基于水动力水质模型的梁滩河水环境监管系统设计与实现

王磊 陈石磊 张恒飞 刘康 欧阳磊

摘要：

梁滩河地处三峡库区核心地段，近年来在工业、生活点源污染以及农村面源污染作用下，水质显著恶化，对当地生态环境以及经济社会可持续发展造成了潜在威胁。为此，充分利用物联网、云计算、大数据等新一代信息技术，基于开源水动力水质模型TELEMAC-MASCARET，研发梁滩河水环境监督管理系统。系统综合考虑水质监管需求，可实现水质水量实时监测、污染物沿程推演分析以及异常预警。系统可为水环境监督管理与综合治理提供支撑。

关键词：

水环境综合治理； 水环境监督管理系统； TELEMAC-MASCARET； 物联网； 梁滩河； 三峡库区

中图法分类号：X832

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.021

文章编号：1006-0081（2023）05-0128-06

0 引 言

梁滩河地处三峡库区上游，为嘉陵江一级支流，横贯重庆九龙坡、沙坪坝、北碚三大主城区［1］。近年来，受农村面源污染、工业和生活污水排放以及嘉陵江回水顶托影响，梁滩河水质日渐恶化，总体呈劣Ⅴ类，对上游三峡库区水环境产生了一定影响［2］。鉴于梁滩河重要地理位置，国家以及当地环保局对梁滩河水质恶化问题高度重视［3］。

为实现梁滩河水环境污染问题识别、分析与管控，王晓锋［4］根据梁滩河氮、磷营养盐物质时空分布特征以及输出情况，对水质进行了分析评价，为梁滩河综合整治以及库区水环境维持提供科学依据；李谢玲［5］基于一维水质模型，实现了梁滩河水环境纳污能力与禽畜养殖容量的定量分析计算；雷振宇［6］基于中科院一维对流反应水质模型计算结果，根据重庆市合流功能区划标准，制定了梁滩河污染现状削减与优化布局设计方案；冉涛［7］基于污染物通量核算模型与均衡因子，对水质浓度超标情况进行核算，为梁滩河流域水污染问题联防联治、公平治污提供了生态补偿措施。

上述研究基于梁滩河历史监测采样数据，实现了污染物时空分布特征与风险分析、水环境容量模拟计算以及水质改善方案的科学制定。但由于水环境总是处于不断变化的时空之中，仅基于历史采样数据分析模拟，辅助决策治理可能实时性欠佳［8］。此外，大多数学者在进行一维水质模拟时常采用MIKE［9］、Delft3D［10］等商业软件，存在二次开发与系统集成困难、价格高昂等局限性［11］。

针对上述问题，本研究基于开源软件TELEMAC-MASCARET建立一维水动力水质模型，充分利用物联网、大数据、云计算等新一代信息化技术，构建梁滩河水环境监督管理系统，为实现梁滩河水量水质实时监测、动态模拟、精准管控提供使能支撑。

1 研究区域概况

梁滩河是嘉陵江下游右岸的一级支流，发源于重庆市九龙坡区走马镇石桥村，流经九龙坡、沙坪坝、北碚3区18个镇（街道），于北碚区北温泉街道毛背沱汇入嘉陵江。梁滩河主要支流包含龙凤河、青木溪、西溪河、苏家桥河，龙凤河为其最大支流。梁滩河流域面积510 km2，主干河流长88.7 km，其中九龙坡、沙坪坝、北碚区段河流长度分别为21.4，48.8，18.5 km。梁滩河地处浅丘地带，河流平均海拔300 m，总落差224 km，平均坡降2.60%，属典型山区河流。流域内土壤丰沃，气候终年温暖，年降雨量约为1 000 mm，雨量充沛，年内分配不均，集中分布于夏季。适宜的气候与肥沃的土壤为当地农业生产创造了得天独厚的条件，流域内的歇马镇为北碚区“四大粮仓”之一［12］。

梁滩河地处三峡库区核心地段［13］，是嘉陵江在重庆境内最重要的一级支流，为重庆主要饮用水源之一，见图1。20世纪90年代初期以前，梁滩河河水清澈，鱼虾成群。近年来，受社会经济与工业发展影响，梁滩河境内人口密集，小型作坊加工企业密布。在生活污染、工业废水污染、畜禽养殖污染与农业面源污染的综合作用下，梁滩河水质长期处于劣Ⅴ类状态，现已成为重庆市污染情况最复杂、治理难度最大的次级河流之一，并对其干流嘉陵江与上游三峡库区水质构成了一定威胁［14］。

2 梁滩河水动力水质模型构建

2.1 建模方法

TELEMAC是法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学与水文学高性能仿真开源软件，可有效解决波浪传播、水质污染、地表水文以及泥沙迁移等问题［15］。模型引擎强大、计算模块丰富、代码开源且支持二次开发、系统集成与在线计算。本文基于TELEMAC的一维水动力水质模块MASCARET，完成梁滩河水动力水质模型构建，为水质预演分析预警平台构建提供使能支撐。MASCARET一维水动力模块基于圣维南方程求解河道沿程水位、流量随时间变化情况。水质模块目前已完成TRANSPORT_PUR，O 2，BIOMASS，EUTRO，MICROPOL，THERMIC共6种水质模型集成。综合考虑模拟精度以及实际水质监管需要，本文采用O 2模型进行水质模拟，并基于目前商业软件广泛应用的有限体积法进行对流过程求解。

2.2 河道基础数据收集整编

梁滩河横贯重庆九龙坡、沙坪坝、北碚三大主城区，根据《梁滩河一河一策》入河排污口统计调查情况，主要干支流共有147个排污口，其中116个入河排污口位于沙坪坝区，占全市排污口总数的78.92%，见表1。基于梁滩河沿线排污口分布情况以及水量水质自动化在线监测设备布设情况，本次梁滩河一维水动力水质模型建模范围为从白市驿镇下游水质水量监测站点至沙坪坝与北碚区界（市环保已建的西溪桥市控水质监测站点）约49.16 km主干河道。

水动力水质模型基础数据的可靠性与代表性是模拟准确计算的重要保障，因此在模型构建时，应根据实地踏勘以及前期调研获取的梁滩河沿线重点场镇、重点排污口以及河道形状变化情况，综合考虑模拟准确性与断面测量经济成本进行布设。基于此，于梁滩河白市驿镇至沙坪坝与北碚区界布设河道测量断面65个，断面空间分布情况如图2所示。

2.3 边界条件设置

水动力水质模型的上边界设置为白市驿镇，水动力采用流量-时间边界，水质采用污染物浓度-时间边界；下边界设置为沙坪坝与北碚区区界，水动力采用水位-时间边界［16］，水质采用污染物浓度-时间边界；内边界设置为龙凤河、青木溪、苏家桥、桥东河、西溪河5条主要支流汇入处，所采用的边界类型与上边界一致，模型边界条件设置情况如图3所示。

2.4 模拟参数设置

模拟参数主要包含时空步长参数设置以及水质水动力参数。其中，时空步长参数设置需综合考虑计算精度、运算时间限制、模型收敛性以及展示效果要求。通常情况下，时间步长越小、模拟计算精度越高，但运算耗时越长。此外，由于TELEMAC-MASCARET采用显式法进行求解，时空步长将会受到Courant-Friedrichs-Levy（CFL）條件限制。鉴于上述因素，模型模拟时间步长为1 s，空间步长设置为200 m，运算时间设置为4 h（14 400 s），结果展示时间步长设置为5 min（300 s）。

水动力水质参数可分为水动力参数和水质参数。水动力参数主要为河道曼宁系数，与断面形状以及河道材质有关。参考梁滩河流域水动力模拟相关文献，将曼宁系数设置为0.033，并采用试错法根据模拟水位与实测水位差值对局部河段糙率进行调整［8］。水质参数主要包含对流扩散模型参数以及生化反应参数，其中扩散系数则根据梁滩河流域面积、河道长度以及相关文献，设置为10 m2/d，生化反应物理参数初步选用模型默认推荐值。

2.5 模拟情景设置

参照《梁滩河一河一策》统计成果，共设置局部河段瞬时污染以及龙凤河支流污染持续注入两种情景。

（1） 对于局部河段瞬时污染，主要分析受突发事故影响，梁滩河局部河段水质不达标，上下游以及边界入流水质情况良好，污染物（以氨氮为例）在水体中迁移扩散过程的模拟结果（图4）。在模拟初始阶段，距起点17.48 km处氨氮污染物浓度超过1.0 mg/L，超标河段长度共计3.17 km，峰值浓度为2.2 mg/L。随时间推移，在上游来水以及旁侧入流作用下，污染物逐渐从上游向下游推移，峰值浓度降低，影响范围逐渐变大，在模拟结束时，污染物浓度首次超标断面距起点44.12 km，峰值浓度1.11 mg/L，总体影响范围5.04 km。

（2） 对于龙凤河支流污染持续注入情景，主要分析在河流本底以及除龙凤河的其他支流水质良好情况下，受龙凤河不达标水流持续注入影响，主干河道水质变化过程模拟结果如图5所示。在模拟初始阶段，梁滩河本底氨氮浓度为0.8 mg/L，全河段氨氮浓度满足Ⅲ类水考核要求。受龙凤河污染物持续注入以及对流扩散运动影响，不达标河段长度逐渐上升，在模拟结束时，共有30.15 km河段氨氮浓度低于Ⅲ类水标准。总体而言，从上游至下游污染物浓度逐渐降低，且在青木溪、苏家桥、桥东河以及西溪河污染物浓度下降更为明显，主要是由于上述4条支流氨氮浓度为0.8 mg/L，水质情况较好，受稀释作用污染物浓度变低。

总体而言，上述两情景模拟结果符合理论预期，模型具有一定的可靠性，可支撑水环境日常监管情景模拟需求。待后期获取更加丰富的丰水期、枯水期水量水质监测数据后，将进一步对模型进行率定验证，以提高模拟精度与可靠性。

3 梁滩河水环境监督管理系统实现与部署

3.1 系统架构搭建与部署

梁滩河水环境监督管理系统由感知层、通讯层、数据层、应用支撑平台、应用层、用户层、安全保障体体系和标准规范体系共同组成。系统架构如图6所示。

系统在集成重庆水利信息系统整合项目数据基础上，沿河加密布设无人机、无人船、视频监控以及水情水质监测设备，形成了“天、空、地”一体化智能感知网络体系。基于大数据、云计算等新一代信息化技术，租赁重庆电子政务云平台保障系统正常通讯，提升系统算力。响应水利部数字孪生号召，基于三维GIS技术构建梁滩河数字化监控一张图，显著提升系统使用交互性与体验感。构建梁滩河水动力水质模型，基于模型实时在线计算结果，科学预测污染物到达沿河各重点场镇时间，及时触发预警，并对各种方案水质改善效果进行预演，辅助水污染治理预案的合理制定，进而实现梁滩河水环境“四预一体化”（预报、预警、预演、预案）监管。

3.2 模型与软件的系统集成

水动力水质模型可为梁滩河延程水质推演分析与预警提供算力支撑，因此在系统构建时应高度重视模型的系统集成。TELEMAC-MASCARET与系统软件的集成内容主要包括模型前处理、模型运行、模型后处理等。首先，在模型前处理阶段，将用户通过web图形化界面设置的模型输入条件及边界条件按照模型软件输入文件的规范格式写入到相应输入文件，主要数据包括：河流拓扑数据、河流断面数据、边界条件数据。在模型计算过程中，用户通过输入时间步长、模型参数等计算条件，后台执行命令行，调用模型可执行程序。计算完成后形成计算方案结果文件。后台程序读取模型计算输出文件，并将结果以http方式返回给用户。

3.3 系统功能实现

梁滩河监测推演预警系统由web端、一张图、移动端等组成。系统以梁滩河水动力水质模型为支撑，共包含综合展示与动态预警、水面异常监管、精细化水质监管以及水环境污染应急管理4个功能模块。综合展示根据前端水质自动化监测设备监测的水质参数，参照重庆市河流水质等级标准，对各断面水质等级进行判断，并对各类型报警断面进行统计；水面异常报警基于河面视频监控AI识别异常信息，进行异常报警，并对事件类型、发生地址、时间进行建档管理与异常分析统计；水体异常监管基于无人机搭载多光谱分析仪分析结果，对当前梁滩河富营养化、浊度情况进行分析统计；水污染突发事件管理提供历史水污染事件处理信息维护管理服务，业务管理人员可对历史水污染突发事件发生时间、地址等信息进行录入。精细化水质监管基于梁滩河水动力水质模型，结合梁滩河沿线自动化流量、水质监测设备监测值，合理设置模型内外边界条件，对未来梁滩河溶解氧、有机负荷以及氨氮等水质监测指标浓度变化情况进行推演分析。此外，为使用户更直观了解梁滩河延程水质变化情况，系统提供三维飞行漫游功能，可根据用户选择的方案以及污染物类型，对梁滩河水质时空演变过程进行动态展示。龙凤河突发污染推演预测分析结果如图7所示。

梁灘河水环境监督管理系统于2021年4月进行开发，并对水质水量监测设备进行布设、调试与接入。2022年1月完成系统分析、设计、实施工作后，系统正式交付重庆水利局并进入为期3个月的试运行阶段。试运行期间，针对用户反馈意见，完成局部河段瞬时污染、支流污染持续注入两种模拟情景设置以及页面优化调整。目前，系统基本满足业务人员实际水环境监管需求。2022年4月，系统顺利进入运维期，期间系统将根据实际情况进一步进行调整维护。

4 结 论

梁滩河水环境监督管理系统基于一维水动力水质模型TELEMAC－MASCARET以及物联网、云计算、三维GIS等新一代信息技术研发，实现了河流水质实时监测报警、污染物沿程分析、水质推演预警，为水质不达标河段快速识别、偷排漏排企业高效锁定以及应急预案的科学制定提供了支撑。系统的构建为流域的水环境监管、综合治理与改善提供了新手段，具有较强的实用价值以及推广意义。

参考文献：

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（编辑：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