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(cè)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(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)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(yùn)行，初期原水供應(yīng)規(guī)模約為200萬m3/d，遠(yuǎn)期達(dá)到351萬m3/d，主要供應(yīng)青浦、松江、金山、閔行、奉賢5個(gè)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(biāo)偏高。從水質(zhì)類別看，金澤取水水質(zhì)總體達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)[1]，但部分指標(biāo)如氨氮、溶解氧、鐵等存在季節(jié)性超標(biāo)，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(biāo)等環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。受太浦河航運(yùn)影響(船舶最大通行量>50艘/h)，流動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)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(huì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合申報(bào)國家“十三五”水專項(xiàng)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(fù)立項(xiàng)。該課題研究聚焦4個(gè)方面：水源地水質(zhì)特征研究與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(cè)預(yù)警平臺(tái)構(gòu)建及業(yè)務(wù)化應(yīng)用。本平臺(tái)是課題研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

2 研究?jī)?nèi)容

在金澤水源地上下游跨區(qū)域、跨部門監(jiān)測(cè)資源集成、分析的基礎(chǔ)上，依托水動(dòng)力學(xué)和生態(tài)動(dòng)力學(xué)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(yù)測(cè)和水質(zhì)預(yù)測(cè)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(cè)與預(yù)警業(yè)務(wù)化平臺(tái)。平臺(tái)主要集成水質(zhì)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)分析、模型預(yù)測(cè)、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(shí)別等監(jiān)控業(yè)務(wù)模塊，也包含對(duì)重要場(chǎng)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(cè)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊包括監(jiān)測(cè)資源和綜合水質(zhì)2項(xiàng)。

2.1.1 監(jiān)測(cè)資源

集成金澤水源地上下游跨區(qū)域、跨部門監(jiān)測(cè)資源，形成數(shù)據(jù)共享中心，監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)16個(gè)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)共160余項(xiàng)，指標(biāo)類型主要包括水位、流量、水溫、pH、電導(dǎo)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(lán)綠藻、揮發(fā)酚、銻、總有機(jī)碳(TOC)、鹽度、氧化還原點(diǎn)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(biāo)等；多數(shù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸頻率為分鐘級(jí)，部分指標(biāo)如總氮、總磷、氨氮、銻、TOC、生物毒性等可達(dá)到小時(shí)級(jí)。人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)27個(gè)，其中12個(gè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)從地表水標(biāo)準(zhǔn)[1]監(jiān)測(cè)指標(biāo)中篩選出的13項(xiàng)，監(jiān)測(cè)頻率約2次/周；其余15個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表水109項(xiàng)[1]，除少數(shù)點(diǎn)外，常規(guī)29項(xiàng)監(jiān)測(cè)頻率1次/月，特定項(xiàng)監(jiān)測(cè)頻率1次/季度。水文水質(zhì)指標(biāo)均支持歷史數(shù)據(jù)查詢，在線水質(zhì)指標(biāo)支持實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)警。

2.1.2 綜合水質(zhì)

根據(jù)太浦河沿程監(jiān)測(cè)點(diǎn)最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(常規(guī)29項(xiàng)+銻)，采用綜合污染指數(shù)法[2-3]計(jì)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(jí)，并以不同顏色三維動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)分析模塊包括污染源、風(fēng)險(xiǎn)源、通量分析、濃度分布4個(gè)功能項(xiàng)。

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(diǎn)源(潛在點(diǎn)源)及污染物簡(jiǎn)要信息。點(diǎn)源(潛在點(diǎn)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(xué)品倉庫(石油類及其他)等約650個(gè)點(diǎn)項(xiàng)。

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)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(jí)預(yù)警并進(jìn)行三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示。油船或化學(xué)品船進(jìn)入距取水口5～10 km顯示Ⅲ級(jí)預(yù)警；油船或化學(xué)品船進(jìn)入距取水口1～5 km顯示Ⅱ級(jí)預(yù)警；船舶進(jìn)入距取水口1 km顯示Ⅰ級(jí)預(yù)警。

2.2.3 通量分析

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過計(jì)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(xué)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(xiàn)率，并結(jié)合出入河特征，進(jìn)行三維動(dòng)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(diǎn)數(shù)平均413個(gè)/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(yù)測(cè)

模型預(yù)測(cè)模塊包括水動(dòng)力、溢油、化學(xué)品泄漏、銻濃度、藻類生態(tài)、供水量/水質(zhì)6個(gè)功能項(xiàng)。

2.3.1 水動(dòng)力模型

在水動(dòng)力模擬三維動(dòng)態(tài)展示界面(圖2)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬預(yù)見期(最長(zhǎng)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(dòng)力?？牲c(diǎn)擊查詢范圍內(nèi)任意點(diǎn)位當(dāng)前流速、流向等。水動(dòng)力模型與溢油、化學(xué)品泄漏、銻濃度及藻類生態(tài)等模型實(shí)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(dòng)態(tài)模擬預(yù)見期內(nèi)溢油在水體中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。根據(jù)輸入?yún)?shù)，自動(dòng)計(jì)算油類在每一時(shí)刻距離取水口的距離和到達(dá)取水口所需時(shí)間。可點(diǎn)擊查詢范圍內(nèi)任意點(diǎn)位油類擴(kuò)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(yù)見期內(nèi)油污厚度和黏度的變化。可模擬柴油等26種常見油品的遷移擴(kuò)散。

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

2.3.3 化學(xué)品泄漏模型

在化學(xué)品泄漏模擬展示界面(圖4)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬預(yù)見期內(nèi)泄漏化學(xué)品在水體中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。根據(jù)輸入?yún)?shù)，自動(dòng)計(jì)算化學(xué)品在每一時(shí)刻距離取水口的距離和到達(dá)取水口所需時(shí)間?？牲c(diǎn)擊查詢范圍內(nèi)任意點(diǎn)位化學(xué)品擴(kuò)散濃度信息，并以曲線圖的形式展現(xiàn)該位置從化學(xué)品擴(kuò)散開始一定時(shí)間內(nèi)的濃度變化。

圖4 化學(xué)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(dòng)態(tài)模擬預(yù)見期內(nèi)河網(wǎng)銻濃度變化?？牲c(diǎn)擊查詢范圍內(nèi)任意位置銻濃度模擬值，查看實(shí)測(cè)點(diǎn)位銻濃度實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)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(dòng)力學(xué)模型

基于庫區(qū)水動(dòng)力，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬預(yù)見期(最長(zhǎng)7 d)內(nèi)金澤水庫總氮、總磷、溶解氧、葉綠素a、藍(lán)藻總數(shù)及藻類生物量的變化(圖6)。可查看實(shí)測(cè)點(diǎn)位各指標(biāo)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線圖(可查詢30 d歷史信息)?？牲c(diǎn)擊查詢庫區(qū)任意位置水質(zhì)及藻類指標(biāo)模擬值。

圖6 藻類生態(tài)動(dòng)力學(xué)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(yù)測(cè)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(cè)點(diǎn)水質(zhì)(氨氮、高錳酸鹽指數(shù)等)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比信息，預(yù)測(cè)明后兩日水質(zhì)指標(biāo)值；可查看青浦、松江、金山、閔行、奉賢5個(gè)區(qū)供水量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線圖，預(yù)測(cè)從今日起3 d內(nèi)的供水量值。

圖7 供水量/水質(zhì)預(yù)測(cè)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(xué)品泄漏調(diào)度、銻污染調(diào)度、常規(guī)水質(zhì)超標(biāo)調(diào)度4個(gè)功能項(xiàng)。運(yùn)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(tái)界面輸入太湖水位、相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(duì)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(gè)功能項(xiàng)。庫區(qū)(生態(tài))調(diào)控界面對(duì)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(jìn)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(cè)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(duì)油類、化學(xué)品污染及水質(zhì)異常的應(yīng)急措施，并為應(yīng)急提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

2.6 其他

2.6.1 三維可視化

平臺(tái)對(duì)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(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維可視化建設(shè)。包括對(duì)河流、陸地、水陸邊界、道路、岸坡、綠化、建筑、構(gòu)筑物、機(jī)泵及機(jī)泵開停實(shí)時(shí)信號(hào)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(yù)報(bào)警

針對(duì)日常監(jiān)控操作簡(jiǎn)單、實(shí)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(shí)別等功能項(xiàng)。在線數(shù)據(jù)監(jiān)控界面集成了金澤水源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控與預(yù)報(bào)警功能；船舶AIS監(jiān)控界面集成了金澤水源實(shí)時(shí)船舶AIS信息；視頻監(jiān)控識(shí)別界面集成金澤水文站、金澤取水口2套視頻監(jiān)控識(shí)別信息，可對(duì)河道水葫蘆等漂浮型污染物進(jìn)行智能識(shí)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(xué)咨詢有限公司(ASA)OilMap模型[4-5]，構(gòu)建太浦河溢油模型，計(jì)算模擬泄漏油品在水體表面的運(yùn)動(dòng)軌跡；用溢油粒子表示，在風(fēng)和水流作用下結(jié)合隨機(jī)擾動(dòng)分散進(jìn)行平流輸送；模擬考慮蒸發(fā)、擴(kuò)散、進(jìn)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。基于ASA的ChemMap模型[6]，構(gòu)建太浦河化學(xué)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(xué)品遷移轉(zhuǎn)化過程?；谔饔蚝泳W(wǎng)水動(dòng)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(shí)間的遷移轉(zhuǎn)化；水動(dòng)力模塊基于Saint-Venant方程，污染模塊基于物質(zhì)輸移的對(duì)流擴(kuò)散方程。通過本技術(shù)應(yīng)用，可將模型預(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)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(shí)序耦合分析和序列標(biāo)注模型，開發(fā)流式數(shù)據(jù)預(yù)處理引擎，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行流式預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)中斷、越界、毛刺數(shù)據(jù)的識(shí)別及異常值替換；通過數(shù)據(jù)質(zhì)量可視化分析，對(duì)數(shù)據(jù)中斷及有效性狀況進(jìn)行監(jiān)控分析。采用K最近鄰插補(bǔ)法[10]和線性插補(bǔ)法[11]對(duì)重復(fù)、異常的供水量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；采用局部離群點(diǎn)檢測(cè)算法檢測(cè)水質(zhì)異常數(shù)據(jù)，利用線性插值法[11]進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)、關(guān)聯(lián)分析及存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)可回溯、可復(fù)用，并應(yīng)用于污染物視頻監(jiān)控識(shí)別。通過本技術(shù)應(yīng)用，可將平臺(tái)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(dá)到98%以上，視頻數(shù)據(jù)可用率達(dá)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(fēng)浪、水生動(dòng)物牧食等因素影響明顯，可通過沉缸、潛床、生長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)初期降低水庫運(yùn)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(xué)特性，選擇適宜時(shí)間和方式種植水生植物；通過植物對(duì)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(shí)間進(jìn)行收割，避免植物體內(nèi)氮磷大量釋放進(jìn)水中。金澤水庫目前已實(shí)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(dòng)物，并控制兇猛魚類，投放部分食有機(jī)碎屑的魚類(如細(xì)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)到3齡，生長(zhǎng)加速度最大，3齡后體重增長(zhǎng)減緩，對(duì)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(shí)鰱魚類平均規(guī)格為體長(zhǎng)36.8 cm，體重約為1 100 g；鳙魚類平均規(guī)格為體長(zhǎng)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(jí)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(jì)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(cè)與預(yù)警業(yè)務(wù)化平臺(tái)作為國家“十三五”水專項(xiàng)課題的一項(xiàng)研究成果，達(dá)到了金澤水源地多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建庫、三維展示、數(shù)據(jù)查詢、共享和預(yù)報(bào)警的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金澤水源地水動(dòng)力、溢油、化學(xué)品泄漏、銻濃度、藻類生態(tài)、供水量和常規(guī)水質(zhì)的預(yù)測(cè)模擬；平臺(tái)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(diǎn)關(guān)注平臺(tái)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用，在日常應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)化平臺(tái)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(kuò)大平臺(tái)資源共享實(shí)踐，可推廣應(yīng)用。