跨區(qū)域、跨部門的金澤水源水質(zhì)水量監(jiān)測與預警業(yè)務(wù)化平臺

胡 波，朱慧峰,*，季海萍，朱宜平，陳蓓蓓，車 越

(1. 上海市供水調(diào)度監(jiān)測中心，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. 華東師范大學生態(tài)與環(huán)境科學學院，上海 200241)

1 研究背景

金澤水庫位于上海市青浦區(qū)金澤鎮(zhèn)西部、太浦河北岸，占地面積約為2.7 km2，總庫容約為910萬m3。2016年底，金澤水庫原水工程正式投入運行，初期原水供應(yīng)規(guī)模約為200萬m3/d，遠期達到351萬m3/d，主要供應(yīng)青浦、松江、金山、閔行、奉賢5個區(qū)，總服務(wù)人口約為670萬。金澤水庫取水口位于太浦河中段，距離太湖太浦河口約為50 km，受太湖出水及杭嘉湖平原河網(wǎng)水質(zhì)影響，金澤取水氮、磷等營養(yǎng)鹽及藻密度、葉綠素a等指標偏高。從水質(zhì)類別看，金澤取水水質(zhì)總體達到地表水Ⅲ類標準[1]，但部分指標如氨氮、溶解氧、鐵等存在季節(jié)性超標，水質(zhì)尚不穩(wěn)定。受流域內(nèi)紡織印染等工業(yè)排污影響，金澤來水存在銻超標等環(huán)境污染風險。受太浦河航運影響(船舶最大通行量>50艘/h)，流動風險源隱患明顯。金澤水庫通水后，藻類外源輸入現(xiàn)象突出，來水葉綠素a總體在10～30 μg/L，經(jīng)庫區(qū)留滯后會有一定增加。此外，金澤水庫建成之初，工況、水質(zhì)等資料不足，水庫生態(tài)系統(tǒng)也處于構(gòu)建初始階段。

在此背景下，為保障金澤水源地供水安全，2017年本項目團隊聯(lián)合申報國家“十三五”水專項課題“金澤水庫水質(zhì)調(diào)控與穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”并獲批復立項。該課題研究聚焦4個方面：水源地水質(zhì)特征研究與風險評估、水庫生態(tài)調(diào)控水質(zhì)凈化與保障、水源取水安全調(diào)控、監(jiān)測預警平臺構(gòu)建及業(yè)務(wù)化應(yīng)用。本平臺是課題研究的一項重要內(nèi)容。

2 研究內(nèi)容

在金澤水源地上下游跨區(qū)域、跨部門監(jiān)測資源集成、分析的基礎(chǔ)上，依托水動力學和生態(tài)動力學模型、河網(wǎng)水量水質(zhì)和突發(fā)水污染事件調(diào)控模型、供水量預測和水質(zhì)預測模型以及庫區(qū)水生植物管控和魚類調(diào)控技術(shù)分析，建設(shè)跨區(qū)域、跨部門的金澤水源水質(zhì)水量監(jiān)測與預警業(yè)務(wù)化平臺。平臺主要集成水質(zhì)監(jiān)測、風險分析、模型預測、聯(lián)合調(diào)度、庫區(qū)控防等業(yè)務(wù)分析模塊以及在線數(shù)據(jù)監(jiān)控、船舶AIS監(jiān)控、視頻監(jiān)控識別等監(jiān)控業(yè)務(wù)模塊，也包含對重要場景、構(gòu)筑物(如泵房)及設(shè)備工況等的三維可視化功能。

2.1 水質(zhì)監(jiān)測

水質(zhì)監(jiān)測模塊包括監(jiān)測資源和綜合水質(zhì)2項。

2.1.1 監(jiān)測資源

集成金澤水源地上下游跨區(qū)域、跨部門監(jiān)測資源，形成數(shù)據(jù)共享中心，監(jiān)測范圍覆蓋太浦河太浦閘—金澤水庫—松浦大橋沿線干流及主要支流，以及太湖、滬西南五區(qū)(供水量)等。在線監(jiān)測點16個，監(jiān)測指標共160余項，指標類型主要包括水位、流量、水溫、pH、電導率、溶解氧、渾濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總氮、氨氮、總磷、葉綠素a、藍綠藻、揮發(fā)酚、銻、總有機碳(TOC)、鹽度、氧化還原點位(OPR)、總?cè)芙庑怨腆w(TDS)、生物毒性以及水閘和泵房工況指標等；多數(shù)監(jiān)測指標數(shù)據(jù)傳輸頻率為分鐘級，部分指標如總氮、總磷、氨氮、銻、TOC、生物毒性等可達到小時級。人工監(jiān)測點27個，其中12個點主要監(jiān)測從地表水標準[1]監(jiān)測指標中篩選出的13項，監(jiān)測頻率約2次/周；其余15個點監(jiān)測地表水109項[1]，除少數(shù)點外，常規(guī)29項監(jiān)測頻率1次/月，特定項監(jiān)測頻率1次/季度。水文水質(zhì)指標均支持歷史數(shù)據(jù)查詢，在線水質(zhì)指標支持實時預報警。

2.1.2 綜合水質(zhì)

根據(jù)太浦河沿程監(jiān)測點最新監(jiān)測數(shù)據(jù)(常規(guī)29項+銻)，采用綜合污染指數(shù)法[2-3]計算綜合污染指數(shù)(comprehensive pollution index, CPI)。根據(jù)CPI值劃分水質(zhì)清潔(0～0.3)、微清潔(0.3～0.5)、輕污染(0.5～0.8)、中污染(0.8～1.0)、重污染(>1.0)不同等級，并以不同顏色三維動態(tài)展示(圖1)。金澤水庫水質(zhì)總體為微清潔，松浦大橋水質(zhì)總體為輕污染。

圖1 綜合水質(zhì)三維展示Fig.1 3D Visualization of Comprehensive Water Quality

2.2 風險分析

風險分析模塊包括污染源、風險源、通量分析、濃度分布4個功能項。

2.2.1 污染源

集成太浦河兩翼地區(qū)污染源調(diào)查數(shù)據(jù)，分類展示區(qū)域內(nèi)主要點源(潛在點源)及污染物簡要信息。點源(潛在點源)類型包括加油站、碼頭、污水處理廠、工業(yè)企業(yè)、涉銻企業(yè)、化學品倉庫(石油類及其他)等約650個點項。

2.2.2 風險源

集成金澤水庫船舶AIS在線數(shù)據(jù)，根據(jù)船舶距取水口的距離及種類劃分三級預警并進行三維實時動態(tài)展示。油船或化學品船進入距取水口5～10 km顯示Ⅲ級預警；油船或化學品船進入距取水口1～5 km顯示Ⅱ級預警；船舶進入距取水口1 km顯示Ⅰ級預警。

2.2.3 通量分析

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算2018年以來太浦河太湖來水和主要支流總氮、總磷、氨氮、化學需氧量(COD)、石油類、銻等污染物通量，綜合分析太浦河各來源污染物的貢獻率，并結(jié)合出入河特征，進行三維動態(tài)展示。

2.2.4 濃度分布

集成太浦河兩翼地區(qū)河網(wǎng)水系總氮、氨氮、COD、鐵、銻等污染物調(diào)查結(jié)果(采樣點數(shù)平均413個/次； 3次調(diào)查)，三維展示河網(wǎng)污染物濃度分布情況；采用插值法生成污染物濃度分布圖，劃分污染物高、低濃度分布區(qū)。

2.3 模型預測

模型預測模塊包括水動力、溢油、化學品泄漏、銻濃度、藻類生態(tài)、供水量/水質(zhì)6個功能項。

2.3.1 水動力模型

在水動力模擬三維動態(tài)展示界面(圖2)，系統(tǒng)動態(tài)模擬預見期(最長72 h)內(nèi)不同太浦閘調(diào)度方案(下泄流量)條件下太浦河太浦閘—金澤水庫—松浦大橋沿線河網(wǎng)及金澤庫區(qū)的水動力?？牲c擊查詢范圍內(nèi)任意點位當前流速、流向等。水動力模型與溢油、化學品泄漏、銻濃度及藻類生態(tài)等模型實現(xiàn)無縫耦合。

2.3.2 溢油模型

在溢油模擬展示界面(圖3)，系統(tǒng)動態(tài)模擬預見期內(nèi)溢油在水體中的擴散運動。根據(jù)輸入?yún)?shù)，自動計算油類在每一時刻距離取水口的距離和到達取水口所需時間?？牲c擊查詢范圍內(nèi)任意點位油類擴散厚度、黏度等，并以曲線圖的形式展現(xiàn)該位置從溢油開始，預見期內(nèi)油污厚度和黏度的變化?？赡M柴油等26種常見油品的遷移擴散。

圖3 溢油模型三維展示Fig.3 3D Visualization of Oil-Spill Model

2.3.3 化學品泄漏模型

在化學品泄漏模擬展示界面(圖4)，系統(tǒng)動態(tài)模擬預見期內(nèi)泄漏化學品在水體中的擴散運動。根據(jù)輸入?yún)?shù)，自動計算化學品在每一時刻距離取水口的距離和到達取水口所需時間?？牲c擊查詢范圍內(nèi)任意點位化學品擴散濃度信息，并以曲線圖的形式展現(xiàn)該位置從化學品擴散開始一定時間內(nèi)的濃度變化。

圖4 化學品泄漏模型三維展示Fig.4 3D Visualization of Chemical-Leakage Model

2.3.4 銻濃度模型

在銻濃度模擬展示界面(圖5)，系統(tǒng)動態(tài)模擬預見期內(nèi)河網(wǎng)銻濃度變化。可點擊查詢范圍內(nèi)任意位置銻濃度模擬值，查看實測點位銻濃度實測值與模擬值對比曲線圖。

圖5 銻濃度模型三維展示Fig.5 3D Visualization of Antimony Concentration Model

2.3.5 藻類生態(tài)動力學模型

基于庫區(qū)水動力，系統(tǒng)動態(tài)模擬預見期(最長7 d)內(nèi)金澤水庫總氮、總磷、溶解氧、葉綠素a、藍藻總數(shù)及藻類生物量的變化(圖6)?？刹榭磳崪y點位各指標實測值與模擬值對比曲線圖(可查詢30 d歷史信息)。可點擊查詢庫區(qū)任意位置水質(zhì)及藻類指標模擬值。

圖6 藻類生態(tài)動力學模型三維展示Fig.6 3D Visualization of Ecological Dynamics Model of Algae

2.3.6 供水量/水質(zhì)預測模型

在界面中(圖7)，可查看太浦閘、金澤取水、金澤輸水等監(jiān)測點水質(zhì)(氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等)實測與模擬對比信息，預測明后兩日水質(zhì)指標值；可查看青浦、松江、金山、閔行、奉賢5個區(qū)供水量實測值與模擬值對比曲線圖，預測從今日起3 d內(nèi)的供水量值。

圖7 供水量/水質(zhì)預測模型三維展示Fig.7 3D Visualization of Water Supply/Water Quality Prediction Model

2.4 聯(lián)合調(diào)度

聯(lián)合調(diào)度模塊包括溢油調(diào)度、化學品泄漏調(diào)度、銻污染調(diào)度、常規(guī)水質(zhì)超標調(diào)度4個功能項。運用模型技術(shù)研究形成在不同水情、工況下太浦閘—金澤水庫—松浦大橋聯(lián)合調(diào)度歸并方案集；通過在平臺界面輸入太湖水位、相應(yīng)監(jiān)測點污染物濃度、污染發(fā)生地(距離金澤取水口距離)、污染物量等必要參數(shù)，提供針對特定水情、工況的取水聯(lián)合調(diào)度建議。

2.5 庫區(qū)控防

庫區(qū)控防模塊包括庫區(qū)(生態(tài))調(diào)控、污染防控2個功能項。庫區(qū)(生態(tài))調(diào)控界面對金澤水庫水生植物管控及魚類調(diào)控技術(shù)主要成果及技術(shù)參數(shù)進行演示，包括三維效果、視頻影像等。污染防控界面集成金澤水源地在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、突發(fā)水質(zhì)污染應(yīng)急方案及相關(guān)視頻資料，可檢索針對油類、化學品污染及水質(zhì)異常的應(yīng)急措施，并為應(yīng)急提供實時數(shù)據(jù)支撐。

2.6 其他

2.6.1 三維可視化

平臺對太浦河流域以及太浦閘、金澤水庫、金澤輸水區(qū)、松浦原水廠等重點區(qū)域進行三維可視化建設(shè)。包括對河流、陸地、水陸邊界、道路、岸坡、綠化、建筑、構(gòu)筑物、機泵及機泵開停實時信號等的可視化(圖8)。

圖8 太浦閘(a)、金澤水庫(b)、金澤輸水區(qū)(c)和松浦原水廠(d)的三維可視化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 業(yè)務(wù)化監(jiān)控及預報警

針對日常監(jiān)控操作簡單、實用的需求，開發(fā)業(yè)務(wù)化監(jiān)控界面，包括在線數(shù)據(jù)監(jiān)控、船舶AIS監(jiān)控、視頻監(jiān)控識別等功能項。在線數(shù)據(jù)監(jiān)控界面集成了金澤水源實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與預報警功能；船舶AIS監(jiān)控界面集成了金澤水源實時船舶AIS信息；視頻監(jiān)控識別界面集成金澤水文站、金澤取水口2套視頻監(jiān)控識別信息，可對河道水葫蘆等漂浮型污染物進行智能識別。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 污染物遷移降解模擬技術(shù)

基于美國應(yīng)用科學咨詢有限公司(ASA)OilMap模型[4-5]，構(gòu)建太浦河溢油模型，計算模擬泄漏油品在水體表面的運動軌跡；用溢油粒子表示，在風和水流作用下結(jié)合隨機擾動分散進行平流輸送；模擬考慮蒸發(fā)、擴散、進入水體、乳化及吸附到岸邊等現(xiàn)象的油品遷移轉(zhuǎn)化過程?；贏SA的ChemMap模型[6]，構(gòu)建太浦河化學品泄漏模型，模擬考慮蒸發(fā)、溶解、吸附、沉降、降解等現(xiàn)象的化學品遷移轉(zhuǎn)化過程?；谔饔蚝泳W(wǎng)水動力模型[7-9]，構(gòu)建太浦河銻濃度模型，模擬水體中銻隨空間、時間的遷移轉(zhuǎn)化；水動力模塊基于Saint-Venant方程，污染模塊基于物質(zhì)輸移的對流擴散方程。通過本技術(shù)應(yīng)用，可將模型預報作業(yè)時間縮短至3 h。

3.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同耦合技術(shù)

基于時序耦合分析和序列標注模型，開發(fā)流式數(shù)據(jù)預處理引擎，對實時數(shù)據(jù)進行流式預處理，實現(xiàn)對中斷、越界、毛刺數(shù)據(jù)的識別及異常值替換；通過數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析，對數(shù)據(jù)中斷及有效性狀況進行監(jiān)控分析。采用K最近鄰插補法[10]和線性插補法[11]對重復、異常的供水量數(shù)據(jù)進行處理；采用局部離群點檢測算法檢測水質(zhì)異常數(shù)據(jù)，利用線性插值法[11]進行替換。采用線性插值法(缺失少)或加權(quán)平均法[12](缺失較多)處理缺失水質(zhì)數(shù)據(jù)。將非結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計、關(guān)聯(lián)分析及存儲，實現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)可回溯、可復用，并應(yīng)用于污染物視頻監(jiān)控識別。通過本技術(shù)應(yīng)用，可將平臺數(shù)據(jù)可用率提升至90%以上，其中供水量/水質(zhì)數(shù)據(jù)可用率達到98%以上，視頻數(shù)據(jù)可用率達到96%以上。

3.3 金澤水庫水生植物水質(zhì)凈化調(diào)控技術(shù)

沉水植物營建受水庫底質(zhì)(底泥)、真光層深度、水體流速、風浪、水生動物牧食等因素影響明顯，可通過沉缸、潛床、生長季水位調(diào)節(jié)、圍網(wǎng)、捕撈等方式避免其不利影響；沉水植物可采用種子、種苗或根莖進行種植。挺水植物營建通常在3月—5月清明節(jié)前后，陰雨天最適種植；可采用種子、種苗或根莖種植，生長初期降低水庫運行水位以保證幼苗白天充分出露，接受充足光照；在無法降低水位或深水濱岸區(qū)，通過填土增加基底高程?；谒畮焖w光學特性，選擇適宜時間和方式種植水生植物；通過植物對氮磷的吸收、賦存，降低水體氮磷含量；根據(jù)植物氮磷賦存特征，選擇適宜時間進行收割，避免植物體內(nèi)氮磷大量釋放進水中。金澤水庫目前已實施4萬m2以上水生植物管理措施，提升了庫區(qū)水生植物密度和生物量。

3.4 金澤水庫魚類群落水質(zhì)凈化調(diào)控技術(shù)

以鰱、鳙等典型濾食性魚類作為主要控藻魚種，濾食庫內(nèi)浮游植物和浮游動物，并控制兇猛魚類，投放部分食有機碎屑的魚類(如細鱗斜頜鲴等)，共同起到加速水體營養(yǎng)物循環(huán)、凈化水質(zhì)的作用。根據(jù)目前金澤水庫漁產(chǎn)潛力、營養(yǎng)鹽及藻類情況，至少需保留鰱鳙魚10萬kg，同時應(yīng)多放養(yǎng)鰱，控制鰱鳙放養(yǎng)比例約為5∶1，放養(yǎng)規(guī)格約為300～500 g/尾。捕撈超過生長加速度最大值的鰱鳙魚，降低營養(yǎng)庫存。金澤水庫鰱鳙魚從2齡長到3齡，生長加速度最大，3齡后體重增長減緩，對藻類的濾食率也比3齡內(nèi)的魚類低，因此，金澤水庫鰱鳙魚3齡后可開始捕撈，此時鰱魚類平均規(guī)格為體長36.8 cm，體重約為1 100 g；鳙魚類平均規(guī)格為體長42.8 cm，體重約為

2 800 g。通過基于食物鏈的群落調(diào)控技術(shù)應(yīng)用，金澤水庫各營養(yǎng)級基本符合生態(tài)金字塔規(guī)律，庫區(qū)指示性類群物種多樣性水平(以Shannon多樣性指數(shù)和Pielou’s均勻度計算)提升20%以上。

4 總結(jié)與展望

跨區(qū)域、跨部門的金澤水源水質(zhì)水量監(jiān)測與預警業(yè)務(wù)化平臺作為國家“十三五”水專項課題的一項研究成果，達到了金澤水源地多源監(jiān)測數(shù)據(jù)建庫、三維展示、數(shù)據(jù)查詢、共享和預報警的要求，實現(xiàn)了對金澤水源地水動力、溢油、化學品泄漏、銻濃度、藻類生態(tài)、供水量和常規(guī)水質(zhì)的預測模擬；平臺可根據(jù)水情、工情變化提供水源地取水聯(lián)合調(diào)度建議，并提供多種類業(yè)務(wù)化監(jiān)控功能。

后續(xù)將重點關(guān)注平臺的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，在日常應(yīng)用中進一步優(yōu)化平臺功能，使其能在保障金澤水源地供水安全的任務(wù)中更好地發(fā)揮作用；后續(xù)可擴大平臺資源共享實踐，可推廣應(yīng)用。