基于污染治理目標(biāo)的城市河流水質(zhì)模擬平臺設(shè)計

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(tuán)有限公司，廣東 深圳 518100；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北大學(xué)教育學(xué)院，湖北 武漢 430062

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)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(yán)峻，成為國內(nèi)民生大計亟需解決的重大問題之一［1］。以水質(zhì)模型為核心的水環(huán)境質(zhì)量模擬分析，是落實(shí)《水污染防治行動計劃》的關(guān)鍵技術(shù)，將為全面控制污染物排放、快速推進(jìn)城市水體治理與水環(huán)境管控提供有效的數(shù)據(jù)支持與依據(jù)［2-4］。

城市河流往往承擔(dān)著重要的社會經(jīng)濟(jì)功能，一方面，水質(zhì)要求較高，需要包括點(diǎn)源整改、流域農(nóng)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(diǎn)源分布密集、徑流沖刷條件下面源負(fù)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(xì)化模擬。當(dāng)前國內(nèi)研究尚缺乏具備我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、便于二次開發(fā)的水質(zhì)模型體系，針對本地化應(yīng)用的不同國際模型體系，還有模擬模塊不全面、建模復(fù)雜度高、內(nèi)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(dāng)前國內(nèi)環(huán)境改善工程方案的復(fù)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(diǎn)源污染［9］，而對水質(zhì)在復(fù)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(dāng)前我國城市河流對點(diǎn)面結(jié)合、覆蓋全面的工程方案下的水環(huán)境模擬需求，運(yùn)用計算機(jī)和信息科學(xué)技術(shù)，構(gòu)建基于污染治理目標(biāo)的、自動化運(yùn)行的、可視化的智慧城市河流水質(zhì)模擬平臺勢在必行［10-12］。本文設(shè)計的平臺既可耦合各類模型，建立相對獨(dú)立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免設(shè)計情景的重復(fù)建模，來精準(zhǔn)、綜合地反映出點(diǎn)源、面源、內(nèi)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(zhì)量改善的效果。該平臺將促進(jìn)水環(huán)境數(shù)學(xué)模型這一高難度專業(yè)技術(shù)的推廣，極大降低重復(fù)操作，擴(kuò)大受眾范圍，為水污染防治和工程決策分析提供科學(xué)便捷的技術(shù)服務(wù)。

1 水質(zhì)模擬平臺功能需求

為滿足對城市河流水質(zhì)的精細(xì)化管理需求，城市河流水質(zhì)模擬平臺應(yīng)當(dāng)以二維或三維水動力水質(zhì)模型為核心，主要根據(jù)模型計算和水質(zhì)分析評價所需的信息內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，基于計算機(jī)技術(shù)，并采用適當(dāng)?shù)募赡Ｊ?，整合出一套層次清晰、操作流暢的高效率水質(zhì)模擬與分析系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)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(zhì)管理的服務(wù)平臺，逐步擴(kuò)充、豐富現(xiàn)有的高科技水環(huán)境信息建設(shè)體系；二是為水質(zhì)模型開發(fā)人員的技術(shù)推廣提供便捷入口，促進(jìn)和激勵模型的進(jìn)一步發(fā)展和完善；三是考慮點(diǎn)源、面源、內(nèi)源底泥釋放等因素，開發(fā)多環(huán)境變量影響下的水質(zhì)演變分析模型，為平臺用戶開展基于污染治理目標(biāo)情景下有效的水質(zhì)模擬提供技術(shù)支撐，以期為工程建設(shè)方進(jìn)行水環(huán)境治理方案決策提供科學(xué)依據(jù)。在平臺搭建方面，需要確保平臺數(shù)據(jù)的安全性、模型運(yùn)行的穩(wěn)定性和功能模塊的擴(kuò)展性，做到接口數(shù)據(jù)、后臺模型和交互界面的無縫銜接［13］。

2 水質(zhì)模擬平臺設(shè)計

2.1 設(shè)計路線

平臺的總體設(shè)計應(yīng)該遵循科學(xué)性、可靠性、實(shí)用性、完備性和開放性的原則，充分考慮業(yè)務(wù)需要和用戶體驗(yàn)，具備二次開發(fā)能力，使系統(tǒng)具有較好的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可操作性，同時具有較強(qiáng)的容錯性。以水質(zhì)模擬平臺的功能和性能需求為導(dǎo)向，充分考慮系統(tǒng)構(gòu)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(zhì)模型是系統(tǒng)開發(fā)的核心，也是首要任務(wù)。在設(shè)計平臺界面之前，需要對比平臺預(yù)期功能來綜合分析現(xiàn)有各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，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(zhì)模型。完成水質(zhì)模型開發(fā)后，根據(jù)模型的數(shù)據(jù)錄入、驅(qū)動模式、結(jié)果分析等板塊進(jìn)行交互界面各個相應(yīng)功能模塊的具體設(shè)計，主要包括基礎(chǔ)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(jù)錄入與存儲標(biāo)準(zhǔn)，完成平臺和水質(zhì)模型接口之間的信息交互，并實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)文件的靈活訪問、可視化查詢、統(tǒng)計與情景分析，以達(dá)到多層面管理的要求。

2.2 系統(tǒng)框架

水質(zhì)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(wù)邏輯層（business logic layer，BLL）、接口層（interface layer，IL）和數(shù)據(jù)訪問層（data access layer，DAL）。

圖1 平臺設(shè)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(jié)果分析界面組成，以實(shí)現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的管理、配置等業(yè)務(wù)操作。業(yè)務(wù)邏輯層是平臺的核心層，該層在收到事件處理請求后調(diào)用相應(yīng)的事件處理機(jī)制進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，并將處理結(jié)果返回到客戶端，根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)處理需求，實(shí)現(xiàn)流程控制以及各種信息的獲取、轉(zhuǎn)換、存儲、計算和驗(yàn)證等所有核心業(yè)務(wù)邏輯。接口層主要調(diào)用水質(zhì)模型的驅(qū)動程序驅(qū)動模型，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模擬平臺和水質(zhì)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(jù)訪問層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理，封裝數(shù)據(jù)并面向業(yè)務(wù)邏輯層提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，主要對以文件形式存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、訪問，所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的讀寫均通過數(shù)據(jù)訪問組件實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)訪問組件包括地形、河流條件和污染源數(shù)據(jù)訪問組件以及模型參數(shù)設(shè)置組件。

2.3 主要功能

平臺核心模型應(yīng)當(dāng)具備多個主要功能，一是需要實(shí)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(zhì)過程，反映出河流水質(zhì)隨時間的動態(tài)變化，得到不同時期的水質(zhì)特征［14-15］；三是模型除了能夠考慮河流點(diǎn)源污染因子，還可以嵌入城市面源模型，同時要具備河流內(nèi)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(zhì)的綜合影響；四是水質(zhì)模型應(yīng)當(dāng)包含豐富的模擬模塊，除了常規(guī)水質(zhì)的模擬，還要具備溶解氧平衡、重金屬、富營養(yǎng)化預(yù)測等功能［16］；五是需要實(shí)現(xiàn)常規(guī)水質(zhì)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(yīng)結(jié)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(zhì)模擬平臺需要設(shè)計用戶管理、地形概化、計算條件輸入、模型驗(yàn)證與計算、結(jié)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(hù)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(xiàng)目路徑選擇2個功能。

地形概化在二維模型中指地形網(wǎng)格的生成，是一切數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，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(yīng)設(shè)置包括網(wǎng)格、地形的二級校核，網(wǎng)格、地形的生成過程由地形獲取、河岸線展示、河道網(wǎng)格繪制和地形校核組成，可以依次實(shí)現(xiàn)相應(yīng)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(jù)、展示河岸線、呈現(xiàn)河道網(wǎng)絡(luò)以完成網(wǎng)格校核、利用河道地形圖像實(shí)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(jié)果應(yīng)由插值算法得出，需要實(shí)現(xiàn)三維仿真模擬地形圖的全方位查看、校驗(yàn)，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(jié)果出現(xiàn)較大偏差，地形生成功能允許用戶重新進(jìn)行覆蓋操作，直至生成符合水質(zhì)模型計算的地形。

計算條件輸入模塊能夠?yàn)橛脩籼峁┙y(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集端口，可以錄入來流條件、污染源條件和模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化準(zhǔn)備。來流部分應(yīng)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(shè)置面源模型文件導(dǎo)入接口，還要實(shí)現(xiàn)模型點(diǎn)、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(jù)。同時，條件輸入模塊還要提供錄入數(shù)據(jù)的編輯功能，方便用戶檢驗(yàn)、修改或刪除數(shù)據(jù)。

模型驗(yàn)證與計算模塊，需要先發(fā)出模型計算的事件請求，驅(qū)動水質(zhì)模型并得到模擬結(jié)果。該模塊應(yīng)該支持用戶設(shè)定任意的模擬精度，然后在此條件下根據(jù)實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來計算模擬誤差，得到設(shè)定模擬精度下的不合格模擬結(jié)果，并據(jù)此判斷水質(zhì)模型在應(yīng)用水域的適應(yīng)性。若沒有出現(xiàn)設(shè)定模擬精度外的計算結(jié)果，即說明模型驗(yàn)證成功，反之，則調(diào)整計算條件輸入模塊中的模型參數(shù)，直至通過模型驗(yàn)證。

結(jié)果分析模塊應(yīng)該包括水環(huán)境容量分析和水質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)。水環(huán)境容量根據(jù)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(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)區(qū)域按照水質(zhì)類別，分級展示河道水質(zhì)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(shè)置日志查詢模塊，用于輔助結(jié)果分析功能。在模型驗(yàn)證通過后，運(yùn)行日志開始記錄完整的操作信息，之后用戶每進(jìn)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(jié)果。

2.4 平臺設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)模型的快速響應(yīng)，滿足管理需求和兼顧平臺的可拓展性，下面以Java基礎(chǔ)類別框架（java foundation classes，JFC）為例來說明平臺設(shè)計。基于C/S三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使用Java Swing等技術(shù)構(gòu)建窗體應(yīng)用程序界面，并采取Java面向?qū)ο蠹夹g(shù)（model view controller，MVC）和編程模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其中，數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口由數(shù)據(jù)訪問組件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時獲取、寫入；二維數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)可通過Ja?va2D實(shí)現(xiàn)，三維數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)可以通過Py?thon圖像處理技術(shù)和Java等進(jìn)行混合編程實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行內(nèi)存量占比很小，沒有時滯性。C/S三層架構(gòu)及關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)如圖4所示。

圖4 C/S三層架構(gòu)及關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)Fig.4 C/Sthree-tier architectures and key techniques

Java Swing是一種用純Java語言實(shí)現(xiàn)的輕量級圖形組件技術(shù)，用于進(jìn)行系統(tǒng)界面的設(shè)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(yùn)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(jù)需要選擇默認(rèn)的樣式，也可以根據(jù)平臺特點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的樣式，設(shè)計出美觀實(shí)用的用戶界面。同時，Java Swing結(jié)合Java的事件處理機(jī)制和Java I/O技術(shù)，能夠共同實(shí)現(xiàn)平臺的業(yè)務(wù)邏輯。

Java2D應(yīng)用程序接口（application program?ming interface，API）是Java類庫提供的用于開發(fā)復(fù)雜界面、繪圖軟件和圖像編輯器的一套編程接口，它通過擴(kuò)展AWT，對二維圖形、文本及成像功能提供了支持。作為Java基礎(chǔ)庫的一部分，Java2D API能夠?qū)⒊绦騿T從重復(fù)性的代碼中解放出來，易學(xué)易掌握。程序員通過調(diào)用基本幾何圖形，只需輸入幾何、位置、材質(zhì)等基本參數(shù)，便可快捷創(chuàng)建或簡單或復(fù)雜的幾何圖形，并能夠進(jìn)行填充、渲染、旋轉(zhuǎn)、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(qiáng)AWT圖形、文本、圖像的功能，平臺開發(fā)人員不需掌握復(fù)雜的語法、記憶繁瑣的節(jié)點(diǎn)，就可以快速構(gòu)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(zhuǎn)、顏色轉(zhuǎn)換等。和Java3D API相比，使用PIL進(jìn)行圖像處理更簡單、更靈活、更強(qiáng)大，平臺的三維數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)可以采用Python圖像處理技術(shù)與Java混和編程的方式，輕松構(gòu)建所需要的三維場景，并能實(shí)現(xiàn)場景的瀏覽、查詢和交互功能。

2.5 平臺特點(diǎn)

1）通用性強(qiáng)，模型優(yōu)勢顯著

與傳統(tǒng)水質(zhì)模型相比，平臺應(yīng)當(dāng)采用水動力水質(zhì)耦合模型，并形成以下幾點(diǎn)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(jù)詳實(shí)的河道，還能夠利用地形采集軟件，在數(shù)據(jù)較少與形式簡單的情況下實(shí)現(xiàn)地形模擬，具備較好的適應(yīng)性；二要在點(diǎn)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(diǎn)源、徑流面源及河流內(nèi)源污染對水質(zhì)的聯(lián)合影響；三是模型的水質(zhì)模擬范圍要廣、運(yùn)算速度要快，便于及時提出科學(xué)合理的水質(zhì)改善工程方案，增強(qiáng)對政府部門的說服力。

2）模塊獨(dú)立，數(shù)據(jù)管理高效

平臺設(shè)計要確保其功能模塊各司其職并且連接合理，同時應(yīng)該預(yù)留潛在接口，為開發(fā)者后期進(jìn)行功能調(diào)整與改善提供支持，這樣既可以避免模塊構(gòu)建的復(fù)雜性、保證平臺開發(fā)速度，又能擴(kuò)展平臺的開放性。在數(shù)據(jù)管理方面，平臺還應(yīng)該部署一系列成套的錯誤提示、數(shù)據(jù)編輯、多級校核等約束系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行的穩(wěn)定性，確保模型數(shù)據(jù)的自動化輸入、快捷調(diào)用與查驗(yàn)。

3）結(jié)果可視，日志記錄清晰

先進(jìn)的可視化技術(shù)會使數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更加直觀、清晰，平臺應(yīng)當(dāng)建立起空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的連接，借助合適的插值算法，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)結(jié)果數(shù)據(jù)對現(xiàn)實(shí)世界高質(zhì)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(zhì)空間分布與變化規(guī)律的需求。平臺應(yīng)設(shè)置運(yùn)行日志的生成功能，可以按照模型計算時間段進(jìn)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(zhì)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(xué)依據(jù)。

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(diào)試與計算過程。一方面平臺通過模型接口調(diào)用內(nèi)置模型程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與功能兼容，只要用戶輸入計算條件和目標(biāo)需求，便可以一鍵驅(qū)動所有模型模塊聯(lián)動運(yùn)行，不再需要用戶進(jìn)行中間操作與監(jiān)控，具備自動化快速計算的特點(diǎn)。另一方面，模擬精度應(yīng)當(dāng)設(shè)為用戶靈活調(diào)控，平臺可以根據(jù)用戶意愿計算任意目標(biāo)精度下的誤差，便于在參數(shù)調(diào)試時自動忽略驗(yàn)證合格區(qū)，并且快速鎖定需要調(diào)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(diào)試。

3 結(jié) 論

城市河流水質(zhì)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(diǎn)源、徑流沖刷面源、河道內(nèi)淤泥內(nèi)源、河道生態(tài)基流等水環(huán)境信息，也關(guān)乎污染源管理、水環(huán)境風(fēng)險控制、水生態(tài)修復(fù)等重大水環(huán)境管理決策的制定。城市河流水質(zhì)模擬平臺將通過集成水質(zhì)模型與用戶界面，突破傳統(tǒng)模擬軟件不能體現(xiàn)河流點(diǎn)源、面源、內(nèi)源污染相結(jié)合模式下水質(zhì)響應(yīng)過程的限制，可以打破模型鮮少為非專業(yè)人員服務(wù)的技術(shù)壁壘，并能夠逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、模型驅(qū)動和結(jié)果呈現(xiàn)的智能化，在全面反映各種污染源對水質(zhì)綜合作用的基礎(chǔ)上，用以增強(qiáng)分析水質(zhì)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(xiàng)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。