城市水体水质综合评估体系框架研究

许子洋

（上海水务建设工程有限公司，上海 200120）

研究主要通过水系水体进行普查，收集相关资料，特别是湖体模型、河道断面、进水点以及污染物排口的位置、污染量、监测情况资料统计；建立在线水质监测系统实时监测河面、河床及水体的水质情况，建设一个云基础数据中心；构建河床及水质管养决策模型，及时发现水质异常及河床淤泥变化，对该水域及下游进行水质污染预报，研究河道河床、水体扩散、自净规律等，达到掌握水体水质和污染物通量评价水系水质现状，决策分析水体联通调度措施的评估与预测；通过数据决策打造管理作业两级应用平台，为河道日常养护管理作业提供高效技术支持。

1 研究背景

目前，黑臭河道整治完成后，“河长制”巡查管理实施过程中主要依靠河长和人员有限的河道执法队伍，仅仅依靠“腿跑、眼盯、手测”等手段，实现河道的污染源排查、保洁、管养、三清等工作常态化、制度化的监管是不现实的，因此， 结合信息技术建设提升现有“河长制”河道治理系统，为后续河道日常养护治理带来积极作用[1-2]。

在线水质监测系统通过获取、处理和分析河道水质指标参数的变化情况，能及时有效得出污染源状况 （时间、地点、主要污染物、污染物源头），对河道处理事故应急和预警提供了数据支持和评判依据。决策模型使用河流水力水质模型对生化需氧量、氨氮、总磷等入河污染物的扩散、传输路径与浓度演变过程进行模拟，分析污染物排放对水体水质影响，结合河流水质规划目标进行水体环境容量计算，研究优化沿河污染负荷排放控制策略，评估水体整治措施实施效果，完善河流运行调度控制方案。管养平台通过全覆盖、无间断、实时传输、数据预处理、数据分析统计，预测评估，实现对水体信息的有效监测、数据共享和评估分析[3-4]。

2 研究主要内容

2.1 在线水质监测系统

2.1.1 在线水质监测系统

通过在线水质监测设备 （自主巡航机器人、岸边站等）对河道水质物理、化学等参数进行实时监测。

核心思路：数据采集—数据传输—数据存储。

数据采集：通过在线监测设备对河道水质物理、化学等参数进行实时监测，为河道流域水体状况提供基础数据。

数据传输：通过无线传输终端，经GPRS等传输方式将数据传输至数据云平台。

数据存储：监测云平台对收集的水质数据进行存储；

2.1.2 在线水质监测设备

（1） 自动巡航潜艇，最新自主巡航机器人，具有自主驾驶、自主巡航、实时数据传输等功能，可以自主巡航 （无人驾驶+无船舶辅助）、高精声学水下探测 （自动避障+防搁浅）、高清视频 （监测取证+安全防盗）、全天候工作、自主充电管理、实时数据采集。

①确定河湖水质变差污染源头位置；②对湖区入水出水河道淤积情况形成标高图；③在完成湖区水下地形扫描的基础上，评估计算滴水湖蓄水能力；④对周边河道断面的扫描评估湖区入水出水利模型；⑤在完成湖区全域水质普查的基础上，形成水质污染 （氨氮、溶解、透明度等） 分布等高图。

表1 AGS设备及用途

（2） 小型集成式岸边水质自动监测站是一套以各类在线式水质传感器为核心，运用现代传感器技术、自动控制技术、无线通信网络构成的水质在线自动监测体系。主要有取水单元、预处理及配水单元、监测单元、辅助单元、控制单元、通讯单元等。

2.1.3 在线监测河道信息及主要水质指标

（1） 河床三维图。河道扫描、河道底部安全排查 （大型沉底垃圾、河底危险物）、河道清淤服务 （清淤量、方位标定）、河道详细信息 （河床尺寸、年清淤量） 等。

（2） 主要监测物理指标。温度、浊度 （NTU）、色度、透明度、溶解氧 （DO）、电导率、总固体 （TS）、悬浮固体（SS） 等。

（3） 主要化学指标。pH值、化学需氧量 （COD）、氨氮、亚硝酸盐氮 （NO2-N） 总氮 （TN）、总磷 （TP） 等。

（4） 河道监控画面 （视频、图片）。全河道巡警、全河道异常巡警等。

2.2 水质管养决策模型

建立河面、河床及水质管养决策模型，通过在线监测系统中的河面污染物、河床淤泥、水体水质情况，对该水域或下游水域的水体污染 （河面污染物、河床淤泥、水体水质） 进行预测，提前获取未来污染发展情况，分析得出遏制发展有效措施。应急状态下如何采取抢险措施并且预测河道污染险情发展趋势。

通过研究河道河床、水体扩散、自净规律等，达到掌握水体水质和污染物通量，有效对水系水质现状评价，为水体联通调度措施的评估与预测做出有效决策分析。

2.2.1 水系水质现状评价及修复效果预测

根据河流的水文资料、断面形态及AGS自动巡航潜艇高精声学水下探测 （自动避障+防搁浅） 与高清视频 （监测取证+安全防盗） 取得的河面及河床数据等基础资料，结合污染源监测数据建立河流水系的水力水质状况模型。根据《上海市内陆河流及水系水质常规评价技术规程》要求对研究水体的水质现状予以分类评估。基于污染源排放现状通过模型模拟未来水体中COD/BOD、氮、磷等主要污染物的浓度演变发展趋势以及生态状况，预测水体水质前景及其影响因素和薄弱环节，评估修复措施对水体水质修复的作用效果，为制定河流等水体水质养护目标提供参考依据。

2.2.2 水体环境容量计算与总量控制

对于水质指标优于规划水质目标的水体开展总氮、总磷、生化需氧量等污染物的纳污能力与容量计算，根据水体污染物承载能力评价现有入河污染物的控制状况，优化主要污染源的排放总量及排放浓度控制水平，重大水体水质污染历史事件的回溯模拟分析，为水质监测系统报警阈值设定提供技术依据。

2.2.3 水体联通调度措施的评估与预测

进行多水体联合运行模拟，分析水力调度措施对于河流水质和水量的整体影响。结合泵站、闸阀等水利设施的运行情况，分析评估不同径流条件下河网的水力水质的响应与净化能力，提高河网运行调度策略的合理性与科学性。

2.3 管养作业两级平台

核心思路。预处理—数据分析—数据展示；预测评估—管养作业—数据反馈。

数据预处理。对在线监测系统存储数据进行预处理，列出实时水质指标并判别得出有效数据。

数据分析。分析预处理后有效数据，汇总制图，直观表现水质指标变化情况，分析指标是否在安全范围，是否是有效数据等。

数据展示。通过Web、PC、APP、微信公众号等移动端向管理人员发布河道水质信息。

预测评估。决策模型分析预测评估管养作业。

管养作业。通过现场管养作业对 （河面、河床） 污染物、水质治理。

数据反馈。监测作业后效果，反馈至决策平台。

管养作业管理平台主要是通过互联网传输、数据分析系统对河道上下信息 （河面、河床）、水体水质进行数据收集、存储、 分析、 评估、展示；将GIS、BIM技术和养护信息相结合，对养护数据进行统计、分析及养护决策，支持数据传输与同步技术。

实现河道养护数据库、养护数据、手持系统和现有地理信息系统、BIM模型的交互，实现多比例尺地图、BIM模型的自动切换、拼接和分割。通过GIS+BIM中的空间和属性数据，直接在GIS+BIM中上查询养护数据，实现空间数据和关系数据的连接。GIS+BIM可接受系统提供的数据，并按照要求将这些数据表现在GIS+BIM上，利用动态分段技术对河道进行动态划分，将查询和统计结果直接表现。系统依托养护数据库、GIS和BIM，记录各种数据。系统可以对数据进行统计分析。系统将记录历年养护的经验数据形成养护统计表。管理人员可以方便查询和研究历史养护资料，为决策提供信息支撑。

数据的传输与同步是一个在多个地方维护特定数据集的过程，它包括把改变的数据从一个地方传输到另一个地方和保存两地数据的同步。通过安全、高效、完整的数据传输与同步技术使各个分支节点的数据能及时地传输到中心节点，实现了全线数据资源的及时更新和共享，使管理人员能够实时、准确地了解全线的管养信息。

3 结语

目前，我国多地已开始建设河道水质在线监测系统，但城市水体综合评估体系仍处于摸索研究阶段，且大部分是对水体进行视频监控、水位监测、水质在线监测的研究建设，不能达到分析、决策、评估等管理手段。未来，我国的城市水体综合评估体系将会逐步向规范化、制度化、智慧化发展，这也是为后续城市水体综合治理提供了有效技术支持，在线监测系统结合互联网GIS、BIM等手段实时直观体现城市水体现状信息，决策模型分析数据提出长期处理方案、评估预测发展趋势。因此建设研究一套水体综合评估体系为管理者制定科学合理的管养方案、建立长期有效的管养框架是未来城市水资源信息化管理的一种必然趋势[5-6]。