基于水動力水質模型的梁灘河水環境監管系統設計與實現

王磊 陳石磊 張恒飛 劉康 歐陽磊

摘要：

梁灘河地處三峽庫區核心地段，近年來在工業、生活點源污染以及農村面源污染作用下，水質顯著惡化，對當地生態環境以及經濟社會可持續發展造成了潛在威脅。為此，充分利用物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，基于開源水動力水質模型TELEMAC-MASCARET，研發梁灘河水環境監督管理系統。系統綜合考慮水質監管需求，可實現水質水量實時監測、污染物沿程推演分析以及異常預警。系統可為水環境監督管理與綜合治理提供支撐。

關鍵詞：

水環境綜合治理； 水環境監督管理系統； TELEMAC-MASCARET； 物聯網； 梁灘河； 三峽庫區

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［1］。近年來，受農村面源污染、工業和生活污水排放以及嘉陵江回水頂托影響，梁灘河水質日漸惡化，總體呈劣Ⅴ類，對上游三峽庫區水環境產生了一定影響［2］。鑒于梁灘河重要地理位置，國家以及當地環保局對梁灘河水質惡化問題高度重視［3］。

為實現梁灘河水環境污染問題識別、分析與管控，王曉鋒［4］根據梁灘河氮、磷營養鹽物質時空分布特征以及輸出情況，對水質進行了分析評價，為梁灘河綜合整治以及庫區水環境維持提供科學依據；李謝玲［5］基于一維水質模型，實現了梁灘河水環境納污能力與禽畜養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水質模型計算結果，根據重慶市合流功能區劃標準，制定了梁灘河污染現狀削減與優化布局設計方案；冉濤［7］基于污染物通量核算模型與均衡因子，對水質濃度超標情況進行核算，為梁灘河流域水污染問題聯防聯治、公平治污提供了生態補償措施。

上述研究基于梁灘河歷史監測采樣數據，實現了污染物時空分布特征與風險分析、水環境容量模擬計算以及水質改善方案的科學制定。但由于水環境總是處于不斷變化的時空之中，僅基于歷史采樣數據分析模擬，輔助決策治理可能實時性欠佳［8］。此外，大多數學者在進行一維水質模擬時常采用MIKE［9］、Delft3D［10］等商業軟件，存在二次開發與系統集成困難、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模型，充分利用物聯網、大數據、云計算等新一代信息化技術，構建梁灘河水環境監督管理系統，為實現梁灘河水量水質實時監測、動態模擬、精準管控提供使能支撐。

1 研究區域概況

梁灘河是嘉陵江下游右岸的一級支流，發源于重慶市九龍坡區走馬鎮石橋村，流經九龍坡、沙坪壩、北碚3區18個鎮（街道），于北碚區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%，屬典型山區河流。流域內土壤豐沃，氣候終年溫暖，年降雨量約為1 000 mm，雨量充沛，年內分配不均，集中分布于夏季。適宜的氣候與肥沃的土壤為當地農業生產創造了得天獨厚的條件，流域內的歇馬鎮為北碚區“四大糧倉”之一［12］。

梁灘河地處三峽庫區核心地段［13］，是嘉陵江在重慶境內最重要的一級支流，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，受社會經濟與工業發展影響，梁灘河境內人口密集，小型作坊加工企業密布。在生活污染、工業廢水污染、畜禽養殖污染與農業面源污染的綜合作用下，梁灘河水質長期處于劣Ⅴ類狀態，現已成為重慶市污染情況最復雜、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水質構成了一定威脅［14］。

2 梁灘河水動力水質模型構建

2.1 建模方法

TELEMAC是法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學與水文學高性能仿真開源軟件，可有效解決波浪傳播、水質污染、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、系統集成與在線計算。本文基于TELEMAC的一維水動力水質模塊MASCARET，完成梁灘河水動力水質模型構建，為水質預演分析預警平臺構建提供使能支撐。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。水質模塊目前已完成TRANSPORT_PUR，O 2，BIOMASS，EUTRO，MICROPOL，THERMIC共6種水質模型集成。綜合考慮模擬精度以及實際水質監管需要，本文采用O 2模型進行水質模擬，并基于目前商業軟件廣泛應用的有限體積法進行對流過程求解。

2.2 河道基礎數據收集整編

梁灘河橫貫重慶九龍坡、沙坪壩、北碚三大主城區，根據《梁灘河一河一策》入河排污口統計調查情況，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，占全市排污口總數的78.92%，見表1?；诹簽┖友鼐€排污口分布情況以及水量水質自動化在線監測設備布設情況，本次梁灘河一維水動力水質模型建模范圍為從白市驛鎮下游水質水量監測站點至沙坪壩與北碚區界（市環保已建的西溪橋市控水質監測站點）約49.16 km主干河道。

水動力水質模型基礎數據的可靠性與代表性是模擬準確計算的重要保障，因此在模型構建時，應根據實地踏勘以及前期調研獲取的梁灘河沿線重點場鎮、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濟成本進行布設。基于此，于梁灘河白市驛鎮至沙坪壩與北碚區界布設河道測量斷面65個，斷面空間分布情況如圖2所示。

2.3 邊界條件設置

水動力水質模型的上邊界設置為白市驛鎮，水動力采用流量-時間邊界，水質采用污染物濃度-時間邊界；下邊界設置為沙坪壩與北碚區區界，水動力采用水位-時間邊界［16］，水質采用污染物濃度-時間邊界；內邊界設置為龍鳳河、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，模型邊界條件設置情況如圖3所示。

2.4 模擬參數設置

模擬參數主要包含時空步長參數設置以及水質水動力參數。其中，時空步長參數設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，空間步長設置為200 m，運算時間設置為4 h（14 400 s），結果展示時間步長設置為5 min（300 s）。

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

2.5 模擬情景設置

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

（1） 對于局部河段瞬時污染，主要分析受突發事故影響，梁灘河局部河段水質不達標，上下游以及邊界入流水質情況良好，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良好情況下，受龍鳳河不達標水流持續注入影響，主干河道水質變化過程模擬結果如圖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，在模擬結束時，共有30.15 km河段氨氮濃度低于Ⅲ類水標準。總體而言，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，上述兩情景模擬結果符合理論預期，模型具有一定的可靠性，可支撐水環境日常監管情景模擬需求。待后期獲取更加豐富的豐水期、枯水期水量水質監測數據后，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 梁灘河水環境監督管理系統實現與部署

3.1 系統架構搭建與部署

梁灘河水環境監督管理系統由感知層、通訊層、數據層、應用支撐平臺、應用層、用戶層、安全保障體體系和標準規范體系共同組成。系統架構如圖6所示。

系統在集成重慶水利信息系統整合項目數據基礎上，沿河加密布設無人機、無人船、視頻監控以及水情水質監測設備，形成了“天、空、地”一體化智能感知網絡體系?；诖髷祿?、云計算等新一代信息化技術，租賃重慶電子政務云平臺保障系統正常通訊，提升系統算力。響應水利部數字孿生號召，基于三維GIS技術構建梁灘河數字化監控一張圖，顯著提升系統使用交互性與體驗感。構建梁灘河水動力水質模型，基于模型實時在線計算結果，科學預測污染物到達沿河各重點場鎮時間，及時觸發預警，并對各種方案水質改善效果進行預演，輔助水污染治理預案的合理制定，進而實現梁灘河水環境“四預一體化”（預報、預警、預演、預案）監管。

3.2 模型與軟件的系統集成

水動力水質模型可為梁灘河延程水質推演分析與預警提供算力支撐，因此在系統構建時應高度重視模型的系統集成。TELEMAC-MASCARET與系統軟件的集成內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范格式寫入到相應輸入文件，主要數據包括：河流拓撲數據、河流斷面數據、邊界條件數據。在模型計算過程中，用戶通過輸入時間步長、模型參數等計算條件，后臺執行命令行，調用模型可執行程序。計算完成后形成計算方案結果文件。后臺程序讀取模型計算輸出文件，并將結果以http方式返回給用戶。

3.3 系統功能實現

梁灘河監測推演預警系統由web端、一張圖、移動端等組成。系統以梁灘河水動力水質模型為支撐，共包含綜合展示與動態預警、水面異常監管、精細化水質監管以及水環境污染應急管理4個功能模塊。綜合展示根據前端水質自動化監測設備監測的水質參數，參照重慶市河流水質等級標準，對各斷面水質等級進行判斷，并對各類型報警斷面進行統計；水面異常報警基于河面視頻監控AI識別異常信息，進行異常報警，并對事件類型、發生地址、時間進行建檔管理與異常分析統計；水體異常監管基于無人機搭載多光譜分析儀分析結果，對當前梁灘河富營養化、濁度情況進行分析統計；水污染突發事件管理提供歷史水污染事件處理信息維護管理服務，業務管理人員可對歷史水污染突發事件發生時間、地址等信息進行錄入。精細化水質監管基于梁灘河水動力水質模型，結合梁灘河沿線自動化流量、水質監測設備監測值，合理設置模型內外邊界條件，對未來梁灘河溶解氧、有機負荷以及氨氮等水質監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變化情況，系統提供三維飛行漫游功能，可根據用戶選擇的方案以及污染物類型，對梁灘河水質時空演變過程進行動態展示。龍鳳河突發污染推演預測分析結果如圖7所示。

梁灘河水環境監督管理系統于2021年4月進行開發，并對水質水量監測設備進行布設、調試與接入。2022年1月完成系統分析、設計、實施工作后，系統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、支流污染持續注入兩種模擬情景設置以及頁面優化調整。目前，系統基本滿足業務人員實際水環境監管需求。2022年4月，系統順利進入運維期，期間系統將根據實際情況進一步進行調整維護。

4 結 論

梁灘河水環境監督管理系統基于一維水動力水質模型TELEMAC－MASCARET以及物聯網、云計算、三維GIS等新一代信息技術研發，實現了河流水質實時監測報警、污染物沿程分析、水質推演預警，為水質不達標河段快速識別、偷排漏排企業高效鎖定以及應急預案的科學制定提供了支撐。系統的構建為流域的水環境監管、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