跨区域、跨部门的金泽水源水质水量监测与预警业务化平台

胡 波，朱慧峰,*，季海萍，朱宜平，陈蓓蓓，车 越

(1. 上海市供水调度监测中心，上海 200080；2. 太湖流域管理局水文局〈信息中心〉，上海 200434；3. 上海城投原水有限公司，上海 200125；4. 华东师范大学生态与环境科学学院，上海 200241)

1 研究背景

金泽水库位于上海市青浦区金泽镇西部、太浦河北岸，占地面积约为2.7 km2，总库容约为910万m3。2016年底，金泽水库原水工程正式投入运行，初期原水供应规模约为200万m3/d，远期达到351万m3/d，主要供应青浦、松江、金山、闵行、奉贤5个区，总服务人口约为670万。金泽水库取水口位于太浦河中段，距离太湖太浦河口约为50 km，受太湖出水及杭嘉湖平原河网水质影响，金泽取水氮、磷等营养盐及藻密度、叶绿素a等指标偏高。从水质类别看，金泽取水水质总体达到地表水Ⅲ类标准[1]，但部分指标如氨氮、溶解氧、铁等存在季节性超标，水质尚不稳定。受流域内纺织印染等工业排污影响，金泽来水存在锑超标等环境污染风险。受太浦河航运影响(船舶最大通行量>50艘/h)，流动风险源隐患明显。金泽水库通水后，藻类外源输入现象突出，来水叶绿素a总体在10～30 μg/L，经库区留滞后会有一定增加。此外，金泽水库建成之初，工况、水质等资料不足，水库生态系统也处于构建初始阶段。

在此背景下，为保障金泽水源地供水安全，2017年本项目团队联合申报国家“十三五”水专项课题“金泽水库水质调控与稳定关键技术研究与应用”并获批复立项。该课题研究聚焦4个方面：水源地水质特征研究与风险评估、水库生态调控水质净化与保障、水源取水安全调控、监测预警平台构建及业务化应用。本平台是课题研究的一项重要内容。

2 研究内容

在金泽水源地上下游跨区域、跨部门监测资源集成、分析的基础上，依托水动力学和生态动力学模型、河网水量水质和突发水污染事件调控模型、供水量预测和水质预测模型以及库区水生植物管控和鱼类调控技术分析，建设跨区域、跨部门的金泽水源水质水量监测与预警业务化平台。平台主要集成水质监测、风险分析、模型预测、联合调度、库区控防等业务分析模块以及在线数据监控、船舶AIS监控、视频监控识别等监控业务模块，也包含对重要场景、构筑物(如泵房)及设备工况等的三维可视化功能。

2.1 水质监测

水质监测模块包括监测资源和综合水质2项。

2.1.1 监测资源

集成金泽水源地上下游跨区域、跨部门监测资源，形成数据共享中心，监测范围覆盖太浦河太浦闸—金泽水库—松浦大桥沿线干流及主要支流，以及太湖、沪西南五区(供水量)等。在线监测点16个，监测指标共160余项，指标类型主要包括水位、流量、水温、pH、电导率、溶解氧、浑浊度、高锰酸盐指数、总氮、氨氮、总磷、叶绿素a、蓝绿藻、挥发酚、锑、总有机碳(TOC)、盐度、氧化还原点位(OPR)、总溶解性固体(TDS)、生物毒性以及水闸和泵房工况指标等；多数监测指标数据传输频率为分钟级，部分指标如总氮、总磷、氨氮、锑、TOC、生物毒性等可达到小时级。人工监测点27个，其中12个点主要监测从地表水标准[1]监测指标中筛选出的13项，监测频率约2次/周；其余15个点监测地表水109项[1]，除少数点外，常规29项监测频率1次/月，特定项监测频率1次/季度。水文水质指标均支持历史数据查询，在线水质指标支持实时预报警。

2.1.2 综合水质

根据太浦河沿程监测点最新监测数据(常规29项+锑)，采用综合污染指数法[2-3]计算综合污染指数(comprehensive pollution index, CPI)。根据CPI值划分水质清洁(0～0.3)、微清洁(0.3～0.5)、轻污染(0.5～0.8)、中污染(0.8～1.0)、重污染(>1.0)不同等级，并以不同颜色三维动态展示(图1)。金泽水库水质总体为微清洁，松浦大桥水质总体为轻污染。

图1 综合水质三维展示Fig.1 3D Visualization of Comprehensive Water Quality

2.2 风险分析

风险分析模块包括污染源、风险源、通量分析、浓度分布4个功能项。

2.2.1 污染源

集成太浦河两翼地区污染源调查数据，分类展示区域内主要点源(潜在点源)及污染物简要信息。点源(潜在点源)类型包括加油站、码头、污水处理厂、工业企业、涉锑企业、化学品仓库(石油类及其他)等约650个点项。

2.2.2 风险源

集成金泽水库船舶AIS在线数据，根据船舶距取水口的距离及种类划分三级预警并进行三维实时动态展示。油船或化学品船进入距取水口5～10 km显示Ⅲ级预警；油船或化学品船进入距取水口1～5 km显示Ⅱ级预警；船舶进入距取水口1 km显示Ⅰ级预警。

2.2.3 通量分析

基于监测数据，通过计算2018年以来太浦河太湖来水和主要支流总氮、总磷、氨氮、化学需氧量(COD)、石油类、锑等污染物通量，综合分析太浦河各来源污染物的贡献率，并结合出入河特征，进行三维动态展示。

2.2.4 浓度分布

集成太浦河两翼地区河网水系总氮、氨氮、COD、铁、锑等污染物调查结果(采样点数平均413个/次； 3次调查)，三维展示河网污染物浓度分布情况；采用插值法生成污染物浓度分布图，划分污染物高、低浓度分布区。

2.3 模型预测

模型预测模块包括水动力、溢油、化学品泄漏、锑浓度、藻类生态、供水量/水质6个功能项。

2.3.1 水动力模型

在水动力模拟三维动态展示界面(图2)，系统动态模拟预见期(最长72 h)内不同太浦闸调度方案(下泄流量)条件下太浦河太浦闸—金泽水库—松浦大桥沿线河网及金泽库区的水动力。可点击查询范围内任意点位当前流速、流向等。水动力模型与溢油、化学品泄漏、锑浓度及藻类生态等模型实现无缝耦合。

2.3.2 溢油模型

在溢油模拟展示界面(图3)，系统动态模拟预见期内溢油在水体中的扩散运动。根据输入参数，自动计算油类在每一时刻距离取水口的距离和到达取水口所需时间。可点击查询范围内任意点位油类扩散厚度、黏度等，并以曲线图的形式展现该位置从溢油开始，预见期内油污厚度和黏度的变化。可模拟柴油等26种常见油品的迁移扩散。

图3 溢油模型三维展示Fig.3 3D Visualization of Oil-Spill Model

2.3.3 化学品泄漏模型

在化学品泄漏模拟展示界面(图4)，系统动态模拟预见期内泄漏化学品在水体中的扩散运动。根据输入参数，自动计算化学品在每一时刻距离取水口的距离和到达取水口所需时间。可点击查询范围内任意点位化学品扩散浓度信息，并以曲线图的形式展现该位置从化学品扩散开始一定时间内的浓度变化。

图4 化学品泄漏模型三维展示Fig.4 3D Visualization of Chemical-Leakage Model

2.3.4 锑浓度模型

在锑浓度模拟展示界面(图5)，系统动态模拟预见期内河网锑浓度变化。可点击查询范围内任意位置锑浓度模拟值，查看实测点位锑浓度实测值与模拟值对比曲线图。

图5 锑浓度模型三维展示Fig.5 3D Visualization of Antimony Concentration Model

2.3.5 藻类生态动力学模型

基于库区水动力，系统动态模拟预见期(最长7 d)内金泽水库总氮、总磷、溶解氧、叶绿素a、蓝藻总数及藻类生物量的变化(图6)。可查看实测点位各指标实测值与模拟值对比曲线图(可查询30 d历史信息)。可点击查询库区任意位置水质及藻类指标模拟值。

图6 藻类生态动力学模型三维展示Fig.6 3D Visualization of Ecological Dynamics Model of Algae

2.3.6 供水量/水质预测模型

在界面中(图7)，可查看太浦闸、金泽取水、金泽输水等监测点水质(氨氮、高锰酸盐指数等)实测与模拟对比信息，预测明后两日水质指标值；可查看青浦、松江、金山、闵行、奉贤5个区供水量实测值与模拟值对比曲线图，预测从今日起3 d内的供水量值。

图7 供水量/水质预测模型三维展示Fig.7 3D Visualization of Water Supply/Water Quality Prediction Model

2.4 联合调度

联合调度模块包括溢油调度、化学品泄漏调度、锑污染调度、常规水质超标调度4个功能项。运用模型技术研究形成在不同水情、工况下太浦闸—金泽水库—松浦大桥联合调度归并方案集；通过在平台界面输入太湖水位、相应监测点污染物浓度、污染发生地(距离金泽取水口距离)、污染物量等必要参数，提供针对特定水情、工况的取水联合调度建议。

2.5 库区控防

库区控防模块包括库区(生态)调控、污染防控2个功能项。库区(生态)调控界面对金泽水库水生植物管控及鱼类调控技术主要成果及技术参数进行演示，包括三维效果、视频影像等。污染防控界面集成金泽水源地在线监测数据、突发水质污染应急方案及相关视频资料，可检索针对油类、化学品污染及水质异常的应急措施，并为应急提供实时数据支撑。

2.6 其他

2.6.1 三维可视化

平台对太浦河流域以及太浦闸、金泽水库、金泽输水区、松浦原水厂等重点区域进行三维可视化建设。包括对河流、陆地、水陆边界、道路、岸坡、绿化、建筑、构筑物、机泵及机泵开停实时信号等的可视化(图8)。

图8 太浦闸(a)、金泽水库(b)、金泽输水区(c)和松浦原水厂(d)的三维可视化Fig.8 3D Visualization of Taipu Gate (a), Jinze Reservoir (b), Jinze Water Conveyance Area (c) and Songpu Raw Water Plant (d)

2.6.2 业务化监控及预报警

针对日常监控操作简单、实用的需求，开发业务化监控界面，包括在线数据监控、船舶AIS监控、视频监控识别等功能项。在线数据监控界面集成了金泽水源实时数据监控与预报警功能；船舶AIS监控界面集成了金泽水源实时船舶AIS信息；视频监控识别界面集成金泽水文站、金泽取水口2套视频监控识别信息，可对河道水葫芦等漂浮型污染物进行智能识别。

3 关键技术

3.1 污染物迁移降解模拟技术

基于美国应用科学咨询有限公司(ASA)OilMap模型[4-5]，构建太浦河溢油模型，计算模拟泄漏油品在水体表面的运动轨迹；用溢油粒子表示，在风和水流作用下结合随机扰动分散进行平流输送；模拟考虑蒸发、扩散、进入水体、乳化及吸附到岸边等现象的油品迁移转化过程。基于ASA的ChemMap模型[6]，构建太浦河化学品泄漏模型，模拟考虑蒸发、溶解、吸附、沉降、降解等现象的化学品迁移转化过程。基于太湖流域河网水动力模型[7-9]，构建太浦河锑浓度模型，模拟水体中锑随空间、时间的迁移转化；水动力模块基于Saint-Venant方程，污染模块基于物质输移的对流扩散方程。通过本技术应用，可将模型预报作业时间缩短至3 h。

3.2 多源异构数据协同耦合技术

基于时序耦合分析和序列标注模型，开发流式数据预处理引擎，对实时数据进行流式预处理，实现对中断、越界、毛刺数据的识别及异常值替换；通过数据质量可视化分析，对数据中断及有效性状况进行监控分析。采用K最近邻插补法[10]和线性插补法[11]对重复、异常的供水量数据进行处理；采用局部离群点检测算法检测水质异常数据，利用线性插值法[11]进行替换。采用线性插值法(缺失少)或加权平均法[12](缺失较多)处理缺失水质数据。将非结构化的视频数据转为结构化数据，并进行统计、关联分析及存储，实现视频图像数据可回溯、可复用，并应用于污染物视频监控识别。通过本技术应用，可将平台数据可用率提升至90%以上，其中供水量/水质数据可用率达到98%以上，视频数据可用率达到96%以上。

3.3 金泽水库水生植物水质净化调控技术

沉水植物营建受水库底质(底泥)、真光层深度、水体流速、风浪、水生动物牧食等因素影响明显，可通过沉缸、潜床、生长季水位调节、围网、捕捞等方式避免其不利影响；沉水植物可采用种子、种苗或根茎进行种植。挺水植物营建通常在3月—5月清明节前后，阴雨天最适种植；可采用种子、种苗或根茎种植，生长初期降低水库运行水位以保证幼苗白天充分出露，接受充足光照；在无法降低水位或深水滨岸区，通过填土增加基底高程。基于水库水体光学特性，选择适宜时间和方式种植水生植物；通过植物对氮磷的吸收、赋存，降低水体氮磷含量；根据植物氮磷赋存特征，选择适宜时间进行收割，避免植物体内氮磷大量释放进水中。金泽水库目前已实施4万m2以上水生植物管理措施，提升了库区水生植物密度和生物量。

3.4 金泽水库鱼类群落水质净化调控技术

以鲢、鳙等典型滤食性鱼类作为主要控藻鱼种，滤食库内浮游植物和浮游动物，并控制凶猛鱼类，投放部分食有机碎屑的鱼类(如细鳞斜颌鲴等)，共同起到加速水体营养物循环、净化水质的作用。根据目前金泽水库渔产潜力、营养盐及藻类情况，至少需保留鲢鳙鱼10万kg，同时应多放养鲢，控制鲢鳙放养比例约为5∶1，放养规格约为300～500 g/尾。捕捞超过生长加速度最大值的鲢鳙鱼，降低营养库存。金泽水库鲢鳙鱼从2龄长到3龄，生长加速度最大，3龄后体重增长减缓，对藻类的滤食率也比3龄内的鱼类低，因此，金泽水库鲢鳙鱼3龄后可开始捕捞，此时鲢鱼类平均规格为体长36.8 cm，体重约为1 100 g；鳙鱼类平均规格为体长42.8 cm，体重约为

2 800 g。通过基于食物链的群落调控技术应用，金泽水库各营养级基本符合生态金字塔规律，库区指示性类群物种多样性水平(以Shannon多样性指数和Pielou’s均匀度计算)提升20%以上。

4 总结与展望

跨区域、跨部门的金泽水源水质水量监测与预警业务化平台作为国家“十三五”水专项课题的一项研究成果，达到了金泽水源地多源监测数据建库、三维展示、数据查询、共享和预报警的要求，实现了对金泽水源地水动力、溢油、化学品泄漏、锑浓度、藻类生态、供水量和常规水质的预测模拟；平台可根据水情、工情变化提供水源地取水联合调度建议，并提供多种类业务化监控功能。

后续将重点关注平台的业务化应用，在日常应用中进一步优化平台功能，使其能在保障金泽水源地供水安全的任务中更好地发挥作用；后续可扩大平台资源共享实践，可推广应用。