城市水體水質綜合評估體系框架研究

許子洋

（上海水務建設工程有限公司，上海 200120）

研究主要通過水系水體進行普查，收集相關資料，特別是湖體模型、河道斷面、進水點以及污染物排口的位置、污染量、監測情況資料統計；建立在線水質監測系統實時監測河面、河床及水體的水質情況，建設一個云基礎數據中心；構建河床及水質管養決策模型，及時發現水質異常及河床淤泥變化，對該水域及下游進行水質污染預報，研究河道河床、水體擴散、自凈規律等，達到掌握水體水質和污染物通量評價水系水質現狀，決策分析水體聯通調度措施的評估與預測；通過數據決策打造管理作業兩級應用平臺，為河道日常養護管理作業提供高效技術支持。

1 研究背景

目前，黑臭河道整治完成后，“河長制”巡查管理實施過程中主要依靠河長和人員有限的河道執法隊伍，僅僅依靠“腿跑、眼盯、手測”等手段，實現河道的污染源排查、保潔、管養、三清等工作常態化、制度化的監管是不現實的，因此， 結合信息技術建設提升現有“河長制”河道治理系統，為后續河道日常養護治理帶來積極作用[1-2]。

在線水質監測系統通過獲取、處理和分析河道水質指標參數的變化情況，能及時有效得出污染源狀況 （時間、地點、主要污染物、污染物源頭），對河道處理事故應急和預警提供了數據支持和評判依據。決策模型使用河流水力水質模型對生化需氧量、氨氮、總磷等入河污染物的擴散、傳輸路徑與濃度演變過程進行模擬，分析污染物排放對水體水質影響，結合河流水質規劃目標進行水體環境容量計算，研究優化沿河污染負荷排放控制策略，評估水體整治措施實施效果，完善河流運行調度控制方案。管養平臺通過全覆蓋、無間斷、實時傳輸、數據預處理、數據分析統計，預測評估，實現對水體信息的有效監測、數據共享和評估分析[3-4]。

2 研究主要內容

2.1 在線水質監測系統

2.1.1 在線水質監測系統

通過在線水質監測設備 （自主巡航機器人、岸邊站等）對河道水質物理、化學等參數進行實時監測。

核心思路：數據采集—數據傳輸—數據存儲。

數據采集：通過在線監測設備對河道水質物理、化學等參數進行實時監測，為河道流域水體狀況提供基礎數據。

數據傳輸：通過無線傳輸終端，經GPRS等傳輸方式將數據傳輸至數據云平臺。

數據存儲：監測云平臺對收集的水質數據進行存儲；

2.1.2 在線水質監測設備

（1） 自動巡航潛艇，最新自主巡航機器人，具有自主駕駛、自主巡航、實時數據傳輸等功能，可以自主巡航 （無人駕駛+無船舶輔助）、高精聲學水下探測 （自動避障+防擱淺）、高清視頻 （監測取證+安全防盜）、全天候工作、自主充電管理、實時數據采集。

①確定河湖水質變差污染源頭位置；②對湖區入水出水河道淤積情況形成標高圖；③在完成湖區水下地形掃描的基礎上，評估計算滴水湖蓄水能力；④對周邊河道斷面的掃描評估湖區入水出水利模型；⑤在完成湖區全域水質普查的基礎上，形成水質污染 （氨氮、溶解、透明度等） 分布等高圖。

表1 AGS設備及用途

（2） 小型集成式岸邊水質自動監測站是一套以各類在線式水質傳感器為核心，運用現代傳感器技術、自動控制技術、無線通信網絡構成的水質在線自動監測體系。主要有取水單元、預處理及配水單元、監測單元、輔助單元、控制單元、通訊單元等。

2.1.3 在線監測河道信息及主要水質指標

（1） 河床三維圖。河道掃描、河道底部安全排查 （大型沉底垃圾、河底危險物）、河道清淤服務 （清淤量、方位標定）、河道詳細信息 （河床尺寸、年清淤量） 等。

（2） 主要監測物理指標。溫度、濁度 （NTU）、色度、透明度、溶解氧 （DO）、電導率、總固體 （TS）、懸浮固體（SS） 等。

（3） 主要化學指標。pH值、化學需氧量 （COD）、氨氮、亞硝酸鹽氮 （NO2-N） 總氮 （TN）、總磷 （TP） 等。

（4） 河道監控畫面 （視頻、圖片）。全河道巡警、全河道異常巡警等。

2.2 水質管養決策模型

建立河面、河床及水質管養決策模型，通過在線監測系統中的河面污染物、河床淤泥、水體水質情況，對該水域或下游水域的水體污染 （河面污染物、河床淤泥、水體水質） 進行預測，提前獲取未來污染發展情況，分析得出遏制發展有效措施。應急狀態下如何采取搶險措施并且預測河道污染險情發展趨勢。

通過研究河道河床、水體擴散、自凈規律等，達到掌握水體水質和污染物通量，有效對水系水質現狀評價，為水體聯通調度措施的評估與預測做出有效決策分析。

2.2.1 水系水質現狀評價及修復效果預測

根據河流的水文資料、斷面形態及AGS自動巡航潛艇高精聲學水下探測 （自動避障+防擱淺） 與高清視頻 （監測取證+安全防盜） 取得的河面及河床數據等基礎資料，結合污染源監測數據建立河流水系的水力水質狀況模型。根據《上海市內陸河流及水系水質常規評價技術規程》要求對研究水體的水質現狀予以分類評估?；谖廴驹磁欧努F狀通過模型模擬未來水體中COD/BOD、氮、磷等主要污染物的濃度演變發展趨勢以及生態狀況，預測水體水質前景及其影響因素和薄弱環節，評估修復措施對水體水質修復的作用效果，為制定河流等水體水質養護目標提供參考依據。

2.2.2 水體環境容量計算與總量控制

對于水質指標優于規劃水質目標的水體開展總氮、總磷、生化需氧量等污染物的納污能力與容量計算，根據水體污染物承載能力評價現有入河污染物的控制狀況，優化主要污染源的排放總量及排放濃度控制水平，重大水體水質污染歷史事件的回溯模擬分析，為水質監測系統報警閾值設定提供技術依據。

2.2.3 水體聯通調度措施的評估與預測

進行多水體聯合運行模擬，分析水力調度措施對于河流水質和水量的整體影響。結合泵站、閘閥等水利設施的運行情況，分析評估不同徑流條件下河網的水力水質的響應與凈化能力，提高河網運行調度策略的合理性與科學性。

2.3 管養作業兩級平臺

核心思路。預處理—數據分析—數據展示；預測評估—管養作業—數據反饋。

數據預處理。對在線監測系統存儲數據進行預處理，列出實時水質指標并判別得出有效數據。

數據分析。分析預處理后有效數據，匯總制圖，直觀表現水質指標變化情況，分析指標是否在安全范圍，是否是有效數據等。

數據展示。通過Web、PC、APP、微信公眾號等移動端向管理人員發布河道水質信息。

預測評估。決策模型分析預測評估管養作業。

管養作業。通過現場管養作業對 （河面、河床） 污染物、水質治理。

數據反饋。監測作業后效果，反饋至決策平臺。

管養作業管理平臺主要是通過互聯網傳輸、數據分析系統對河道上下信息 （河面、河床）、水體水質進行數據收集、存儲、 分析、 評估、展示；將GIS、BIM技術和養護信息相結合，對養護數據進行統計、分析及養護決策，支持數據傳輸與同步技術。

實現河道養護數據庫、養護數據、手持系統和現有地理信息系統、BIM模型的交互，實現多比例尺地圖、BIM模型的自動切換、拼接和分割。通過GIS+BIM中的空間和屬性數據，直接在GIS+BIM中上查詢養護數據，實現空間數據和關系數據的連接。GIS+BIM可接受系統提供的數據，并按照要求將這些數據表現在GIS+BIM上，利用動態分段技術對河道進行動態劃分，將查詢和統計結果直接表現。系統依托養護數據庫、GIS和BIM，記錄各種數據。系統可以對數據進行統計分析。系統將記錄歷年養護的經驗數據形成養護統計表。管理人員可以方便查詢和研究歷史養護資料，為決策提供信息支撐。

數據的傳輸與同步是一個在多個地方維護特定數據集的過程，它包括把改變的數據從一個地方傳輸到另一個地方和保存兩地數據的同步。通過安全、高效、完整的數據傳輸與同步技術使各個分支節點的數據能及時地傳輸到中心節點，實現了全線數據資源的及時更新和共享，使管理人員能夠實時、準確地了解全線的管養信息。

3 結語

目前，我國多地已開始建設河道水質在線監測系統，但城市水體綜合評估體系仍處于摸索研究階段，且大部分是對水體進行視頻監控、水位監測、水質在線監測的研究建設，不能達到分析、決策、評估等管理手段。未來，我國的城市水體綜合評估體系將會逐步向規范化、制度化、智慧化發展，這也是為后續城市水體綜合治理提供了有效技術支持，在線監測系統結合互聯網GIS、BIM等手段實時直觀體現城市水體現狀信息，決策模型分析數據提出長期處理方案、評估預測發展趨勢。因此建設研究一套水體綜合評估體系為管理者制定科學合理的管養方案、建立長期有效的管養框架是未來城市水資源信息化管理的一種必然趨勢[5-6]。