基于EFDC模型的乌东德水库水质模拟推演系统

杨 坤 ，徐火清 ，樊寒冰 ，杨少荣 ，严忠銮

（1. 长江空间信息技术工程有限公司（武汉），湖北 武汉 430010；2. 湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心，湖北 武汉 430010；3. 中国三峡建设管理有限公司环境保护部，四川 成都 610041）

0 引言

乌东德水电站位于金沙江河道上，是金沙江水电基地下游河段4个水电梯级的第1梯级。乌东德水库初设蓄水位975m，总库容 74.08 亿 m3，调节库容 26.00 亿 m3，防洪库容 24.40 亿 m3。乌东德水库中的污染物主要来源于上游、支流来水及区间点源和非点源污染物排放。为实现对乌东德水库蓄水后水质演变过程的定量预测，针对乌东德水库干流和局部区域（点源集中排放区、水质变化敏感区）分别建立全域一维和局部二维水动力-水质模型，研发乌东德水库水质模拟推演系统（以下简称模拟推演系统），结合预先建立的水动力-水质模型，模拟丰水、平水、枯水期乌东德水库水质时空变化规律。

模拟推演系统水质建模采用 EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）模型，EFDC 模型由于具有功能强大、源代码开放等特点，近年来在水质模型集成研究中受到广泛关注，已在国内外开展了大量探索。贾鹏等[1]研究了 EFDC 模型在水环境管理信息系统中的集成开发，指出 EFDC 模型集成到水环境管理信息系统的关键在于构建适合信息系统流通的数据流；刘晓等[2]开展了 EFDC 模型集成研究，实现了三峡库区干流及主要支流化学需氧量、总磷、总氮等污染因子的长时间序列水动力水质预测联机在线运算；刘蒙泰等[3]将 EFDC 模型与 GIS耦合，模拟二维洪水演进过程；刘荣华等[4]构建了基于云计算的水动力学模拟服务平台。

但是 EFDC 模型与水质模拟信息系统集成仍存在以下诸多瓶颈：1）EFDC 核心计算程序采用Fortran 语言编写，输出计算成果是二进制文件，信息系统与 EFDC 模型耦合困难；2）EFDC 模型参数多，设置复杂，参数调试、率定的过程不易被管理者掌握；3）EFDC 计算结果是非结构化数据，为了满足可视化表达的需要，需要对计算结果进行解析及合理组织。这些问题的解决对于 EFDC 模型与乌东德水质模拟推演系统的集成十分关键。

1 模拟推演系统研发的技术思路

为实现乌东德水库的水质推演，需要先实例化金沙江下游河道水动力-水质模型，由于不同河流有特定的河流网格及边界条件，水质模型往往需要针对特定区域建模、率定、验证后才能满足水质模拟推演的要求。水质模型建立后，对模型输入参数进行简化，简化为初始参数及边界条件，并编写模型接口服务，实现模型输入参数的修改及保存。模拟推演系统水质模拟核心计算功能由 EFDC 提供，通过 Java 编程语言编制 EFDC 模型和推演系统之间的接口，将水质模拟推演核心计算模型和信息系统串连起来，通过后台接口提取 EFDC 模型计算结果并存入模型数据库，通过半紧密的方式完成模拟推演系统与 EFDC 模型的集成，实现乌东德水库水质模型的联机在线运算。

1.1 水质建模的技术路线

水质建模的总体技术路线如下：根据乌东德水电站的水文水质监测及污染源调查资料，计算入江（库）污染总量，针对干流江段和局部区域分别建立一维和平面二维水动力-水质模型，通过经验公式、机理实验等手段率定模型参数，最后利用实测水文水质数据对模型进行验证。水质建模的技术路线如图1所示。

图1 水质建模技术路线

一维水质模型从三堆子水文站起到乌东德坝址止，建模范围如图2所示，覆盖了整个乌东德库区192.3 km 的河段，共划分821个计算单元格。一维模型的边界，主要考虑上边界、下边界、主要支流的汇入。上游入流、旁侧支流采用流量或水质边界条件，给定各监测断面的2017年逐日流量、污染物浓度过程；下游出流采用流量或水位边界条件，给定2017年逐日出库流量或坝前水位过程。利用乌东德水电站2017年 1—6 月的逐月水质实测资料开展水质模型率定，利用校验后的水质模型可对乌东德水库蓄水后典型年内不同水期的水质变化过程进行定量预测。

图2 一维水质模型建模范围

二维水质模型覆盖马店河排污口到钒钛工业园之间 8.2 km 的江段，建模范围如图3所示，共划分2532 个计算单元格。二维水量水质模型主要考虑上、下游边界，上游入流采用流量、水质边界条件，下游出流采用流量边界条件。

图3 二维水质模型建模范围

1.2 EFDC 模型的集成

按照模型封装、接口服务及系统集成的步骤实现模拟推演系统中对 EFDC 模型的集成，模型集成的总体技术路线如图4所示。

1.2.1 模型封装

模型封装实现对 EFDC 输入、输出及主控制等文件的封装，实现模型初始化参数及边界条件的可控。输入文件包括：qser.inp（流量时间序列文件），pser.inp（水位时间序列文件），dser.inp（水质浓度序列文件）；输出文件包括水质及水量计算结果；主控文件为 efdc.inp，包括运行、输出控制参数和模型物理信息的描述等，是 EFDC 的主要控制文件。主控文件大部分参数通过水质模型率定、验证确定，模拟推演系统仅对模拟步长、时段等参数进行封装。

图4 模型集成技术路线

1.2.2 模型接口服务

为实现模型封装文件对外提供计算，需对相应的模型调用功能提供接口服务，针对金沙江下游流域水质模拟推演的应用需求，模型接口服务包括模型选择及边界条件设置、计算启动、计算结果解析及入库、计算结果图表及地图展示等4类服务。

1.2.3 系统集成

通过对 EFDC 模型的集成，实现在模拟推演系统中对模型输入参数的前处理，并调用模型接口服务向模型传递输入参数，启动计算并提取计算结果存入模型数据库。集成后，模型数据库成为模拟推演系统的核心数据库，通过水质模型与算例（不同的输入边界条件形成算例库）之间的关联，实现基于 GIS 的水质模型算例可视化表达。

集成后的模拟推演系统提供水质模型算例管理，水质模拟推演成果的图表及地图展示，水质模拟成果播放查看等功能，用户可以查看模拟时段任意时间点的乌东德水库沿程水质状况，还可以通过点击地图查询建模区域任意点的水质信息，全方位辅助用户了解模拟区域的水质状况。

1.2.4 关键技术

1.2.4.1 模型集成中的参数简化

EFDC 水质模型参数多，设置复杂，为降低参数设置门槛，提高参数设置效率，模拟推演系统对模型集成中的参数进行了简化，将模型参数分为初始及边界2个条件。初始条件包括模拟起止时间，初始水深，以及化学需氧量、总磷、总氮初始浓度等；边界条件包括入节点的流量-时间及水质-时间序列，出节点的流量-时间及水位-时间序列。

1.2.4.2 模型集成中的接口服务技术

EFDC 核心计算程序采用 Fortran 语言编写，输出计算成果是二进制文件，紧密型的集成方式开发周期长，技术难度大，开发成本过高。本项目采用半紧密式集成方式，此种集成方式仅对模型的输入输出进行集成，保留 EFDC 的核心计算模块不变，通过 Java 编程语言编制模型和模拟推演系统之间的接口和统一的用户界面，将核心模型和信息系统串连起来，此种集成方式保障了原有专业模型的正确性和可靠性，且可降低开发难度。

1.2.4.3 模拟推演结果的提取及存储

EFDC 默认的输出计算成果是二进制文件，通过 EFDC 官方提供的插件将二进制文件转换成易于解析的文本文件。考虑到二维模型的格网单元数比较多，采用完全结构化的存储方式，即存储每个单元格的行列号、算例编号、模拟值，当算例较多会导致查询效率降低。为此，将模拟时段某时刻所有单元格的计算结果存储为1条记录，模拟数据的解析和渲染由前端完成，可降低服务器端的压力，提高系统查询响应的效率。

1.2.4.4 模拟推演成果的地图展示

乌东德水库水质模拟推演的成果展示采用Maptalks 地图引擎，Maptalks 是一个 HTML5 的二三维一体化地图引擎。模拟推演系统通过后台接口获取模拟时段某时刻沿程水质模拟参数（化学需氧量、总氮、总磷）及极值，根据极值范围对水库沿程任意点的水质值进行分级设色显示。

2 模拟推演系统实现的功能

模拟推演系统提供水质算例方案管理功能，用户可以选择系统预置水质模型，通过设置初始化条件及模型边界节点的输入参数，实现不同的算例创建。模拟推演系统可实现平水、丰水及枯水期水库沿程化学需氧量、总磷、总氮浓度变化的预测，提供水质模拟计算结果的图表及地图展示，并提供模拟结果与实测结果的对比展示。

对乌东德水库全域蓄水后的水质进行模拟推演，其中金江水厂取水口和钒钛工业园2个断面模拟结果与实测结果的对比展示如图5所示。图中蓝色的点代表实测值，桔色的线代表水质模拟值，从图中可以看出除了极少数点位之外，率定期内乌东德水库的水质模拟值与实测值较吻合，证明水质模拟精度整体较高，率定的参数基本合理。

图5 乌东德水库一维水质模拟推演系统主界面（模拟值与实测值对比）

乌东德水库一维水质模拟推演系统模型初始化条件及边界节点设置如图6所示，用户可以设置模拟时段初始条件及边界节点的水动力、水质参数。

图6 乌东德水库一维水质模拟推演系统主界面（边界条件设置）

乌东德水库蓄水后总氮模拟推演成果图表及地图展示如图7所示，图7a 模拟结果地图展示通过河道格网颜色的深浅代表总氮值的高低，地图颜色越深代表浓度值越高，用户可以通过点击地图查询任意格网的总氮模拟值。图7b 模拟结果图横轴的距离代表距上游节点三堆子水文站的里程，通过折线图用户可以直观看出水库沿程总氮值的变化。

图7 乌东德水库蓄水后总氮模拟成果地图及图表展示

3 结语

乌东德水库水质模拟推演系统预制了全域蓄水前后一维、马店河排污口江段二维水质模型，可实现乌东德水库蓄水前后不同来水条件下化学需氧量、总磷、总氮等水质参数的定量预测。目前模拟推演系统已经完成开发，在业主单位部署并进行试运行，实现了水质模型的联机在线运算，实现了专业模型软件的业务化运行。针对 EFDC 模型与信息系统集成中存在的技术瓶颈，本研究提供的解决方案，可为后续业务系统的开发提供技术参考。