城市水體水質(zhì)綜合評(píng)估體系框架研究

許子洋

（上海水務(wù)建設(shè)工程有限公司，上海 200120）

研究主要通過水系水體進(jìn)行普查，收集相關(guān)資料，特別是湖體模型、河道斷面、進(jìn)水點(diǎn)以及污染物排口的位置、污染量、監(jiān)測(cè)情況資料統(tǒng)計(jì)；建立在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)河面、河床及水體的水質(zhì)情況，建設(shè)一個(gè)云基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中心；構(gòu)建河床及水質(zhì)管養(yǎng)決策模型，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常及河床淤泥變化，對(duì)該水域及下游進(jìn)行水質(zhì)污染預(yù)報(bào)，研究河道河床、水體擴(kuò)散、自凈規(guī)律等，達(dá)到掌握水體水質(zhì)和污染物通量評(píng)價(jià)水系水質(zhì)現(xiàn)狀，決策分析水體聯(lián)通調(diào)度措施的評(píng)估與預(yù)測(cè)；通過數(shù)據(jù)決策打造管理作業(yè)兩級(jí)應(yīng)用平臺(tái)，為河道日常養(yǎng)護(hù)管理作業(yè)提供高效技術(shù)支持。

1 研究背景

目前，黑臭河道整治完成后，“河長制”巡查管理實(shí)施過程中主要依靠河長和人員有限的河道執(zhí)法隊(duì)伍，僅僅依靠“腿跑、眼盯、手測(cè)”等手段，實(shí)現(xiàn)河道的污染源排查、保潔、管養(yǎng)、三清等工作常態(tài)化、制度化的監(jiān)管是不現(xiàn)實(shí)的，因此， 結(jié)合信息技術(shù)建設(shè)提升現(xiàn)有“河長制”河道治理系統(tǒng)，為后續(xù)河道日常養(yǎng)護(hù)治理帶來積極作用[1-2]。

在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過獲取、處理和分析河道水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)的變化情況，能及時(shí)有效得出污染源狀況 （時(shí)間、地點(diǎn)、主要污染物、污染物源頭），對(duì)河道處理事故應(yīng)急和預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支持和評(píng)判依據(jù)。決策模型使用河流水力水質(zhì)模型對(duì)生化需氧量、氨氮、總磷等入河污染物的擴(kuò)散、傳輸路徑與濃度演變過程進(jìn)行模擬，分析污染物排放對(duì)水體水質(zhì)影響，結(jié)合河流水質(zhì)規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行水體環(huán)境容量計(jì)算，研究優(yōu)化沿河污染負(fù)荷排放控制策略，評(píng)估水體整治措施實(shí)施效果，完善河流運(yùn)行調(diào)度控制方案。管養(yǎng)平臺(tái)通過全覆蓋、無間斷、實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體信息的有效監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)共享和評(píng)估分析[3-4]。

2 研究主要內(nèi)容

2.1 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備 （自主巡航機(jī)器人、岸邊站等）對(duì)河道水質(zhì)物理、化學(xué)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

核心思路：數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集：通過在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)河道水質(zhì)物理、化學(xué)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為河道流域水體狀況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸：通過無線傳輸終端，經(jīng)GPRS等傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)云平臺(tái)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：監(jiān)測(cè)云平臺(tái)對(duì)收集的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

2.1.2 在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備

（1） 自動(dòng)巡航潛艇，最新自主巡航機(jī)器人，具有自主駕駛、自主巡航、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽梢宰灾餮埠?（無人駕駛+無船舶輔助）、高精聲學(xué)水下探測(cè) （自動(dòng)避障+防擱淺）、高清視頻 （監(jiān)測(cè)取證+安全防盜）、全天候工作、自主充電管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

①確定河湖水質(zhì)變差污染源頭位置；②對(duì)湖區(qū)入水出水河道淤積情況形成標(biāo)高圖；③在完成湖區(qū)水下地形掃描的基礎(chǔ)上，評(píng)估計(jì)算滴水湖蓄水能力；④對(duì)周邊河道斷面的掃描評(píng)估湖區(qū)入水出水利模型；⑤在完成湖區(qū)全域水質(zhì)普查的基礎(chǔ)上，形成水質(zhì)污染 （氨氮、溶解、透明度等） 分布等高圖。

表1 AGS設(shè)備及用途

（2） 小型集成式岸邊水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站是一套以各類在線式水質(zhì)傳感器為核心，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系。主要有取水單元、預(yù)處理及配水單元、監(jiān)測(cè)單元、輔助單元、控制單元、通訊單元等。

2.1.3 在線監(jiān)測(cè)河道信息及主要水質(zhì)指標(biāo)

（1） 河床三維圖。河道掃描、河道底部安全排查 （大型沉底垃圾、河底危險(xiǎn)物）、河道清淤服務(wù) （清淤量、方位標(biāo)定）、河道詳細(xì)信息 （河床尺寸、年清淤量） 等。

（2） 主要監(jiān)測(cè)物理指標(biāo)。溫度、濁度 （NTU）、色度、透明度、溶解氧 （DO）、電導(dǎo)率、總固體 （TS）、懸浮固體（SS） 等。

（3） 主要化學(xué)指標(biāo)。pH值、化學(xué)需氧量 （COD）、氨氮、亞硝酸鹽氮 （NO2-N） 總氮 （TN）、總磷 （TP） 等。

（4） 河道監(jiān)控畫面 （視頻、圖片）。全河道巡警、全河道異常巡警等。

2.2 水質(zhì)管養(yǎng)決策模型

建立河面、河床及水質(zhì)管養(yǎng)決策模型，通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的河面污染物、河床淤泥、水體水質(zhì)情況，對(duì)該水域或下游水域的水體污染 （河面污染物、河床淤泥、水體水質(zhì)） 進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前獲取未來污染發(fā)展情況，分析得出遏制發(fā)展有效措施。應(yīng)急狀態(tài)下如何采取搶險(xiǎn)措施并且預(yù)測(cè)河道污染險(xiǎn)情發(fā)展趨勢(shì)。

通過研究河道河床、水體擴(kuò)散、自凈規(guī)律等，達(dá)到掌握水體水質(zhì)和污染物通量，有效對(duì)水系水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，為水體聯(lián)通調(diào)度措施的評(píng)估與預(yù)測(cè)做出有效決策分析。

2.2.1 水系水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及修復(fù)效果預(yù)測(cè)

根據(jù)河流的水文資料、斷面形態(tài)及AGS自動(dòng)巡航潛艇高精聲學(xué)水下探測(cè) （自動(dòng)避障+防擱淺） 與高清視頻 （監(jiān)測(cè)取證+安全防盜） 取得的河面及河床數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)資料，結(jié)合污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立河流水系的水力水質(zhì)狀況模型。根據(jù)《上海市內(nèi)陸河流及水系水質(zhì)常規(guī)評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》要求對(duì)研究水體的水質(zhì)現(xiàn)狀予以分類評(píng)估。基于污染源排放現(xiàn)狀通過模型模擬未來水體中COD/BOD、氮、磷等主要污染物的濃度演變發(fā)展趨勢(shì)以及生態(tài)狀況，預(yù)測(cè)水體水質(zhì)前景及其影響因素和薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)估修復(fù)措施對(duì)水體水質(zhì)修復(fù)的作用效果，為制定河流等水體水質(zhì)養(yǎng)護(hù)目標(biāo)提供參考依據(jù)。

2.2.2 水體環(huán)境容量計(jì)算與總量控制

對(duì)于水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)的水體開展總氮、總磷、生化需氧量等污染物的納污能力與容量計(jì)算，根據(jù)水體污染物承載能力評(píng)價(jià)現(xiàn)有入河污染物的控制狀況，優(yōu)化主要污染源的排放總量及排放濃度控制水平，重大水體水質(zhì)污染歷史事件的回溯模擬分析，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警閾值設(shè)定提供技術(shù)依據(jù)。

2.2.3 水體聯(lián)通調(diào)度措施的評(píng)估與預(yù)測(cè)

進(jìn)行多水體聯(lián)合運(yùn)行模擬，分析水力調(diào)度措施對(duì)于河流水質(zhì)和水量的整體影響。結(jié)合泵站、閘閥等水利設(shè)施的運(yùn)行情況，分析評(píng)估不同徑流條件下河網(wǎng)的水力水質(zhì)的響應(yīng)與凈化能力，提高河網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度策略的合理性與科學(xué)性。

2.3 管養(yǎng)作業(yè)兩級(jí)平臺(tái)

核心思路。預(yù)處理—數(shù)據(jù)分析—數(shù)據(jù)展示；預(yù)測(cè)評(píng)估—管養(yǎng)作業(yè)—數(shù)據(jù)反饋。

數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，列出實(shí)時(shí)水質(zhì)指標(biāo)并判別得出有效數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析。分析預(yù)處理后有效數(shù)據(jù)，匯總制圖，直觀表現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)變化情況，分析指標(biāo)是否在安全范圍，是否是有效數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)展示。通過Web、PC、APP、微信公眾號(hào)等移動(dòng)端向管理人員發(fā)布河道水質(zhì)信息。

預(yù)測(cè)評(píng)估。決策模型分析預(yù)測(cè)評(píng)估管養(yǎng)作業(yè)。

管養(yǎng)作業(yè)。通過現(xiàn)場(chǎng)管養(yǎng)作業(yè)對(duì) （河面、河床） 污染物、水質(zhì)治理。

數(shù)據(jù)反饋。監(jiān)測(cè)作業(yè)后效果，反饋至決策平臺(tái)。

管養(yǎng)作業(yè)管理平臺(tái)主要是通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)河道上下信息 （河面、河床）、水體水質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、 分析、 評(píng)估、展示；將GIS、BIM技術(shù)和養(yǎng)護(hù)信息相結(jié)合，對(duì)養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析及養(yǎng)護(hù)決策，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸與同步技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)河道養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、手持系統(tǒng)和現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)、BIM模型的交互，實(shí)現(xiàn)多比例尺地圖、BIM模型的自動(dòng)切換、拼接和分割。通過GIS+BIM中的空間和屬性數(shù)據(jù)，直接在GIS+BIM中上查詢養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和關(guān)系數(shù)據(jù)的連接。GIS+BIM可接受系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，并按照要求將這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)在GIS+BIM上，利用動(dòng)態(tài)分段技術(shù)對(duì)河道進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，將查詢和統(tǒng)計(jì)結(jié)果直接表現(xiàn)。系統(tǒng)依托養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫、GIS和BIM，記錄各種數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)將記錄歷年養(yǎng)護(hù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成養(yǎng)護(hù)統(tǒng)計(jì)表。管理人員可以方便查詢和研究歷史養(yǎng)護(hù)資料，為決策提供信息支撐。

數(shù)據(jù)的傳輸與同步是一個(gè)在多個(gè)地方維護(hù)特定數(shù)據(jù)集的過程，它包括把改變的數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方和保存兩地?cái)?shù)據(jù)的同步。通過安全、高效、完整的數(shù)據(jù)傳輸與同步技術(shù)使各個(gè)分支節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)能及時(shí)地傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了全線數(shù)據(jù)資源的及時(shí)更新和共享，使管理人員能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地了解全線的管養(yǎng)信息。

3 結(jié)語

目前，我國多地已開始建設(shè)河道水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但城市水體綜合評(píng)估體系仍處于摸索研究階段，且大部分是對(duì)水體進(jìn)行視頻監(jiān)控、水位監(jiān)測(cè)、水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的研究建設(shè)，不能達(dá)到分析、決策、評(píng)估等管理手段。未來，我國的城市水體綜合評(píng)估體系將會(huì)逐步向規(guī)范化、制度化、智慧化發(fā)展，這也是為后續(xù)城市水體綜合治理提供了有效技術(shù)支持，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)GIS、BIM等手段實(shí)時(shí)直觀體現(xiàn)城市水體現(xiàn)狀信息，決策模型分析數(shù)據(jù)提出長期處理方案、評(píng)估預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。因此建設(shè)研究一套水體綜合評(píng)估體系為管理者制定科學(xué)合理的管養(yǎng)方案、建立長期有效的管養(yǎng)框架是未來城市水資源信息化管理的一種必然趨勢(shì)[5-6]。