基于EFDC模型的烏東德水庫水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)

楊 坤 ，徐火清 ，樊寒冰 ，楊少榮 ，嚴(yán)忠鑾

（1. 長江空間信息技術(shù)工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010；2. 湖北省水利信息感知與大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010；3. 中國三峽建設(shè)管理有限公司環(huán)境保護(hù)部，四川 成都 610041）

0 引言

烏東德水電站位于金沙江河道上，是金沙江水電基地下游河段4個水電梯級的第1梯級。烏東德水庫初設(shè)蓄水位975m，總庫容 74.08 億 m3，調(diào)節(jié)庫容 26.00 億 m3，防洪庫容 24.40 億 m3。烏東德水庫中的污染物主要來源于上游、支流來水及區(qū)間點源和非點源污染物排放。為實現(xiàn)對烏東德水庫蓄水后水質(zhì)演變過程的定量預(yù)測，針對烏東德水庫干流和局部區(qū)域（點源集中排放區(qū)、水質(zhì)變化敏感區(qū)）分別建立全域一維和局部二維水動力-水質(zhì)模型，研發(fā)烏東德水庫水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)（以下簡稱模擬推演系統(tǒng)），結(jié)合預(yù)先建立的水動力-水質(zhì)模型，模擬豐水、平水、枯水期烏東德水庫水質(zhì)時空變化規(guī)律。

模擬推演系統(tǒng)水質(zhì)建模采用 EFDC（Environmental Fluid Dynamics Code）模型，EFDC 模型由于具有功能強大、源代碼開放等特點，近年來在水質(zhì)模型集成研究中受到廣泛關(guān)注，已在國內(nèi)外開展了大量探索。賈鵬等[1]研究了 EFDC 模型在水環(huán)境管理信息系統(tǒng)中的集成開發(fā)，指出 EFDC 模型集成到水環(huán)境管理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵在于構(gòu)建適合信息系統(tǒng)流通的數(shù)據(jù)流；劉曉等[2]開展了 EFDC 模型集成研究，實現(xiàn)了三峽庫區(qū)干流及主要支流化學(xué)需氧量、總磷、總氮等污染因子的長時間序列水動力水質(zhì)預(yù)測聯(lián)機在線運算；劉蒙泰等[3]將 EFDC 模型與 GIS耦合，模擬二維洪水演進(jìn)過程；劉榮華等[4]構(gòu)建了基于云計算的水動力學(xué)模擬服務(wù)平臺。

但是 EFDC 模型與水質(zhì)模擬信息系統(tǒng)集成仍存在以下諸多瓶頸：1）EFDC 核心計算程序采用Fortran 語言編寫，輸出計算成果是二進(jìn)制文件，信息系統(tǒng)與 EFDC 模型耦合困難；2）EFDC 模型參數(shù)多，設(shè)置復(fù)雜，參數(shù)調(diào)試、率定的過程不易被管理者掌握；3）EFDC 計算結(jié)果是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為了滿足可視化表達(dá)的需要，需要對計算結(jié)果進(jìn)行解析及合理組織。這些問題的解決對于 EFDC 模型與烏東德水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)的集成十分關(guān)鍵。

1 模擬推演系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)思路

為實現(xiàn)烏東德水庫的水質(zhì)推演，需要先實例化金沙江下游河道水動力-水質(zhì)模型，由于不同河流有特定的河流網(wǎng)格及邊界條件，水質(zhì)模型往往需要針對特定區(qū)域建模、率定、驗證后才能滿足水質(zhì)模擬推演的要求。水質(zhì)模型建立后，對模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行簡化，簡化為初始參數(shù)及邊界條件，并編寫模型接口服務(wù)，實現(xiàn)模型輸入?yún)?shù)的修改及保存。模擬推演系統(tǒng)水質(zhì)模擬核心計算功能由 EFDC 提供，通過 Java 編程語言編制 EFDC 模型和推演系統(tǒng)之間的接口，將水質(zhì)模擬推演核心計算模型和信息系統(tǒng)串連起來，通過后臺接口提取 EFDC 模型計算結(jié)果并存入模型數(shù)據(jù)庫，通過半緊密的方式完成模擬推演系統(tǒng)與 EFDC 模型的集成，實現(xiàn)烏東德水庫水質(zhì)模型的聯(lián)機在線運算。

1.1 水質(zhì)建模的技術(shù)路線

水質(zhì)建模的總體技術(shù)路線如下：根據(jù)烏東德水電站的水文水質(zhì)監(jiān)測及污染源調(diào)查資料，計算入江（庫）污染總量，針對干流江段和局部區(qū)域分別建立一維和平面二維水動力-水質(zhì)模型，通過經(jīng)驗公式、機理實驗等手段率定模型參數(shù)，最后利用實測水文水質(zhì)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證。水質(zhì)建模的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水質(zhì)建模技術(shù)路線

一維水質(zhì)模型從三堆子水文站起到烏東德壩址止，建模范圍如圖2所示，覆蓋了整個烏東德庫區(qū)192.3 km 的河段，共劃分821個計算單元格。一維模型的邊界，主要考慮上邊界、下邊界、主要支流的匯入。上游入流、旁側(cè)支流采用流量或水質(zhì)邊界條件，給定各監(jiān)測斷面的2017年逐日流量、污染物濃度過程；下游出流采用流量或水位邊界條件，給定2017年逐日出庫流量或壩前水位過程。利用烏東德水電站2017年 1—6 月的逐月水質(zhì)實測資料開展水質(zhì)模型率定，利用校驗后的水質(zhì)模型可對烏東德水庫蓄水后典型年內(nèi)不同水期的水質(zhì)變化過程進(jìn)行定量預(yù)測。

圖2 一維水質(zhì)模型建模范圍

二維水質(zhì)模型覆蓋馬店河排污口到釩鈦工業(yè)園之間 8.2 km 的江段，建模范圍如圖3所示，共劃分2532 個計算單元格。二維水量水質(zhì)模型主要考慮上、下游邊界，上游入流采用流量、水質(zhì)邊界條件，下游出流采用流量邊界條件。

圖3 二維水質(zhì)模型建模范圍

1.2 EFDC 模型的集成

按照模型封裝、接口服務(wù)及系統(tǒng)集成的步驟實現(xiàn)模擬推演系統(tǒng)中對 EFDC 模型的集成，模型集成的總體技術(shù)路線如圖4所示。

1.2.1 模型封裝

模型封裝實現(xiàn)對 EFDC 輸入、輸出及主控制等文件的封裝，實現(xiàn)模型初始化參數(shù)及邊界條件的可控。輸入文件包括：qser.inp（流量時間序列文件），pser.inp（水位時間序列文件），dser.inp（水質(zhì)濃度序列文件）；輸出文件包括水質(zhì)及水量計算結(jié)果；主控文件為 efdc.inp，包括運行、輸出控制參數(shù)和模型物理信息的描述等，是 EFDC 的主要控制文件。主控文件大部分參數(shù)通過水質(zhì)模型率定、驗證確定，模擬推演系統(tǒng)僅對模擬步長、時段等參數(shù)進(jìn)行封裝。

圖4 模型集成技術(shù)路線

1.2.2 模型接口服務(wù)

為實現(xiàn)模型封裝文件對外提供計算，需對相應(yīng)的模型調(diào)用功能提供接口服務(wù)，針對金沙江下游流域水質(zhì)模擬推演的應(yīng)用需求，模型接口服務(wù)包括模型選擇及邊界條件設(shè)置、計算啟動、計算結(jié)果解析及入庫、計算結(jié)果圖表及地圖展示等4類服務(wù)。

1.2.3 系統(tǒng)集成

通過對 EFDC 模型的集成，實現(xiàn)在模擬推演系統(tǒng)中對模型輸入?yún)?shù)的前處理，并調(diào)用模型接口服務(wù)向模型傳遞輸入?yún)?shù)，啟動計算并提取計算結(jié)果存入模型數(shù)據(jù)庫。集成后，模型數(shù)據(jù)庫成為模擬推演系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫，通過水質(zhì)模型與算例（不同的輸入邊界條件形成算例庫）之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)基于 GIS 的水質(zhì)模型算例可視化表達(dá)。

集成后的模擬推演系統(tǒng)提供水質(zhì)模型算例管理，水質(zhì)模擬推演成果的圖表及地圖展示，水質(zhì)模擬成果播放查看等功能，用戶可以查看模擬時段任意時間點的烏東德水庫沿程水質(zhì)狀況，還可以通過點擊地圖查詢建模區(qū)域任意點的水質(zhì)信息，全方位輔助用戶了解模擬區(qū)域的水質(zhì)狀況。

1.2.4 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.4.1 模型集成中的參數(shù)簡化

EFDC 水質(zhì)模型參數(shù)多，設(shè)置復(fù)雜，為降低參數(shù)設(shè)置門檻，提高參數(shù)設(shè)置效率，模擬推演系統(tǒng)對模型集成中的參數(shù)進(jìn)行了簡化，將模型參數(shù)分為初始及邊界2個條件。初始條件包括模擬起止時間，初始水深，以及化學(xué)需氧量、總磷、總氮初始濃度等；邊界條件包括入節(jié)點的流量-時間及水質(zhì)-時間序列，出節(jié)點的流量-時間及水位-時間序列。

1.2.4.2 模型集成中的接口服務(wù)技術(shù)

EFDC 核心計算程序采用 Fortran 語言編寫，輸出計算成果是二進(jìn)制文件，緊密型的集成方式開發(fā)周期長，技術(shù)難度大，開發(fā)成本過高。本項目采用半緊密式集成方式，此種集成方式僅對模型的輸入輸出進(jìn)行集成，保留 EFDC 的核心計算模塊不變，通過 Java 編程語言編制模型和模擬推演系統(tǒng)之間的接口和統(tǒng)一的用戶界面，將核心模型和信息系統(tǒng)串連起來，此種集成方式保障了原有專業(yè)模型的正確性和可靠性，且可降低開發(fā)難度。

1.2.4.3 模擬推演結(jié)果的提取及存儲

EFDC 默認(rèn)的輸出計算成果是二進(jìn)制文件，通過 EFDC 官方提供的插件將二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換成易于解析的文本文件?？紤]到二維模型的格網(wǎng)單元數(shù)比較多，采用完全結(jié)構(gòu)化的存儲方式，即存儲每個單元格的行列號、算例編號、模擬值，當(dāng)算例較多會導(dǎo)致查詢效率降低。為此，將模擬時段某時刻所有單元格的計算結(jié)果存儲為1條記錄，模擬數(shù)據(jù)的解析和渲染由前端完成，可降低服務(wù)器端的壓力，提高系統(tǒng)查詢響應(yīng)的效率。

1.2.4.4 模擬推演成果的地圖展示

烏東德水庫水質(zhì)模擬推演的成果展示采用Maptalks 地圖引擎，Maptalks 是一個 HTML5 的二三維一體化地圖引擎。模擬推演系統(tǒng)通過后臺接口獲取模擬時段某時刻沿程水質(zhì)模擬參數(shù)（化學(xué)需氧量、總氮、總磷）及極值，根據(jù)極值范圍對水庫沿程任意點的水質(zhì)值進(jìn)行分級設(shè)色顯示。

2 模擬推演系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

模擬推演系統(tǒng)提供水質(zhì)算例方案管理功能，用戶可以選擇系統(tǒng)預(yù)置水質(zhì)模型，通過設(shè)置初始化條件及模型邊界節(jié)點的輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)不同的算例創(chuàng)建。模擬推演系統(tǒng)可實現(xiàn)平水、豐水及枯水期水庫沿程化學(xué)需氧量、總磷、總氮濃度變化的預(yù)測，提供水質(zhì)模擬計算結(jié)果的圖表及地圖展示，并提供模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比展示。

對烏東德水庫全域蓄水后的水質(zhì)進(jìn)行模擬推演，其中金江水廠取水口和釩鈦工業(yè)園2個斷面模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比展示如圖5所示。圖中藍(lán)色的點代表實測值，桔色的線代表水質(zhì)模擬值，從圖中可以看出除了極少數(shù)點位之外，率定期內(nèi)烏東德水庫的水質(zhì)模擬值與實測值較吻合，證明水質(zhì)模擬精度整體較高，率定的參數(shù)基本合理。

圖5 烏東德水庫一維水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)主界面（模擬值與實測值對比）

烏東德水庫一維水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)模型初始化條件及邊界節(jié)點設(shè)置如圖6所示，用戶可以設(shè)置模擬時段初始條件及邊界節(jié)點的水動力、水質(zhì)參數(shù)。

圖6 烏東德水庫一維水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)主界面（邊界條件設(shè)置）

烏東德水庫蓄水后總氮模擬推演成果圖表及地圖展示如圖7所示，圖7a 模擬結(jié)果地圖展示通過河道格網(wǎng)顏色的深淺代表總氮值的高低，地圖顏色越深代表濃度值越高，用戶可以通過點擊地圖查詢?nèi)我飧窬W(wǎng)的總氮模擬值。圖7b 模擬結(jié)果圖橫軸的距離代表距上游節(jié)點三堆子水文站的里程，通過折線圖用戶可以直觀看出水庫沿程總氮值的變化。

圖7 烏東德水庫蓄水后總氮模擬成果地圖及圖表展示

3 結(jié)語

烏東德水庫水質(zhì)模擬推演系統(tǒng)預(yù)制了全域蓄水前后一維、馬店河排污口江段二維水質(zhì)模型，可實現(xiàn)烏東德水庫蓄水前后不同來水條件下化學(xué)需氧量、總磷、總氮等水質(zhì)參數(shù)的定量預(yù)測。目前模擬推演系統(tǒng)已經(jīng)完成開發(fā)，在業(yè)主單位部署并進(jìn)行試運行，實現(xiàn)了水質(zhì)模型的聯(lián)機在線運算，實現(xiàn)了專業(yè)模型軟件的業(yè)務(wù)化運行。針對 EFDC 模型與信息系統(tǒng)集成中存在的技術(shù)瓶頸，本研究提供的解決方案，可為后續(xù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)提供技術(shù)參考。