邵世保 吳雁 張德輝 耿永輝 周鵬 郝紅珊

摘要：慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理體系結(jié)合最新水質(zhì)管理理論，明確管理目標(biāo)，梳理現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)，摸清現(xiàn)有信息資源，梳理環(huán)境管理數(shù)據(jù)，依據(jù)EFDC水動(dòng)力-水質(zhì)模型工具，在慈湖河流域?qū)嵉卣{(diào)查、規(guī)劃布點(diǎn)，根據(jù)干流建立二維水質(zhì)污染擴(kuò)散模型，與web應(yīng)用系統(tǒng)集成，建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理信息化平臺(tái)。模擬不同污染負(fù)荷情形下水質(zhì)變化情況，對(duì)慈湖河流域的水環(huán)境質(zhì)量水污染問(wèn)題進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，以遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)化技術(shù)為依托對(duì)流域內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量要素、環(huán)境管理對(duì)象、整治工程等進(jìn)行管理，最終形成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和模擬分析技術(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，為慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理提供了一個(gè)效率高、實(shí)用性強(qiáng)的信息化平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：EFDC模型;水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警;模型集成;慈湖河

中圖分類(lèi)號(hào)：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）12-0-05

Abstract：After the site survey and the sampling point arrangement of the Cihu River Basin， we established a two-dimensional water quality pollution diffusion model based on the EFDC hydrodynamic-water quality model.Before this， we studied the latest water quality management theory， clarified the management objectives， sorted out the existing ecological environment supervision business， found out the newest environmental management data in Cihu River Basin.Then we integrated the water pollution diffusion model with the web application system to establish an informationization system for water quality monitoring and warning management.We used the system to simulate the water pollution problem in the Cihu River Basin， simulate the water quality changes under different pollution loads.Relying on remote control and automation technology， we could get real-time monitoring of water environment quality in the basin， management of environmental supervision object， and the construction progress of renovation project， etc.The system established in this paper could provide an efficient and practical information system for water quality monitoring and warning management example.

Key words：EFDC Model;Water quality monitoring and warning;Model integration;Cihu River

1 建設(shè)背景

在城市化的快速進(jìn)程中，城市河流的生態(tài)環(huán)境遭受了不同程度的破壞，水體自身的污染凈化功能和景觀功能降低，有的甚至成為黑臭水體，嚴(yán)重影響城市生態(tài)環(huán)境[1]。2015年《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》印發(fā)以來(lái)，馬鞍山將水環(huán)境保護(hù)作為生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。2015年底，馬鞍山市政府正式發(fā)布了《馬鞍山市水污染防治工作方案》，作為水十條在馬鞍山市的具體落地方案。河流應(yīng)急管理理念也應(yīng)由傳統(tǒng)被動(dòng)式向主動(dòng)式風(fēng)險(xiǎn)管理轉(zhuǎn)變，由目標(biāo)總量控制向環(huán)境容量總量控制轉(zhuǎn)變[2]，以此達(dá)到依據(jù)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管理理念的轉(zhuǎn)變。

慈湖河位于馬鞍山市北部，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大已成為穿越市區(qū)的一條內(nèi)河，生態(tài)功能和休閑景觀作用日益顯現(xiàn)。但由于上游礦產(chǎn)資源無(wú)序開(kāi)發(fā)，中游生活面源污染嚴(yán)重以及下游的工業(yè)污染，慈湖河流域生態(tài)破壞嚴(yán)重，群眾反映強(qiáng)烈。

2013年世界銀行批準(zhǔn)給馬鞍山市慈湖河流域水環(huán)境治理項(xiàng)目提供貸款1億美元，用于提高馬鞍山市城區(qū)的防洪排澇能力，改善慈湖河流域生態(tài)環(huán)境和城市人居環(huán)境。馬鞍山市利用世行貸款計(jì)劃實(shí)施了馬鞍山市慈湖河流域水環(huán)境治理工程項(xiàng)目，項(xiàng)目根據(jù)馬鞍山市城市發(fā)展總體規(guī)劃和慈湖河流域生態(tài)環(huán)境綜合整治規(guī)劃，主要建設(shè)內(nèi)容為：慈湖河河道修復(fù)工程，包括河道疏浚、堤岸加固、護(hù)坡、綠化及服務(wù)道路，改建排澇泵站及配套服務(wù)設(shè)施;修復(fù)改善慈湖河支流水系恢復(fù)其天然的雨水排泄功能;建立慈湖河全流域管理體系、水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系、環(huán)境預(yù)警體系、礦山管理體系，制定上游礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)計(jì)劃等。

馬鞍山市慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)計(jì)劃及環(huán)境預(yù)警體系建設(shè)項(xiàng)目是馬鞍山市慈湖河流域水環(huán)境治理工程項(xiàng)目中的一部分，目標(biāo)是從環(huán)境保護(hù)管理的角度提出慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)方案，并在水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系基礎(chǔ)上整合污染排放等相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、建設(shè)慈湖河流域水質(zhì)預(yù)警決策支持系統(tǒng)。

本文重點(diǎn)介紹慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理體系以該項(xiàng)目為例總結(jié)提煉了城市河流監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建的方法，探究系統(tǒng)的建立對(duì)慈湖河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善起到的作用。

2 系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 技術(shù)路線

流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的構(gòu)建首先要通過(guò)對(duì)相關(guān)指導(dǎo)性政策文件進(jìn)行分析，明確管理目標(biāo);對(duì)現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)管業(yè)務(wù)梳理，尤其是數(shù)據(jù)梳理，在摸清現(xiàn)有信息資源的基礎(chǔ)上，對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系的構(gòu)建進(jìn)行總體設(shè)計(jì)[3];根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案搭建預(yù)警監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建立流域決策支撐模型，建設(shè)監(jiān)測(cè)預(yù)警決策支持信息化平臺(tái)，最終形成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和模擬分析技術(shù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建的技術(shù)路線如圖1所示。

2.2 建設(shè)過(guò)程

2.2.1 管理目標(biāo)分析

慈湖河水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)建項(xiàng)目作為馬鞍山市慈湖河流域水環(huán)境治理工程項(xiàng)目（世行貸款項(xiàng)目）的子項(xiàng)目之一，其設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)是：提升流域環(huán)境監(jiān)管能力，防范隨著城市發(fā)展而帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境惡化的威脅，保證慈湖河水質(zhì)滿足景觀水體要求，達(dá)到“監(jiān)管有力、考核達(dá)標(biāo)、群眾滿意”。

2015年底，馬鞍山市政府正式發(fā)布了《馬鞍山市水污染防治工作方案》，作為水十條在馬鞍山市的具體落地方案，《方案》中明確提出考核指標(biāo)“到2020年，城市建成區(qū)黑臭水體控制在10%以?xún)?nèi)，基本消除劣Ⅴ類(lèi)水體”。

2.2.2 慈湖河流域環(huán)境現(xiàn)狀及管理情況

2.2.2.1研究區(qū)概況

（1）水文情況。慈湖河是安徽省馬鞍山市城區(qū)最長(zhǎng)的長(zhǎng)江支流，由南向北穿越整個(gè)城區(qū)東部。全長(zhǎng)約26.1km，流域面積124.8 km2，分為上、中、下游。慈湖河上游屬丘陵區(qū)，斷面以上總控制流域面積為43.62km2。上游由4條主要支流匯入而成，從上到下分別為鎮(zhèn)南支流（亦稱(chēng)清水塘支流）、洋河支流、高村支流以及霍里山支流，其中洋河支流為慈湖河主流;慈湖河中游（林里路斷面以上）總控制流域面積為77.7km2，入河支流1條;慈湖河下游有犁尖灣河、天然河支流匯入以及7條支流水系匯入。

（2）水質(zhì)狀況。根據(jù)慈湖河2015年馬鞍山市環(huán)境質(zhì)量公報(bào)公布，慈湖河下游監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）Ⅴ類(lèi)，水質(zhì)狀況為中度污染。

慈湖河上游洋河區(qū)域受礦業(yè)作業(yè)和面源污染的影響，監(jiān)測(cè)的各類(lèi)指標(biāo)均存在不達(dá)標(biāo)的狀況，秀山湖流域和上游主河段主要是受到生活污水和農(nóng)業(yè)面源的影響較大，存在嚴(yán)重的有機(jī)耗氧性污染。慈湖河中游及下游河段，主要是氨氮含量較高，其他指標(biāo)均能達(dá)到照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）V類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）污染源分布情況。慈湖河上游污染源主要為：采選礦排放污染，面源污染，分布有大片農(nóng)田和葡萄種植基地及村鎮(zhèn)生活污染;向山工業(yè)園區(qū)，園區(qū)已完成管網(wǎng)鋪設(shè)，污水全部排入東部污水處理廠。此外上游建有2處濕地、1座初級(jí)處理工程，分別為高村濕地、南加甸濕地，但進(jìn)、出水水質(zhì)都較差;初級(jí)處理工程位于向山鎮(zhèn)小甸塘旁，設(shè)施運(yùn)行斷斷續(xù)續(xù)，處理效果不佳。慈湖河中游主要是金家莊工業(yè)園區(qū)污水排入王家莊污水處理廠、花山工業(yè)區(qū)污水排入東部污水處理廠。中游面源污染主要來(lái)源于為納入污水收集管網(wǎng)的生活面源和施工工地。慈湖河下游主要是慈湖高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，污水排入慈湖污水處理廠，金星鈦白集團(tuán)出水、馬鋼新區(qū)3個(gè)排口直接排入慈湖河。慈湖河下游沿岸居民分布較多，還存在污水尚未進(jìn)入污水處理廠，直接排入慈湖河。

2.2.2.2監(jiān)測(cè)因子確定及監(jiān)控?cái)嗝娼?/p>

從慈湖河水體客觀現(xiàn)狀、水質(zhì)模型模擬需求和慈湖河流域水質(zhì)污染狀況考慮，確定設(shè)置3個(gè)浮標(biāo)站對(duì)慈湖河進(jìn)行全面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率、水溫、pH、濁度、磷酸鹽、氨氮、COD多個(gè)參數(shù)。點(diǎn)位分布如下圖2所示。

2.2.3 流域監(jiān)測(cè)預(yù)警體系總體設(shè)計(jì)

在對(duì)慈湖河流域管理目標(biāo)和現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上，對(duì)慈湖河流域監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

慈湖河流域監(jiān)測(cè)預(yù)警體系總體建設(shè)思路為“能發(fā)現(xiàn)、能說(shuō)清、能決策”，通過(guò)監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并預(yù)警報(bào)警，通過(guò)排放清單進(jìn)行溯源分析說(shuō)清污染來(lái)源，通過(guò)決策支持平臺(tái)提供解決方案的效能分析。

慈湖河流域監(jiān)測(cè)預(yù)警體系包含預(yù)警監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和報(bào)警預(yù)警及決策支持平臺(tái)兩大部分。

2.2.4 監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

預(yù)警監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)體系的“眼”和“耳”，是感知慈湖河水質(zhì)變化、說(shuō)清水質(zhì)現(xiàn)狀的最重要組成部分。本項(xiàng)目建的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是慈湖河流域首次建立的反應(yīng)靈敏、反饋有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。本項(xiàng)目建立前，慈湖河流域只在下游入長(zhǎng)江口處設(shè)置了一個(gè)手工監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)周期為1個(gè)月。因此，沒(méi)有詳細(xì)的歷史資料可供參考，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)規(guī)劃。

2.2.4.1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工作主要集中在2016年5月-2016年9月，對(duì)慈湖河干流進(jìn)行了走訪調(diào)查，并在重要斷面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

（1）慈湖河上游現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查概況。慈湖河上游屬丘陵區(qū)，除靠近馬蕪高速往上游約600m的東河灣段河道的兩岸筑有防洪堤防外，上游河道基本上為無(wú)需堤防的天然河道。慈湖河上游東環(huán)路至湖南東路段河道兩側(cè)區(qū)域大部分為安徽工業(yè)大學(xué)用地，湖南東路至313 省道河道兩側(cè)基本為農(nóng)田，在更上游基本為礦區(qū)及村鎮(zhèn)。上游地區(qū)主要污染風(fēng)險(xiǎn)源來(lái)自以向山工業(yè)區(qū)為主的點(diǎn)源和以廢舊礦區(qū)和農(nóng)業(yè)面源為主的面源。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查期間，慈湖河上游水質(zhì)相對(duì)較好，但氨氮指標(biāo)超過(guò)了Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)。

（2）慈湖河中游現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查概況。慈湖河中游林里路斷面以上總控制流域面積為77.7km2，其中現(xiàn)有入河支流10 條。慈湖河自東環(huán)路向西開(kāi)始進(jìn)入已建成區(qū)，慈湖河中游左岸區(qū)域基本為建成區(qū)，主要是居住區(qū)，右岸區(qū)域大部分為正在開(kāi)發(fā)的區(qū)域，為秀山新區(qū)。

中游污染風(fēng)險(xiǎn)源包括：金家莊工業(yè)園區(qū)、花山工業(yè)園區(qū)等工業(yè)點(diǎn)源和王家山污水處理廠、東部污水處理廠等污水處理廠。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況慈湖河右岸區(qū)域處于正在開(kāi)發(fā)階段，面源污染較為嚴(yán)重。從現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果看，水質(zhì)指標(biāo)普遍高于上游。

（3）慈湖河下游現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查概況。下游慈湖河入江口上游300m處有犁尖灣河匯入;距入河口上游5.35km處有天然河支流匯入;除此之外，尚有7條支流水系匯入，慈湖河下游兩側(cè)現(xiàn)狀基本工業(yè)集中區(qū)和農(nóng)村。

下游區(qū)域主要點(diǎn)源污染源為馬鋼工業(yè)區(qū)和慈湖污水廠，靠近入長(zhǎng)江口存在農(nóng)村面源污染。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，由于點(diǎn)源污染控制措施比較到位下游水質(zhì)好于中游。慈湖河下游水質(zhì)調(diào)查表見(jiàn)表1。

2.2.4.2布點(diǎn)規(guī)劃

布點(diǎn)規(guī)劃原則：

（1）監(jiān)測(cè)斷面在總體和宏觀上須能反映水系或所在區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量狀況。各斷面的具體位置須能反映所在區(qū)域環(huán)境的污染特征;盡可能以最少的斷面獲取足夠的有代表性的環(huán)境信息;同時(shí)還須考慮實(shí)際采樣時(shí)的可行性和方便性。

（2）斷面位置應(yīng)避開(kāi)死水區(qū)、回水區(qū)、排污口處，盡量選擇順直河段、河床穩(wěn)定、水流平穩(wěn)，水面寬闊、無(wú)急流、無(wú)淺灘處。

（3）監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)應(yīng)考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際狀況和需要，要具有相對(duì)的長(zhǎng)遠(yuǎn)性。

（4）監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置數(shù)量，應(yīng)根據(jù)掌握水環(huán)境質(zhì)量狀況的實(shí)際需要，考慮對(duì)污染物時(shí)空分布和變化規(guī)律的了解、優(yōu)化的基礎(chǔ)上，以最少的斷面、垂線和測(cè)點(diǎn)取得代表性最好的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（5）監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置需能夠反映流域主要支流對(duì)干流的影響，為流域監(jiān)管和模型模擬應(yīng)用提供流域邊界數(shù)據(jù)和水質(zhì)變化數(shù)據(jù)。

（6）綜合考慮監(jiān)管需求和項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)情況，在有限的經(jīng)費(fèi)情況下綜合考慮各種因素，劃分優(yōu)先級(jí)，選擇相對(duì)重要的河段設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面。

根據(jù)以上布點(diǎn)規(guī)劃原則，在慈湖河流域的實(shí)際布點(diǎn)規(guī)劃如下，布點(diǎn)圖見(jiàn)圖4。根據(jù)可研規(guī)劃，慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)費(fèi)為200萬(wàn)元左右，即使采用費(fèi)用較低的浮漂站建站方式，規(guī)劃經(jīng)費(fèi)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足初步建議方案中11個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的建設(shè)需求，按照“急用先行，突出重點(diǎn)”的原則，對(duì)11個(gè)建議監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行篩選，最終選出3個(gè)斷面現(xiàn)行建設(shè)。

浮漂站建設(shè)費(fèi)用主要包括：浮漂體、傳感器、通訊模塊等，其中浮漂體和傳感器占了大部分經(jīng)費(fèi)，因此在篩選斷面時(shí)首先選出水文、水質(zhì)都需監(jiān)測(cè)且監(jiān)測(cè)指標(biāo)較多的斷面。另一方面，由于斷面數(shù)量有限，要求篩選出來(lái)的斷面要能代表一段河段的水質(zhì)和水文總體狀況。綜上兩條原則，經(jīng)專(zhuān)家分析討論和現(xiàn)場(chǎng)勘查，推薦本期建設(shè)方案如下：

監(jiān)測(cè)斷面擬設(shè)3個(gè)固定監(jiān)測(cè)斷面，運(yùn)用3個(gè)浮標(biāo)站的方式對(duì)慈湖河進(jìn)行全面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)。根據(jù)當(dāng)前水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表的發(fā)展現(xiàn)狀及本項(xiàng)目需求，為反映慈湖河水質(zhì)狀況，監(jiān)測(cè)參數(shù)包括溶解氧、電導(dǎo)率、水溫、pH值、濁度、磷酸鹽、COD、氨氮、水深、流量、流速多個(gè)參數(shù)。

2.2.5 水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)模型建設(shè)

利用EFDC水模型工具建立了慈湖河干流水質(zhì)模型，由于后續(xù)污染物溯源研究主要關(guān)注污染物空間位置，對(duì)河道斷面內(nèi)垂向濃度分布無(wú)明顯要求，故而垂向不分層，建立二維模型。

模型空間概化采用凸四邊形網(wǎng)格（部分急彎、交匯等特殊區(qū)域?yàn)槿切危?，各網(wǎng)格之間的連接均為一維線性連接關(guān)系。由于研究區(qū)域范圍大，水系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)部分河段在小范圍內(nèi)進(jìn)行裁彎取直的處理方式[4-7]?？紤]了整體模擬范圍的空間尺度以及水流在常流量下流經(jīng)單元網(wǎng)格的流行時(shí)間，最終將河道劃分為106個(gè)長(zhǎng)約200m、寬隨河道實(shí)際情況而變化的凸四邊形網(wǎng)格，垂直方向不分層。時(shí)間概化水動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10s，水質(zhì)模擬時(shí)間步長(zhǎng)亦為20s。經(jīng)模型運(yùn)行調(diào)試后證明在此步長(zhǎng)下，模型能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.6 預(yù)警監(jiān)測(cè)決策支撐平臺(tái)建設(shè)

構(gòu)建預(yù)警監(jiān)測(cè)決策支撐平臺(tái)首先要整合環(huán)境管理業(yè)務(wù)體系，從流域這一要素出發(fā)，整合環(huán)境保護(hù)管理部門(mén)內(nèi)外的水質(zhì)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急、污染防治、信訪投訴、監(jiān)察等相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新機(jī)制、建立污染排放清單，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查完善清單內(nèi)容，提升清單精度[3]?；谝陨洗髷?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)污染溯源功能，篩選出可能造成污染的企業(yè)，結(jié)合可視化技術(shù)在地圖上進(jìn)行直觀的展示。系統(tǒng)在發(fā)生突發(fā)性水環(huán)境污染事故時(shí)，啟動(dòng)決策分析平臺(tái)的應(yīng)急模擬功能，根據(jù)污染事故發(fā)生的位置，快速進(jìn)行污染物擴(kuò)散的應(yīng)急模擬分析，通過(guò)動(dòng)態(tài)圖形變化展現(xiàn)污染事故對(duì)水體水質(zhì)狀況的影響，為突發(fā)性水環(huán)境污染事故的發(fā)生采取有效的應(yīng)對(duì)措施提供技術(shù)參考。針對(duì)監(jiān)測(cè)異常、自動(dòng)監(jiān)控異常及監(jiān)測(cè)設(shè)備異常等情況，可通過(guò)任務(wù)管理模塊，馬鞍山市網(wǎng)格化管理相結(jié)合，將任務(wù)落實(shí)負(fù)責(zé)人，最終形成閉環(huán)管理。

2.2.6.1系統(tǒng)框架

針對(duì)慈湖河現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理體系以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，融合水質(zhì)便攜式在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)通信技術(shù)和水質(zhì)模擬預(yù)警決策支持技術(shù)，形成了感知層、物聯(lián)層、智能層和決策支持層四層框架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

（1）感知層：采用建設(shè)的3座自動(dòng)浮標(biāo)站，通過(guò)無(wú)線和有線的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與后臺(tái)控制中心實(shí)時(shí)聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行慈湖河水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（2）物聯(lián)層：在采用現(xiàn)有無(wú)線ongoing和有線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)軟件將前端監(jiān)測(cè)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸至智能層，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸提供網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（3）智能層：基于感知層的數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)層的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢(xún)及統(tǒng)計(jì)分析等功能，數(shù)據(jù)的智能層為水質(zhì)的監(jiān)控預(yù)警、基于GIS的數(shù)據(jù)展現(xiàn)等功能提供數(shù)據(jù)層面的支撐。

（4）決策支持層：在利用平臺(tái)智能分析工具、模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及挖掘，為應(yīng)急事故的處理、污染治理的效果預(yù)測(cè)、水環(huán)境綜合管理決策提供技術(shù)支持，并進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀、水質(zhì)模擬結(jié)果及網(wǎng)格數(shù)據(jù)的可視化分析與動(dòng)態(tài)展示，為管理者的決策提供有效的技術(shù)支持。

2.2.6.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)置

（1）流域水環(huán)境質(zhì)量分析模塊。通過(guò)對(duì)慈湖河流域水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和分析，以多種形式對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。提供監(jiān)測(cè)斷面詳細(xì)信息及排放數(shù)據(jù)查看功能。對(duì)流域的水質(zhì)現(xiàn)狀、水質(zhì)變化、水質(zhì)評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析展示。對(duì)超標(biāo)監(jiān)測(cè)斷面和異常設(shè)備進(jìn)行預(yù)警提示及相關(guān)查詢(xún)。

（2）污染源排放監(jiān)控模塊。系統(tǒng)建立污染源檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與GIS地圖的結(jié)合可查看污染源分布情況。系統(tǒng)集成污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示污染源自動(dòng)監(jiān)控情況，對(duì)排放異常污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒，并在GIS地圖上通過(guò)圖層的切換進(jìn)行達(dá)標(biāo)、水質(zhì)類(lèi)別的可視化展示。

通過(guò)建立的污染源排放與流域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在污染事故發(fā)生時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)的溯源分析功能，可追溯污染物的來(lái)源狀況，篩選出可能造成污染的企業(yè)，并在地圖上進(jìn)行直觀的展示，采取處理措施。

（3）排放清單管理及應(yīng)急模擬模塊。系統(tǒng)建立慈湖河廢水污染源排放清單，說(shuō)清污染源排放現(xiàn)狀與影響范圍，可集成展示多種污染負(fù)荷數(shù)據(jù)來(lái)源，并進(jìn)行對(duì)比分析。針對(duì)水污染防治管理工作的需求，基于水質(zhì)模型及歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用戶可制定污染防治規(guī)劃、措施的情景方案，建立對(duì)應(yīng)的排放清單，模擬規(guī)劃、措施實(shí)施后可能產(chǎn)生的效果，對(duì)比不同方案間的治理效果，實(shí)現(xiàn)多情景分析，協(xié)助決策者制定最終治理方案。

（4）應(yīng)急模擬模塊。系統(tǒng)在發(fā)生突發(fā)性水環(huán)境污染事故時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急模擬功能，根據(jù)污染事故發(fā)生的位置，污染物類(lèi)別以及污染物進(jìn)入水體的方式，系統(tǒng)可以提供不同的事故模擬項(xiàng)目的建立方式，快速進(jìn)行污染物擴(kuò)散的應(yīng)急模擬分析，對(duì)污染物在水體中的擴(kuò)散狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬和預(yù)警，通過(guò)動(dòng)態(tài)圖形變化展現(xiàn)污染事故對(duì)水體水質(zhì)狀況的影響，為突發(fā)性水環(huán)境污染事故的發(fā)生采取有效的應(yīng)對(duì)措施提供技術(shù)參考。

（5）模型管理模塊。在進(jìn)行不同情形下的水質(zhì)模擬時(shí)需要對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，本系統(tǒng)可以對(duì)模擬所需的氣象數(shù)據(jù)、水動(dòng)力數(shù)據(jù)、模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)、模型的輸出配置、運(yùn)行、模擬結(jié)果及模擬的展示進(jìn)行調(diào)整，提供更精確的模擬條件參數(shù)。

（6）任務(wù)管理。針對(duì)監(jiān)測(cè)異常、自動(dòng)監(jiān)控異常及監(jiān)測(cè)設(shè)備異常等情況，設(shè)置任務(wù)管理模塊，可在模塊中建立新任務(wù)，并將任務(wù)分配到負(fù)責(zé)人。并與馬鞍山市網(wǎng)格化管理相結(jié)合，任務(wù)分配精確定位。

3 體系應(yīng)用及管理成效

3.1 體系應(yīng)用

3.1.1 流域水環(huán)境質(zhì)量分析模塊

本模塊與對(duì)采集來(lái)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和有效監(jiān)督，并以多種形式對(duì)斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，展示水質(zhì)評(píng)價(jià)后的現(xiàn)狀及不同污染物的現(xiàn)狀。對(duì)超標(biāo)監(jiān)測(cè)斷面和異常設(shè)備進(jìn)行預(yù)警提示，并提供相關(guān)查詢(xún)。計(jì)算并展示所選區(qū)域、流域的水質(zhì)達(dá)標(biāo)現(xiàn)狀，和國(guó)家、省級(jí)考核目標(biāo)比較后，動(dòng)態(tài)提醒考核目標(biāo)達(dá)超標(biāo)情況，若未達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)還能提供進(jìn)一步查找超標(biāo)原因，定位到超標(biāo)的斷面，輔助政府監(jiān)管工作。

3.1.2 水質(zhì)GIS展示

水環(huán)境質(zhì)量分析模塊的分析方法分析結(jié)果，與GIS地圖的結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)可視化效果。結(jié)合行政區(qū)邊界、河流等地圖元素，從地圖中更直觀的查看水質(zhì)現(xiàn)狀。對(duì)于超標(biāo)的監(jiān)測(cè)斷面，地圖中能直接通過(guò)圖標(biāo)發(fā)現(xiàn)，查找原因更迅速、更直接。在GIS地圖上，還可以切換水質(zhì)現(xiàn)狀和達(dá)標(biāo)情況分析主題，根據(jù)不同使用場(chǎng)景切換可視化展示內(nèi)容。

3.1.3 基于模型的水質(zhì)預(yù)警

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、布點(diǎn)，確定監(jiān)測(cè)因子、監(jiān)控?cái)嗝妫瑢?duì)慈湖河干流流域范圍進(jìn)行空間概化，利用EFDC水模型工具建立了慈湖河干流水質(zhì)二維模型?？紤]了整體模擬范圍的空間尺度以及水流在常流量下流經(jīng)單元網(wǎng)格的流行時(shí)間，最終將河道劃分為106個(gè)網(wǎng)格。時(shí)間概化，水動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)間步長(zhǎng)為10s，水質(zhì)模擬時(shí)間步長(zhǎng)亦為20s。經(jīng)模型運(yùn)行調(diào)試后證明在此步長(zhǎng)下，模型能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在進(jìn)行不同情形下的水質(zhì)模擬時(shí)需要對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，本系統(tǒng)可對(duì)模擬所需的氣象數(shù)據(jù)、水動(dòng)力數(shù)據(jù)、模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)、模型的輸出配置、運(yùn)行、模擬結(jié)果及模擬的展示進(jìn)行調(diào)整，提供更精確的模擬條件參數(shù)。水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)合模型工具，可對(duì)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行預(yù)警。還可模擬污染源新增后的水質(zhì)情況。當(dāng)發(fā)生水污染事件時(shí)，還可通過(guò)模型，模擬水環(huán)境整治措施的實(shí)施效果，為環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管者提供科學(xué)的決策依據(jù)。

3.1.4 污染源排放監(jiān)控及溯源

系統(tǒng)建立污染源檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與GIS地圖的結(jié)合可查看污染源分布情況，增強(qiáng)污染源數(shù)據(jù)的可視化展示效果。系統(tǒng)集成污染源自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)展示污染源自動(dòng)監(jiān)控情況，對(duì)排放異常污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒。通過(guò)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中建立的污染源排放與流域、斷面的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在發(fā)生污染時(shí)，可啟用系統(tǒng)的溯源分析功能，可追溯污染來(lái)源，篩選出可能造成污染的企業(yè)，并在地圖上進(jìn)行直觀的展示，輔助政府決策，以便及時(shí)采取措施合理解決問(wèn)題。

3.1.5 基于模型的應(yīng)急模擬模塊

系統(tǒng)在發(fā)生突發(fā)性水環(huán)境污染事故時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急模擬功能，根據(jù)污染事故發(fā)生的位置，污染物類(lèi)別以及污染物進(jìn)入水體的方式，系統(tǒng)可以提供不同的事故模擬項(xiàng)目的建立方式，對(duì)模擬所需的氣象數(shù)據(jù)、水動(dòng)力數(shù)據(jù)、模型網(wǎng)格數(shù)據(jù)、模型的輸出配置、運(yùn)行、模擬結(jié)果及模擬的展示進(jìn)行調(diào)整，提供更精確的模擬條件參數(shù)?？焖龠M(jìn)行污染物擴(kuò)散的應(yīng)急模擬分析，對(duì)污染物在水體中的擴(kuò)散狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬和預(yù)警，通過(guò)動(dòng)態(tài)圖形變化展現(xiàn)污染事故對(duì)水體水質(zhì)狀況的影響，為突發(fā)性水環(huán)境污染事故的發(fā)生采取有效的應(yīng)對(duì)措施提供技術(shù)參考。

3.2 管理成效

本文建立的管理體系，將以水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)、水文化“五位一體”的理念統(tǒng)領(lǐng)治水工作，以問(wèn)題和目標(biāo)為導(dǎo)向，對(duì)水環(huán)境信息進(jìn)行全面整合管理，說(shuō)清水環(huán)境現(xiàn)狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，為提升水環(huán)境監(jiān)管作支撐，為管理者綜合決策提供支撐。

4 結(jié)論

馬鞍山市慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)計(jì)劃及環(huán)境預(yù)警體系建設(shè)項(xiàng)目，從環(huán)境保護(hù)管理的角度提出慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)方案，并在水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系基礎(chǔ)上整合污染排放等相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、建設(shè)慈湖河流域水質(zhì)預(yù)警決策支持系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹了慈湖河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警管理體系的構(gòu)建過(guò)程及體系應(yīng)用管理成效。管理體系總體建設(shè)思路為“能發(fā)現(xiàn)、能說(shuō)清、能決策”：基于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)問(wèn)題并預(yù)警報(bào)警;結(jié)合污染排放數(shù)據(jù)、系統(tǒng)建立的排放清單通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，對(duì)水環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行溯源分析說(shuō)清污染來(lái)源;慈湖河水體客觀現(xiàn)狀、水質(zhì)模型模擬需求和慈湖河流域水質(zhì)污染狀況考慮，通過(guò)模型模擬提供不同處理處置方案的效果，并對(duì)比不同方案的治理效能，從而為決策制定提供科學(xué)依據(jù)，為水環(huán)境的管理提供了一種有效的解決方案。探究系統(tǒng)的建立對(duì)慈湖河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善起到的作用。

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收稿日期：2019-09-11

作者簡(jiǎn)介：邵世保，男，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)。