蘇 晨，孫 晨，張 煒，張小岳，喻 石

(1.河海大學設計研究院有限公司，江蘇 南京 210098；2.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京 210098；3.寶應縣水務局，江蘇 寶應 225800)

所謂“智慧水利”，就是利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、VR、大數(shù)據(jù)等先進技術，提升感知能力、提升水資源的利用效率和水旱災害的防御能力[1]。“智慧水利”是水利信息化建設的載體，通過加快水利信息化的發(fā)展，有助于推動我國水利事業(yè)由工程型水利向管理型水利邁進、由傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代化水利轉變，意義重大[2]。目前，國內(nèi)外學者對“智慧水利”、水利信息化方面的研究涉及較廣，在城市智慧水利方面，趙偉[3]提出以數(shù)據(jù)大感知、傳輸大網(wǎng)絡、資源大數(shù)據(jù)等為核心構建智慧城市水務的總體架構，劉征濤[4]以智慧城市建設為背景，研究由立體感知、智慧應用、自動控制、主動服務和支撐保障五大體系構建的智慧水務體系；在灌區(qū)信息化方面，劉廣東[5]、劉建軍[6]等以灌區(qū)水文監(jiān)測、灌溉自動化為基礎，進行了現(xiàn)代化灌區(qū)信息化建設的研究；還有其他一些涉及智慧水利發(fā)展和流域、農(nóng)田水利信息化的研究，包括探討如何在新時代水利發(fā)展中發(fā)揮智慧水利的作用、大數(shù)據(jù)背景下智慧水利的應用、新疆塔里木河流域信息化規(guī)劃設計研究、農(nóng)田水利信息管理技術及應用[7- 10]等。以上大多數(shù)是對“智慧水利”、水利信息化建設總體框架的研究，對水利信息化建設中具體模型的研究相對較少。本文以鎮(zhèn)江市“智慧水利”建設為例，對其防洪調(diào)度、水環(huán)境調(diào)度及應急調(diào)度三大水利信息化模型進行研究。

1 鎮(zhèn)江市“智慧水利”建設現(xiàn)狀

鎮(zhèn)江市位于長江下游南岸，地處長江三角洲地區(qū)的西端，全市總面積3840km2。境內(nèi)河流密布，受地域位置和氣候特征影響，水旱災害較多。近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，鎮(zhèn)江市逐漸注重“智慧水利”的建設，在水情自動測報、工程監(jiān)控、防汛抗旱、水資源管理、電子政務、水利信息網(wǎng)絡、水利數(shù)據(jù)庫等方面取了一定成效，但總體上還處于“智慧水利”的起步階段，尤其是防洪調(diào)度支持、水環(huán)境調(diào)度支持及應急調(diào)度支持等水利信息化模型尚未完全建設，難以滿足城市現(xiàn)代化對“智慧水利”的要求。本文根據(jù)鎮(zhèn)江市“智慧水利”建設現(xiàn)狀，結合鎮(zhèn)江市城市發(fā)展、水文特性、管理體制等因素，對鎮(zhèn)江市“智慧水利”中的水利信息化模型進行分析研究，包括防洪調(diào)度支持模型、水環(huán)境調(diào)度支持模型及應急調(diào)度支持模型。

2 防洪調(diào)度支持模型設計

2.1 河網(wǎng)水文水動力建模與率定

城市暴雨內(nèi)澇模型是海綿城市及智慧水務建設的重要技術保障，其核心科學基礎是城市水文、水動力學機制及其耦合模擬[11]。鎮(zhèn)江市建立重點區(qū)域防洪除澇預測預報分析模型產(chǎn)匯流關系，根據(jù)降雨預報和實測降雨及河道水位，建立河網(wǎng)水文水動力耦合預報模型，預報河道水位與流量。同時基于鎮(zhèn)江市與流域、區(qū)域水系關系，綜合計算分析洪水對流域區(qū)域的影響，為長江防洪、周邊區(qū)域防洪提供數(shù)據(jù)支撐，提升洪水預報精細化水平、預報調(diào)度一體化和工程聯(lián)合調(diào)度能力。水動力系統(tǒng)主要建設以下模塊。

2.1.1下墊面資料處理模塊

基于下墊面資料，利用GIS 技術編輯、整理、提取水面、建設用地等下墊面的空間分布及屬性，利用水利部門的實測河道斷面大數(shù)據(jù)進行斷面概化。借助系統(tǒng)強大的可視化技術實現(xiàn)下墊面資料的處理、入庫，并保證圖形信息和屬性信息的一致性，實現(xiàn)矢量信息與屬性信息的聯(lián)合管理。

2.1.2水文資料管理模塊

根據(jù)模型參數(shù)率定的需要，將水利部門采集的鎮(zhèn)江市水位、流量、降雨、蒸發(fā)、沿江引排等水文資料整理并入庫，開發(fā)水文站網(wǎng)管理和水文序列管理功能。水文站網(wǎng)管理包括對水文站、雨量站、水位站、蒸發(fā)站、流量站等常規(guī)站網(wǎng)的管理，其中包括站點的增加、刪除等功能，可以方便地設置水文站點在地圖上的顯示符號和顯示狀態(tài)。

一般將水文數(shù)據(jù)放置于水文數(shù)據(jù)庫當中，可以建立水文序列，從數(shù)據(jù)庫中取不同時段的水文數(shù)據(jù)，并可將取得的水文數(shù)據(jù)與響應的站點相匹配，使每個站點獲得與之對應時間段的水文數(shù)據(jù)序列。開發(fā)水文數(shù)據(jù)整編報表子系統(tǒng)，并提供水文報表設計器。根據(jù)現(xiàn)行的水文數(shù)據(jù)建庫標準建立鎮(zhèn)江市水文歷史數(shù)據(jù)庫。對水文數(shù)據(jù)進行整編，逐日逐時統(tǒng)計，通過圖表或報表的方式進行展示。

2.1.3水文產(chǎn)流模擬模塊

針對鎮(zhèn)江市所處長江流域的地理特征和城市化特征，鎮(zhèn)江市水文產(chǎn)匯流模型需要建立分布式水文模型。即將區(qū)域下墊面劃分為水面、水田、旱地、建設用地等各種下墊面形態(tài)，根據(jù)區(qū)域蒸發(fā)資料整理出水域的蒸發(fā)規(guī)律，建立水面產(chǎn)流模型；根據(jù)水稻生長灌溉制度，建立水田產(chǎn)流模型；根據(jù)降雨后旱地的雨量再分配過程，建立反映雨量再分配的產(chǎn)流模型；根據(jù)城市建設用地的蒸發(fā)規(guī)律， 建立城市產(chǎn)流模型。根據(jù)數(shù)字流域理論，利用GIS管理各種下墊面的空間拓撲關系，建立全數(shù)字化具有空間拓撲關系的分布式區(qū)域產(chǎn)流模型。鎮(zhèn)江市水田占比較大，地下水位較高，土壤含水量易于得到補充，農(nóng)田產(chǎn)流模型采用3層蒸發(fā)的蓄滿產(chǎn)流模型。城市產(chǎn)流模型如圖1所示。

2.1.4匯流及河網(wǎng)匯流模擬模塊

根據(jù)鎮(zhèn)江市河道、泵閘等將區(qū)域劃分成多個河網(wǎng)多邊形，根據(jù)各區(qū)地形、排水管網(wǎng)分布等研究地表產(chǎn)流匯集到周圍河槽的水量分配方式以及匯流時間，研究人類活動對幾種下墊面形態(tài)的匯流規(guī)律的影響，如城市化的擴大對鎮(zhèn)江市河道洪水的匯流量及洪峰時間的影響等，考慮城市建設用地與旱地匯流過程的耦合銜接。建立基于GIS的可視化模型系統(tǒng)，實現(xiàn)河道、水庫之間的連接關系，構建河網(wǎng)水庫水動力耦合模型。

2.1.5水利工程過水模擬模塊

水閘、泵站等水利工程是防汛調(diào)度中最重要的控制工具，采取以下建模流程：收集整理區(qū)內(nèi)各水閘、泵站地理信息位置以及過水、引排能力等水力學參數(shù)；將水工建筑物與不同地區(qū)的水流“聯(lián)系”起來，采用水動力學的方法進行數(shù)字模擬，建立閘泵的過水模擬模型，并與實際閘泵過水資料進行比對分析，提高模型的精度。建立閘泵與水文模型、河網(wǎng)水動力模型的耦合關系。利用GIS可視化平臺實現(xiàn)閘泵屬性的可視化編輯管理，建立閘泵與河網(wǎng)等水體的空間拓撲關系等。

2.1.6系統(tǒng)模型集成

分布式水文模型與網(wǎng)絡GIS 技術集成具有良好的應用效果，能夠拓展分布式水文模型的應用范圍[12]。根據(jù)鎮(zhèn)江市河網(wǎng)水文水動力模型建模需要，建模系統(tǒng)將集成以下功能：基于GlS 系統(tǒng)建立分布式模型；下墊面數(shù)據(jù)可視化編輯處理；以可視化方式進行閘泵等水工建筑物建模；與現(xiàn)有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)對接，支持多種數(shù)據(jù)庫的水文數(shù)據(jù)管理；自動提取現(xiàn)有監(jiān)測閘泵等建筑物的工況；以可視化方式構建水文、水動力模型；以可視化實現(xiàn)水文、水動力學模型的耦合關聯(lián)；根據(jù)降雨及潮位預報，預報區(qū)內(nèi)河網(wǎng)的水情變化特征；計算河道內(nèi)任意時刻、任意斷面的水文過程輸出；數(shù)字模擬計算過程中同步展示水位、流量；計算成果報表管理與輸出；以方案的形式管理各種預設條件，在模型計算過程中可以修改方案配置參數(shù)，滿足參數(shù)動態(tài)調(diào)整的需求；方案之間的對比分析。

圖1 城市產(chǎn)流模型框圖

2.2 防洪預報模型

水文預報技術主要是對城市地區(qū)的汛期洪水進行科學預測與預報；對城市周圍可能發(fā)生的山洪、泥石流進行晝夜不息的數(shù)據(jù)監(jiān)測[13]。鎮(zhèn)江市防洪預報模型在實測水雨情和河道水文模型的基礎上，根據(jù)未來降雨歷時及空間分布、未來長江潮位狀態(tài)、未來邊界交互流量，預報鎮(zhèn)江主要河道水位和流量。

(1)水文預報。根據(jù)鎮(zhèn)江及周邊區(qū)域暴雨預測和實測降水量，分析計算鎮(zhèn)江與周邊區(qū)域產(chǎn)流總量、分區(qū)徑流量；分析預報鎮(zhèn)江與周邊區(qū)域聯(lián)通水系水量進出過程，為河網(wǎng)水動力模擬計算提供模型邊界的參考條件；預報鎮(zhèn)江各河道分區(qū)徑流量。

(2)河網(wǎng)外邊界入流處理。鎮(zhèn)江河網(wǎng)產(chǎn)匯流外邊界不閉合，河網(wǎng)水動力模型需要外邊界入流條件。根據(jù)主要過水通道近年進出水量資料，基于防汛調(diào)度歷史資料，進行人機交互式綜合計算與分析，處理河網(wǎng)外邊界入流。

(3)河道水情預報。根據(jù)鎮(zhèn)江及周邊區(qū)域水文產(chǎn)匯流預報結果，在確立鎮(zhèn)江河網(wǎng)入流邊界的基礎上，預報鎮(zhèn)江主要河道及河網(wǎng)節(jié)點的水位、流量和流向過程。

(4)預報交互界面。提供界面設置未來的降雨、潮位狀態(tài)等，在實時預報過程中可以報出流域內(nèi)指定時間、指定地點的水情。提供專門的模塊處理鎮(zhèn)江地區(qū)外圍的河網(wǎng)邊界，作為鎮(zhèn)江地區(qū)未來的預報邊界條件。

(5)預報成果輸出。預報成果包括水位預報站點的水位過程。

3 水環(huán)境調(diào)度支持模型

3.1 河網(wǎng)水質建模

(1)污染負荷模擬模塊。城市水體污染主要分為點源污染和非點源污染[14]，點源污染主要包括工業(yè)污染源和城鎮(zhèn)生活污染源。非點源污染一般是指由降雨引起的各種污染物從土壤圈向水圈的擴散。主要包括農(nóng)田、城市和城鎮(zhèn)降雨徑流污染、農(nóng)村生活污染、畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等。非點源污染負荷的定量化研究是鎮(zhèn)江污染治理的重要基礎性工作，本次針對非點源污染負荷時空分布不均勻的特點，將非點源污染分為城市和城鎮(zhèn)降雨徑流污染、畜禽養(yǎng)殖污染、農(nóng)田降雨徑流污染、農(nóng)村生活污染和水產(chǎn)養(yǎng)殖污染等5種類型，分別計算其流失過程。污染負荷模擬從結構上分為產(chǎn)生模塊和處理模塊兩大部分，產(chǎn)生模塊用于計算各種污染源的產(chǎn)生量；處理模塊計算污染物經(jīng)過各個處理單元后的污染負荷入河量。

(2)河網(wǎng)水質模型模塊。河網(wǎng)模型系統(tǒng)中的水質模型包括調(diào)蓄節(jié)點水質模型和河網(wǎng)水質模型。調(diào)節(jié)節(jié)點水質模型主要模擬區(qū)域內(nèi)河道、水庫水質變化規(guī)律，河網(wǎng)水質模型用于研究河網(wǎng)污染物的運移轉化規(guī)律。水質模型與水量模型耦合聯(lián)算，采用控制體積法進行數(shù)值離散。

3.2 河道水質預報系統(tǒng)

在水質預報模型中，不確定性的來源主要有：輸入不確定性、求解不確定性、模型結構不確定性、模型參數(shù)不確定性等[15]。在實測水質和河網(wǎng)水質模型的基礎上， 根據(jù)未來降雨歷時及空間分布、未來河口潮汐狀態(tài)，預報鎮(zhèn)江主要河道水質指標。鎮(zhèn)江河網(wǎng)產(chǎn)匯流邊界不閉合，河網(wǎng)水質模型需要外邊界入流條件，主要是根據(jù)現(xiàn)有實時水質資料，進行人機交互式綜合計算與分析處理。根據(jù)鎮(zhèn)江及周邊區(qū)域水文產(chǎn)匯流預報結果，在確立鎮(zhèn)江河網(wǎng)入流邊界的基礎上，預報鎮(zhèn)江主要河道及河網(wǎng)斷面的水質指標。主要預報指標有：BOD、COD、TP、TN、NH3-N、DO 等參數(shù)。

3.3 河道水質預警與調(diào)度系統(tǒng)

在預報系統(tǒng)基礎上，根據(jù)實時的水質和調(diào)度需求，對水利工程調(diào)度進行調(diào)整，實現(xiàn)預定的調(diào)度目標，為水環(huán)境調(diào)度提供決策支持。

(1)調(diào)度方案模塊。建立記錄防汛調(diào)度方案庫，保存所有已計算完成的水質調(diào)度方案。人工調(diào)整有關參數(shù)后調(diào)用預報系統(tǒng)，根據(jù)有關閘站、河網(wǎng)等工程的調(diào)度運用情況，對水質指標進行數(shù)字模擬，并將有關結果以專題地圖、統(tǒng)計報表、統(tǒng)計圖、文字等形式顯示出來，以列表形式提供防洪工程調(diào)度運用方式，以圖表和動畫形式提供調(diào)度運用情況和效果。系統(tǒng)可以保存每次計算的參數(shù)和結果數(shù)據(jù)，以供隨時查看及對比分析等。

(2)河道水質信息管理及預警系統(tǒng)。根據(jù)鎮(zhèn)江實時水質信息，集成鎮(zhèn)江及相關區(qū)域的水質指標和閘泵運行的監(jiān)測信息，利用可視化技術建立實時水質信息可視化系統(tǒng)，綜合展示河道、堤防及相關區(qū)域的水質時空分布。系統(tǒng)對各類人機交互操作、信息查詢、圖形操作等快速實時響應；信息查詢、操作、輸入界面用圖形、文字和數(shù)據(jù)3種方式在計算機上展現(xiàn)。

4 應急調(diào)度支持模型

4.1 來水組成模型

構建鎮(zhèn)江河網(wǎng)來水組成模型，掌握不同來源的水(如：降雨排污、河網(wǎng)初始水、邊界來水)到什么地方去，本地的水由哪些水源組成，就像設置DNA 信息一樣，將河網(wǎng)內(nèi)部水進行標識。通過來水組成模擬系統(tǒng)，可以模擬不同來源的水，并在空間上進行展現(xiàn)。

4.1.1模型原理

對不同的水源賦以不同的保守物質名稱，然后用保守物質的全流域水質模型，計算各河段的保守物質濃度隨時間的變化過程，就可以得到各河段水體的組成情況。將全河網(wǎng)的調(diào)蓄節(jié)點、河道及陸域面上的初始蓄水量定義為第一類保守物質，降雨徑流定義為第二類保守物質，廢水排放定義為第三類保守物質。因此一、二、三類保守物質是本模型中明確定義的，用戶不能隨意更改，從第四類保守物質開始，用戶可以根據(jù)需要任意定義為某種水源。

4.1.2模型方程

描述保守物質的基本方程式為對流方程式：

(1)

式中，A—過水斷面，m2；Q—流量，m3/s；C—物質濃度，無量綱；t—時間，s；x—空間，m。

4.1.3來水組成分類設置

為使開發(fā)的來水組成程序盡可能滿足應用中所遇到的各種問題，特別是解決模型開發(fā)中邊界條件的賦值和定義的方便性、廣泛性。模型開發(fā)的來水組成分為3類：邊界來水、區(qū)域初始來水、分區(qū)降雨及排水。通過這3類來水設置，可以表現(xiàn)區(qū)域內(nèi)任意不同來水的運移變化情況。

4.1.4來水組成輸出結果

來水組成分析是以水質模擬計算為基礎的，但計算結果不同于水質模擬，來水組成計算有理論解，如果考慮了所有水源，那么任何一個河段或斷面，各種來水組成比例總和應等于1.0 或100%。

4.2 突發(fā)污染事件模型

水環(huán)境污染事件有其獨特性，破壞行為具有隱蔽性，危害結果具有漸進性，影響范圍具有廣泛性[16]。突發(fā)污染事件模擬系統(tǒng)通過研究污染物在河渠中遷移轉化規(guī)律，依據(jù)所觀測的污染物濃度過程推測污染物排放位置、排放時間以及排放強度。通過對污染物逆向位置概率密度與正向濃度之間關系進行回歸分析，構建一個以污染物排放位置、排放時間和排放強度為參數(shù)的優(yōu)化模型。

水污染事件發(fā)生后，第一時間啟動應急監(jiān)測方案，對污染事件進行診斷。在確定污染物超標河段后，根據(jù)監(jiān)測濃度和初步診斷結果，對水污染進行快速追蹤溯源，并依據(jù)溯源結果進行現(xiàn)場確認。然后運用水污染事故預測模型預估污染可能波及的河段和控制斷面處污染濃度變化過程，對整個污染事件進行重構。最后根據(jù)水污染應急處置目標擬定多組河道、水庫調(diào)度方案并進行模擬計算，對不同方案的處置效果進行對比分析。另外，在水污染應急處置中，啟動水量調(diào)度時一般會配合以工程方法，如攔截吸附、混凝沉降等，擬定應急調(diào)度方案時應予以考慮。分別將所構建的計算模型運用于突發(fā)水污染應急處置各個環(huán)節(jié)，構建一套完整的河道、水庫應急調(diào)度技術體系，并確立基于河道、水庫調(diào)度的突發(fā)水污染應急處置流程。由于應急調(diào)度需實時決策，因此流程中存在動態(tài)調(diào)整與反饋修正的閉環(huán)過程，即根據(jù)控制斷面處計算的濃度過程不斷調(diào)整應急調(diào)水方案，直到斷面處濃度達標。突發(fā)污染事故模型流程如圖2所示。

5 結論

“智慧水利”是城市水利管理工作的重大舉措，是智慧城市建設的必要途徑。建立防洪調(diào)度支持模型、水環(huán)境調(diào)度支持模型及應急調(diào)度支持模型，可以進一步推進“智慧水利”信息化的建設，為城市水利管理提供更加強大的數(shù)據(jù)信息

圖2 突發(fā)污染事件模型流程圖

和決策支撐。但由于“智慧水利”涉及水利、環(huán)境保護、氣象等多部門，而各部門、各行業(yè)目前尚未形成有效的聯(lián)合運管機制，存在數(shù)據(jù)共享不及時、管理決策難統(tǒng)一等問題，因此，城市“智慧水利”在實際運行中仍需輔以強有力的政府組織保障才能充分發(fā)揮其強大的城市水安全保證和水資源保護能力。