数学模型技术在洱海流域保护治理中的应用（二）

服务于洱海“科学治湖、精准治污”的决策需求，洱海流域基于智能流域管理理念自2017年开始了水环境数学模型体系的建设。经过三年多的时间，洱海流域已经构建起涵盖核心基础模型、日常管理决策模型和定制化决策分析模型等三大类、20多个模型模块的科学治湖决策支持模型体系，初步实现了对洱海水环境状况定量模拟、问题诊断分析、以及管理决策支持的闭环管理机制。本期将对洱海水环境模型体系的实践应用情况进行介绍。

入湖负荷核算

开展科学治湖决策的根本前提，在于准确掌握流域入湖的水量和污染负荷状况。利用洱海流域水文水质模型开展连续模拟分析，能够获得入湖水量和污染负荷的连续时间序列，确定这些入湖水量和污染负荷来自于北部洱源片区、海西片区、海东片区、南部下关片区等的量及其来源构成。流域水文水质模型的结果能够弥补监测站点在空间和时间分辨率上的天然局限性，从而帮助管理部门掌握完整的流域内水量和污染负荷态势。

入湖水量和污染负荷时空变化及负荷构成

 

水质短期预测预警

为做到对洱海未来短期水质变化做到“心中有数”，利用洱海陆域水文水质模型、洱海湖体三维水动力水质-水生态模型和流域内未来7天的天气预报数据，结合数据同化技术和不确定性分析技术，对洱海湖体水质开展滚动预测，获得洱海水体网格未来7天逐小时的总氮、总磷、氨氮、CODcr、叶绿素a等指标的浓度变化情况，并通过三维动画的形式进行展示。自动汇总重点湖湾的水质指标浓度，并对超标区域、超标面积、超标程度等信息，生成预警信息发送给管理部门，辅助应急处置决策。

洱海湖体短期水质预测预警结果

 

中长期水质预判分析

考虑到湖体水质响应相对于管控措施的滞后性，开展洱海湖体月尺度水质预判分析，为管控措施效益的发挥争取更多时间提前量。利用洱海陆域水文水质模型、洱海湖体三维水动力水质-水生态模型、历史气象数据和未来一个月天气预报数据，结合数据同化、不确定性分析、数据挖掘等技术，开展洱海月尺度水质预判分析，得到未来一个月总氮、总磷、氨氮、COD、叶绿素a等指标全湖平均浓度的概率分布，作为管理部门提前掌握湖体水质走向、采取应对措施的有力参考。

洱海湖体中期水质预判分析结果

 

月尺度出入流优化调度

湖体的运行水位与水安全、水资源、水环境、水生态等管理目标密切相关。在掌握湖体水质走向的前提下，通过有效的水位调度，能够实现洱海综合管理效益的最大化。在开发的洱海月尺度出入流优化调度模型中，以未来一个月水质预判分析结果为边界条件，结合不确定性分析、优化算法、并行计算、大数据挖掘等技术，从成千上万种可能的出入流调度方案中，找到与综合管理目标（如南部区域TP浓度、全湖叶绿素a峰值浓度等）相匹配的最优解，指导开展未来一个月出入流调度，推动管理模式逐步转向提前预判、主动管控。

洱海月尺度出入流优化调度决策支持

 

污染溯源解析

实现湖体水质长效管控的根本在于对陆域污染源开展科学精准治理，这其中的关键在于准确识别影响洱海水质的主要污染源，从而确保有限的资源发挥最大的水质改善效益，避免“撒胡椒面”。通过洱海湖体污染数值源解析模型，能够定量分析各主要陆域入湖河道对湖体国控站点水质浓度的贡献，定位主要的入湖污染源；通过流域层面的污染数值源解析模型，能够准确定位影响各河道入湖口水质浓度的主要子汇水区。基于洱海湖体污染数值源解析模型和流域层面的污染数值源解析模型的联动分析，即可实现对影响湖体国控站点水质指标浓度的主要陆域子汇水区的精准追溯定位，为科学治理提供关键支撑。

洱海污染数值源解析分析

 

工程效益评估

流域保护治理工作的最终落脚点是岸上的各项工程措施。借助于洱海陆域-湖体模型体系的耦合分析，对洱海流域内的种植结构调整、化肥减施、截污治污等工程措施进行量化表达，从而突破传统工程治理模式下定性分析的局限，对工程措施及其组合的入湖污染负荷削减效益、湖体水质改善响应等开展同步分析，从而帮助管理部门不仅能够评估已实施工程的效益，同时能够对拟实施工程开展比对分析和优化比选，避免因为低效和无效工程造成的浪费。

定制化出流与调度情景评估

在洱海日常管理决策过程中，为评估特定西洱河、引洱入宾出流情景带来的局部水质影响，或者北部局部补水情景的水质改善效益，需要在洱海湖体三维水动力水质-水生态模型中构建定制化出流或调度情景，基于连续模拟分析，得到对应的湖体水质响应，从而为管理部门开展调度操作提供参考依据。

定制化出流情景的洱海湖体水质响应分析示意

结语

洱海水环境数学模型体系自建设以来，秉持“在应用中完善，在完善中应用”的原则，紧密结合洱海保护治理决策中的具体实际问题，不断进行定制化、本地化技术研发创新，使洱海保护治理决策的工具库日益强大和完善。未来着眼于洱海水环境保护治理技术体系与治理能力现代化水平的持续提升，科学治湖模型体系作为洱海开展科学治湖的“超级大脑”，也将发挥越来越重要的指导作用。