湖泊磷污染負荷在線評估模型研究與應用

黎東洲，廖軼鵬，劉國慶，楊 光，柳 楊，巢予恬

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部太湖流域水治理重點實驗室，江蘇 南京 210029）

磷污染是造成湖泊富營養化、藍藻水華暴發、生態系統退化等問題的根源之一［1］，而磷污染也是滆湖及周邊區域面臨的重要問題。近年來，湖泊富營養化治理及水環境修復受到高度重視，國內外學者在我國開展了大量湖泊治理與保護工作，崔芳等［2］基于曬區域分區研究了鄱陽湖入湖總磷估算方法，Taranu 等［3］研究了農業面源污染對淺水湖泊的影響，蔡金傍等［4］對滆湖污染源進行了調查分析，柳楊等［5］基于小流域分區研究了滆湖長蕩湖磷污染通量，基本掌握了入湖磷污染的來源與入湖通道規律，通過與降水量建立聯系，能夠快速估算未來不同污染源的入湖污染量。

以河湖生態復蘇為目標，以數字孿生為手段，支撐滆湖河湖保護工作具有重要的意義。本文基于滆湖入湖磷污染通量研究成果，通過數據收集、模型構建、系統開發等建設數字孿生滆湖磷污染評估系統，旨在有效支撐滆湖河湖生態管理工作，并為類似湖泊磷污染負荷在線評估提供一定的參考。

1 湖泊磷污染負荷在線評估模型構建

1.1 湖泊磷污染負荷評估模型基本原理

1.1.1 模型框架

磷污染負荷在線評估主要通過對各入湖小流域進行劃分，利用污染源調查及模型模擬解析不同小流域的磷污染負荷通量。通過建立各小流域入湖磷污染負荷與雨量的關系，讀取實時、預報降雨數據進行入湖磷污染負荷在線評估，主要構建步驟包括小流域劃分、磷污染負荷調查及模擬、小流域空間降雨關聯及磷污染負荷在線評估模型構建。磷污染負荷評估計算流程如圖1所示。

圖1 磷污染負荷評估計算流程

（1）小流域劃分。根據河道水系特點，利用地理工具進行河網提取、河網分級及集水區單元劃分，根據河道等級信息對某等級以下集水區進行合并，形成該等級對應的小流域。

（2）污染源負荷調查評估?；谛×饔騽澐殖晒?，針對不同污染來源進行點源、面源調查，形成污染源調查成果。其中點源污染主要統計各重點工業、污水處理廠等污染源排放量信息；面源污染主要統計水產、林業、生活、工業、畜禽、農業等污染情況，其中各面源污染系數根據規范、經驗公式或降雨實測進行系數確定。

其中：Wtotal為總污染負荷，kg；∑W點為點源污染負荷之和，kg；R為不同面源污染系數，kg/m3；V為入湖總流量，m3。

（3）入湖污染負荷估算。在對污染負荷估算的過程中，需要掌握點源污染總量及面源污染總量。以年度污染負荷為例，通過調查年度點源污染總量、對面源污染系數及年徑流量進行計算，確定污染源總和；如計算短中期由降雨導致的湖泊污染負荷，可以采用水文方法進行產匯流計算得到產流總量，再根據公式（1）估算面源污染量，該時段點源污染總量可以通過年度點源污染總量除以統計時長進行計算，或者根據不同月份點源污染總量計算來提高計算精度。

1.1.2 模型原理

對于平原較小區域，通常采用泰森多邊形法對匯水單元進行劃分［6］。對于地形比較復雜、水利工程較多的區域，需要結合地形、圩區、城市排水規劃等資料對匯水單元進行劃分。山丘區匯水單元劃分原則：首先根據地形進行水文分析，劃分出大的匯水區。局部匯水區如水庫匯水區的劃分，需要與已有資料進行校核，然后將匯水區分配到水庫或者沿程河道。平原區圩區匯水單元劃分原則：匯水區不可跨越圩區，首先確定匯水區范圍為圩區的范圍邊界，然后再進行細化。對農村圩區，依據排澇規劃等資料、泰森多邊形法等進一步細分匯水單元。對城鎮圩區，依據市政管網排水規劃等資料，采用泰森多邊形法等進一步細分匯水單元。平原非圩區匯水單元劃分原則：依據排澇規劃等資料、現場調研、泰森多邊形法等劃分集水單元。

1.1.3 產流模型

在產流模型中，考慮比較典型的固定比例徑流模型（Fixed）+初期損失模型來開展不同下墊面特點的產流計算。

對于特定硬質產流面，產流量是總雨量的固定比例：

式中：R為降水量，mm；Rn為凈雨量，mm；C為徑流系數，%；P為重現期，a；C（P）為在某一重現期下的徑流系數，%。

徑流系數主要由產流面的類型、表面植被種類以及地面坡度決定，同時受降雨特性（強度、歷時）等因素的影響，有時用重現期來表示一定概率。對不透水面的徑流系數通常取0.70~0.95。

1.1.4 匯流模型

地表匯流計算的任務是把各個子流域的凈雨過程轉化成子流域的出流過程。通過把子流域的3個組成部分近似作為非線性水庫進行處理而實現匯流計算，這是一個集總式的結構。假定每一個子流域沒有特殊的形狀，同時假定子流域的寬度代表地表徑流的典型寬度，水庫被概化成矩形區域。這樣寬度就可以看做是待率定參數，用于調整預報值以便與計算的水文單元相符。非線性水庫通過聯立求解曼寧方程和連續性方程。

連續性方程：

式中：V=A×d，為地表積水量；d為水深；A為子流域面積；i*為凈雨；Q為出流量。

曼寧方程：

式中：W為子流域漫流寬度；n為曼寧糙率系數；dp為地表蓄滯水深；S為子流域寬度。

合并式（3）和式（4），得到一個非線性偏微分方程，解出未知量水深d：

在式（5）中，將子流域漫流寬度W、坡度S和糙率n合并成一個參數IWCON，稱為流量演算參數：

對每一個時間步長，用有限差分法求解式，因此，凈入流和凈出流必須在每個時間步長內進行平均，以腳標1 和2 分別表示一個時段水深的初始值和終值，方程變為

用New-Raphson迭代法進行求解。

1.2 模型在線化改造

為支撐系統建設，需要將模型磷污染負荷計算模型進行在線改在，通過接口封裝提供模型負荷。在線改造主要基于Restful 接口風格進行標準化封裝［6］。在線模型主要需要實現基于不同降雨數據源的自動預報及人工輸入降雨的交互預報。其中自動預報通過JDBC等數據庫連接工具自動讀取實時及預報降雨數據，通過水文產匯流計算公式及污染負荷計算公式，評估入湖磷污染負荷量。人工預報通過開發人工預報接口，通過輸入預報降雨數據，提交到模型進行計算，通過JSON 數據返回污染負荷計算結果。

2 數字孿生湖泊磷污染負荷評估系統架構與功能設計

2.1 系統框架設計

基于水利部數字孿生建設框架，針對磷污染負荷評估的業務需求，通過數據匯聚、模型支撐、業務系統開發等技術路線進行系統開發，在數據底板方面，匯聚湖泊及周邊基礎數據、監測數據、地理空間數據、業務數據與跨行業數據，構建多層級數據底板；模型層面構建滆湖可視化模型及磷污染評估模型，形成數字孿生平臺，并在此基礎上開發業務應用，系統框架［7-8］如圖2所示。

圖2 系統框架

其中數據層面主要對接河流水系、基礎地理、水利工程等基礎信息數據，實時雨情、水情、水質等監測數據，影像、地形等地理空間數據，雷達圖、衛星云圖、預報降雨等跨行業共享數據。通過構建水文模型、磷污染評估模型，為業務應用系統提供支撐。系統開發采用微服務體系的前后端分離架構進行系統開發。其中前端采用了VUE頁面框架，基于Leaflet 的地圖框架進行開發，后端數據服務及模型服務采用SpringBoot 的框架進行開發，可視化服務基于WDP API 進行渲染交互，開發架構如圖3所示。

圖3 開發架構

2.2 系統主要功能

系統構建主要考慮數字大廳、“四預”調度兩個主要模塊，其中數字大廳定位為業務態勢感知，主要從業務層面出發，抽取各個業務關鍵信息結合二三維展示方式進行展示；“四預”調度圍繞預報、預警、預演、預案、會商等四預業務體系進行構建，系統功能架構如圖4所示。

圖4 功能架構

3 案例應用——數字孿生滆湖系統

選取常州滆湖為研究區，構建湖泊璘污染負荷評估模型，按照湖泊數字孿生系統設計思路，開發數字孿生滆湖系統。

3.1 區域概況

常州市地處太湖流域西部，北臨長江，東瀕太湖，西界茅山，南接天目山余脈，腹部有洮、滆兩湖。境內地形復雜，山丘、平原、圩區兼有，丘陵山區位于西南部，面積1 012 km2，占全市總面積的23%；中部和東部大部分是平原，面積1 585 km2，占全市總面積的36%；圩區主要分布在丘陵山腳和腹部洮、滆湖周圍，部分在沿江地區和與錫澄接界處，面積1 253 km2，占全市總面積的29%；圩外河湖面積525 km2，占全市總面積的12%。全市地勢高低相間，山圩相依，湖圩相連，河網密布。境內從南至北分成三大水系，包括南河水系，太湖、滆湖、洮湖三湖水系及運河水系。滆湖周邊土地利用類型主要有耕地、園地、林地、草地、濕地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地等。根據第三次國土調查結果，常州市主要用地數據統計結果見表1。

表1 常州市各土地利用類型面積統計

3.2 滆湖磷污染負荷在線模型構建

常州滆湖區域共劃分了74 個自然匯水小流域單元，以自然匯流單元取代行政單元，作為磷污染負荷空間分布的統計單元。通過調查，滆湖區域污染源主要分為工業、農業、畜禽養殖、水產養殖、林業和生活污染源。根據文件統計結果，各類型污染物入滆湖年總量數據統計數據見表2。

表2 入湖磷污染通量統計

基于小流域劃分成果及污染源調查數據，建立污染源與流域降水量之前的關系。在實際污染負荷預報計算過程中，需要對接實時降雨及預報降雨數據，因此需要將各小流域單元與實時降雨、預報降雨進行空間關聯，通過讀取實時降雨數據、預報降雨數據進行污染負荷預報。其中實時降雨數據對接江蘇省實時雨水情數據，預報降雨數據對接網格化預報降雨數據。

在進行小流域與實時降雨數據關聯過程中，由于部分小流域無雨量站點，因此通過將雨量站點進行泰森多邊界劃分，并與小流域進行空間疊加的形式進行關聯，關聯后通過對位于小流域范圍內的泰森多邊形對應雨量站點數值加權平均的方式獲取雨量值。

在與預報降雨站點關聯過程中，由于小流域可能位于一個或者多個預報降雨格網中，通過地理空間相交工具建立小流域與預報格網的關聯關系，并根據占據的不同格網面積權重進行加權平均，從而得到小流域預報降雨數據。

3.3 系統開發

3.3.1 數字大廳

數字大廳主要展示滆湖及周邊水系的水環境信息，包括磷污染負荷統計信息及預報信息、水質信息等。其中磷污染負荷通過自動預報方式，滾動計算污染負荷，按照工業、農業、生活、林業進行分類，展示近7d 入滆湖總磷負荷預測信息，并以年為單位統計年度入湖總磷污染負荷總量信息；水質數據對接滆湖周邊水質監測信息，展示滆湖周邊總磷、總氮、溶解氧等水質信息，并對水質較差站點進行水質告警。

3.3.2 “四預”調度

“四預”調度模塊主要包括感知、預報、預警、預演、預案等模塊，其中感知模塊對接滆湖及周邊實時雨情、水情、水環境監測數據，能夠結合圖表展示雨量、水位、水質等過程數據；預報模塊對接了氣象預報降雨信息，能夠展示格網預報降雨信息，并通過自動接入預報降雨信息進行入湖磷污染預報評估，展示各小流域入湖污染負荷量；預警模塊能夠對實時雨情、水情、水質信息進行告警展示，并根據入湖污染負荷閾值進行入湖污染預警展示；預演模塊主要同通過磷污染負荷在線交互計算接口，通過輸入降雨信息展示不同降雨條件下的磷污染負荷結果；預案模塊主要結合突發污染預案、水生態治理方案等信息，展示滆湖生態治理相關預案信息。

4 結 論

本文根據湖泊污染源分析，構建湖泊磷污染負荷模型，建立入湖磷污染與降雨關系，進行模型在線化改造，并以常州滆湖為例，通過污染源調查成果，構建以小流域為單元的降雨空間關聯，對接實時降雨數據、預報降雨數據，構建污染負荷在線評估模型；采用數字孿生手段，開發了數字孿生滆湖磷污染負荷評估系統，實現了滆湖磷污染負荷評估的“四預”功能，全面掌握滆湖當前及歷史水環境狀態、未來入湖污染狀態，有效支撐滆湖管理保護工作，系統成果能夠應用在類似湖泊的磷污染負荷評估上。