國家水環境質量預報預警研究進展及業務發展思路

李 茜，張 鵬，彭福利，許 榮，朱莉莉，李健軍

中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

地表水環境污染已經是全球范圍內普遍關注的環境問題，影響流域水環境的因素眾多，且由于流域特征各異，組成錯綜復雜，水體受到的污染狀況也不同。在流域范圍內，水環境與人類活動息息相關，城市化進程和人口密度的增加直接加劇了工業和生活地表水污染物排放，土壤退化和農業活動帶來的污染物則通過地表徑流進入水體，對水環境質量和水生生態系統產生巨大影響[1-3]。雖然我國水污染防治工作取得明顯成效，但水環境質量形勢依然嚴峻。部分水體水環境質量差，水環境隱患不容忽視，全國近80%的化工、石化項目布設在江河沿岸、人口密集區等敏感區域，水污染突發環境事件頻發[4]。要解決這些突出的水環境問題，達到2020年全面建成小康社會的環境要求，滿足人民群眾不斷增長的環境需求，水污染防治工作仍面臨巨大壓力。

水環境質量預報預警技術是對整個流域系統及其內部發生的復雜污染過程進行的定量化描述，不僅能明確污染物運移的時空分布規律，還能夠估算流域污染負荷，識別污染物主要來源和途徑，構建污染負荷消減方案，評估流域污染治理措施成效。因此，水環境質量預報預警是流域水環境管理實現精細化、科學化的核心。《水污染防治行動計劃》對水環境監控預警提出了明確要求[5]，同時，水環境質量預報預警是統籌山水林田湖草系統治理的重要部分，是推動高質量發展和經濟結構優化的重要抓手，是滿足人民日益增長的美好生活需要的重要組成。為貫徹落實黨中央關于生態文明建設的要求，提升水污染防治現代化水平，亟需形成國家水環境質量預報預警能力作為技術支撐。本文綜述了國內外水環境質量預報預警的研究進展，分析了國內相關研究和業務開展的主要不足，并立足于國家層面提出水環境質量預報預警體系發展思路。

1 國內外研究進展

水環境質量預報預警是以流域為單元，以定量的模型或方法模擬污染物在流域范圍內的遷移轉化過程，確定水環境演變趨勢和空間分布，以期開展對水質的常規預測和突發污染情況的預警，同時可用于水環境容量等計算，為流域污染防治規劃提供技術支撐[6-7]。水環境質量預報預警技術的核心是數值化模擬，即水環境模型的建立。水環境模型是用數學的語言和方法描述參加水循環的水體中水質組分所發生的物理、化學、生物和生態學諸方面的變化、內在規律和相互關系的數學模型[8]。

1.1 水質模型研究進展

自1925年STREETER等[9]提出BOD-DO模型，水環境模型的發展已歷經90多年，歷經3個階段，從點源污染模型發展到面源污染模型，從單一水質模型發展到機理水質模型。目前國際研究較多、基本獲得公認的河流湖庫水質模型有QUAL、MIKE、WASP、EFDC、Delft3D等，流域污染負荷模型有SWAT和HSPF等，模擬精度高、計算效率高、機理過程相對全面，被國內外廣泛應用在水質預測、水質預警、流域規劃、水污染治理措施研究等方面。國內研究以對國際模型的二次開發和本地化應用為主。水質模型對比分析見表1。

1.1.1 水體水質模型

1)QUAL2K。QUAL2K是美國環保署(USEPA)推出的一個綜合性、多用途的河流綜合水質模型，QUAL2K是一維水質模型，適用于模擬完全混合的枝狀河流水質。作為穩態模型，可以模擬污染負荷的總量、發生地點和河流水質；可以模擬15種水質參數，適用于河流和湖庫。QUAL2K在我國漢江中下游、錢塘江、滇池、官廳水庫、西苕溪等都有應用實例。其優點是由一些簡單模型組合而成，計算量較小；缺點是一維水質模型，無水動力模塊，應用河段為有限的25個，可拓展性較弱[9-10]。

2)MIKE系列。MIKE系列模型是丹麥水動力研究所(DHI)開發的水動力水質模型，其中MIKE11是適用河流、灌溉渠道等的一維動態水質模型；MIKE21為二維動態水質模型；MIKE3是三維模型。其使用范圍包括河流、湖庫、河口、海岸、灌溉渠道等，模擬參數包括水質、重金屬、富營養化及生態狀況等[11-12]。適用性強、模擬精度較高，在非洲的Senegal流域，我國的三峽、葛洲壩、漢江中下游等均有應用，可用于分析、規劃和管理大范圍的水資源和環境問題。其缺點是計算量大，所需時間較長，且不同過程耦合存在難度。

3)Delft3D。Delft3D是由荷蘭Delft大學開發的一套水動力水質模擬軟件包。該軟件具有靈活的框架，能夠模擬二維和三維的水流、波浪、水質、生態、泥沙輸移和床底地貌以及各個過程之間的相互作用。Delft3D系統在國際上應用十分廣泛，如荷蘭、波蘭、德國、澳大利亞、美國等，尤其是美國己經有很長的應用歷史[13]。中國香港地區從20世紀70年代中期開始使用Delft3D系統。Delft3D從20世紀80年代中期開始在中國內地也有越來越多的應用，如長江口、杭州灣、渤海灣、太湖、滇池。其缺點是作為商業化的軟件包，在二次開發和可拓展性方面受到限制。

4)EFDC。EFDC模型是由美國弗吉尼亞州海洋研究所和USEPA開發的三維地表水質數學模型，具有水動力、水質和沉積物模塊，可實現河流、湖泊、水庫、濕地系統、河口和海洋等水體的水動力學和水質模擬，是一個多參數有限差分模型[14-16]。目前該模型已在美國和歐洲等100多個水體區域應用，在我國主要應用于云南滇池水質模擬、重慶兩江匯流水動力模擬、密云水庫營養物模擬和內蒙古烏梁素海地區的水質模擬等。EFDC的優點是具有多維模擬功能，通用性強，精度較高，缺點是對基礎資料要求全面，對水文水質等專業基礎知識要求比較高，建模復雜度相對較高。

5)WASP。WASP是由USEPA提出的基于質量守恒原理的動態水質模型，能夠用于不同環境污染決策系統中分析和預測由于自然和人為污染造成的各種水質狀況，可以模擬一維水動力、常規污染物(溶解氧、生化需氧量、氨氮、葉綠素a、有機磷等)和有毒污染物(重金屬和沉積物、有機農藥等)在水中的遷移和轉化規律[17-18]。WASP是水體的動力學箱式模型，通過對水體進行合理分段，可以模擬一維、二維和三維水質，模擬隨時間變化的平流、彌散流、點源和非點源的污染物負荷、邊界交換等情況。WASP已在國內外得到了廣泛應用，在國內的研究內容包含了重金屬污染模擬、河流富營養化、港口揮發性有機物污染模擬、太湖藻類的動態模擬、蘇州河環境綜合整治方案模擬、南水北調對水質影響的模擬等，在廣泛的應用實例中證實了其科學性和適用性。

6)HIMS-HEQM。HIMS-HEQM是中國科學院地理科學與資源研究所開發的流域水循環系統模型，其中HIMS為多尺度分布式水循環模型，主體結構包括水循環多源信息集成平臺、水循環多元要素定量遙感反演系統、水循環程模塊庫集成系統、多尺度分布式水循環定制模擬系統、水文分析工具箱以及圖形界應用服務系統等；HEQM綜合考慮變化環境下水文循環和營養源循環在陸面、土壤、植被和河流水體中的相互作用關系以及閘壩調控、排污和閘壩調控對水和營養源循環的影響。HIMS-HEQM具有多尺度嵌套、拓展性強、機理模擬過程全面等特點，HIMS及其定制模型已經在國內外得到廣泛認可和應用，HEQM已在我國潮白河流域、新安江流域、淮河流域、長江流域重點實驗區、太湖典型流域、深圳梯級水庫控制流域、珠江柴石灘水庫控制流域等多個區域的水量水質耦合模擬、農業非點源污染估算等方面得到了應用。

表1 水質模型對比分析Table 1 Comparison of water quality model

1.1.2 流域面源污染負荷模型

流域面源污染是指溶解性或固體污染物從非特定的地點，在降水和徑流沖刷作用下，通過徑流過程匯入受納水體而引起的水體污染，主要來源包括水土流失、農業化肥施用、城市徑流、畜禽養殖和農業與農村廢棄物等。由于面源污染起源于分散、多樣的廣域地區，其危害規模大且防治困難。20世紀70年代，流域面源污染負荷模型在面源污染模擬、預測和關鍵源區識別等方面有了大量應用。按照流域模型的參數空間特征劃分，面源污染模型大致可分為分布式和集總式2類。中國際公認和應用廣泛的分布式模型有ANSWERS、AGNPS(AnnAGNPS)和SWAT模型，優點在于其機理模擬比較符合實際，在基礎數據比較豐富的條件下可以比較精確地模擬小區域或整個流域的面源污染，缺點是需要大量數據作支撐。對國際公認且在國內有應用實例的5個面源污染模型的主要特點歸納如表2所示[19-25]。

表2 面源污染模型對比分析Table 2 Comparison of non-point pollution model

1.2 水質預報預警系統研究進展

1.2.1 國外研究進展

國外相關研究起步較早，文獻多集中于針對突發水污染事件的水質預警系統建立與應用，基于常規水環境質量預報預警功能的應用并不多見。美國在俄亥俄河及密西西比河，英國在特棱特河、迪河及泰恩河，法國在塞納河均建立了突發水污染事故預警系統。由德國、奧地利、匈牙利等9個歐洲國家共同開發的多瑙河事故應急預警系統，是由多瑙河沿岸各國的國際警報中心(PIAC)和各國的學術支持機構組成的，在預測預報多瑙河流域水質變化、保障居民飲水安全等方面發揮了重要作用[26-27]。

1.2.2 國內研究進展

我國地表水環境監測網絡歷經近30年的發展，建立了覆蓋全國十大流域、指標完備的監測網絡，形成了完善的技術標準和業務體系。“十三五”期間國控斷面(點位)為2 767個，共監測1 366條河流139座重要湖庫，并要在“十三五”期間形成覆蓋全部2 050個考核斷面的國家水質自動監測站網。基于水質自動站的實時數據，大多省級監測站和部分市級監測站建立了基于自動站實時數據的水質異常報警系統。以四川、浙江、廣東和江蘇為代表的省份以科研項目研究為依托，對基于數值模擬的水環境質量預報預警技術進行了探索性研究。

四川省基于水專項課題，構建了流域水環境突發風險監測預警技術體系與基礎信息平臺以及三峽水庫上游入庫干支流污染物通量預警模型。目前，四川省環境監測總站將科研成果進一步拓展，探索在岷沱江流域的業務化應用。浙江省的水專項課題對水環境質量預報預警進行了研究，建立區域點源、非點源及通量等多要素動態源清單，提出以跨界污染物通量自動監測驅動河網模型模擬結，動態計算區域控制單元的容量總量等，但科研成果并未進行及時更新，沒有開展業務化應用。廣東省在北江流域探索建立水源水質安全監控預警平臺，研發了水環境風險評估和風險源解析技術、水環境預警監控和應急決策支持系統，構建了武江流域水質預測預報模型。江蘇省建立了水質自動站實時監控三級預警體系，形成高效的水質監測預警處置機制，協助查處100多起污染情況；建立了太湖水污染及藍藻監測預警體系，能夠對藍藻水華開展近3日預報。

2 存在問題

綜合國內外研究進展可以看出，在科研方面，國際主流的水質模型較為成熟，但國內基于水質模型的水環境質量預報預警科學研究多以小流域為對象，缺乏宏觀尺度的設計和運用。在業務應用方面，國內的水環境質量預報預警業務多以水質自動站實時數據監控為基礎，基于機理模型的預報預警大多處在科研階段，沒有形成對水污染防治提供決策支撐的預報預警能力。

1)科研與實踐多以小流域為對象，缺乏宏觀流域尺度應用。縱觀基于數值模擬的流域綜合管理的科學研究，基本以單個水系、集水區或小流域為對象，主要是由于機理模型所需的水文水質監測、下墊面狀況等基礎數據量繁多，參數率定復雜，需要專業的基礎知識進行建模，因此缺乏大尺度的設計和應用。

2)業務應用以實時監測數據預警為主，缺乏決策支持功能。在國家和地方層面開展的水環境預警業務，多是以水質自動站實時數據監控為基礎，對發現的水質異常現象發出預警并進行現場核實。現有進行業務化應用的水環境監控平臺大多缺乏基于數值模擬的水質常規預報功能，以及在水環境分析評價基礎上的治理決策綜合支撐功能。

3)對水環境質量預報預警業務的認識尚未統一，缺乏頂層設計。目前，無論是科研工作者還是監測站技術人員，對于開展國家層面的水環境質量預報預警業務尚有不同的認知，還未達到統一。在必要性的認知上，大家都認為開展這項業務意義深遠，但部分技術人員對業務開展的可行性有疑慮，認為數據量獲取的難度和建模的復雜性都很大，其專業性很強，系統建設周期和后期維護難度大，不易推廣。

綜合以上國內外研究進展的分析以及存在問題，結合以水環境質量改善為核心，以流域水污染突出問題為導向，以水污染防治工作目標為引領的目標，初步提出國家水環境質量預報預警的發展思路。

3 國家水環境質量預報預警發展思路

3.1 總體目標

國家層面以重點流域/湖庫為單元，研究建成集水環境質量預測預報、水環境污染事故預警與模擬、面源污染負荷匡算與風險評估、水環境污染物追因溯源、水環境容量和承載力評估等應用為一體的國家水環境質量預報預警能力。在國家水環境質量預報預警形成基本能力的基礎上逐步推開，建設架構統一、業務協同、資源共享、上下游聯動的全國-流域-省級-城市4級水環境質量預報預警網絡，為重點流域水污染防治、省市水環境質量監管和目標考核提供科學有效的技術支撐。

3.2 基本原則

1)業務與科研相結合，引入外腦與強化內功相統籌。科技攻關是業務化應用的必要基礎，業務化應用是科技攻關的出發點和根本目標。通過引入外腦、強化內功，組建水環境質量預報預警科研攻關團隊，保障業務體系的科學性和先進性，提高監測隊伍的技術水平。形成符合我國水環境質量管理要求，具有我國生態環境監測特色的業務體系。

2)一維與多維相結合，宏觀與微觀相統籌。機理模型的尺度把握至關重要，一維模擬的建設速度快、參數少，二維/三維模擬的精度高、展示效果好，要從研究范圍和應用目的、綜合成本和效益進行統籌設計。國家層面是在流域尺度，從宏觀上把握水環境質量時空演變規律并預測預警，因此應以一維模擬為主，在重點河段輔以二維/三維模擬，形成完備適用、科學合理的應用手段。

3)水體與流域相結合，點源與面源相統籌。水文循環過程與流域生態過程歸屬于一個緊密耦合的復雜系統，這就要求在建模過程中將受納水體水質模型與流域面源污染負荷模型進行有效的耦合。流域面源污染負荷模型的建立將對面源污染這一形勢愈加嚴峻且計算難度高的污染類型進行解析和匡算，與點源污染排放清單相統籌，形成覆蓋全面、點面結合的模型體系。

4)國家與地方相結合，先行先建與整體帶動相統籌。在4級水環境質量預報預警網絡的功能部署中，國家層面除了流域尺度的業務應用外，需要提供一整套先進可行、覆蓋全面的技術方法指南，以期保障國家-流域-省級-城市4級業務體系的架構統一、業務協同。地方層面上，有基礎的省市要找準問題和需求，發揮各自優勢先行先建，同時起到整體帶動的作用，做到資源共享、保證上下游聯動。形成上下聯動、統籌兼顧的整體業務布局。

3.3 業務系統設計

建設4級水環境質量預報預警網絡，要以2套體系(技術方法體系和業務體系)為保障，以2類模型(水質模型和面源污染模型)為支撐，依托1個平臺(水環境質量預報預警決策支持平臺)，開展環境監管業務化應用、治理決策精細化支撐、污染事故科學化處置和數據產品社會化服務這4種業務應用(圖1)。

圖1 水環境質量預報預警業務體系架構圖Fig.1 The framework of operational system of national water quality forecasting and alarming

3.3.1 構建模型體系

根據國內外主流水質模型的研究進展，水環境質量預報預警系統設計應采用系統工程的方法，建立面源污染模型和水體水質模型相耦合的多模型集合預報系統，所采用的機理模型必須經過研究和應用檢驗，較成熟穩定，達到國內外先進水平并具備二次開發條件。在重點流域，需發揮不同模型組合的優勢，建立不少于3套國內外先進模型組合并實現多模型集合預報，每套模型組合可獨立模擬面源污染和水體水質全過程。基于現有國內外先進模型，如HIMS-HEQM、SWAT、HSPF、EFDC、WASP、SELFE、Delft3D、DRONIC、TELEMAC等，使用歷史資料進行充分的本地化參數率定校準。同時，進行集合預報優化，對多套模型的模擬結果進行對比校驗，利用包括多元回歸、偏差訂正、神經網絡等方法對多套水環境質量集合預報結果進行統計集成。

面源污染機理過程模擬至少包括水文循環、土壤侵蝕、營養物質遷移轉化等功能模塊，為水體水質模型提供徑流和面源污染輸入；水文水質機理過程模擬至少包括水動力、閘壩控制、水質、病原體與有毒物質等功能模塊。

3.3.2 業務系統設計

1)環境監管業務化應用。生產包括水文、水質、水華在內的預報產品，對水質和通量信息進行實時預警，整合建立點源污染排放清單，為水環境質量監管提供的實時高效的業務化產品。①水文預報。能夠提供未來3 d可用和未來4～7 d可供參考的流域水位、流速、流量、水溫等預報產品。②水質預報。能夠提供未來3 d可用和未來4～7 d可供參考的懸浮物、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(CODCr)、重金屬類等主要污染物濃度、水質類別、首要污染物預報產品。③湖庫富營養化預報。能夠提供未來7 d可供參考的葉綠素a，藍藻、綠藻、硅藻的濃度，水華爆發時間和面積等預報產品。④水質和通量預警。系統可根據業務需求設置預警指標參數，基于實測水質數據和預報數據，對一定時間周期內的超過設定參數的水質大幅變化超標、污染物偷排、水質趨勢性異常變化、斷面通量異常等進行實時預警。

2)治理決策精細化支撐。以機理水質模型和面源模型為應用支撐，可對水環境容量和承載力進行核算，進而規劃污染消減方案；可對污染物來源進行追因溯源，鎖定風險源；可對面源污染的來源和遷移轉化進行模擬，從而識別管控關鍵源區，是精準實施水污染防治決策、科學制定水環境管理規劃的技術支撐。①水環境風險評估。面向江河沿岸、人口密集區等敏感區域密集分布污染源影響及水環境質量管理需求，建立水環境風險評估系統。建設流域點源污染排放清單，集成整合污染源位置、排污口位置、特征污染物、污染排放等信息，確定污染源排放與流域匯合點、污染源影響范圍等，在此基礎上實現對清單信息進行管理、編輯和動態更新。應用面源污染模型，對氮、磷等營養元素和主要重金屬的面源污染符合進行定量匡算，擬合面源污染負荷的入河量，計算其對水體污染的貢獻量及貢獻率。設定閾值參數，識別出面源污染關鍵源區和高風險區。具備分析面源污染月度、水期、年度的時間變化趨勢和空間分布特征功能。②水環境容量核算及承載力評估。在水環境質量數值模型支撐下，模擬受納水體在一定的環境質量目標規劃設定條件下的水環境容量，依據水環境容量和污染負荷現狀，對流域/湖庫、行政區的水環境容量和水環境承載力開展風險評估和超載預警。③決策支持分析。根據重點流域控制單元、河湖長制管理需求，對水質現狀、水文水質預報結果與規劃目標進行對比，分析主要污染物來源，對影響水質的主要污染源治理措施進行水質改善效果的情景模擬。模擬結果可用于規劃和構建流域/湖庫或行政區的污染負荷消減方案和空間分配方案。④污染溯源分析。對污染物來源進行追因溯源，掌握污染物的擴散及空間變化路徑，基于工業和生活的點源污染排放量，以及農村生活、畜禽養殖、農田徑流等面源污染負荷，解析各類污染來源對重點斷面主要污染物通量的貢獻量、貢獻率及其時空變化特征。在水環境污染物濃度或通量發生較大變化，觸發水質大幅變化超標預警、偷排預警時，進行異常水污染溯源分析，結合空間拓撲技術和超標污染物特征，對污染來源進行篩查和定位。

3)污染事故科學化處置。突發水污染事故會帶來水環境破壞，威脅飲用水安全并造成嚴重的社會影響，在水質模型的支撐下建立突發水污染事故仿真模擬，可以實時模擬水污染事件的時空變化、影響人口和飲用水威脅，為快速有效的應急處置提供科學依據。①突發水污染事故仿真模擬。建立突發水污染擴散模型，依據污染事故的發生位置、污染物類型、泄漏量、泄露方式、氣象水文條件等信息，動態模擬污染物的遷移轉化過程，計算污染物的濃度分布、污染物到達下游重要斷面的時間、超過指定閾值的污染帶時空分布范圍等。評估污染事件影響地區的人口、威脅飲用水安全的超標程度等。②突發水污染事故應急處置決策支持。建立污染物屬性數據庫、突然污染物的應急處理處置技術數據庫等，包含常見污染物的理化常數、環境影響、實驗室檢測方法、環境標準、應急處理處置方法等，為污染事故的快速應急處置提供科學的決策支持。

4)數據產品社會化服務。對水環境質量預測預報業務產品進行發布與共享，針對環境管理部門、監測業務部門、普通大眾等不同用戶類型的需求進行有針對的社會化服務。實現重點流域/湖庫國控斷面的水質預報發布、預警信息實時推送和水質信息專題圖生成等功能，體現監測數據和預報預警信息展示一體化、空間查詢一體化及數據管理一體化，提高環境監測支撐環境監控管理、滿足公眾知情權的能力。

3.3.3 建立2套體系

國家層面建立水環境質量數值模擬技術方法體系、水環境質量預報預警業務體系，確保在不同流域/湖庫、各省市時空分辨率及下墊面的差異下，本地化模型能夠協同運轉、互聯互通；確保在業務化運行中，全國-流域-省級-城市四級水環境質量預報預警業務能夠流程規范、口徑一致。

1)水環境質量數值模擬技術方法體系。研究建立水環境質量數值模擬技術方法體系，力求全國的業務開展能夠統一水環境質量建模架構、摸清污染源來源和數量、掌握水環境容量和承載力評估技術方法，搞清水環境污染物來源。

2)水環境質量預報預警業務體系。明確國家水環境質量預報業務、國家水環境質量預警業務機制和基本流程，在此基礎上，結合流域/湖庫、省、市水環境質量預報預警業務開展情況，研究建立流域/湖庫、省級、城市的水環境質量預報預警業務機制、預報預警信息共享交換機制等。

3.3.4 搭建一個平臺

研究建立水環境質量預報預警決策支持平臺，在一套完整的地理空間數據集、水文氣象數據集、環境監測數據集、污染源數據集的基礎上，運用大數據、GIS等技術，集成流域/湖庫的水質預報預警常規化模擬、決策支持智能化分析、數據信息查詢與共享等功能。以一張圖為中心，運用空間信息技術集中展現水環境質量預報預警在環境監管業務、治理決策支撐和突發污染事故模擬的成果，實現水環境質量預報預警的精細化、智能化和可視化。