李欣鵬，周文婷，丁永剛，張詩豪，徐宏亮，彭 虹*，陳 華，俞靜雯

1.中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，廣東 深圳 518100；2.武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072；3.湖北大學教育學院，湖北 武漢 430062

隨著社會經濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，生活污水和工業(yè)廢水排放量增勢迅猛，我國城市水體污染形勢日益嚴峻，成為國內民生大計亟需解決的重大問題之一［1］。以水質模型為核心的水環(huán)境質量模擬分析，是落實《水污染防治行動計劃》的關鍵技術，將為全面控制污染物排放、快速推進城市水體治理與水環(huán)境管控提供有效的數(shù)據支持與依據［2-4］。

城市河流往往承擔著重要的社會經濟功能，一方面，水質要求較高，需要包括點源整改、流域農業(yè)面源削減、河道疏浚和底泥清淤等的水環(huán)境治理工程支持［5-6］；另一方面，存在點源分布密集、徑流沖刷條件下面源負荷較大、河底淤泥沉積的問題［7-8］，需要二維或三維空間上的水環(huán)境精細化模擬。當前國內研究尚缺乏具備我國自主知識產權的、便于二次開發(fā)的水質模型體系，針對本地化應用的不同國際模型體系，還有模擬模塊不全面、建模復雜度高、內置模塊耦合難度大、不具備可拓展性等限制。本土化主流系統(tǒng)的缺陷在當前國內環(huán)境改善工程方案的復雜情景下尤為突出，其對城市水環(huán)境模擬大多只考慮單一污染源，尤其是流域非點源污染［9］，而對水質在復雜污染源、多環(huán)境變量影響下的變化過程，卻鮮有體現(xiàn)。

為滿足當前我國城市河流對點面結合、覆蓋全面的工程方案下的水環(huán)境模擬需求，運用計算機和信息科學技術，構建基于污染治理目標的、自動化運行的、可視化的智慧城市河流水質模擬平臺勢在必行［10-12］。本文設計的平臺既可耦合各類模型，建立相對獨立的數(shù)據結構，避免設計情景的重復建模，來精準、綜合地反映出點源、面源、內源污染的改變；又能支持水環(huán)境狀態(tài)的空間可視化顯示和分類統(tǒng)計，系統(tǒng)分析不同治理措施對水環(huán)境質量改善的效果。該平臺將促進水環(huán)境數(shù)學模型這一高難度專業(yè)技術的推廣，極大降低重復操作，擴大受眾范圍，為水污染防治和工程決策分析提供科學便捷的技術服務。

1 水質模擬平臺功能需求

為滿足對城市河流水質的精細化管理需求，城市河流水質模擬平臺應當以二維或三維水動力水質模型為核心，主要根據模型計算和水質分析評價所需的信息內容進行設計，基于計算機技術，并采用適當?shù)募赡Ｊ?，整合出一套層次清晰、操作流暢的高效率水質模擬與分析系統(tǒng)。在此基礎上，一是為水環(huán)境監(jiān)測中心等部門以及水環(huán)境治理公司提供水質管理的服務平臺，逐步擴充、豐富現(xiàn)有的高科技水環(huán)境信息建設體系；二是為水質模型開發(fā)人員的技術推廣提供便捷入口，促進和激勵模型的進一步發(fā)展和完善；三是考慮點源、面源、內源底泥釋放等因素，開發(fā)多環(huán)境變量影響下的水質演變分析模型，為平臺用戶開展基于污染治理目標情景下有效的水質模擬提供技術支撐，以期為工程建設方進行水環(huán)境治理方案決策提供科學依據。在平臺搭建方面，需要確保平臺數(shù)據的安全性、模型運行的穩(wěn)定性和功能模塊的擴展性，做到接口數(shù)據、后臺模型和交互界面的無縫銜接［13］。

2 水質模擬平臺設計

2.1 設計路線

平臺的總體設計應該遵循科學性、可靠性、實用性、完備性和開放性的原則，充分考慮業(yè)務需要和用戶體驗，具備二次開發(fā)能力，使系統(tǒng)具有較好的可維護性、可擴展性和可操作性，同時具有較強的容錯性。以水質模擬平臺的功能和性能需求為導向，充分考慮系統(tǒng)構建過程的各個要素，確定平臺的開發(fā)步驟，開發(fā)路線如圖1所示。

水質模型是系統(tǒng)開發(fā)的核心，也是首要任務。在設計平臺界面之前，需要對比平臺預期功能來綜合分析現(xiàn)有各種模型的優(yōu)缺點，選取滿足系統(tǒng)需求的、性能穩(wěn)定的二維或者三維水動力水質模型。完成水質模型開發(fā)后，根據模型的數(shù)據錄入、驅動模式、結果分析等板塊進行交互界面各個相應功能模塊的具體設計，主要包括基礎信息管理模塊、模型接口模塊和情景分析模塊。平臺的功能模塊要建立規(guī)范的數(shù)據錄入與存儲標準，完成平臺和水質模型接口之間的信息交互，并實現(xiàn)對數(shù)據文件的靈活訪問、可視化查詢、統(tǒng)計與情景分析，以達到多層面管理的要求。

2.2 系統(tǒng)框架

水質模擬平臺系統(tǒng)框架如圖2所示，包括客戶層（user interface，UI）、業(yè)務邏輯層（business logic layer，BLL）、接口層（interface layer，IL）和數(shù)據訪問層（data access layer，DAL）。

圖1 平臺設計路線Fig.1 Platform design route

客戶層支持PC端展現(xiàn)，是用戶和系統(tǒng)交互的接口，由用戶管理界面、地形生成界面、模型計算界面和結果分析界面組成，以實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的管理、配置等業(yè)務操作。業(yè)務邏輯層是平臺的核心層，該層在收到事件處理請求后調用相應的事件處理機制進行業(yè)務處理，并將處理結果返回到客戶端，根據系統(tǒng)業(yè)務處理需求，實現(xiàn)流程控制以及各種信息的獲取、轉換、存儲、計算和驗證等所有核心業(yè)務邏輯。接口層主要調用水質模型的驅動程序驅動模型，實現(xiàn)水質模擬平臺和水質模型接口、地形采集接口以及其他需要的外部系統(tǒng)之間的信息交互。數(shù)據訪問層實現(xiàn)數(shù)據的結構化管理，封裝數(shù)據并面向業(yè)務邏輯層提供標準、統(tǒng)一的數(shù)據接口，主要對以文件形式存儲的數(shù)據進行處理、訪問，所有業(yè)務數(shù)據的讀寫均通過數(shù)據訪問組件實現(xiàn)，數(shù)據訪問組件包括地形、河流條件和污染源數(shù)據訪問組件以及模型參數(shù)設置組件。

2.3 主要功能

平臺核心模型應當具備多個主要功能，一是需要實現(xiàn)地形前處理，完成對城市河道地形的二維或三維插值模擬；二是需要耦合水動力和水質過程，反映出河流水質隨時間的動態(tài)變化，得到不同時期的水質特征［14-15］；三是模型除了能夠考慮河流點源污染因子，還可以嵌入城市面源模型，同時要具備河流內源底泥的釋放模式，以期全面體現(xiàn)河流多種污染源對水質的綜合影響；四是水質模型應當包含豐富的模擬模塊，除了常規(guī)水質的模擬，還要具備溶解氧平衡、重金屬、富營養(yǎng)化預測等功能［16］；五是需要實現(xiàn)常規(guī)水質的水環(huán)境容量核算，能夠針對水功能區(qū)的管理要求得到相應結果。

圖2 平臺系統(tǒng)框架Fig.2 Platform system framework

針對平臺核心模型多個方面的需求，水質模擬平臺需要設計用戶管理、地形概化、計算條件輸入、模型驗證與計算、結果分析、日志查詢等主要功能模塊，如圖3所示。

圖3 平臺主要功能Fig.3 Main functions of platform

用戶管理模塊用以維護系統(tǒng)安全、可以靈活控制文件存放位置，通常包括用戶登錄和項目路徑選擇2個功能。

地形概化在二維模型中指地形網格的生成，是一切數(shù)值模擬的基礎，合理的地形概化，直接影響模型計算成功和計算速度。平臺應設置包括網格、地形的二級校核，網格、地形的生成過程由地形獲取、河岸線展示、河道網格繪制和地形校核組成，可以依次實現(xiàn)相應功能：通過地形采集接口獲取資料缺乏地區(qū)的地形數(shù)據、展示河岸線、呈現(xiàn)河道網絡以完成網格校核、利用河道地形圖像實現(xiàn)二級校核——地形校核，來確定模擬地形的合理性。值得一提的是，地形圖像結果應由插值算法得出，需要實現(xiàn)三維仿真模擬地形圖的全方位查看、校驗，同時可以支持二維俯視平面地形圖輔助判斷，一旦地形模擬結果出現(xiàn)較大偏差，地形生成功能允許用戶重新進行覆蓋操作，直至生成符合水質模型計算的地形。

計算條件輸入模塊能夠為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據采集端口，可以錄入來流條件、污染源條件和模型參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據的自動化準備。來流部分應該包括模型的上、下游邊界和時間控制條件輸入；污染源部分要設置面源模型文件導入接口，還要實現(xiàn)模型點、面源的位置、排放流量及濃度條件輸入；參數(shù)部分則用于采集河道糙率、降解系數(shù)、釋放系數(shù)和河床底泥控制濃度數(shù)據。同時，條件輸入模塊還要提供錄入數(shù)據的編輯功能，方便用戶檢驗、修改或刪除數(shù)據。

模型驗證與計算模塊，需要先發(fā)出模型計算的事件請求，驅動水質模型并得到模擬結果。該模塊應該支持用戶設定任意的模擬精度，然后在此條件下根據實際水質監(jiān)測數(shù)據來計算模擬誤差，得到設定模擬精度下的不合格模擬結果，并據此判斷水質模型在應用水域的適應性。若沒有出現(xiàn)設定模擬精度外的計算結果，即說明模型驗證成功，反之，則調整計算條件輸入模塊中的模型參數(shù)，直至通過模型驗證。

結果分析模塊應該包括水環(huán)境容量分析和水質指標呈現(xiàn)。水環(huán)境容量根據水功能區(qū)劃分情況計算，可以同時展現(xiàn)局部和全河的水環(huán)境容量，水質指標呈現(xiàn)區(qū)域按照水質類別，分級展示河道水質的空間分布，并提供定位查詢和圖示分級統(tǒng)計的功能。

平臺還需要設置日志查詢模塊，用于輔助結果分析功能。在模型驗證通過后，運行日志開始記錄完整的操作信息，之后用戶每進行一次模型計算，日志便自動更新一次，增加新的方案計算條件與模擬結果。

2.4 平臺設計

為了實現(xiàn)模型的快速響應，滿足管理需求和兼顧平臺的可拓展性，下面以Java基礎類別框架（java foundation classes，JFC）為例來說明平臺設計。基于C/S三層架構進行設計，使用Java Swing等技術構建窗體應用程序界面，并采取Java面向對象技術（model view controller，MVC）和編程模式實現(xiàn)系統(tǒng)功能。其中，數(shù)據訪問層負責數(shù)據處理，通過標準的數(shù)據接口由數(shù)據訪問組件實現(xiàn)數(shù)據的即時獲取、寫入；二維數(shù)據的可視化呈現(xiàn)可通過Ja?va2D實現(xiàn)，三維數(shù)據的可視化呈現(xiàn)可以通過Py?thon圖像處理技術和Java等進行混合編程實現(xiàn)，運行內存量占比很小，沒有時滯性。C/S三層架構及關鍵實現(xiàn)技術如圖4所示。

圖4 C/S三層架構及關鍵實現(xiàn)技術Fig.4 C/Sthree-tier architectures and key techniques

Java Swing是一種用純Java語言實現(xiàn)的輕量級圖形組件技術，用于進行系統(tǒng)界面的設計。與抽象窗口工具包（abstract window toolkit，AWT）相比，基于Swing的窗體程序具備良好的跨平臺性，可以在Windows、Linux等多種操作系統(tǒng)下穩(wěn)定運行。Java Swing包括JFrame、JDialog等容器和JBut?ton、JCheckBox、JTextField等一整套圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）組件，組件量級輕、由自身外觀類支持，且外觀可插拔，既能夠根據需要選擇默認的樣式，也可以根據平臺特點設置相應的樣式，設計出美觀實用的用戶界面。同時，Java Swing結合Java的事件處理機制和Java I/O技術，能夠共同實現(xiàn)平臺的業(yè)務邏輯。

Java2D應用程序接口（application program?ming interface，API）是Java類庫提供的用于開發(fā)復雜界面、繪圖軟件和圖像編輯器的一套編程接口，它通過擴展AWT，對二維圖形、文本及成像功能提供了支持。作為Java基礎庫的一部分，Java2D API能夠將程序員從重復性的代碼中解放出來，易學易掌握。程序員通過調用基本幾何圖形，只需輸入幾何、位置、材質等基本參數(shù)，便可快捷創(chuàng)建或簡單或復雜的幾何圖形，并能夠進行填充、渲染、旋轉、縮放、移動、剪切等操作。此外，該系統(tǒng)還提供不同的過濾器處理圖像，具備許多增強AWT圖形、文本、圖像的功能，平臺開發(fā)人員不需掌握復雜的語法、記憶繁瑣的節(jié)點，就可以快速構建需要的二維圖形。

Python圖像處理類庫（python image library，PIL）提供了通用的圖像處理功能，以及大量有用的基本圖像操作，比如圖像縮放、裁剪、旋轉、顏色轉換等。和Java3D API相比，使用PIL進行圖像處理更簡單、更靈活、更強大，平臺的三維數(shù)據可視化呈現(xiàn)可以采用Python圖像處理技術與Java混和編程的方式，輕松構建所需要的三維場景，并能實現(xiàn)場景的瀏覽、查詢和交互功能。

2.5 平臺特點

1）通用性強，模型優(yōu)勢顯著

與傳統(tǒng)水質模型相比，平臺應當采用水動力水質耦合模型，并形成以下幾點優(yōu)勢。一是充分考慮地形資料的獲取難易程度，模型除了適用于地形數(shù)據詳實的河道，還能夠利用地形采集軟件，在數(shù)據較少與形式簡單的情況下實現(xiàn)地形模擬，具備較好的適應性；二要在點源污染模式下，再嵌套面源降雨徑流污染模型，并融合污染物綜合降解與底泥釋放因子，能夠反映點源、徑流面源及河流內源污染對水質的聯(lián)合影響；三是模型的水質模擬范圍要廣、運算速度要快，便于及時提出科學合理的水質改善工程方案，增強對政府部門的說服力。

2）模塊獨立，數(shù)據管理高效

平臺設計要確保其功能模塊各司其職并且連接合理，同時應該預留潛在接口，為開發(fā)者后期進行功能調整與改善提供支持，這樣既可以避免模塊構建的復雜性、保證平臺開發(fā)速度，又能擴展平臺的開放性。在數(shù)據管理方面，平臺還應該部署一系列成套的錯誤提示、數(shù)據編輯、多級校核等約束系統(tǒng)運行，從而有效避免人為誤差，來提升平臺查錯、糾錯的能力和運行的穩(wěn)定性，確保模型數(shù)據的自動化輸入、快捷調用與查驗。

3）結果可視，日志記錄清晰

先進的可視化技術會使數(shù)據呈現(xiàn)更加直觀、清晰，平臺應當建立起空間數(shù)據與屬性數(shù)據的連接，借助合適的插值算法，從而實現(xiàn)水質結果數(shù)據對現(xiàn)實世界高質量的虛擬顯示，并且支持平臺使用者對可視化圖形的定位查找、縮放、拖動與輸出等操作，來滿足用戶快速獲取河道水質空間分布與變化規(guī)律的需求。平臺應設置運行日志的生成功能，可以按照模型計算時間段進行查詢，完整的日志記錄便于管理者分析邊界、污染源等計算條件改變，引起河道水質分布趨勢和水環(huán)境容量的變化，為工程方案比選提供科學依據。

4）模擬智能，精度控制靈活

平臺的自動智能體現(xiàn)在模型的調試與計算過程。一方面平臺通過模型接口調用內置模型程序，實現(xiàn)數(shù)據交換與功能兼容，只要用戶輸入計算條件和目標需求，便可以一鍵驅動所有模型模塊聯(lián)動運行，不再需要用戶進行中間操作與監(jiān)控，具備自動化快速計算的特點。另一方面，模擬精度應當設為用戶靈活調控，平臺可以根據用戶意愿計算任意目標精度下的誤差，便于在參數(shù)調試時自動忽略驗證合格區(qū)，并且快速鎖定需要調整的參數(shù)區(qū)域，顯示誤差水平，極大減少用戶工作量，輔助平臺使用者高效地完成模型調試。

3 結 論

城市河流水質模擬是水環(huán)境管控的重要組成部分，涉及到生活與工業(yè)點源、徑流沖刷面源、河道內淤泥內源、河道生態(tài)基流等水環(huán)境信息，也關乎污染源管理、水環(huán)境風險控制、水生態(tài)修復等重大水環(huán)境管理決策的制定。城市河流水質模擬平臺將通過集成水質模型與用戶界面，突破傳統(tǒng)模擬軟件不能體現(xiàn)河流點源、面源、內源污染相結合模式下水質響應過程的限制，可以打破模型鮮少為非專業(yè)人員服務的技術壁壘，并能夠逐步實現(xiàn)數(shù)據輸入、模型驅動和結果呈現(xiàn)的智能化，在全面反映各種污染源對水質綜合作用的基礎上，用以增強分析水質與水環(huán)境容量分布、模擬污染治理效果、核查重要污染源的便利性，切合水環(huán)境管理等各項工作的功能和效率需求，以期有效地提升對水體污染防治與工程方案決策的支持能力。