國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警研究進(jìn)展及業(yè)務(wù)發(fā)展思路

李 茜，張 鵬，彭福利，許 榮，朱莉莉，李健軍

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

地表水環(huán)境污染已經(jīng)是全球范圍內(nèi)普遍關(guān)注的環(huán)境問題，影響流域水環(huán)境的因素眾多，且由于流域特征各異，組成錯(cuò)綜復(fù)雜，水體受到的污染狀況也不同。在流域范圍內(nèi)，水環(huán)境與人類活動(dòng)息息相關(guān)，城市化進(jìn)程和人口密度的增加直接加劇了工業(yè)和生活地表水污染物排放，土壤退化和農(nóng)業(yè)活動(dòng)帶來的污染物則通過地表徑流進(jìn)入水體，對水環(huán)境質(zhì)量和水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響[1-3]。雖然我國水污染防治工作取得明顯成效，但水環(huán)境質(zhì)量形勢依然嚴(yán)峻。部分水體水環(huán)境質(zhì)量差，水環(huán)境隱患不容忽視，全國近80%的化工、石化項(xiàng)目布設(shè)在江河沿岸、人口密集區(qū)等敏感區(qū)域，水污染突發(fā)環(huán)境事件頻發(fā)[4]。要解決這些突出的水環(huán)境問題，達(dá)到2020年全面建成小康社會(huì)的環(huán)境要求，滿足人民群眾不斷增長的環(huán)境需求，水污染防治工作仍面臨巨大壓力。

水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)是對整個(gè)流域系統(tǒng)及其內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜污染過程進(jìn)行的定量化描述，不僅能明確污染物運(yùn)移的時(shí)空分布規(guī)律，還能夠估算流域污染負(fù)荷，識別污染物主要來源和途徑，構(gòu)建污染負(fù)荷消減方案，評估流域污染治理措施成效。因此，水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警是流域水環(huán)境管理實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、科學(xué)化的核心?！端廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》對水環(huán)境監(jiān)控預(yù)警提出了明確要求[5]，同時(shí)，水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警是統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理的重要部分，是推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要抓手，是滿足人民日益增長的美好生活需要的重要組成。為貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于生態(tài)文明建設(shè)的要求，提升水污染防治現(xiàn)代化水平，亟需形成國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警能力作為技術(shù)支撐。本文綜述了國內(nèi)外水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警的研究進(jìn)展，分析了國內(nèi)相關(guān)研究和業(yè)務(wù)開展的主要不足，并立足于國家層面提出水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警體系發(fā)展思路。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警是以流域?yàn)閱卧?，以定量的模型或方法模擬污染物在流域范圍內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程，確定水環(huán)境演變趨勢和空間分布，以期開展對水質(zhì)的常規(guī)預(yù)測和突發(fā)污染情況的預(yù)警，同時(shí)可用于水環(huán)境容量等計(jì)算，為流域污染防治規(guī)劃提供技術(shù)支撐[6-7]。水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)的核心是數(shù)值化模擬，即水環(huán)境模型的建立。水環(huán)境模型是用數(shù)學(xué)的語言和方法描述參加水循環(huán)的水體中水質(zhì)組分所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物和生態(tài)學(xué)諸方面的變化、內(nèi)在規(guī)律和相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[8]。

1.1 水質(zhì)模型研究進(jìn)展

自1925年STREETER等[9]提出BOD-DO模型，水環(huán)境模型的發(fā)展已歷經(jīng)90多年，歷經(jīng)3個(gè)階段，從點(diǎn)源污染模型發(fā)展到面源污染模型，從單一水質(zhì)模型發(fā)展到機(jī)理水質(zhì)模型。目前國際研究較多、基本獲得公認(rèn)的河流湖庫水質(zhì)模型有QUAL、MIKE、WASP、EFDC、Delft3D等，流域污染負(fù)荷模型有SWAT和HSPF等，模擬精度高、計(jì)算效率高、機(jī)理過程相對全面，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用在水質(zhì)預(yù)測、水質(zhì)預(yù)警、流域規(guī)劃、水污染治理措施研究等方面。國內(nèi)研究以對國際模型的二次開發(fā)和本地化應(yīng)用為主。水質(zhì)模型對比分析見表1。

1.1.1 水體水質(zhì)模型

1)QUAL2K。QUAL2K是美國環(huán)保署(USEPA)推出的一個(gè)綜合性、多用途的河流綜合水質(zhì)模型，QUAL2K是一維水質(zhì)模型，適用于模擬完全混合的枝狀河流水質(zhì)。作為穩(wěn)態(tài)模型，可以模擬污染負(fù)荷的總量、發(fā)生地點(diǎn)和河流水質(zhì)；可以模擬15種水質(zhì)參數(shù)，適用于河流和湖庫。QUAL2K在我國漢江中下游、錢塘江、滇池、官廳水庫、西苕溪等都有應(yīng)用實(shí)例。其優(yōu)點(diǎn)是由一些簡單模型組合而成，計(jì)算量較小；缺點(diǎn)是一維水質(zhì)模型，無水動(dòng)力模塊，應(yīng)用河段為有限的25個(gè)，可拓展性較弱[9-10]。

2)MIKE系列。MIKE系列模型是丹麥水動(dòng)力研究所(DHI)開發(fā)的水動(dòng)力水質(zhì)模型，其中MIKE11是適用河流、灌溉渠道等的一維動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型；MIKE21為二維動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型；MIKE3是三維模型。其使用范圍包括河流、湖庫、河口、海岸、灌溉渠道等，模擬參數(shù)包括水質(zhì)、重金屬、富營養(yǎng)化及生態(tài)狀況等[11-12]。適用性強(qiáng)、模擬精度較高，在非洲的Senegal流域，我國的三峽、葛洲壩、漢江中下游等均有應(yīng)用，可用于分析、規(guī)劃和管理大范圍的水資源和環(huán)境問題。其缺點(diǎn)是計(jì)算量大，所需時(shí)間較長，且不同過程耦合存在難度。

3)Delft3D。Delft3D是由荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的一套水動(dòng)力水質(zhì)模擬軟件包。該軟件具有靈活的框架，能夠模擬二維和三維的水流、波浪、水質(zhì)、生態(tài)、泥沙輸移和床底地貌以及各個(gè)過程之間的相互作用。Delft3D系統(tǒng)在國際上應(yīng)用十分廣泛，如荷蘭、波蘭、德國、澳大利亞、美國等，尤其是美國己經(jīng)有很長的應(yīng)用歷史[13]。中國香港地區(qū)從20世紀(jì)70年代中期開始使用Delft3D系統(tǒng)。Delft3D從20世紀(jì)80年代中期開始在中國內(nèi)地也有越來越多的應(yīng)用，如長江口、杭州灣、渤海灣、太湖、滇池。其缺點(diǎn)是作為商業(yè)化的軟件包，在二次開發(fā)和可拓展性方面受到限制。

4)EFDC。EFDC模型是由美國弗吉尼亞州海洋研究所和USEPA開發(fā)的三維地表水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，具有水動(dòng)力、水質(zhì)和沉積物模塊，可實(shí)現(xiàn)河流、湖泊、水庫、濕地系統(tǒng)、河口和海洋等水體的水動(dòng)力學(xué)和水質(zhì)模擬，是一個(gè)多參數(shù)有限差分模型[14-16]。目前該模型已在美國和歐洲等100多個(gè)水體區(qū)域應(yīng)用，在我國主要應(yīng)用于云南滇池水質(zhì)模擬、重慶兩江匯流水動(dòng)力模擬、密云水庫營養(yǎng)物模擬和內(nèi)蒙古烏梁素海地區(qū)的水質(zhì)模擬等。EFDC的優(yōu)點(diǎn)是具有多維模擬功能，通用性強(qiáng)，精度較高，缺點(diǎn)是對基礎(chǔ)資料要求全面，對水文水質(zhì)等專業(yè)基礎(chǔ)知識要求比較高，建模復(fù)雜度相對較高。

5)WASP。WASP是由USEPA提出的基于質(zhì)量守恒原理的動(dòng)態(tài)水質(zhì)模型，能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預(yù)測由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況，可以模擬一維水動(dòng)力、常規(guī)污染物(溶解氧、生化需氧量、氨氮、葉綠素a、有機(jī)磷等)和有毒污染物(重金屬和沉積物、有機(jī)農(nóng)藥等)在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律[17-18]。WASP是水體的動(dòng)力學(xué)箱式模型，通過對水體進(jìn)行合理分段，可以模擬一維、二維和三維水質(zhì)，模擬隨時(shí)間變化的平流、彌散流、點(diǎn)源和非點(diǎn)源的污染物負(fù)荷、邊界交換等情況。WASP已在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)的研究內(nèi)容包含了重金屬污染模擬、河流富營養(yǎng)化、港口揮發(fā)性有機(jī)物污染模擬、太湖藻類的動(dòng)態(tài)模擬、蘇州河環(huán)境綜合整治方案模擬、南水北調(diào)對水質(zhì)影響的模擬等，在廣泛的應(yīng)用實(shí)例中證實(shí)了其科學(xué)性和適用性。

6)HIMS-HEQM。HIMS-HEQM是中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所開發(fā)的流域水循環(huán)系統(tǒng)模型，其中HIMS為多尺度分布式水循環(huán)模型，主體結(jié)構(gòu)包括水循環(huán)多源信息集成平臺(tái)、水循環(huán)多元要素定量遙感反演系統(tǒng)、水循環(huán)程模塊庫集成系統(tǒng)、多尺度分布式水循環(huán)定制模擬系統(tǒng)、水文分析工具箱以及圖形界應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)等；HEQM綜合考慮變化環(huán)境下水文循環(huán)和營養(yǎng)源循環(huán)在陸面、土壤、植被和河流水體中的相互作用關(guān)系以及閘壩調(diào)控、排污和閘壩調(diào)控對水和營養(yǎng)源循環(huán)的影響。HIMS-HEQM具有多尺度嵌套、拓展性強(qiáng)、機(jī)理模擬過程全面等特點(diǎn)，HIMS及其定制模型已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，HEQM已在我國潮白河流域、新安江流域、淮河流域、長江流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)區(qū)、太湖典型流域、深圳梯級水庫控制流域、珠江柴石灘水庫控制流域等多個(gè)區(qū)域的水量水質(zhì)耦合模擬、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染估算等方面得到了應(yīng)用。

表1 水質(zhì)模型對比分析Table 1 Comparison of water quality model

1.1.2 流域面源污染負(fù)荷模型

流域面源污染是指溶解性或固體污染物從非特定的地點(diǎn)，在降水和徑流沖刷作用下，通過徑流過程匯入受納水體而引起的水體污染，主要來源包括水土流失、農(nóng)業(yè)化肥施用、城市徑流、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)與農(nóng)村廢棄物等。由于面源污染起源于分散、多樣的廣域地區(qū)，其危害規(guī)模大且防治困難。20世紀(jì)70年代，流域面源污染負(fù)荷模型在面源污染模擬、預(yù)測和關(guān)鍵源區(qū)識別等方面有了大量應(yīng)用。按照流域模型的參數(shù)空間特征劃分，面源污染模型大致可分為分布式和集總式2類。中國際公認(rèn)和應(yīng)用廣泛的分布式模型有ANSWERS、AGNPS(AnnAGNPS)和SWAT模型，優(yōu)點(diǎn)在于其機(jī)理模擬比較符合實(shí)際，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較豐富的條件下可以比較精確地模擬小區(qū)域或整個(gè)流域的面源污染，缺點(diǎn)是需要大量數(shù)據(jù)作支撐。對國際公認(rèn)且在國內(nèi)有應(yīng)用實(shí)例的5個(gè)面源污染模型的主要特點(diǎn)歸納如表2所示[19-25]。

表2 面源污染模型對比分析Table 2 Comparison of non-point pollution model

1.2 水質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研究進(jìn)展

1.2.1 國外研究進(jìn)展

國外相關(guān)研究起步較早，文獻(xiàn)多集中于針對突發(fā)水污染事件的水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)建立與應(yīng)用，基于常規(guī)水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警功能的應(yīng)用并不多見。美國在俄亥俄河及密西西比河，英國在特棱特河、迪河及泰恩河，法國在塞納河均建立了突發(fā)水污染事故預(yù)警系統(tǒng)。由德國、奧地利、匈牙利等9個(gè)歐洲國家共同開發(fā)的多瑙河事故應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)，是由多瑙河沿岸各國的國際警報(bào)中心(PIAC)和各國的學(xué)術(shù)支持機(jī)構(gòu)組成的，在預(yù)測預(yù)報(bào)多瑙河流域水質(zhì)變化、保障居民飲水安全等方面發(fā)揮了重要作用[26-27]。

1.2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

我國地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)歷經(jīng)近30年的發(fā)展，建立了覆蓋全國十大流域、指標(biāo)完備的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，形成了完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)體系。“十三五”期間國控?cái)嗝?點(diǎn)位)為2 767個(gè)，共監(jiān)測1 366條河流139座重要湖庫，并要在“十三五”期間形成覆蓋全部2 050個(gè)考核斷面的國家水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站網(wǎng)。基于水質(zhì)自動(dòng)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，大多省級監(jiān)測站和部分市級監(jiān)測站建立了基于自動(dòng)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的水質(zhì)異常報(bào)警系統(tǒng)。以四川、浙江、廣東和江蘇為代表的省份以科研項(xiàng)目研究為依托，對基于數(shù)值模擬的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了探索性研究。

四川省基于水專項(xiàng)課題，構(gòu)建了流域水環(huán)境突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系與基礎(chǔ)信息平臺(tái)以及三峽水庫上游入庫干支流污染物通量預(yù)警模型。目前，四川省環(huán)境監(jiān)測總站將科研成果進(jìn)一步拓展，探索在岷沱江流域的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。浙江省的水專項(xiàng)課題對水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警進(jìn)行了研究，建立區(qū)域點(diǎn)源、非點(diǎn)源及通量等多要素動(dòng)態(tài)源清單，提出以跨界污染物通量自動(dòng)監(jiān)測驅(qū)動(dòng)河網(wǎng)模型模擬結(jié)，動(dòng)態(tài)計(jì)算區(qū)域控制單元的容量總量等，但科研成果并未進(jìn)行及時(shí)更新，沒有開展業(yè)務(wù)化應(yīng)用。廣東省在北江流域探索建立水源水質(zhì)安全監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)，研發(fā)了水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估和風(fēng)險(xiǎn)源解析技術(shù)、水環(huán)境預(yù)警監(jiān)控和應(yīng)急決策支持系統(tǒng)，構(gòu)建了武江流域水質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)模型。江蘇省建立了水質(zhì)自動(dòng)站實(shí)時(shí)監(jiān)控三級預(yù)警體系，形成高效的水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警處置機(jī)制，協(xié)助查處100多起污染情況；建立了太湖水污染及藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警體系，能夠?qū)λ{(lán)藻水華開展近3日預(yù)報(bào)。

2 存在問題

綜合國內(nèi)外研究進(jìn)展可以看出，在科研方面，國際主流的水質(zhì)模型較為成熟，但國內(nèi)基于水質(zhì)模型的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警科學(xué)研究多以小流域?yàn)閷ο螅狈暧^尺度的設(shè)計(jì)和運(yùn)用。在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面，國內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)多以水質(zhì)自動(dòng)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控為基礎(chǔ)，基于機(jī)理模型的預(yù)報(bào)預(yù)警大多處在科研階段，沒有形成對水污染防治提供決策支撐的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1)科研與實(shí)踐多以小流域?yàn)閷ο?，缺乏宏觀流域尺度應(yīng)用?？v觀基于數(shù)值模擬的流域綜合管理的科學(xué)研究，基本以單個(gè)水系、集水區(qū)或小流域?yàn)閷ο螅饕怯捎跈C(jī)理模型所需的水文水質(zhì)監(jiān)測、下墊面狀況等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量繁多，參數(shù)率定復(fù)雜，需要專業(yè)的基礎(chǔ)知識進(jìn)行建模，因此缺乏大尺度的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

2)業(yè)務(wù)應(yīng)用以實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警為主，缺乏決策支持功能。在國家和地方層面開展的水環(huán)境預(yù)警業(yè)務(wù)，多是以水質(zhì)自動(dòng)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控為基礎(chǔ)，對發(fā)現(xiàn)的水質(zhì)異?，F(xiàn)象發(fā)出預(yù)警并進(jìn)行現(xiàn)場核實(shí)?，F(xiàn)有進(jìn)行業(yè)務(wù)化應(yīng)用的水環(huán)境監(jiān)控平臺(tái)大多缺乏基于數(shù)值模擬的水質(zhì)常規(guī)預(yù)報(bào)功能，以及在水環(huán)境分析評價(jià)基礎(chǔ)上的治理決策綜合支撐功能。

3)對水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)的認(rèn)識尚未統(tǒng)一，缺乏頂層設(shè)計(jì)。目前，無論是科研工作者還是監(jiān)測站技術(shù)人員，對于開展國家層面的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)尚有不同的認(rèn)知，還未達(dá)到統(tǒng)一。在必要性的認(rèn)知上，大家都認(rèn)為開展這項(xiàng)業(yè)務(wù)意義深遠(yuǎn)，但部分技術(shù)人員對業(yè)務(wù)開展的可行性有疑慮，認(rèn)為數(shù)據(jù)量獲取的難度和建模的復(fù)雜性都很大，其專業(yè)性很強(qiáng)，系統(tǒng)建設(shè)周期和后期維護(hù)難度大，不易推廣。

綜合以上國內(nèi)外研究進(jìn)展的分析以及存在問題，結(jié)合以水環(huán)境質(zhì)量改善為核心，以流域水污染突出問題為導(dǎo)向，以水污染防治工作目標(biāo)為引領(lǐng)的目標(biāo)，初步提出國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警的發(fā)展思路。

3 國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警發(fā)展思路

3.1 總體目標(biāo)

國家層面以重點(diǎn)流域/湖庫為單元，研究建成集水環(huán)境質(zhì)量預(yù)測預(yù)報(bào)、水環(huán)境污染事故預(yù)警與模擬、面源污染負(fù)荷匡算與風(fēng)險(xiǎn)評估、水環(huán)境污染物追因溯源、水環(huán)境容量和承載力評估等應(yīng)用為一體的國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警能力。在國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警形成基本能力的基礎(chǔ)上逐步推開，建設(shè)架構(gòu)統(tǒng)一、業(yè)務(wù)協(xié)同、資源共享、上下游聯(lián)動(dòng)的全國-流域-省級-城市4級水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，為重點(diǎn)流域水污染防治、省市水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管和目標(biāo)考核提供科學(xué)有效的技術(shù)支撐。

3.2 基本原則

1)業(yè)務(wù)與科研相結(jié)合，引入外腦與強(qiáng)化內(nèi)功相統(tǒng)籌?？萍脊リP(guān)是業(yè)務(wù)化應(yīng)用的必要基礎(chǔ)，業(yè)務(wù)化應(yīng)用是科技攻關(guān)的出發(fā)點(diǎn)和根本目標(biāo)。通過引入外腦、強(qiáng)化內(nèi)功，組建水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警科研攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，保障業(yè)務(wù)體系的科學(xué)性和先進(jìn)性，提高監(jiān)測隊(duì)伍的技術(shù)水平。形成符合我國水環(huán)境質(zhì)量管理要求，具有我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測特色的業(yè)務(wù)體系。

2)一維與多維相結(jié)合，宏觀與微觀相統(tǒng)籌。機(jī)理模型的尺度把握至關(guān)重要，一維模擬的建設(shè)速度快、參數(shù)少，二維/三維模擬的精度高、展示效果好，要從研究范圍和應(yīng)用目的、綜合成本和效益進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。國家層面是在流域尺度，從宏觀上把握水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變規(guī)律并預(yù)測預(yù)警，因此應(yīng)以一維模擬為主，在重點(diǎn)河段輔以二維/三維模擬，形成完備適用、科學(xué)合理的應(yīng)用手段。

3)水體與流域相結(jié)合，點(diǎn)源與面源相統(tǒng)籌。水文循環(huán)過程與流域生態(tài)過程歸屬于一個(gè)緊密耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，這就要求在建模過程中將受納水體水質(zhì)模型與流域面源污染負(fù)荷模型進(jìn)行有效的耦合。流域面源污染負(fù)荷模型的建立將對面源污染這一形勢愈加嚴(yán)峻且計(jì)算難度高的污染類型進(jìn)行解析和匡算，與點(diǎn)源污染排放清單相統(tǒng)籌，形成覆蓋全面、點(diǎn)面結(jié)合的模型體系。

4)國家與地方相結(jié)合，先行先建與整體帶動(dòng)相統(tǒng)籌。在4級水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的功能部署中，國家層面除了流域尺度的業(yè)務(wù)應(yīng)用外，需要提供一整套先進(jìn)可行、覆蓋全面的技術(shù)方法指南，以期保障國家-流域-省級-城市4級業(yè)務(wù)體系的架構(gòu)統(tǒng)一、業(yè)務(wù)協(xié)同。地方層面上，有基礎(chǔ)的省市要找準(zhǔn)問題和需求，發(fā)揮各自優(yōu)勢先行先建，同時(shí)起到整體帶動(dòng)的作用，做到資源共享、保證上下游聯(lián)動(dòng)。形成上下聯(lián)動(dòng)、統(tǒng)籌兼顧的整體業(yè)務(wù)布局。

3.3 業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建設(shè)4級水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，要以2套體系(技術(shù)方法體系和業(yè)務(wù)體系)為保障，以2類模型(水質(zhì)模型和面源污染模型)為支撐，依托1個(gè)平臺(tái)(水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警決策支持平臺(tái))，開展環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)化應(yīng)用、治理決策精細(xì)化支撐、污染事故科學(xué)化處置和數(shù)據(jù)產(chǎn)品社會(huì)化服務(wù)這4種業(yè)務(wù)應(yīng)用(圖1)。

圖1 水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)體系架構(gòu)圖Fig.1 The framework of operational system of national water quality forecasting and alarming

3.3.1 構(gòu)建模型體系

根據(jù)國內(nèi)外主流水質(zhì)模型的研究進(jìn)展，水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用系統(tǒng)工程的方法，建立面源污染模型和水體水質(zhì)模型相耦合的多模型集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，所采用的機(jī)理模型必須經(jīng)過研究和應(yīng)用檢驗(yàn)，較成熟穩(wěn)定，達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平并具備二次開發(fā)條件。在重點(diǎn)流域，需發(fā)揮不同模型組合的優(yōu)勢，建立不少于3套國內(nèi)外先進(jìn)模型組合并實(shí)現(xiàn)多模型集合預(yù)報(bào)，每套模型組合可獨(dú)立模擬面源污染和水體水質(zhì)全過程。基于現(xiàn)有國內(nèi)外先進(jìn)模型，如HIMS-HEQM、SWAT、HSPF、EFDC、WASP、SELFE、Delft3D、DRONIC、TELEMAC等，使用歷史資料進(jìn)行充分的本地化參數(shù)率定校準(zhǔn)。同時(shí)，進(jìn)行集合預(yù)報(bào)優(yōu)化，對多套模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對比校驗(yàn)，利用包括多元回歸、偏差訂正、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對多套水環(huán)境質(zhì)量集合預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)集成。

面源污染機(jī)理過程模擬至少包括水文循環(huán)、土壤侵蝕、營養(yǎng)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等功能模塊，為水體水質(zhì)模型提供徑流和面源污染輸入；水文水質(zhì)機(jī)理過程模擬至少包括水動(dòng)力、閘壩控制、水質(zhì)、病原體與有毒物質(zhì)等功能模塊。

3.3.2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)化應(yīng)用。生產(chǎn)包括水文、水質(zhì)、水華在內(nèi)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對水質(zhì)和通量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，整合建立點(diǎn)源污染排放清單，為水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管提供的實(shí)時(shí)高效的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品。①水文預(yù)報(bào)。能夠提供未來3 d可用和未來4～7 d可供參考的流域水位、流速、流量、水溫等預(yù)報(bào)產(chǎn)品。②水質(zhì)預(yù)報(bào)。能夠提供未來3 d可用和未來4～7 d可供參考的懸浮物、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODCr)、重金屬類等主要污染物濃度、水質(zhì)類別、首要污染物預(yù)報(bào)產(chǎn)品。③湖庫富營養(yǎng)化預(yù)報(bào)。能夠提供未來7 d可供參考的葉綠素a，藍(lán)藻、綠藻、硅藻的濃度，水華爆發(fā)時(shí)間和面積等預(yù)報(bào)產(chǎn)品。④水質(zhì)和通量預(yù)警。系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求設(shè)置預(yù)警指標(biāo)參數(shù)，基于實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，對一定時(shí)間周期內(nèi)的超過設(shè)定參數(shù)的水質(zhì)大幅變化超標(biāo)、污染物偷排、水質(zhì)趨勢性異常變化、斷面通量異常等進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警。

2)治理決策精細(xì)化支撐。以機(jī)理水質(zhì)模型和面源模型為應(yīng)用支撐，可對水環(huán)境容量和承載力進(jìn)行核算，進(jìn)而規(guī)劃污染消減方案；可對污染物來源進(jìn)行追因溯源，鎖定風(fēng)險(xiǎn)源；可對面源污染的來源和遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行模擬，從而識別管控關(guān)鍵源區(qū)，是精準(zhǔn)實(shí)施水污染防治決策、科學(xué)制定水環(huán)境管理規(guī)劃的技術(shù)支撐。①水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估。面向江河沿岸、人口密集區(qū)等敏感區(qū)域密集分布污染源影響及水環(huán)境質(zhì)量管理需求，建立水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)。建設(shè)流域點(diǎn)源污染排放清單，集成整合污染源位置、排污口位置、特征污染物、污染排放等信息，確定污染源排放與流域匯合點(diǎn)、污染源影響范圍等，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對清單信息進(jìn)行管理、編輯和動(dòng)態(tài)更新。應(yīng)用面源污染模型，對氮、磷等營養(yǎng)元素和主要重金屬的面源污染符合進(jìn)行定量匡算，擬合面源污染負(fù)荷的入河量，計(jì)算其對水體污染的貢獻(xiàn)量及貢獻(xiàn)率。設(shè)定閾值參數(shù)，識別出面源污染關(guān)鍵源區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。具備分析面源污染月度、水期、年度的時(shí)間變化趨勢和空間分布特征功能。②水環(huán)境容量核算及承載力評估。在水環(huán)境質(zhì)量數(shù)值模型支撐下，模擬受納水體在一定的環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)規(guī)劃設(shè)定條件下的水環(huán)境容量，依據(jù)水環(huán)境容量和污染負(fù)荷現(xiàn)狀，對流域/湖庫、行政區(qū)的水環(huán)境容量和水環(huán)境承載力開展風(fēng)險(xiǎn)評估和超載預(yù)警。③決策支持分析。根據(jù)重點(diǎn)流域控制單元、河湖長制管理需求，對水質(zhì)現(xiàn)狀、水文水質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行對比，分析主要污染物來源，對影響水質(zhì)的主要污染源治理措施進(jìn)行水質(zhì)改善效果的情景模擬。模擬結(jié)果可用于規(guī)劃和構(gòu)建流域/湖庫或行政區(qū)的污染負(fù)荷消減方案和空間分配方案。④污染溯源分析。對污染物來源進(jìn)行追因溯源，掌握污染物的擴(kuò)散及空間變化路徑，基于工業(yè)和生活的點(diǎn)源污染排放量，以及農(nóng)村生活、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田徑流等面源污染負(fù)荷，解析各類污染來源對重點(diǎn)斷面主要污染物通量的貢獻(xiàn)量、貢獻(xiàn)率及其時(shí)空變化特征。在水環(huán)境污染物濃度或通量發(fā)生較大變化，觸發(fā)水質(zhì)大幅變化超標(biāo)預(yù)警、偷排預(yù)警時(shí)，進(jìn)行異常水污染溯源分析，結(jié)合空間拓?fù)浼夹g(shù)和超標(biāo)污染物特征，對污染來源進(jìn)行篩查和定位。

3)污染事故科學(xué)化處置。突發(fā)水污染事故會(huì)帶來水環(huán)境破壞，威脅飲用水安全并造成嚴(yán)重的社會(huì)影響，在水質(zhì)模型的支撐下建立突發(fā)水污染事故仿真模擬，可以實(shí)時(shí)模擬水污染事件的時(shí)空變化、影響人口和飲用水威脅，為快速有效的應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù)。①突發(fā)水污染事故仿真模擬。建立突發(fā)水污染擴(kuò)散模型，依據(jù)污染事故的發(fā)生位置、污染物類型、泄漏量、泄露方式、氣象水文條件等信息，動(dòng)態(tài)模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，計(jì)算污染物的濃度分布、污染物到達(dá)下游重要斷面的時(shí)間、超過指定閾值的污染帶時(shí)空分布范圍等。評估污染事件影響地區(qū)的人口、威脅飲用水安全的超標(biāo)程度等。②突發(fā)水污染事故應(yīng)急處置決策支持。建立污染物屬性數(shù)據(jù)庫、突然污染物的應(yīng)急處理處置技術(shù)數(shù)據(jù)庫等，包含常見污染物的理化常數(shù)、環(huán)境影響、實(shí)驗(yàn)室檢測方法、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)急處理處置方法等，為污染事故的快速應(yīng)急處置提供科學(xué)的決策支持。

4)數(shù)據(jù)產(chǎn)品社會(huì)化服務(wù)。對水環(huán)境質(zhì)量預(yù)測預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)布與共享，針對環(huán)境管理部門、監(jiān)測業(yè)務(wù)部門、普通大眾等不同用戶類型的需求進(jìn)行有針對的社會(huì)化服務(wù)。實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)流域/湖庫國控?cái)嗝娴乃|(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)布、預(yù)警信息實(shí)時(shí)推送和水質(zhì)信息專題圖生成等功能，體現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)預(yù)警信息展示一體化、空間查詢一體化及數(shù)據(jù)管理一體化，提高環(huán)境監(jiān)測支撐環(huán)境監(jiān)控管理、滿足公眾知情權(quán)的能力。

3.3.3 建立2套體系

國家層面建立水環(huán)境質(zhì)量數(shù)值模擬技術(shù)方法體系、水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)體系，確保在不同流域/湖庫、各省市時(shí)空分辨率及下墊面的差異下，本地化模型能夠協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)、互聯(lián)互通；確保在業(yè)務(wù)化運(yùn)行中，全國-流域-省級-城市四級水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)能夠流程規(guī)范、口徑一致。

1)水環(huán)境質(zhì)量數(shù)值模擬技術(shù)方法體系。研究建立水環(huán)境質(zhì)量數(shù)值模擬技術(shù)方法體系，力求全國的業(yè)務(wù)開展能夠統(tǒng)一水環(huán)境質(zhì)量建模架構(gòu)、摸清污染源來源和數(shù)量、掌握水環(huán)境容量和承載力評估技術(shù)方法，搞清水環(huán)境污染物來源。

2)水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)體系。明確國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、國家水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警業(yè)務(wù)機(jī)制和基本流程，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合流域/湖庫、省、市水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)開展情況，研究建立流域/湖庫、省級、城市的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)機(jī)制、預(yù)報(bào)預(yù)警信息共享交換機(jī)制等。

3.3.4 搭建一個(gè)平臺(tái)

研究建立水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警決策支持平臺(tái)，在一套完整的地理空間數(shù)據(jù)集、水文氣象數(shù)據(jù)集、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)集、污染源數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，運(yùn)用大數(shù)據(jù)、GIS等技術(shù)，集成流域/湖庫的水質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警常規(guī)化模擬、決策支持智能化分析、數(shù)據(jù)信息查詢與共享等功能。以一張圖為中心，運(yùn)用空間信息技術(shù)集中展現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警在環(huán)境監(jiān)管業(yè)務(wù)、治理決策支撐和突發(fā)污染事故模擬的成果，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警的精細(xì)化、智能化和可視化。