基于三維藻類生態(tài)模型的自控水源分層取水方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及城市安全供水技術(shù)，具體涉及一種基于三維藻類生態(tài)模型的自控水源 分層取水方法及系統(tǒng)，適合存在藻類暴發(fā)風險或有藻類暴發(fā)歷史的水源水體取水。
【背景技術(shù)】
[0002] 水是人類賴以生存的物質(zhì)基礎，飲用水安全關(guān)系到人民的身體健康和生命安全， 做好飲用水的安全保障工作，是保障廣大人民最根本利益的實際表現(xiàn)，近年來飲用水安全 問題一直受到高度關(guān)注。
[0003] 根據(jù)水利部發(fā)布的《2013年中國水資源公報》，對2013年，對全國262座大型水庫、 381座中型水庫及24座小型水庫，共667座主要水庫進行了水質(zhì)評價。全年水質(zhì)為I類的水 庫有31座，占評價水庫總數(shù)的4. 7% ;II類水庫301座，占45. 1% ;111類水庫211座，占31. 6% ; IV類水庫66座，占9. 9% ;V類水庫25座，占3. 7% ;劣V類水庫33座，占5. 0%。對646座水 庫的營養(yǎng)狀態(tài)進行評價，中營養(yǎng)狀態(tài)的水庫有375座，輕度富營養(yǎng)狀態(tài)的水庫有214座，中 度富營養(yǎng)水庫55座，重度富營養(yǎng)水庫2座。由此可見，我國飲用水源污染形勢嚴峻。
[0004] 水庫富營養(yǎng)化會導致水庫存在藻類暴發(fā)的風險，而藻類的暴發(fā)又會直接影響到自 來水廠的進水水質(zhì)。近年來，以深圳為例，在2~4月鐵崗、石巖水庫水中常孳生不容易氧 化和去除的硅藻，這些藻個體在濾池上層水中不斷聚集、堆積，使以鐵崗水庫為原水水源的 新安、朱坳水廠及以石巖水庫為原水水源的立新、鳳凰、長流陂、上南等水廠相繼出現(xiàn)濾池 堵塞現(xiàn)象，過濾周期由24h大幅縮短至8-9h甚至3~4h，進而導致水廠產(chǎn)能驟減，嚴重影響 了這些水廠的安全穩(wěn)定供水功能。
[0005] 針對水廠因進水藻類濃度高而產(chǎn)生的產(chǎn)能下降問題，固然可以在水廠內(nèi)部采取相 應的工藝措施，但經(jīng)實踐證明主要可采取措施大多存在成本高、副產(chǎn)物及有毒物質(zhì)去向不 明等一系列問題，因此，非常有必要通過對水源水體藻類濃度空間分布情況的掌握，采取優(yōu) 化調(diào)度或優(yōu)化取水的手段，實現(xiàn)低藻類濃度取水。
[0006] 大量的研究數(shù)據(jù)表明，藻類在水源水體中存在分層現(xiàn)象，但分層規(guī)律并非一成不 變。傳統(tǒng)觀念多認為水體中藻類的濃度隨著深度的不斷增加而降低，與水中的光照強度變 化規(guī)律一致，目前大多水源地的取水口也是遵循這一理論設置在了水庫的死水位。但實際 上，藻類濃度的垂直分布除了受光照強度的影響外，還同時受到溫度、溶解氧、營養(yǎng)鹽、水動 力條件以及其自身垂向運動等多種因素的影響。根據(jù)2013-2014年度對深圳市三座典型水 庫藻類垂向分布的監(jiān)測數(shù)據(jù)，藻類垂向分布主要呈現(xiàn)出三種規(guī)律：表層〉中層〉底層；中層 >表層〉底層；底層〉表層/中層。因此，有必要通過一定手段識別藻類濃度最低水層，定 向取水。
[0007] 隨著電子計算機硬件的不斷升級以及數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，水質(zhì)生態(tài)模型也得到 了長足的發(fā)展。在模型中，空間的變化用水動力學公式來描述，而生態(tài)-地球化學過程由生 物的和化學的過程描述，影響因素包括碳、氮、磷、硅、硫、氧、光照等。生態(tài)動力學模型主要 演繹三個營養(yǎng)級(浮游植物、浮游動物和魚）與各元素(如碳、磷、氮）有關(guān)物理、化學與生物 的變化過程。目前，已有大量水質(zhì)生態(tài)模型可供使用，如EFDC、Delft3D、WASP、HEM或MIKE模型等。應用這些模型可以有效建立不同水源水體不同維度的模擬體系，實現(xiàn)藻類濃度的 動態(tài)模擬。其中，如果要模擬藻類的垂向分布情況，則需要建立藻類三維水質(zhì)生態(tài)模型。與 此同時，世界各國都建立了自己的飲用水源監(jiān)測制度，目前，我國的環(huán)保、水利、國土資源、 城建和衛(wèi)生等部門都具有相應的監(jiān)測職能和能力。在各部門已有監(jiān)測體系的基礎上，整合 模型模擬系統(tǒng)所需要的輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)具備條件。
[0008] 水庫分層取水技術(shù)早在20世紀90年代就已經(jīng)在水庫開始應用，但截至目前針對 水質(zhì)問題的分層取水裝置還較少，大多主要集中在針對大型水庫低溫水問題的領(lǐng)域，少數(shù) 與水質(zhì)相關(guān)的也僅涉及到鐵錳或溶解氧，并未見與藻類濃度相關(guān)的研究。而近年來隨著自 動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制閘門已經(jīng)在國內(nèi)多座水庫啟用，因此，建立一個自動控制 的分層取水裝置已經(jīng)不存在技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 鑒于目前多座水源水體存在的藻類暴發(fā)的風險，本發(fā)明提供一種基于三維藻類生 態(tài)模型的自控水源分層取水方法以及實現(xiàn)該方法的分層取水系統(tǒng)，以適應存在藻類暴發(fā)風 險或有藻類暴發(fā)歷史的水源水體取水。
[0010] 本發(fā)明基于三維藻類生態(tài)模型的自控水源分層取水方法，包括以下步驟： (1) .通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集水源水體中取水口位置的水質(zhì)、水文和氣象數(shù)據(jù)； (2) .由模擬預報系統(tǒng)對步驟（1)獲得的所述水質(zhì)、水文和氣象數(shù)據(jù)進行處理，采用流 域水文模型模擬計算入庫徑流量和降雨徑流進入水庫產(chǎn)生的污染負荷，采用水質(zhì)生態(tài)模型 模擬預測水源水體中藻類分布情況，得到的取水口位置藻類垂向分布數(shù)據(jù)； (3) .由自動控制系統(tǒng)對步驟（2)所述的取水口位置藻類垂向分布數(shù)據(jù)進行分析，確定 取水口位置的藻類濃度最低水層；并控制分層取水裝置在該藻類濃度最低水層取水。
[0011]步驟（2)中，所述流域水文模型可為SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)、 新安江模型、HEC-HMS(TheHydrologicEngineeringCenter'sHydrologicModeling System)、SCS(SoilConservationService) 或HSPF(HydrologicalSimulation Program-Fortran)。所述的水質(zhì)生態(tài)模型可為EFDC(EnvironmentalFluidDynamic Code)、Delft3D、WASP(TheWaterqualityAnalysisSimulationProgram)、 HEM(HydrodynamicEutrophicationModel)或MIKE。
[0012] 步驟（2)中，所述取水口位置藻類垂向分布數(shù)據(jù)包括藍藻葉綠素、綠藻葉綠素及 硅藻葉綠素的垂向分布數(shù)據(jù)。
[0013] 典型實施例步驟（2)中，所述入庫徑流量和所述污染負荷由所述模擬預報系統(tǒng)采 用SWAT流域水文模型來計算，并將所述入庫徑流量和污染負荷作為EFDC水質(zhì)生態(tài)模型的 輸入條件參與水質(zhì)生態(tài)模型的計算。其中，所述入庫徑流量為地表徑流量、土壤最終含水量 和地下徑流量三者之和。所述污染負荷包含自由水部分的硝態(tài)氮濃度、有機氮隨土壤流失 的輸移量、地表徑流輸移的溶解態(tài)磷以及有機磷和礦物質(zhì)磷隨土壤流失輸移量。
[0014] 步驟（1)獲得的所述水質(zhì)、水文和氣象數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡傳輸至所述模擬預報系 統(tǒng)。
[0015] 實現(xiàn)上述方法的一種基于三維藻類生態(tài)模型的自控水源分層取水系統(tǒng)，包括：數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集水源水體中取水口位置的水質(zhì)、水文和氣象數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用 于傳輸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的所述水質(zhì)、水文和氣象數(shù)據(jù)；模擬預報系統(tǒng)，用于接收、處理數(shù) 據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)乃鏊|(zhì)、水文和氣象數(shù)據(jù)，通過流域水文模型模擬計算入庫徑流量和 降雨徑流進入水庫產(chǎn)生的污染負荷，通過水質(zhì)生態(tài)模型模擬預測水源水體中藻類分布情 況，得到的取水口位置藻類垂向分布數(shù)據(jù)；自動控制系統(tǒng)，用于分析處理所述的取水口位置 藻類垂向分布數(shù)據(jù)，確定取水口位置的藻類濃度最低水層；以及，分層取水裝置，用于接收 自動控制系統(tǒng)的控制指令，打開位于所述取水口位置的藻類濃度最低水層的自動閘門，取 水。
[0016] 其中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，用于將各有關(guān)部門的常規(guī) 監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入；及，實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，由在線監(jiān)測探頭、在線采樣裝置及在線自動分析 儀組成。所述分層取水裝置包含多個自動閘門，分別配置于水源水體中取水口位置的藻類 垂向分布層。
[0017] 本發(fā)明通過藻類三維生態(tài)模型對水源水體中取水口位置藻類分層情況進行模擬 預測，通過流域水文模型模擬計算進入水體的入庫徑流量和污染負荷，采用三維水質(zhì)生態(tài) 模型模擬計算水源水體取