。隨時間推移，在上游來水以及旁側(cè)入流作用下，污染物逐漸從上游向下游推移，峰值濃度降低，影響范圍逐漸變大，在模擬結(jié)束時，污染物濃度首次超標斷面距起點44.12 km，峰值濃度1.11 mg/L，總體影響范圍5.04 km。

（2） 對于龍鳳河支流污染持續(xù)注入情景，主要分析在河流本底以及除龍鳳河的其他支流水質(zhì)良好情況下，受龍鳳河不達標水流持續(xù)注入影響，主干河道水質(zhì)變化過程模擬結(jié)果如圖5所示。在模擬初始階段，梁灘河本底氨氮濃度為0.8 mg/L，全河段氨氮濃度滿足Ⅲ類水考核要求。受龍鳳河污染物持續(xù)注入以及對流擴散運動影響，不達標河段長度逐漸上升，在模擬結(jié)束時，共有30.15 km河段氨氮濃度低于Ⅲ類水標準?？傮w而言，從上游至下游污染物濃度逐漸降低，且在青木溪、蘇家橋、橋東河以及西溪河污染物濃度下降更為明顯，主要是由于上述4條支流氨氮濃度為0.8 mg/L，水質(zhì)情況較好，受稀釋作用污染物濃度變低。

總體而言，上述兩情景模擬結(jié)果符合理論預(yù)期，模型具有一定的可靠性，可支撐水環(huán)境日常監(jiān)管情景模擬需求。待后期獲取更加豐富的豐水期、枯水期水量水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將進一步對模型進行率定驗證，以提高模擬精度與可靠性。

3 梁灘河水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)實現(xiàn)與部署

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)搭建與部署

梁灘河水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)由感知層、通訊層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐平臺、應(yīng)用層、用戶層、安全保障體體系和標準規(guī)范體系共同組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

系統(tǒng)在集成重慶水利信息系統(tǒng)整合項目數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，沿河加密布設(shè)無人機、無人船、視頻監(jiān)控以及水情水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，形成了“天、空、地”一體化智能感知網(wǎng)絡(luò)體系?；诖髷?shù)據(jù)、云計算等新一代信息化技術(shù)，租賃重慶電子政務(wù)云平臺保障系統(tǒng)正常通訊，提升系統(tǒng)算力。響應(yīng)水利部數(shù)字孿生號召，基于三維GIS技術(shù)構(gòu)建梁灘河數(shù)字化監(jiān)控一張圖，顯著提升系統(tǒng)使用交互性與體驗感。構(gòu)建梁灘河水動力水質(zhì)模型，基于模型實時在線計算結(jié)果，科學(xué)預(yù)測污染物到達沿河各重點場鎮(zhèn)時間，及時觸發(fā)預(yù)警，并對各種方案水質(zhì)改善效果進行預(yù)演，輔助水污染治理預(yù)案的合理制定，進而實現(xiàn)梁灘河水環(huán)境“四預(yù)一體化”（預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案）監(jiān)管。

3.2 模型與軟件的系統(tǒng)集成

水動力水質(zhì)模型可為梁灘河延程水質(zhì)推演分析與預(yù)警提供算力支撐，因此在系統(tǒng)構(gòu)建時應(yīng)高度重視模型的系統(tǒng)集成。TELEMAC-MASCARET與系統(tǒng)軟件的集成內(nèi)容主要包括模型前處理、模型運行、模型后處理等。首先，在模型前處理階段，將用戶通過web圖形化界面設(shè)置的模型輸入條件及邊界條件按照模型軟件輸入文件的規(guī)范格式寫入到相應(yīng)輸入文件，主要數(shù)據(jù)包括：河流拓撲數(shù)據(jù)、河流斷面數(shù)據(jù)、邊界條件數(shù)據(jù)。在模型計算過程中，用戶通過輸入時間步長、模型參數(shù)等計算條件，后臺執(zhí)行命令行，調(diào)用模型可執(zhí)行程序。計算完成后形成計算方案結(jié)果文件。后臺程序讀取模型計算輸出文件，并將結(jié)果以http方式返回給用戶。

3.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

梁灘河監(jiān)測推演預(yù)警系統(tǒng)由web端、一張圖、移動端等組成。系統(tǒng)以梁灘河水動力水質(zhì)模型為支撐，共包含綜合展示與動態(tài)預(yù)警、水面異常監(jiān)管、精細化水質(zhì)監(jiān)管以及水環(huán)境污染應(yīng)急管理4個功能模塊。綜合展示根據(jù)前端水質(zhì)自動化監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)，參照重慶市河流水質(zhì)等級標準，對各斷面水質(zhì)等級進行判斷，并對各類型報警斷面進行統(tǒng)計；水面異常報警基于河面視頻監(jiān)控AI識別異常信息，進行異常報警，并對事件類型、發(fā)生地址、時間進行建檔管理與異常分析統(tǒng)計；水體異常監(jiān)管基于無人機搭載多光譜分析儀分析結(jié)果，對當前梁灘河富營養(yǎng)化、濁度情況進行分析統(tǒng)計；水污染突發(fā)事件管理提供歷史水污染事件處理信息維護管理服務(wù)，業(yè)務(wù)管理人員可對歷史水污染突發(fā)事件發(fā)生時間、地址等信息進行錄入。精細化水質(zhì)監(jiān)管基于梁灘河水動力水質(zhì)模型，結(jié)合梁灘河沿線自動化流量、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測值，合理設(shè)置模型內(nèi)外邊界條件，對未來梁灘河溶解氧、有機負荷以及氨氮等水質(zhì)監(jiān)測指標濃度變化情況進行推演分析。此外，為使用戶更直觀了解梁灘河延程水質(zhì)變化情況，系統(tǒng)提供三維飛行漫游功能，可根據(jù)用戶選擇的方案以及污染物類型，對梁灘河水質(zhì)時空演變過程進行動態(tài)展示。龍鳳河突發(fā)污染推演預(yù)測分析結(jié)果如圖7所示。

梁灘河水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)于2021年4月進行開發(fā)，并對水質(zhì)水量監(jiān)測設(shè)備進行布設(shè)、調(diào)試與接入。2022年1月完成系統(tǒng)分析、設(shè)計、實施工作后，系統(tǒng)正式交付重慶水利局并進入為期3個月的試運行階段。試運行期間，針對用戶反饋意見，完成局部河段瞬時污染、支流污染持續(xù)注入兩種模擬情景設(shè)置以及頁面優(yōu)化調(diào)整。目前，系統(tǒng)基本滿足業(yè)務(wù)人員實際水環(huán)境監(jiān)管需求。2022年4月，系統(tǒng)順利進入運維期，期間系統(tǒng)將根據(jù)實際情況進一步進行調(diào)整維護。

4 結(jié) 論

梁灘河水環(huán)境監(jiān)督管理系統(tǒng)基于一維水動力水質(zhì)模型TELEMAC－MASCARET以及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、三維GIS等新一代信息技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)了河流水質(zhì)實時監(jiān)測報警、污染物沿程分析、水質(zhì)推演預(yù)警，為水質(zhì)不達標河段快速識別、偷排漏排企業(yè)高效鎖定以及應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)制定提供了支撐。系統(tǒng)的構(gòu)建為流域的水環(huán)境監(jiān)管、綜合治理與改善提供了新手段，具有較強的實用價值以及推廣意義。

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（編輯：李 晗）

Abstract：

Liangtan River is located in the core area of the Three Gorges Reservoir area.In recent years，the water quality of Liangtan River has deteriorated significantly under the influence ofindustrial and domestic point source pollution and rural non-point source pollution，which poses a potential threat to the local ecological environment and the sustainable development of economy and society.Therefore，a water environment supervision and management system of Liangtan River has to be developedon the basis ofthe open-source hydrodynamic water quality model TELEMAC-MASCARET and new generation of information technology such as the Internet of Things，cloud computingand big data.Comprehensively considering the requirements of water quality supervision，the system can realize real-time monitoring of water quality and quantity，inference and analysis of pollutants along the river，and early warning of abnormality，which can provide support for water environment supervision，management，and comprehensive treatment.

Key words：

comprehensive treatment of water environment； water environment supervision and management system； TELEMAC-MASCARET； Internet of Things； Liangtan River； Three Gorges Reservoir area