城市仿真水環(huán)境評估預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

石淼，譚仁春，何偉，陳莎，張敏

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

近年來，水環(huán)境保護(hù)越來越受到從國家到地方各級政府的重視，而水環(huán)境的保護(hù)與城鎮(zhèn)生活污水的治理有著密切的關(guān)聯(lián)，2018年住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》[1]，2019年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、生態(tài)環(huán)境部、發(fā)展改革委聯(lián)合印發(fā)《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動(dòng)方案(2019-2021年)》，明確提出“經(jīng)過3年努力，基本消除黑臭水體，城市生活污水集中收集效能顯著提高”的目標(biāo)。2017年，武漢市人民政府印發(fā)《武漢市“四水共治”工作方案(2017-2021年)》，要求全面推進(jìn)防洪水、排澇水、治污水、保供水“四水共治”，將污水治理提升到重要位置。

武漢市在水環(huán)境治理方面取得了顯著成效，但全市水體數(shù)量大、類型多、問題復(fù)雜，且隨著中央環(huán)保督查工作的日益嚴(yán)格和深入，水環(huán)境治理仍面臨巨大壓力。現(xiàn)階段是落實(shí)長江大保護(hù)、最嚴(yán)格水資源管理和環(huán)保督查等重大戰(zhàn)略的關(guān)鍵期，也是武漢市向國家中心城市邁進(jìn)和人民追求環(huán)境品質(zhì)、美好生活的重要時(shí)期，因此，有必要研究并開發(fā)一個(gè)城市仿真水環(huán)境評估預(yù)警平臺，創(chuàng)新性地探索新時(shí)代展示和管理獨(dú)特水資源的智慧化手段，對城市水環(huán)境系統(tǒng)和水城互動(dòng)過程中的問題進(jìn)行快速量化評估和預(yù)警，探索城市建設(shè)管理和水環(huán)境保護(hù)良性互動(dòng)的管理模式和工作方式。

由于水環(huán)境涉及的要素多，系統(tǒng)復(fù)雜，全面鋪開難度大，考慮到南湖地區(qū)水環(huán)境提升工程社會關(guān)注度高，新一輪的管線排查及監(jiān)測數(shù)據(jù)相對完備，本文以南湖流域示范片建設(shè)為試點(diǎn)，探索城市仿真水環(huán)境評估預(yù)警平臺建設(shè)的總體框架設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)，為后期以流域?yàn)閱卧鸩酵茝V至全市范圍做好技術(shù)儲備和支撐。

2 總體框架

平臺的總體框架分為軟硬件支撐層、數(shù)據(jù)交匯層、模型層、支撐層、應(yīng)用服務(wù)層、用戶交互層等6個(gè)層次。平臺按照軟硬件、數(shù)據(jù)資源、模型與應(yīng)用分離的原則，采用模塊化分層體系架構(gòu)，并研發(fā)統(tǒng)一、開放、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)和功能服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)功能數(shù)據(jù)的銜接和調(diào)用，層間功能相對獨(dú)立(如圖1所示)。

圖1 總體框架圖

(1)軟硬件支撐層：平臺運(yùn)行的必要軟硬件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)器及存儲設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備等；軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、管網(wǎng)及污染物模型系統(tǒng)等軟件；

(2)數(shù)據(jù)交匯層：數(shù)據(jù)層由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、水系統(tǒng)分區(qū)數(shù)據(jù)庫、污水管網(wǎng)及設(shè)施數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、其他專題數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。數(shù)據(jù)交匯層是平臺開發(fā)的最重要的一環(huán)，數(shù)據(jù)交匯涉及各類數(shù)據(jù)的收集、整理與建立數(shù)據(jù)庫，并需要進(jìn)行定期更新，以保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)性；

(3)模型層：模型層由評估指標(biāo)體系和相關(guān)的計(jì)算模型組成，計(jì)算模型包括污水量計(jì)算模型、污水管網(wǎng)模型、污染物模型等，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算模型，建立模型評估體系；

(4)支撐層：分為數(shù)據(jù)服務(wù)接口和功能服務(wù)接口，利用組件接口，通過空間數(shù)據(jù)引擎，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，如空間數(shù)據(jù)的存取、交換、表現(xiàn)和操作等；

(5)應(yīng)用服務(wù)層：應(yīng)用服務(wù)層是平臺的具體評估預(yù)警功能模塊，包括水環(huán)境狀況評估、水文特征評估、污水量評估、混錯(cuò)接評估、污染物負(fù)荷評估、污水收集與處理?xiàng)l件評估；

(6)應(yīng)用交互層：用戶交互層是平臺的具體功能的操作入口，包含PC端和移動(dòng)端的平臺。

3 功能模塊

平臺的功能結(jié)構(gòu)由桌面版和移動(dòng)版組成，桌面版功能包括地圖基本功能、查詢、統(tǒng)計(jì)、評估預(yù)警、系統(tǒng)管理等功能模塊；移動(dòng)版包括地圖基本功能、水質(zhì)速覽、設(shè)施速覽、評估速覽、系統(tǒng)管理等功能模塊，如圖2所示。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

3.1 桌面版

(1)地圖基本功能：地圖的基本操作，包括圖層開關(guān)(底圖數(shù)據(jù)和專題圖層的顯示和隱藏)地圖瀏覽(放大、縮小、平移、全圖、刷新、前一視圖、后一視圖)、地圖量測(距離和面積測量)等功能；

(2)查詢功能：點(diǎn)擊地圖要素進(jìn)行查詢、給定屬性或空間范圍條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢；

(3)統(tǒng)計(jì)功能：給定屬性或空間范圍條件進(jìn)行數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)，并導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)報(bào)表；

(4)評估預(yù)警：混錯(cuò)接評估、污水量和污染物負(fù)荷評估，污水收集與處理系統(tǒng)建設(shè)情況評估，水環(huán)境狀況評估、水文特征評估等；

(5)系統(tǒng)管理：用戶登錄、密碼修改、用戶管理、日志管理等。

圖3 城市仿真水環(huán)境評估預(yù)警平臺桌面版主界面

3.2 移動(dòng)版

(1)地圖基本功能：地圖的基本操作，包括圖層開關(guān)(底圖數(shù)據(jù)和專題圖層的顯示和隱藏)地圖瀏覽(放大、縮小、平移、全圖、刷新、前一視圖、后一視圖)、地圖量測(距離和面積測量)等功能；

(2)水質(zhì)速覽：對湖泊等水體的水質(zhì)現(xiàn)狀分類、水質(zhì)惡化提升情況基于底圖進(jìn)行快速展示，并提供點(diǎn)擊查詢和快速統(tǒng)計(jì)功能；

(3)設(shè)施速覽：對管網(wǎng)及設(shè)施、排口等專題數(shù)據(jù)基于底圖進(jìn)行快速展示，并提供點(diǎn)擊查詢和快速統(tǒng)計(jì)功能；

(4)評估速覽：對各類評估的結(jié)果專題數(shù)據(jù)基于底圖進(jìn)行快速展示，并提供點(diǎn)擊查詢和快速統(tǒng)計(jì)功能；

(5)系統(tǒng)管理：用戶登錄、密碼修改等。

4 關(guān)鍵技術(shù)

平臺的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在水環(huán)境仿真相關(guān)的評估預(yù)警上，主要包括混錯(cuò)接評估、污水量和污染物負(fù)荷評估、污水收集與處理系統(tǒng)建設(shè)情況評估、水環(huán)境狀況評估、水文特征評估。

4.1 混錯(cuò)接評估

混錯(cuò)接評估按照評估單元分為道路混錯(cuò)接評估和地塊混錯(cuò)接評估。

(1)道路混錯(cuò)接評估

道路混錯(cuò)接評估是以道路為評估單元，對排水管網(wǎng)的混接情況進(jìn)行評估，并導(dǎo)出評估結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)缺失和混錯(cuò)接情況統(tǒng)計(jì)預(yù)警、指導(dǎo)道路混錯(cuò)接改造建設(shè)時(shí)序。如圖4所示，道路混錯(cuò)接評估結(jié)果包括有無管網(wǎng)、有無混接。

圖4 道路混錯(cuò)接評估分析結(jié)果

(2)地塊混錯(cuò)接情況評估

地塊混錯(cuò)接評估是以地塊為評估單元，對地塊內(nèi)部的排水管網(wǎng)的混接情況進(jìn)行評估，并導(dǎo)出評估結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)地塊混錯(cuò)接統(tǒng)計(jì)和評估預(yù)警、指導(dǎo)地塊混錯(cuò)接改造建設(shè)時(shí)序。地塊混錯(cuò)接評估結(jié)果如圖5所示。

圖5 地塊混錯(cuò)接評估分析結(jié)果

4.2 污水量和污染物負(fù)荷評估

污水量和污染物負(fù)荷評估是水環(huán)境仿真模擬最重要的組成部分，主要是模擬從污水的產(chǎn)生、污水在管網(wǎng)中的流動(dòng)、污水排放、污水處理以及水質(zhì)監(jiān)測等環(huán)節(jié)，按照可量化的思路進(jìn)行污水管理的過程梳理和階段劃分，實(shí)現(xiàn)全流程的模型建立和評估計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對污水管網(wǎng)水量和水質(zhì)情況的模擬分析，從而模擬出污水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行對比分析，對管網(wǎng)及設(shè)施的改造和養(yǎng)護(hù)提出建議。

如圖6所示，污水量和污染物負(fù)荷評估分為污水的產(chǎn)生，污水的流動(dòng)，污水的收集、處理和排放3個(gè)計(jì)算階段。每一個(gè)階段分為4個(gè)層次：數(shù)據(jù)層、模型層、過程層和結(jié)果層。數(shù)據(jù)層表示過程中參與計(jì)算的數(shù)據(jù)，模型層表示計(jì)算過程中使用的仿真模擬計(jì)算方法，過程層是指當(dāng)前所處的過程，結(jié)果層表示在該計(jì)算過程中產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果。

圖6 負(fù)荷評估算法流程設(shè)計(jì)

(1)污水的產(chǎn)生

污水的產(chǎn)生以地塊為單位，基于地塊、建筑量/人口的用水定額估算出污水的產(chǎn)生量[2]，得出任意地塊污水產(chǎn)生量，從而可計(jì)算出任意范圍內(nèi)城鎮(zhèn)生活污水產(chǎn)生量、工業(yè)廢水產(chǎn)生量、城鎮(zhèn)平均日污水量、最高日最高時(shí)污水量和污水管道的污水生成量。

(2)污水在管網(wǎng)中的流動(dòng)

地塊產(chǎn)生的污水進(jìn)入對應(yīng)的污水管道，污水的流動(dòng)以管網(wǎng)為單位，利用SWMM[3]水力數(shù)學(xué)模型，模擬污水在管網(wǎng)中的流動(dòng)情況，模擬出管道的水深、流量、流速、充滿度和水質(zhì)等。模擬范圍為南湖片區(qū)，模擬時(shí)長1天，每5分鐘一個(gè)模擬時(shí)段，總共288個(gè)時(shí)段。考慮到南湖片區(qū)存在雨污管網(wǎng)混錯(cuò)接情況，模擬時(shí)將污水管網(wǎng)和雨水管網(wǎng)同時(shí)加入模型進(jìn)行計(jì)算，以提高模擬結(jié)果的精度。模型建模的數(shù)據(jù)清單如表1所示。

模型建模數(shù)據(jù)清單 表1

模擬的各個(gè)時(shí)刻管段的流量、流速、水深、充滿度以及最大值結(jié)果如圖7所示。在理想情況下，通過最大充滿度可以判斷管網(wǎng)的超載情況，進(jìn)行超載預(yù)警；根據(jù)最大流速情況進(jìn)行管網(wǎng)淤積可能性預(yù)警。

圖7 管道超載預(yù)警，流量、流速、充滿度、水深模擬結(jié)果

(3)污水的收集、處理和排放

污水流經(jīng)管網(wǎng)、泵站，最終進(jìn)入污水處理廠，通過對廠站的水位、水量和水質(zhì)進(jìn)行評估，可以得出廠站的水位、水量和水質(zhì)結(jié)果，根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，從而對污水泵站和污水處理廠的改造和養(yǎng)護(hù)提出建議。

4.3 污水收集與處理系統(tǒng)建設(shè)情況評估

污水收集與處理系統(tǒng)建設(shè)情況評估包括污水廠站負(fù)荷、污水廠進(jìn)廠濃度、污水廠尾水達(dá)標(biāo)情況、污水收集系統(tǒng)完善情況等4個(gè)方面的評估，以實(shí)現(xiàn)評估預(yù)警和反饋。

污水廠站負(fù)荷評估是對泵站和污水處理廠的實(shí)際的運(yùn)行水量與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比分析，預(yù)警排查系統(tǒng)內(nèi)混錯(cuò)接和深基坑等地下水混入情況、廠站是否需要擴(kuò)建、管網(wǎng)建設(shè)情況等，如圖8所示。

圖8 污水處理廠負(fù)荷評估

污水廠進(jìn)廠濃度評估可以根據(jù)濃度的情況值預(yù)警排查系統(tǒng)內(nèi)混錯(cuò)接和深基坑等地下水混入情況。例如，若出現(xiàn)污水無處理進(jìn)廠濃度明顯偏低的情況，可以考慮雨水混入了污水，或者有深基坑排水混入。

污水廠尾水達(dá)標(biāo)情況評估可以預(yù)警污水廠是否有需要進(jìn)行提檔升級。污水收集系統(tǒng)完善情況評估是對地塊產(chǎn)生的污水是否可以進(jìn)廠，找到空白區(qū)進(jìn)行評估預(yù)警。

4.4 水環(huán)境狀況評估

水環(huán)境狀況評估是通過對片區(qū)內(nèi)水體的化學(xué)需氧量(COD)、總磷、氨氮等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評估(圖9)，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)評估、動(dòng)態(tài)展示及對比分析。

4.5 水文特征評估

水文特征評估包括兩個(gè)方面：匯水區(qū)建成區(qū)占比分析、水位變化和水文循環(huán)次數(shù)。

(1)匯水區(qū)建成區(qū)占比分析

如圖10所示，匯水區(qū)建成區(qū)占比分析是通過計(jì)算匯水比、匯水區(qū)內(nèi)建設(shè)用地占比、建設(shè)用地與水域面積比等指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。

圖9 水環(huán)境狀況評估結(jié)果

圖10 南湖匯水區(qū)建成區(qū)占比分析算法

①匯水比是匯水區(qū)范圍內(nèi)建設(shè)用地與水域面積的比；

②匯水區(qū)內(nèi)建設(shè)用地占比是建設(shè)用地面積與匯水面積和水面面積差值的比；

③建設(shè)用地與水域面積占比是建設(shè)用地面積與水域面積的比。

匯水區(qū)建成區(qū)占比分析是通過分析流域內(nèi)地塊建成情況，可以直觀反映水環(huán)境所面臨的城市建設(shè)壓力。

(2)水位變化和水文循環(huán)次數(shù)分析

如圖11所示，水位變化和水文循環(huán)次數(shù)分析通過水位的變化、水體蒸發(fā)量、湖泊庫容等指標(biāo)來進(jìn)行分析計(jì)算，用來指導(dǎo)水位調(diào)度，分析結(jié)果如圖12所示。

圖11 水位變化和水文循環(huán)次數(shù)分析算法

圖12 水位變化和水文循環(huán)次數(shù)分析結(jié)果

5 結(jié)論與展望

城市仿真水環(huán)境評估預(yù)警平臺的建設(shè)，探索了城市建設(shè)管理和水環(huán)境保護(hù)良性互動(dòng)的管理模式和工作方式，對城市水環(huán)境系統(tǒng)和水城互動(dòng)過程中的問題進(jìn)行快速量化評估和預(yù)警，能夠?qū)Τ鞘形鬯芫W(wǎng)及設(shè)施的規(guī)劃、改造養(yǎng)護(hù)、建設(shè)時(shí)序等決策問題提供重要的信息化支撐，對城市水環(huán)境的治理具有非常重要的意義。

目前，本文的研究是基于水環(huán)境相關(guān)的現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行的仿真模擬，對于現(xiàn)狀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完備性要求很高，同時(shí)仿真模擬的結(jié)果需要通過在線監(jiān)測的實(shí)際結(jié)果進(jìn)行論證，才能發(fā)揮更大的作用，因此下一步的研究重點(diǎn)在于如何保證數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新，滿足數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完備性的需要，同時(shí)將仿真模擬結(jié)果與實(shí)際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對模型進(jìn)行率定，以提高仿真模擬的準(zhǔn)確性。