城市仿真水环境评估预警关键技术研究与实现

石淼，谭仁春，何伟，陈莎，张敏

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

近年来，水环境保护越来越受到从国家到地方各级政府的重视，而水环境的保护与城镇生活污水的治理有着密切的关联，2018年住房城乡建设部、生态环境部联合印发《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》[1]，2019年住房和城乡建设部、生态环境部、发展改革委联合印发《城镇污水处理提质增效三年行动方案(2019-2021年)》，明确提出“经过3年努力，基本消除黑臭水体，城市生活污水集中收集效能显著提高”的目标。2017年，武汉市人民政府印发《武汉市“四水共治”工作方案(2017-2021年)》，要求全面推进防洪水、排涝水、治污水、保供水“四水共治”，将污水治理提升到重要位置。

武汉市在水环境治理方面取得了显著成效，但全市水体数量大、类型多、问题复杂，且随着中央环保督查工作的日益严格和深入，水环境治理仍面临巨大压力。现阶段是落实长江大保护、最严格水资源管理和环保督查等重大战略的关键期，也是武汉市向国家中心城市迈进和人民追求环境品质、美好生活的重要时期，因此，有必要研究并开发一个城市仿真水环境评估预警平台，创新性地探索新时代展示和管理独特水资源的智慧化手段，对城市水环境系统和水城互动过程中的问题进行快速量化评估和预警，探索城市建设管理和水环境保护良性互动的管理模式和工作方式。

由于水环境涉及的要素多，系统复杂，全面铺开难度大，考虑到南湖地区水环境提升工程社会关注度高，新一轮的管线排查及监测数据相对完备，本文以南湖流域示范片建设为试点，探索城市仿真水环境评估预警平台建设的总体框架设计、功能模块设计和关键技术，为后期以流域为单元逐步推广至全市范围做好技术储备和支撑。

2 总体框架

平台的总体框架分为软硬件支撑层、数据交汇层、模型层、支撑层、应用服务层、用户交互层等6个层次。平台按照软硬件、数据资源、模型与应用分离的原则，采用模块化分层体系架构，并研发统一、开放、标准的数据和功能服务接口实现各业务功能数据的衔接和调用，层间功能相对独立(如图1所示)。

图1 总体框架图

(1)软硬件支撑层：平台运行的必要软硬件系统，硬件系统包括机房基础设施，服务器及存储设备，网络及安全设备等；软件系统包括数据库系统、地理信息系统、管网及污染物模型系统等软件；

(2)数据交汇层：数据层由基础地理信息数据库、水系统分区数据库、污水管网及设施数据库、监测数据库、其他专题数据库和系统管理数据库构成。数据交汇层是平台开发的最重要的一环，数据交汇涉及各类数据的收集、整理与建立数据库，并需要进行定期更新，以保证数据的现实性；

(3)模型层：模型层由评估指标体系和相关的计算模型组成，计算模型包括污水量计算模型、污水管网模型、污染物模型等，根据相关的计算模型，建立模型评估体系；

(4)支撑层：分为数据服务接口和功能服务接口，利用组件接口，通过空间数据引擎，负责数据库系统业务逻辑的实现，如空间数据的存取、交换、表现和操作等；

(5)应用服务层：应用服务层是平台的具体评估预警功能模块，包括水环境状况评估、水文特征评估、污水量评估、混错接评估、污染物负荷评估、污水收集与处理条件评估；

(6)应用交互层：用户交互层是平台的具体功能的操作入口，包含PC端和移动端的平台。

3 功能模块

平台的功能结构由桌面版和移动版组成，桌面版功能包括地图基本功能、查询、统计、评估预警、系统管理等功能模块；移动版包括地图基本功能、水质速览、设施速览、评估速览、系统管理等功能模块，如图2所示。

图2 功能结构图

3.1 桌面版

(1)地图基本功能：地图的基本操作，包括图层开关(底图数据和专题图层的显示和隐藏)地图浏览(放大、缩小、平移、全图、刷新、前一视图、后一视图)、地图量测(距离和面积测量)等功能；

(2)查询功能：点击地图要素进行查询、给定属性或空间范围条件进行数据查询；

(3)统计功能：给定属性或空间范围条件进行数据分类统计，并导出统计报表；

(4)评估预警：混错接评估、污水量和污染物负荷评估，污水收集与处理系统建设情况评估，水环境状况评估、水文特征评估等；

(5)系统管理：用户登录、密码修改、用户管理、日志管理等。

图3 城市仿真水环境评估预警平台桌面版主界面

3.2 移动版

(1)地图基本功能：地图的基本操作，包括图层开关(底图数据和专题图层的显示和隐藏)地图浏览(放大、缩小、平移、全图、刷新、前一视图、后一视图)、地图量测(距离和面积测量)等功能；

(2)水质速览：对湖泊等水体的水质现状分类、水质恶化提升情况基于底图进行快速展示，并提供点击查询和快速统计功能；

(3)设施速览：对管网及设施、排口等专题数据基于底图进行快速展示，并提供点击查询和快速统计功能；

(4)评估速览：对各类评估的结果专题数据基于底图进行快速展示，并提供点击查询和快速统计功能；

(5)系统管理：用户登录、密码修改等。

4 关键技术

平台的关键技术体现在水环境仿真相关的评估预警上，主要包括混错接评估、污水量和污染物负荷评估、污水收集与处理系统建设情况评估、水环境状况评估、水文特征评估。

4.1 混错接评估

混错接评估按照评估单元分为道路混错接评估和地块混错接评估。

(1)道路混错接评估

道路混错接评估是以道路为评估单元，对排水管网的混接情况进行评估，并导出评估结果，以实现管网缺失和混错接情况统计预警、指导道路混错接改造建设时序。如图4所示，道路混错接评估结果包括有无管网、有无混接。

图4 道路混错接评估分析结果

(2)地块混错接情况评估

地块混错接评估是以地块为评估单元，对地块内部的排水管网的混接情况进行评估，并导出评估结果，以实现地块混错接统计和评估预警、指导地块混错接改造建设时序。地块混错接评估结果如图5所示。

图5 地块混错接评估分析结果

4.2 污水量和污染物负荷评估

污水量和污染物负荷评估是水环境仿真模拟最重要的组成部分，主要是模拟从污水的产生、污水在管网中的流动、污水排放、污水处理以及水质监测等环节，按照可量化的思路进行污水管理的过程梳理和阶段划分，实现全流程的模型建立和评估计算，以实现对污水管网水量和水质情况的模拟分析，从而模拟出污水管网的运行状态，与实际运行状态进行对比分析，对管网及设施的改造和养护提出建议。

如图6所示，污水量和污染物负荷评估分为污水的产生，污水的流动，污水的收集、处理和排放3个计算阶段。每一个阶段分为4个层次：数据层、模型层、过程层和结果层。数据层表示过程中参与计算的数据，模型层表示计算过程中使用的仿真模拟计算方法，过程层是指当前所处的过程，结果层表示在该计算过程中产生的计算结果。

图6 负荷评估算法流程设计

(1)污水的产生

污水的产生以地块为单位，基于地块、建筑量/人口的用水定额估算出污水的产生量[2]，得出任意地块污水产生量，从而可计算出任意范围内城镇生活污水产生量、工业废水产生量、城镇平均日污水量、最高日最高时污水量和污水管道的污水生成量。

(2)污水在管网中的流动

地块产生的污水进入对应的污水管道，污水的流动以管网为单位，利用SWMM[3]水力数学模型，模拟污水在管网中的流动情况，模拟出管道的水深、流量、流速、充满度和水质等。模拟范围为南湖片区，模拟时长1天，每5分钟一个模拟时段，总共288个时段。考虑到南湖片区存在雨污管网混错接情况，模拟时将污水管网和雨水管网同时加入模型进行计算，以提高模拟结果的精度。模型建模的数据清单如表1所示。

模型建模数据清单 表1

模拟的各个时刻管段的流量、流速、水深、充满度以及最大值结果如图7所示。在理想情况下，通过最大充满度可以判断管网的超载情况，进行超载预警；根据最大流速情况进行管网淤积可能性预警。

图7 管道超载预警，流量、流速、充满度、水深模拟结果

(3)污水的收集、处理和排放

污水流经管网、泵站，最终进入污水处理厂，通过对厂站的水位、水量和水质进行评估，可以得出厂站的水位、水量和水质结果，根据相应的状态进行预警，从而对污水泵站和污水处理厂的改造和养护提出建议。

4.3 污水收集与处理系统建设情况评估

污水收集与处理系统建设情况评估包括污水厂站负荷、污水厂进厂浓度、污水厂尾水达标情况、污水收集系统完善情况等4个方面的评估，以实现评估预警和反馈。

污水厂站负荷评估是对泵站和污水处理厂的实际的运行水量与设计值进行对比分析，预警排查系统内混错接和深基坑等地下水混入情况、厂站是否需要扩建、管网建设情况等，如图8所示。

图8 污水处理厂负荷评估

污水厂进厂浓度评估可以根据浓度的情况值预警排查系统内混错接和深基坑等地下水混入情况。例如，若出现污水无处理进厂浓度明显偏低的情况，可以考虑雨水混入了污水，或者有深基坑排水混入。

污水厂尾水达标情况评估可以预警污水厂是否有需要进行提档升级。污水收集系统完善情况评估是对地块产生的污水是否可以进厂，找到空白区进行评估预警。

4.4 水环境状况评估

水环境状况评估是通过对片区内水体的化学需氧量(COD)、总磷、氨氮等水质指标进行评估(图9)，实现流域内水环境质量达标评估、动态展示及对比分析。

4.5 水文特征评估

水文特征评估包括两个方面：汇水区建成区占比分析、水位变化和水文循环次数。

(1)汇水区建成区占比分析

如图10所示，汇水区建成区占比分析是通过计算汇水比、汇水区内建设用地占比、建设用地与水域面积比等指标来实现。

图9 水环境状况评估结果

图10 南湖汇水区建成区占比分析算法

①汇水比是汇水区范围内建设用地与水域面积的比；

②汇水区内建设用地占比是建设用地面积与汇水面积和水面面积差值的比；

③建设用地与水域面积占比是建设用地面积与水域面积的比。

汇水区建成区占比分析是通过分析流域内地块建成情况，可以直观反映水环境所面临的城市建设压力。

(2)水位变化和水文循环次数分析

如图11所示，水位变化和水文循环次数分析通过水位的变化、水体蒸发量、湖泊库容等指标来进行分析计算，用来指导水位调度，分析结果如图12所示。

图11 水位变化和水文循环次数分析算法

图12 水位变化和水文循环次数分析结果

5 结论与展望

城市仿真水环境评估预警平台的建设，探索了城市建设管理和水环境保护良性互动的管理模式和工作方式，对城市水环境系统和水城互动过程中的问题进行快速量化评估和预警，能够对城市污水管网及设施的规划、改造养护、建设时序等决策问题提供重要的信息化支撑，对城市水环境的治理具有非常重要的意义。

目前，本文的研究是基于水环境相关的现状的数据进行的仿真模拟，对于现状数据准确性和完备性要求很高，同时仿真模拟的结果需要通过在线监测的实际结果进行论证，才能发挥更大的作用，因此下一步的研究重点在于如何保证数据的动态更新，满足数据的准确性和完备性的需要，同时将仿真模拟结果与实际检测数据进行对比，对模型进行率定，以提高仿真模拟的准确性。