慈湖河流域水质监测预警管理体系的构建与应用

邵世保 吴雁 张德辉 耿永辉 周鹏 郝红珊

摘要：慈湖河流域水质监测预警管理体系结合最新水质管理理论，明确管理目标，梳理现有生态环境监管业务，摸清现有信息资源，梳理环境管理数据，依据EFDC水动力-水质模型工具，在慈湖河流域实地调查、规划布点，根据干流建立二维水质污染扩散模型，与web应用系统集成，建立水质监测预警管理信息化平台。模拟不同污染负荷情形下水质变化情况，对慈湖河流域的水环境质量水污染问题进行模拟预测分析，以远程控制及自动化技术为依托对流域内的水环境质量要素、环境管理对象、整治工程等进行管理，最终形成基于物联网技术、大数据分析技术和模拟分析技术的监测预警体系，为慈湖河流域水质监测预警管理提供了一个效率高、实用性强的信息化平台。

关键词：EFDC模型;水质监测预警;模型集成;慈湖河

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）12-0-05

Abstract：After the site survey and the sampling point arrangement of the Cihu River Basin， we established a two-dimensional water quality pollution diffusion model based on the EFDC hydrodynamic-water quality model.Before this， we studied the latest water quality management theory， clarified the management objectives， sorted out the existing ecological environment supervision business， found out the newest environmental management data in Cihu River Basin.Then we integrated the water pollution diffusion model with the web application system to establish an informationization system for water quality monitoring and warning management.We used the system to simulate the water pollution problem in the Cihu River Basin， simulate the water quality changes under different pollution loads.Relying on remote control and automation technology， we could get real-time monitoring of water environment quality in the basin， management of environmental supervision object， and the construction progress of renovation project， etc.The system established in this paper could provide an efficient and practical information system for water quality monitoring and warning management example.

Key words：EFDC Model;Water quality monitoring and warning;Model integration;Cihu River

1 建设背景

在城市化的快速进程中，城市河流的生态环境遭受了不同程度的破坏，水体自身的污染净化功能和景观功能降低，有的甚至成为黑臭水体，严重影响城市生态环境[1]。2015年《水污染防治行动计划》印发以来，马鞍山将水环境保护作为生态文明建设的重要内容。2015年底，马鞍山市政府正式发布了《马鞍山市水污染防治工作方案》，作为水十条在马鞍山市的具体落地方案。河流应急管理理念也应由传统被动式向主动式风险管理转变，由目标总量控制向环境容量总量控制转变[2]，以此达到依据预警监测系统实现管理理念的转变。

慈湖河位于马鞍山市北部，随着城市规模的扩大已成为穿越市区的一条内河，生态功能和休闲景观作用日益显现。但由于上游矿产资源无序开发，中游生活面源污染严重以及下游的工业污染，慈湖河流域生态破坏严重，群众反映强烈。

2013年世界银行批准给马鞍山市慈湖河流域水环境治理项目提供贷款1億美元，用于提高马鞍山市城区的防洪排涝能力，改善慈湖河流域生态环境和城市人居环境。马鞍山市利用世行贷款计划实施了马鞍山市慈湖河流域水环境治理工程项目，项目根据马鞍山市城市发展总体规划和慈湖河流域生态环境综合整治规划，主要建设内容为：慈湖河河道修复工程，包括河道疏浚、堤岸加固、护坡、绿化及服务道路，改建排涝泵站及配套服务设施;修复改善慈湖河支流水系恢复其天然的雨水排泄功能;建立慈湖河全流域管理体系、水环境监测体系、环境预警体系、矿山管理体系，制定上游矿区的环境保护计划等。

马鞍山市慈湖河流域水质监测计划及环境预警体系建设项目是马鞍山市慈湖河流域水环境治理工程项目中的一部分，目标是从环境保护管理的角度提出慈湖河流域水质监测体系的建设方案，并在水质监测体系基础上整合污染排放等相关数据设计、建设慈湖河流域水质预警决策支持系统。

本文重点介绍慈湖河流域水质监测预警管理体系以该项目为例总结提炼了城市河流监测预警体系构建的方法，探究系统的建立对慈湖河流域生态环境质量改善起到的作用。

2 系统构建

2.1 技术路线

流域水质监测预警体系的构建首先要通过对相关指导性政策文件进行分析，明确管理目标;对现有生态环境保护监管业务梳理，尤其是数据梳理，在摸清现有信息资源的基础上，对监测预警体系的构建进行总体设计[3];根据总体设计方案搭建预警监测网络，建立流域决策支撑模型，建设监测预警决策支持信息化平台，最终形成基于物联网技术、大数据分析技术和模拟分析技术的监测预警体系。流域水质监测预警体系构建的技术路线如图1所示。

2.2 建设过程

2.2.1 管理目标分析

慈湖河水质监测预警体系构建项目作为马鞍山市慈湖河流域水环境治理工程项目（世行贷款项目）的子项目之一，其设计之初的目标是：提升流域环境监管能力，防范随着城市发展而带来的生态环境恶化的威胁，保证慈湖河水质满足景观水体要求，达到“监管有力、考核达标、群众满意”。

2015年底，马鞍山市政府正式发布了《马鞍山市水污染防治工作方案》，作为水十条在马鞍山市的具体落地方案，《方案》中明确提出考核指标“到2020年，城市建成区黑臭水体控制在10%以内，基本消除劣Ⅴ类水体”。

2.2.2 慈湖河流域环境现状及管理情况

2.2.2.1研究区概况

（1）水文情况。慈湖河是安徽省马鞍山市城区最长的长江支流，由南向北穿越整个城区东部。全长约26.1km，流域面积124.8 km2，分为上、中、下游。慈湖河上游属丘陵区，断面以上总控制流域面积为43.62km2。上游由4条主要支流汇入而成，从上到下分别为镇南支流（亦称清水塘支流）、洋河支流、高村支流以及霍里山支流，其中洋河支流为慈湖河主流;慈湖河中游（林里路断面以上）总控制流域面积为77.7km2，入河支流1条;慈湖河下游有犁尖湾河、天然河支流汇入以及7条支流水系汇入。

（2）水质状况。根据慈湖河2015年马鞍山市环境质量公报公布，慈湖河下游监测断面水质符合《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅴ类，水质状况为中度污染。

慈湖河上游洋河区域受矿业作业和面源污染的影响，监测的各类指标均存在不达标的状况，秀山湖流域和上游主河段主要是受到生活污水和农业面源的影响较大，存在严重的有机耗氧性污染。慈湖河中游及下游河段，主要是氨氮含量较高，其他指标均能达到照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）V类标准。

（3）污染源分布情况。慈湖河上游污染源主要为：采选矿排放污染，面源污染，分布有大片农田和葡萄种植基地及村镇生活污染;向山工业园区，园区已完成管网铺设，污水全部排入东部污水处理厂。此外上游建有2处湿地、1座初级处理工程，分别为高村湿地、南加甸湿地，但进、出水水质都较差;初级处理工程位于向山镇小甸塘旁，设施运行断断续续，处理效果不佳。慈湖河中游主要是金家庄工业园区污水排入王家庄污水处理厂、花山工业区污水排入东部污水处理厂。中游面源污染主要来源于为纳入污水收集管网的生活面源和施工工地。慈湖河下游主要是慈湖高新技术开发区，污水排入慈湖污水处理厂，金星钛白集团出水、马钢新区3个排口直接排入慈湖河。慈湖河下游沿岸居民分布较多，还存在污水尚未进入污水处理厂，直接排入慈湖河。

2.2.2.2监测因子确定及监控断面建立

从慈湖河水体客观现状、水质模型模拟需求和慈湖河流域水质污染状况考虑，确定设置3个浮标站对慈湖河进行全面的水质监测，监测参数包括溶解氧、电导率、水温、pH、浊度、磷酸盐、氨氮、COD多个参数。点位分布如下图2所示。

2.2.3 流域监测预警体系总体设计

在对慈湖河流域管理目标和现状分析基础上，对慈湖河流域监测预警体系建设进行规划设计。

慈湖河流域监测预警体系总体建设思路为“能发现、能说清、能决策”，通过监测及时发现问题并预警报警，通过排放清单进行溯源分析说清污染来源，通过决策支持平台提供解决方案的效能分析。

慈湖河流域监测预警体系包含预警监测网络和报警预警及决策支持平台两大部分。

2.2.4 监测预警网络建设

预警监测网络是整个体系的“眼”和“耳”，是感知慈湖河水质变化、说清水质现状的最重要组成部分。本项目建的监测网络是慈湖河流域首次建立的反应灵敏、反馈有效的监测预警系统。本项目建立前，慈湖河流域只在下游入长江口处设置了一个手工监测断面，监测周期为1个月。因此，没有详细的历史资料可供参考，需要进行现场调查，在此基础上进行水质监测点布点规划。

2.2.4.1现场调查

现场调查工作主要集中在2016年5月-2016年9月，对慈湖河干流进行了走访调查，并在重要断面进行了监测。

（1）慈湖河上游现场调查概况。慈湖河上游屬丘陵区，除靠近马芜高速往上游约600m的东河湾段河道的两岸筑有防洪堤防外，上游河道基本上为无需堤防的天然河道。慈湖河上游东环路至湖南东路段河道两侧区域大部分为安徽工业大学用地，湖南东路至313 省道河道两侧基本为农田，在更上游基本为矿区及村镇。上游地区主要污染风险源来自以向山工业区为主的点源和以废旧矿区和农业面源为主的面源。在现场调查期间，慈湖河上游水质相对较好，但氨氮指标超过了Ⅴ类水体标准。

（2）慈湖河中游现场调查概况。慈湖河中游林里路断面以上总控制流域面积为77.7km2，其中现有入河支流10 条。慈湖河自东环路向西开始进入已建成区，慈湖河中游左岸区域基本为建成区，主要是居住区，右岸区域大部分为正在开发的区域，为秀山新区。

中游污染风险源包括：金家庄工业园区、花山工业园区等工业点源和王家山污水处理厂、东部污水处理厂等污水处理厂。此外，根据现场调查情况慈湖河右岸区域处于正在开发阶段，面源污染较为严重。从现场水质监测结果看，水质指标普遍高于上游。

（3）慈湖河下游现场调查概况。下游慈湖河入江口上游300m处有犁尖湾河汇入;距入河口上游5.35km处有天然河支流汇入;除此之外，尚有7条支流水系汇入，慈湖河下游两侧现状基本工业集中区和农村。

下游区域主要点源污染源为马钢工业区和慈湖污水厂，靠近入长江口存在农村面源污染。根据现场勘查情况，由于点源污染控制措施比较到位下游水质好于中游。慈湖河下游水质调查表见表1。

2.2.4.2布点规划

布点规划原则：

（1）监测断面在总体和宏观上须能反映水系或所在区域的水环境质量状况。各断面的具体位置须能反映所在区域环境的污染特征;尽可能以最少的断面获取足够的有代表性的环境信息;同时还须考虑实际采样时的可行性和方便性。

（2）断面位置应避开死水区、回水区、排污口处，尽量选择顺直河段、河床稳定、水流平稳，水面宽阔、无急流、无浅滩处。

（3）监测断面的布设应考虑社会经济发展，监测工作的实际状况和需要，要具有相对的长远性。

（4）监测断面的设置数量，应根据掌握水环境质量状况的实际需要，考虑对污染物时空分布和变化规律的了解、优化的基础上，以最少的断面、垂线和测点取得代表性最好的监测数据。

（5）监测断面的设置需能够反映流域主要支流对干流的影响，为流域监管和模型模拟应用提供流域边界数据和水质变化数据。

（6）综合考虑监管需求和项目经费情况，在有限的经费情况下综合考虑各种因素，划分优先级，选择相对重要的河段设置监测断面。

根据以上布点规划原则，在慈湖河流域的实际布点规划如下，布点图见图4。根据可研规划，慈湖河流域水质监测网络建设经费为200万元左右，即使采用费用较低的浮漂站建站方式，规划经费也远远不能满足初步建议方案中11个监测断面的建设需求，按照“急用先行，突出重点”的原则，对11个建议监测断面进行筛选，最终选出3个断面现行建设。

浮漂站建设费用主要包括：浮漂体、传感器、通讯模块等，其中浮漂体和传感器占了大部分经费，因此在筛选断面时首先选出水文、水质都需监测且监测指标较多的断面。另一方面，由于断面数量有限，要求筛选出来的断面要能代表一段河段的水质和水文总体状况。综上两条原则，经专家分析讨论和现场勘查，推荐本期建设方案如下：

监测断面拟设3个固定监测断面，运用3个浮标站的方式对慈湖河进行全面的水质监测。根据当前水质在线自动监测仪表的发展现状及本项目需求，为反映慈湖河水质状况，监测参数包括溶解氧、电导率、水温、pH值、浊度、磷酸盐、COD、氨氮、水深、流量、流速多个参数。

2.2.5 水质模拟预测模型建设

利用EFDC水模型工具建立了慈湖河干流水质模型，由于后续污染物溯源研究主要关注污染物空间位置，对河道断面内垂向浓度分布无明显要求，故而垂向不分层，建立二维模型。

模型空间概化采用凸四边形网格（部分急弯、交汇等特殊区域为三角形），各网格之间的连接均为一维线性连接关系。由于研究区域范围大，水系结构复杂，对部分河段在小范围内进行裁弯取直的处理方式[4-7]。考虑了整体模拟范围的空间尺度以及水流在常流量下流经单元网格的流行时间，最终将河道划分为106个长约200m、宽随河道实际情况而变化的凸四边形网格，垂直方向不分层。时间概化水动力学模拟时间步长为10s，水质模拟时间步长亦为20s。经模型运行调试后证明在此步长下，模型能够稳定运行。

2.2.6 预警监测决策支撑平台建设

构建预警监测决策支撑平台首先要整合环境管理业务体系，从流域这一要素出发，整合环境保护管理部门内外的水质监测、应急、污染防治、信访投诉、监察等相关业务数据，建立数据动态更新机制、建立污染排放清单，并通过现场勘查完善清单内容，提升清单精度[3]。基于以上大数据，实现污染溯源功能，筛选出可能造成污染的企业，结合可视化技术在地图上进行直观的展示。系统在发生突发性水环境污染事故时，启动决策分析平台的应急模拟功能，根据污染事故发生的位置，快速进行污染物扩散的应急模拟分析，通过动态图形变化展现污染事故对水体水质状况的影响，为突发性水环境污染事故的发生采取有效的应对措施提供技术参考。针对监测异常、自动监控异常及监测设备异常等情况，可通过任务管理模块，马鞍山市网格化管理相结合，将任务落实负责人，最终形成闭环管理。

2.2.6.1系统框架

针对慈湖河现场调研情况，慈湖河流域水质监测预警管理体系以物联网技术为基础，融合水质便携式在线监测技术、物联通信技术和水质模拟预警决策支持技术，形成了感知层、物联层、智能层和决策支持层四层框架结构见图5。

（1）感知层：采用建设的3座自动浮标站，通过无线和有线的数据通信网络与后台控制中心实时联络，进行慈湖河水质的实时监控。

（2）物联层：在采用现有無线ongoing和有线数据通信网络、基础软件将前端监测设备采集到的数据传输至智能层，为系统提供数据传输提供网络环境。

（3）智能层：基于感知层的数据采集、物联层的数据传输进行数据的存储、查询及统计分析等功能，数据的智能层为水质的监控预警、基于GIS的数据展现等功能提供数据层面的支撑。

（4）决策支持层：在利用平台智能分析工具、模型的基础上，进行数据的分析及挖掘，为应急事故的处理、污染治理的效果预测、水环境综合管理决策提供技术支持，并进行水质现状、水质模拟结果及网格数据的可视化分析与动态展示，为管理者的决策提供有效的技术支持。

2.2.6.2系统功能模块设置

（1）流域水环境质量分析模块。通过对慈湖河流域水质在线监测数据和手工监测数据的采集和分析，以多种形式对水质监测数据进行展示，对水质进行实时监控。提供监测断面详细信息及排放数据查看功能。对流域的水质现状、水质变化、水质评价等数据进行分析展示。对超标监测断面和异常设备进行预警提示及相关查询。

（2）污染源排放监控模块。系统建立污染源档案数据库，通过与GIS地图的结合可查看污染源分布情况。系统集成污染源自动监控数据，实时展示污染源自动监控情况，对排放异常污染源进行实时提醒，并在GIS地图上通过图层的切换进行达标、水质类别的可视化展示。

通过建立的污染源排放与流域的对应关系，在污染事故发生时，启动系统的溯源分析功能，可追溯污染物的来源状况，筛选出可能造成污染的企业，并在地图上进行直观的展示，采取处理措施。

（3）排放清单管理及应急模拟模块。系统建立慈湖河废水污染源排放清单，说清污染源排放现状与影响范围，可集成展示多种污染负荷数据来源，并进行对比分析。针对水污染防治管理工作的需求，基于水质模型及历史和现状数据的基础上，用户可制定污染防治规划、措施的情景方案，建立对应的排放清单，模拟规划、措施实施后可能产生的效果，对比不同方案间的治理效果，实现多情景分析，协助决策者制定最终治理方案。

（4）应急模拟模块。系统在发生突发性水环境污染事故时，启动应急模拟功能，根据污染事故发生的位置，污染物类别以及污染物进入水体的方式，系统可以提供不同的事故模拟项目的建立方式，快速进行污染物扩散的应急模拟分析，对污染物在水体中的扩散状况进行预测模拟和预警，通过动态图形变化展现污染事故对水体水质状况的影响，为突发性水环境污染事故的发生采取有效的应对措施提供技术参考。

（5）模型管理模块。在进行不同情形下的水质模拟时需要对模型的参数进行调整，本系统可以对模拟所需的气象数据、水动力数据、模型网格数据、模型的输出配置、运行、模拟结果及模拟的展示进行调整，提供更精确的模拟条件参数。

（6）任务管理。针对监测异常、自动监控异常及监测设备异常等情况，设置任务管理模块，可在模块中建立新任务，并将任务分配到负责人。并与马鞍山市网格化管理相结合，任务分配精确定位。

3 体系应用及管理成效

3.1 体系应用

3.1.1 流域水环境质量分析模块

本模块与对采集来的水质在线监测数据和手工监测数据对水质进行分析，对水环境质量进行动态评价和有效监督，并以多种形式对断面水质监测数据进行展示，展示水质评价后的现状及不同污染物的现状。对超标监测断面和异常设备进行预警提示，并提供相关查询。计算并展示所选区域、流域的水质达标现状，和国家、省级考核目标比较后，动态提醒考核目标达超标情况，若未达到考核标准，系统还能提供进一步查找超标原因，定位到超标的断面，辅助政府监管工作。

3.1.2 水质GIS展示

水环境质量分析模块的分析方法分析结果，与GIS地图的结合，进一步增强数据可视化效果。结合行政区边界、河流等地图元素，从地图中更直观的查看水质现状。对于超标的监测断面，地图中能直接通过图标发现，查找原因更迅速、更直接。在GIS地图上，还可以切换水质现状和达标情况分析主题，根据不同使用场景切换可视化展示内容。

3.1.3 基于模型的水质预警

经过现场调查、布点，确定监测因子、监控断面，对慈湖河干流流域范围进行空间概化，利用EFDC水模型工具建立了慈湖河干流水质二维模型。考虑了整体模拟范围的空间尺度以及水流在常流量下流经单元网格的流行时间，最终将河道划分为106个网格。时间概化，水动力学模拟时间步长为10s，水质模拟时间步长亦为20s。经模型运行调试后证明在此步长下，模型能够稳定运行。在进行不同情形下的水质模拟时需要对模型的参数进行调整，本系统可对模拟所需的气象数据、水动力数据、模型网格数据、模型的输出配置、运行、模拟结果及模拟的展示进行调整，提供更精确的模拟条件参数。水环境质量数据结合模型工具，可对水环境质量进行预警。还可模拟污染源新增后的水质情况。当发生水污染事件时，还可通过模型，模拟水环境整治措施的实施效果，为环境质量监管者提供科学的决策依据。

3.1.4 污染源排放监控及溯源

系统建立污染源档案数据库，通过与GIS地图的结合可查看污染源分布情况，增强污染源数据的可视化展示效果。系统集成污染源自动监控数据，实时展示污染源自动监控情况，对排放异常污染源进行实时提醒。通过业务系统中建立的污染源排放与流域、断面的对应关系。在发生污染时，可启用系统的溯源分析功能，可追溯污染来源，筛选出可能造成污染的企业，并在地图上进行直观的展示，辅助政府决策，以便及时采取措施合理解决问题。

3.1.5 基于模型的应急模拟模块

系统在发生突发性水环境污染事故时，启动应急模拟功能，根据污染事故发生的位置，污染物类别以及污染物进入水体的方式，系统可以提供不同的事故模拟项目的建立方式，对模拟所需的气象数据、水动力数据、模型网格数据、模型的输出配置、运行、模拟结果及模拟的展示进行调整，提供更精确的模拟条件参数。快速进行污染物扩散的应急模拟分析，对污染物在水体中的扩散状况进行预测模拟和预警，通过动态图形变化展现污染事故对水体水质状况的影响，为突发性水环境污染事故的发生采取有效的应对措施提供技术参考。

3.2 管理成效

本文建立的管理体系，将以水资源、水安全、水环境、水生态、水文化“五位一体”的理念统领治水工作，以问题和目标为导向，对水环境信息进行全面整合管理，说清水环境现状，及时发现问题，为提升水环境监管作支撑，为管理者综合决策提供支撑。

4 结论

马鞍山市慈湖河流域水质监测计划及环境预警体系建设项目，从环境保护管理的角度提出慈湖河流域水质监测体系的建设方案，并在水质监测体系基础上整合污染排放等相关数据设计、建设慈湖河流域水质预警决策支持系统。本文重点介绍了慈湖河流域水质监测预警管理体系的构建过程及体系应用管理成效。管理体系总体建设思路为“能发现、能说清、能决策”：基于水质在线监测数据和手工监测数据及时发现水质问题并预警报警;结合污染排放数据、系统建立的排放清单通过大数据分析，对水环境问题进行溯源分析说清污染来源;慈湖河水体客观现状、水质模型模拟需求和慈湖河流域水质污染状况考虑，通过模型模拟提供不同处理处置方案的效果，并对比不同方案的治理效能，从而为决策制定提供科学依据，为水环境的管理提供了一种有效的解决方案。探究系统的建立对慈湖河流域生态环境质量改善起到的作用。

参考文献

[1]杜卓亚.马鞍山市环境保护形势分析[J].中国科技信息，2010（10）：16-17.

[2]崔小新.湿地系统对生态河流治理水质改善的研究——马鞍山市慈湖河中段综合治理工程为例[J].中国农村水利水电，2012（7）：54-57.

[3]胡颖.新型水质综合评价体系及其在水质预警中的应用研究[D].上海：华东师范大学，2014.

[4]杨倩.基于EFDC的密云水库水环境及应急处理模型研究[D].北京：中国地质大学（北京），2014.

[5]张以飞，王玉琳，汪靓.EFDC模型概述与应用分析[J].环境影响评价，2015，37（3）：70-72.

[6]陈异晖.基于EFDC模型的滇池水质模拟[J].云南环境科学，2005，24（4）：28-30.

[7]刘夏明，李俊清，豆小敏，等.EFDC模型在河口水环境模拟中的应用及进展[J].环境科学与技术，2011，34（6G）：136-140.

收稿日期：2019-09-11

作者簡介：邵世保，男，研究方向为生态环境保护相关。