ICS編號(hào)

CCS編號(hào)

團(tuán)?體?標(biāo)?準(zhǔn)

T/CHESXXX—20XX

數(shù)字孿生湖庫

水質(zhì)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則

（征求意見稿）

20XX-XX-XX發(fā)布20XX-XX-XX實(shí)施

中國水利學(xué)會(huì)?發(fā)布

目??次

1范圍...........................................................................................................................1

2規(guī)范性引用文件.......................................................................................................1

3術(shù)語和定義...............................................................................................................2

3.1湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)............................................................................................................2

3.2水質(zhì)預(yù)報(bào)............................................................................................................................2

3.3水質(zhì)預(yù)警............................................................................................................................2

3.4水質(zhì)預(yù)演............................................................................................................................2

3.5水質(zhì)預(yù)案............................................................................................................................2

4總則...........................................................................................................................2

4.1系統(tǒng)體系架構(gòu)....................................................................................................................2

4.2其他規(guī)定............................................................................................................................2

5監(jiān)測感知體系...........................................................................................................3

5.1水文監(jiān)測............................................................................................................................3

5.1.1水位監(jiān)測.......................................................3

5.1.2流量監(jiān)測.......................................................3

5.2水質(zhì)監(jiān)測............................................................................................................................3

5.2.1一般規(guī)定.......................................................3

5.2.2水質(zhì)日常監(jiān)測...................................................3

5.2.3水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測...................................................4

6系統(tǒng)平臺(tái)...................................................................................................................4

6.1數(shù)據(jù)底板............................................................................................................................4

6.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù).......................................................4

6.1.2地理空間數(shù)據(jù)...................................................4

6.1.3監(jiān)測數(shù)據(jù).......................................................4

6.1.4業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)...................................................5

6.1.5外部共享數(shù)據(jù)...................................................5

6.2模型庫................................................................................................................................5

6.2.1一般規(guī)定.......................................................5

6.2.2水環(huán)境評(píng)價(jià)模型.................................................5

6.2.3水環(huán)境機(jī)理模型.................................................5

6.2.4數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型...................................................6

6.2.5智能識(shí)別模型...................................................6

6.2.6可視化模型.....................................................7

6.3知識(shí)庫................................................................................................................................7

6.3.1預(yù)警規(guī)則庫.....................................................7

6.3.2歷史場景庫.....................................................7

6.3.3預(yù)案管理庫.....................................................7

7業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)...........................................................................................................8

7.1監(jiān)測分析............................................................................................................................8

7.2預(yù)報(bào)....................................................................................................................................8

7.3預(yù)警....................................................................................................................................8

7.4預(yù)演....................................................................................................................................8

7.5預(yù)案....................................................................................................................................9

I

7.5.1應(yīng)急監(jiān)測管理............................................................................................................9

7.5.2應(yīng)急處置管理............................................................................................................9

附錄A（規(guī)范性）湖庫水環(huán)境專業(yè)模型................................................................10

II

數(shù)字孿生湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則

1范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)字孿生湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)體系架構(gòu)、系統(tǒng)平臺(tái)、監(jiān)測感知、業(yè)務(wù)功能等

設(shè)計(jì)工作的技術(shù)要求。

本標(biāo)準(zhǔn)主要適用于具有水質(zhì)管理保護(hù)需求的湖庫水體的數(shù)字孿生水質(zhì)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

工作，其他以水質(zhì)安全保障為核心業(yè)務(wù)需求的數(shù)字孿生項(xiàng)目可參照設(shè)計(jì)。

2規(guī)范性引用文件

本標(biāo)準(zhǔn)中引用的文件對(duì)于本標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注

日期的版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適

用于本標(biāo)準(zhǔn)。

GB3838地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

GB50179河流流量測驗(yàn)規(guī)范

GB/T50138水位觀測標(biāo)準(zhǔn)

GB/T14581水質(zhì)湖泊和水庫采樣技術(shù)指導(dǎo)

GB/T22239信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求

GB/T22240信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)定級(jí)指南

GB/T25058信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)實(shí)施指南

GB/T25070信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)安全設(shè)計(jì)技術(shù)要求

GB/T43441.1信息技術(shù)數(shù)字孿生第1部分：通用要求

SL58水文測量規(guī)范

SL196水文調(diào)查規(guī)范

SL219水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范

SL365水資源水量監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則

SL395地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程

SL/T701水利信息分類與編碼總則

HJ494水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)

HJ495水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程

HJ589突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)規(guī)范

HJ511生態(tài)環(huán)境信息化標(biāo)準(zhǔn)體系指南

HJ/T2.3環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則地面水環(huán)境

HJ/T91地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范

HJ/T416環(huán)境信息術(shù)語

1

3術(shù)語和定義

3.1湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)

以物理湖庫水體為對(duì)象，以監(jiān)測感知、數(shù)值模擬、系統(tǒng)開發(fā)等技術(shù)為手段，集成湖庫地

理信息、水文氣象、水動(dòng)力、水質(zhì)、水利工程調(diào)度等多源數(shù)據(jù)，以水環(huán)境專業(yè)模型為核心、

以水環(huán)境管理保護(hù)相關(guān)知識(shí)為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)湖庫水質(zhì)趨勢預(yù)報(bào)、前瞻預(yù)警、模擬預(yù)演、科學(xué)決

策的綜合性管理系統(tǒng)。

3.2水質(zhì)預(yù)報(bào)

基于湖庫水文水質(zhì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用水環(huán)境機(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等專業(yè)模型，

對(duì)未來不同預(yù)見期內(nèi)目標(biāo)水體水質(zhì)狀況的發(fā)展趨勢進(jìn)行定量或定性分析。

3.3水質(zhì)預(yù)警

依據(jù)湖庫水源地水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)和社會(huì)公眾需求，設(shè)定水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和閾值，結(jié)合目

標(biāo)水體水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和趨勢預(yù)測結(jié)果，識(shí)別水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息。

3.4水質(zhì)預(yù)演

應(yīng)用水環(huán)境專業(yè)模型和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)典型歷史事件、特定環(huán)境條件或管理處置措

施下目標(biāo)水體水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)形勢與影響進(jìn)行模擬仿真。

3.5水質(zhì)預(yù)案

針對(duì)潛在或現(xiàn)有的水污染事件，根據(jù)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢評(píng)估和處置效果仿真演練結(jié)果，科學(xué)

制定和優(yōu)化水污染應(yīng)急決策方案。

4總則

4.1系統(tǒng)體系架構(gòu)

4.1.1數(shù)字孿生湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)總體框架包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)平臺(tái)、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)

絡(luò)安全體系、保障體系等。

4.1.2信息化基礎(chǔ)設(shè)施包括監(jiān)測感知設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、自動(dòng)化控制設(shè)施、信息基礎(chǔ)環(huán)境

等。

4.1.3系統(tǒng)平臺(tái)包括水質(zhì)數(shù)據(jù)底板、模型庫、知識(shí)庫等。

a）數(shù)據(jù)底板包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)

（含三維可視化場景）等。

b）模型庫包括水環(huán)境評(píng)價(jià)模型、水環(huán)境機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、可視化模型等。

c）知識(shí)庫包括水質(zhì)預(yù)警規(guī)則庫、水質(zhì)歷史場景庫、水質(zhì)預(yù)案管理庫等。

4.1.4業(yè)務(wù)應(yīng)用包括監(jiān)測分析、水質(zhì)預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)警、水質(zhì)預(yù)演及水質(zhì)預(yù)案等。

4.2其他規(guī)定

4.2.1本標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)針對(duì)數(shù)字孿生湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)監(jiān)測感知體系、系統(tǒng)平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用的設(shè)

計(jì)工作進(jìn)行規(guī)定，通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、自動(dòng)化控制設(shè)施、信息基礎(chǔ)環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)安全、保障體系

等其他建設(shè)內(nèi)容參照水利行業(yè)數(shù)字孿生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文件執(zhí)行，本標(biāo)準(zhǔn)中不再說明。

4.2.2本標(biāo)準(zhǔn)旨在作為數(shù)字孿生技術(shù)在湖庫水質(zhì)管理領(lǐng)域的應(yīng)用指南，為水利行業(yè)的數(shù)字孿

生標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)提供支持和補(bǔ)充。

2

5監(jiān)測感知體系

5.1水文監(jiān)測

5.1.1水位監(jiān)測

5.1.1.1宜共享流域管理機(jī)構(gòu)、地方水行政主管部門水文站水位數(shù)據(jù)，有條件的可自建水位

自動(dòng)監(jiān)測站。

5.1.1.2水位監(jiān)測斷面應(yīng)包括湖泊（水庫）入流、出流邊界及湖（庫）區(qū)重要控制斷面。新

建水位自動(dòng)監(jiān)測站斷面應(yīng)滿足下列要求：

a）入流斷面應(yīng)布設(shè)在流量大于總?cè)牒炝髁?0%以上河流，或流量大于總?cè)牒炝髁?/p>

10%以上且水質(zhì)低于湖庫水質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)的河流匯入口。

b）出流斷面應(yīng)布設(shè)在水庫壩前流態(tài)平穩(wěn)區(qū)域或湖泊主要出流口前的流態(tài)平穩(wěn)區(qū)域。

c）湖（庫）區(qū)控制斷面應(yīng)根據(jù)湖庫水體流動(dòng)規(guī)律布設(shè)在連通性較差且水位變動(dòng)較大的

區(qū)域。

d）水位自動(dòng)監(jiān)測頻次宜不低于1小時(shí)一次。

e）水位監(jiān)測方法應(yīng)符合GB/T50138要求。

5.1.2流量監(jiān)測

5.1.2.1宜共享流域管理機(jī)構(gòu)、地方水行政主管部門相關(guān)水文站流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，有條件的可

自建流量自動(dòng)監(jiān)測站。

5.1.2.2流量監(jiān)測斷面應(yīng)包括湖泊（水庫）入流、出流邊界。新建流量自動(dòng)監(jiān)測站斷面應(yīng)滿

足下列要求：

a）入流斷面應(yīng)布設(shè)在流量大于總?cè)牒炝髁?0%以上河流，或流量大于總?cè)牒炝髁?/p>

10%以上且水質(zhì)低于湖庫水質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)的河流匯入口。

b）出流斷面應(yīng)布設(shè)在水庫或湖泊主要出流口。

5.1.2.3流量監(jiān)測方案應(yīng)以滿足水動(dòng)力水質(zhì)預(yù)報(bào)精度需要為準(zhǔn)進(jìn)行選擇，流量自動(dòng)量測頻次

應(yīng)根據(jù)設(shè)備及量測環(huán)境合理確定，水位-流量關(guān)系曲線換算頻次宜與水位監(jiān)測頻次一致。

5.1.2.4流量監(jiān)測方法應(yīng)符合GB50179要求。

5.2水質(zhì)監(jiān)測

5.2.1一般規(guī)定

5.2.1.1宜共享生態(tài)環(huán)境等部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)，有條件的可自建水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站。

5.2.1.2一般情況下應(yīng)開展常態(tài)化水質(zhì)日常監(jiān)測，發(fā)生突發(fā)水環(huán)境污染事故時(shí)應(yīng)輔助開展水

質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測。

5.2.1.3水質(zhì)監(jiān)測方式應(yīng)以自動(dòng)監(jiān)測為主，根據(jù)需要可采用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、無人船、人

工等手段輔助監(jiān)測。

5.2.1.4水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測頻次宜不低于4小時(shí)一次。

5.2.1.5水質(zhì)監(jiān)測方法應(yīng)符合GB3838、SL219和HJ/T91的相關(guān)規(guī)定。

5.2.2水質(zhì)日常監(jiān)測

5.2.2.1水質(zhì)日常監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)滿足以下要求：

a）應(yīng)充分考慮污染源分布、水環(huán)境敏感目標(biāo)、水功能區(qū)劃等因素，在湖泊（水庫）入

流、出流邊界、深水區(qū)、淺水區(qū)、湖心區(qū)、岸邊區(qū)等水域分別布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位，并與水文監(jiān)測

斷面相結(jié)合。

b）湖泊（水庫）水域若無明顯水體功能區(qū)別，宜采用網(wǎng)格法均勻布設(shè)點(diǎn)位，網(wǎng)格大小

3

依據(jù)湖泊（水庫）面積而定。

c）湖泊（水庫）水域若有不同水體功能區(qū)別，同一水體功能區(qū)應(yīng)至少設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)

位。

d）針對(duì)河道型水庫，應(yīng)在水庫上游或庫尾、中游、近壩區(qū)及主要庫灣回水區(qū)分別布設(shè)

監(jiān)測點(diǎn)位。

e）湖泊（水庫）的監(jiān)測點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)與附近水流方向垂直；若流速較小或無法判斷水流

方向時(shí)，應(yīng)以常年主導(dǎo)流向布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位。

f）若湖泊（水庫）水體水質(zhì)有垂向分層特征，宜分層采樣監(jiān)測，監(jiān)測方法可按照SL219

相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。

5.2.2.2湖泊（水庫）水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)按照“11+X”方式進(jìn)行確定，其中“11”為基本指標(biāo)，

包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a和透

明度；“X”為特征指標(biāo)，可結(jié)合水質(zhì)超標(biāo)情況及水質(zhì)安全保障工作需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5.2.3水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測

5.2.3.1突發(fā)性水環(huán)境污染事故水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測分為事故現(xiàn)場監(jiān)測和跟蹤監(jiān)測兩部分，監(jiān)測方

式以人工監(jiān)測為主。

5.2.3.2應(yīng)選擇特征污染物作為監(jiān)測指標(biāo)，特征污染物一般是事件中排放量較大或超標(biāo)倍數(shù)

較高，對(duì)水生態(tài)環(huán)境有較大影響，可以表征事態(tài)發(fā)展的污染物。應(yīng)根據(jù)事件類型、污染源特

征、生產(chǎn)工藝等，并結(jié)合事件發(fā)生地沿線湖泊（水庫）的水質(zhì)本底值情況和應(yīng)急監(jiān)測初篩結(jié)

果確定特征污染物。必要時(shí)可增加監(jiān)測指標(biāo)或開展水質(zhì)安全分析監(jiān)測。

5.2.3.3水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測頻次、方法及斷面布設(shè)可按照HJ589相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。

6系統(tǒng)平臺(tái)

6.1數(shù)據(jù)底板

6.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

6.1.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指湖庫相關(guān)水利對(duì)象的主要屬性數(shù)據(jù)，如流域、湖庫、水文水質(zhì)監(jiān)測站、

水利工程等基本屬性數(shù)據(jù)。

6.1.1.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)特征屬性宜參考SL/T809，應(yīng)對(duì)所有對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)一編碼。

6.1.1.3基礎(chǔ)數(shù)據(jù)宜根據(jù)業(yè)務(wù)需要實(shí)時(shí)或定期更新。

6.1.2地理空間數(shù)據(jù)

6.1.2.1地理空間數(shù)據(jù)應(yīng)包括湖庫數(shù)字高程模型、水下地形、三維可視化場景數(shù)據(jù)，主要用

于水動(dòng)力水質(zhì)機(jī)理模型、水體可視化模型構(gòu)建、空間分析等。

6.1.2.2地理空間數(shù)據(jù)精度和更新頻次應(yīng)滿足水質(zhì)安全分析預(yù)警、預(yù)演調(diào)度等模型分析計(jì)算

需求。

6.1.2.3地理空間數(shù)據(jù)采集范圍、數(shù)據(jù)格式等可參考水利部印發(fā)的數(shù)字孿生水利數(shù)據(jù)底板建

設(shè)的相關(guān)文件要求。

6.1.3監(jiān)測數(shù)據(jù)

6.1.3.1監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)包括湖泊（水庫）水文、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

6.1.3.2水文監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)滿足下列要求：

a）水文監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)包括水位數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)等，主要用于水動(dòng)力模型構(gòu)建與率定驗(yàn)證。

b）水文監(jiān)測數(shù)據(jù)采集范圍應(yīng)包括湖泊（水庫）入流、出流邊界及湖（庫）區(qū)重要控制

4

斷面，此外可根據(jù)需要在湖（庫）區(qū)設(shè)置水位自動(dòng)監(jiān)測站。

c）水文監(jiān)測數(shù)據(jù)建設(shè)與更新要求具體見5.1節(jié)。

6.1.3.3水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)滿足下列要求：

a）水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)包括常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)和目標(biāo)水體特征水質(zhì)指標(biāo)，主要用于各類水環(huán)境

專業(yè)模型構(gòu)建與率定驗(yàn)證。

b）數(shù)據(jù)采集范圍應(yīng)包括湖泊（水庫）入流、出流邊界及湖（庫）區(qū)重要控制斷面，此

外可根據(jù)需要在湖（庫）區(qū)設(shè)置水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站。

c）水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)建設(shè)與更新要求具體見5.2節(jié)。

6.1.4業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)

6.1.4.1業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)是指水質(zhì)安全保障業(yè)務(wù)管理中產(chǎn)生的有關(guān)數(shù)據(jù)，宜包括水源地水質(zhì)安

全保障規(guī)劃計(jì)劃、水質(zhì)管理制度、水污染事故與應(yīng)急管理、監(jiān)測/檢測管理、供水計(jì)劃管理

等數(shù)據(jù)。

6.1.4.2業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要同步更新。

6.1.5外部共享數(shù)據(jù)

6.1.5.1宜從地方政府相關(guān)部門及其他機(jī)構(gòu)獲取氣象、遙感、取排水量、排污口、底泥內(nèi)源、

面源等數(shù)據(jù)，以及上級(jí)部門下達(dá)的調(diào)度指令、突發(fā)水污染事件等數(shù)據(jù)。

6.1.5.2外部共享數(shù)據(jù)應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)需要同步更新。

6.2模型庫

6.2.1一般規(guī)定

6.2.1.1模型庫宜包括水環(huán)境評(píng)價(jià)模型、水環(huán)境機(jī)理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型、可視化模型等，

具體可視水體特點(diǎn)和實(shí)際業(yè)務(wù)需求選擇合適的模型。

6.2.1.2模型輸入輸出可采用界面、文件、數(shù)據(jù)庫等方式，具體參考水利部數(shù)字孿生平臺(tái)水

利專業(yè)模型輸入輸出規(guī)定。

6.2.1.3模型具體構(gòu)建方法可參考附錄A。

6.2.2水環(huán)境評(píng)價(jià)模型

6.2.2.1水環(huán)境評(píng)價(jià)模型可分為水質(zhì)評(píng)價(jià)模型、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)模型、水環(huán)境容量分

析模型等。

6.2.2.2水質(zhì)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)方法包括單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等。

6.2.2.3水環(huán)境評(píng)價(jià)模型宜參考下列要求進(jìn)行選擇：

a）目標(biāo)水體單個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)類別評(píng)價(jià)宜采用單因子評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)方法應(yīng)符合GB3838

要求；

b）目標(biāo)水體水質(zhì)污染情況綜合評(píng)價(jià)宜采用綜合污染指數(shù)法或內(nèi)梅羅指數(shù)法；

c）目標(biāo)水體富營養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)宜采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)模型；

d）定量核算目標(biāo)水體的水環(huán)境容量和納污能力宜采用水環(huán)境容量分析模型。

6.2.3水環(huán)境機(jī)理模型

6.2.3.1水動(dòng)力水質(zhì)模型

a）適用場景。水動(dòng)力水質(zhì)模型宜用于模擬湖庫與入湖（庫）河流水體氮磷等主要水質(zhì)

指標(biāo)濃度時(shí)空變化，預(yù)測污染物在水體中的最大擴(kuò)散范圍、濃度變化趨勢，以及對(duì)下游水質(zhì)

的潛在影響。

b）模型選擇。水動(dòng)力水質(zhì)模型可分為零維、一維、二維（包括平面二維及立面二維）

以及三維模型。水動(dòng)力水質(zhì)模型宜參考下列要求進(jìn)行選擇：

5

1）目標(biāo)水體為水流交換充分、污染均勻的小型湖庫的宜采用零維模型；

2）目標(biāo)水體為縱向污染均勻的河流或河道湖庫的宜采用一維模型；

3）目標(biāo)水體為垂向分層不明顯的淺水湖庫的宜采用平面二維模型；

4）目標(biāo)水體為水平差異不明顯的深水湖庫的宜采用立面二維模型；

5）目標(biāo)水體為垂向和平面差異明顯的深水湖庫的宜采用三維模型。

c）模型評(píng)價(jià)。水動(dòng)力模型的水位模擬誤差不宜超過5%，水質(zhì)模型模擬誤差不宜超過

30%。

6.2.3.2突發(fā)水污染模型

a）適用場景。突發(fā)水污染模型宜用于模擬污染物質(zhì)泄露后在水體中的擴(kuò)散路徑和速度。

根據(jù)泄露量、物質(zhì)特性以及當(dāng)前水文氣象條件，預(yù)測污染團(tuán)運(yùn)移軌跡、影響區(qū)域及可能對(duì)飲

用水源地的威脅。

b）模型選擇。突發(fā)水污染模型可分為突發(fā)水污染預(yù)測模型、污染粒子軌跡示蹤模型。

突發(fā)水污染模型宜參考下列要求進(jìn)行選擇：

1）模擬可溶于水的污染物在湖庫的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律宜采用突發(fā)水污染預(yù)測模型。

2）模擬難溶于水的污染物粒子隨著水流的運(yùn)動(dòng)軌跡宜采用污染粒子軌跡示蹤模型。

c）模型評(píng)價(jià)。模型模擬誤差不宜超過30%。

6.2.4數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型

6.2.4.1適用場景。宜基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，結(jié)合長序列歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)

據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，用于不同時(shí)間尺度的水質(zhì)預(yù)報(bào)分析。

6.2.4.2模型選擇。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型可分為統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型等。應(yīng)根

據(jù)水質(zhì)預(yù)報(bào)的時(shí)間尺度（短期、中期或長期）、水質(zhì)指標(biāo)以及數(shù)據(jù)類型和質(zhì)量情況選擇合適

的模型。

a)對(duì)于數(shù)據(jù)量較小或者需要模型具有較好的可解釋性的情況，可采用統(tǒng)計(jì)模型，如自回

歸移動(dòng)平均模型（ARIMA）或季節(jié)性自回歸移動(dòng)平均模型（SARIMA）。

b）對(duì)于具有一定數(shù)據(jù)量且需要捕捉數(shù)據(jù)內(nèi)在關(guān)聯(lián)的問題，可采用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，如隨

機(jī)森林、支持向量機(jī)或梯度提升機(jī)。

c）對(duì)于數(shù)據(jù)量充足且需要處理復(fù)雜的非線性關(guān)系的問題，可采用深度學(xué)習(xí)模型，如卷

積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)。

d)對(duì)于需要考慮時(shí)間序列數(shù)據(jù)的季節(jié)性或趨勢性變化的問題，可采用時(shí)間序列分解或趨

勢分析等方法，以更好地理解和預(yù)測水質(zhì)的變化趨勢。

e)對(duì)于需要同時(shí)考慮多個(gè)數(shù)據(jù)源或多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的復(fù)雜問題，可以考慮使用多模型集成

學(xué)習(xí)方法。

6.2.4.4模型評(píng)價(jià)。水質(zhì)預(yù)報(bào)誤差不宜超過30%。

6.2.5智能識(shí)別模型

6.2.5.1適用場景。應(yīng)基于計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合遙感、視頻、圖像等監(jiān)測監(jiān)控

數(shù)據(jù)，構(gòu)建用于水利對(duì)象識(shí)別、行為分析或事件檢測的智能識(shí)別模型，用于湖泊（水庫）水

尺水位、水質(zhì)參數(shù)、漂浮物、水體顏色異常等識(shí)別分析。

6.2.5.2模型選擇。水質(zhì)智能識(shí)別模型主要包括視頻圖像智能識(shí)別模型和水質(zhì)遙感反演模型。

a)對(duì)于靜態(tài)遙感影像或圖像識(shí)別，宜選擇卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）。

b）對(duì)于視頻內(nèi)容分析，宜選擇結(jié)合CNN和時(shí)間序列處理的模型如3D-CNN或CNN結(jié)合長

短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）

6.2.5.3模型評(píng)價(jià)。對(duì)于圖像識(shí)別模型，識(shí)別準(zhǔn)確率應(yīng)達(dá)到85%以上；對(duì)于視頻事件檢測模

6

型，識(shí)別準(zhǔn)確率應(yīng)達(dá)到75%以上。

6.2.6可視化模型

6.2.6.1適用場景?？梢暬Ｐ桶鲌龇抡婺Ｐ秃蜐舛葓龇抡婺Ｐ?，主要用于流場和水質(zhì)

濃度場的二三維仿真展示。

6.2.6.2模型選擇。應(yīng)針對(duì)不同應(yīng)用場景選擇相應(yīng)的可視化模型：

a）若關(guān)注水體流場和濃度場在平面上的變化，宜采用二維流場和濃度場仿真模型。

b）若關(guān)注水體流場和濃度場在三維方向上的分布（如大型深水湖庫），宜選擇三維流

場和濃度場仿真模型。

6.2.6.3可視化模型建設(shè)要求參見數(shù)字孿生流域可視化模型規(guī)范。

6.3知識(shí)庫

6.3.1預(yù)警規(guī)則庫

6.3.1.1預(yù)警規(guī)則庫應(yīng)包括水質(zhì)預(yù)警等級(jí)及預(yù)警閾值，用以支撐水質(zhì)超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及預(yù)警信

息發(fā)布。

6.3.1.2預(yù)警等級(jí)。實(shí)行紅橙黃三級(jí)預(yù)警，一級(jí)預(yù)警紅色，表示最高等級(jí)；二級(jí)預(yù)警為橙色，

表示次高等級(jí)；三級(jí)預(yù)警為黃色，表示最低等級(jí)。

6.3.1.3預(yù)警閾值?；贕B3838水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合目標(biāo)水體水質(zhì)現(xiàn)狀及水質(zhì)目標(biāo)，水質(zhì)

預(yù)警閾值應(yīng)按照以下方式確定：

a）針對(duì)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類及以上的目標(biāo)水域，劣V類水按水質(zhì)類別V考慮，計(jì)算水質(zhì)現(xiàn)

狀類別與水質(zhì)目標(biāo)類別的差值N（若N小于等于0，則判定為不超標(biāo)），則預(yù)警等級(jí)為4-N；

b）針對(duì)水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類及以下的目標(biāo)水域，劣V類水按水質(zhì)類別VI考慮，計(jì)算水質(zhì)現(xiàn)

狀類別與水質(zhì)目標(biāo)類別的差值N（若N小于等于0，則判為不超標(biāo)），則預(yù)警等級(jí)為4-N。

6.3.2歷史場景庫

6.3.2.1歷史場景庫用以支撐相似場景的快速查找匹配，支撐預(yù)演預(yù)案模擬對(duì)比。

6.3.2.2歷史場景庫應(yīng)包括洪水、突發(fā)污染事故等歷史場景的場景特征、處置過程及效果、

經(jīng)驗(yàn)等內(nèi)容：

a）洪水事件場景庫應(yīng)包括以下內(nèi)容：

1）場景特征：包括洪水發(fā)生的時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、降雨量、流量峰值等基本水文信

息。

2）處置過程及經(jīng)驗(yàn)效果：包括洪水期間實(shí)施的防洪措施、水庫調(diào)度策略、疏散行

動(dòng)等，以及這些措施的實(shí)際效果和對(duì)水質(zhì)的影響。

b）突發(fā)水污染事件場景庫應(yīng)包括以下內(nèi)容：

1）場景特征：包括污染事件的類型、發(fā)生時(shí)間、影響區(qū)域、污染源和污染物種類

及濃度。

2）處置過程及效果：包括緊急響應(yīng)措施、污染源控制、污染物清除和水質(zhì)恢復(fù)措

施，以及這些措施的實(shí)施效果評(píng)估記錄。

6.3.3預(yù)案管理庫

6.3.3.1應(yīng)急監(jiān)測預(yù)案

宜針對(duì)不同污染事件設(shè)定的應(yīng)急監(jiān)測方案，包括增加監(jiān)測頻次、監(jiān)測點(diǎn)位和監(jiān)測指標(biāo)等。

6.3.3.2應(yīng)急處置預(yù)案

處置措施一般應(yīng)包括啟動(dòng)增氧設(shè)備、投加水質(zhì)凈化劑、實(shí)施臨時(shí)截污、啟用備用水源。

7

緊急通知取水戶停止取水，啟動(dòng)污染物質(zhì)隔離和污染控制工程。

6.3.3.3應(yīng)急調(diào)度預(yù)案

宜結(jié)合現(xiàn)有的水工程調(diào)度規(guī)程，制定針對(duì)不同污染物質(zhì)特性的調(diào)度策略。對(duì)于不同類型

和濃度的污染物，預(yù)設(shè)具體的排水量（或水庫下泄水量）和排水時(shí)間參數(shù)，優(yōu)化污染物的稀

釋和去除效率。

7業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)

7.1監(jiān)測分析

基于監(jiān)測感知體系，接入多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握湖庫水體的水動(dòng)力、水質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)狀。

監(jiān)測分析業(yè)務(wù)模塊應(yīng)具有以下基本功能：

a）數(shù)據(jù)展示：水文、水質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢與可視化展示等。

b）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析：水質(zhì)類別、入庫污染負(fù)荷、綜合營養(yǎng)指數(shù)、綜合污染指數(shù)、報(bào)表

分析等。

c）業(yè)務(wù)管理：監(jiān)測站網(wǎng)管理、實(shí)驗(yàn)室管理、監(jiān)測設(shè)備管理、質(zhì)量控制管理、運(yùn)行維護(hù)

管理等。

7.2預(yù)報(bào)

通過動(dòng)態(tài)獲取入湖（庫）河流實(shí)時(shí)流量、水質(zhì)、壩（閘）前水位、出湖（庫）流量等監(jiān)

測數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)用模型庫中水動(dòng)力水質(zhì)模型，開展湖（庫）水體水質(zhì)在線模擬計(jì)算，展示湖

（庫）水體關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)濃度場的實(shí)時(shí)演進(jìn)過程。水質(zhì)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模塊應(yīng)具有以下基本功能：

a）時(shí)間尺度預(yù)報(bào)

1）短期預(yù)報(bào)：預(yù)測未來1-2天內(nèi)的水質(zhì)變化。

2）中期預(yù)報(bào)：提供未來3-7天內(nèi)的水質(zhì)趨勢分析。

3）長期預(yù)報(bào)：預(yù)測未來一個(gè)月以上的水質(zhì)狀況。

b）空間范圍預(yù)報(bào)

1）點(diǎn)位預(yù)測：利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，結(jié)合各監(jiān)測站點(diǎn)的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，預(yù)測特定

監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)變化。

2）區(qū)域預(yù)測：通過調(diào)用機(jī)理模型，進(jìn)行湖（庫）全域的水質(zhì)指標(biāo)濃度場分布及變

化趨勢的模擬推演。

7.3預(yù)警

結(jié)合水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)報(bào)成果，評(píng)估水質(zhì)要素超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，按照預(yù)警管理辦法及時(shí)發(fā)布預(yù)

警信息。水質(zhì)預(yù)警業(yè)務(wù)模塊應(yīng)具有以下基本功能：

a）監(jiān)測告警?；趯?shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合告警規(guī)則和閾值，設(shè)置監(jiān)測站點(diǎn)超標(biāo)個(gè)數(shù)、超

標(biāo)占比、超標(biāo)指標(biāo)、水質(zhì)級(jí)別、水質(zhì)級(jí)別占比、告警等級(jí)、告警斷面位置等分析展示功能。

b）預(yù)測預(yù)警?；谒|(zhì)模型計(jì)算結(jié)果，結(jié)合預(yù)警規(guī)則和閾值，設(shè)置水質(zhì)超標(biāo)面積、超

標(biāo)占比、超標(biāo)指標(biāo)、預(yù)警等級(jí)、預(yù)警區(qū)域位置等分析展示功能。

c）預(yù)警發(fā)布。按照紅橙黃三級(jí)，確定預(yù)警信息內(nèi)容，可通過短信、APP、平臺(tái)等形式

發(fā)布預(yù)警信息。

7.4預(yù)演

基于水環(huán)境機(jī)理模型，推演典型情景下目標(biāo)水體水質(zhì)狀況。水質(zhì)預(yù)演業(yè)務(wù)模塊應(yīng)具有以

下基本功能：

8

a）預(yù)演方案設(shè)置。通過自定義設(shè)置污染事件的發(fā)生地點(diǎn)、時(shí)間、排放方式、污染類型

等，快速構(gòu)建突發(fā)污染模擬場景。

b）預(yù)演仿真。結(jié)合三維可視化全景仿真和流場、濃度場渲染技術(shù)，模擬不同位置發(fā)生

突發(fā)水污染事故、不同濃度污染團(tuán)在水體中的輸移擴(kuò)散過程。

c）預(yù)演結(jié)果分析。分析污染物擴(kuò)散方向、速度、影響范圍及程度，提供關(guān)鍵點(diǎn)位受污

染影響程度研判等功能。

7.5預(yù)案

水質(zhì)預(yù)案管理包括應(yīng)急監(jiān)測管理、應(yīng)急處置管理。水質(zhì)預(yù)案業(yè)務(wù)模塊應(yīng)具有以下基本功

能：

7.5.1應(yīng)急監(jiān)測管理

a）應(yīng)急監(jiān)測方案自動(dòng)生成：依托突發(fā)水污染預(yù)演業(yè)務(wù)，結(jié)合水質(zhì)預(yù)案庫，自動(dòng)生成應(yīng)

急監(jiān)測方案，包括應(yīng)急監(jiān)測時(shí)間、監(jiān)測指標(biāo)、監(jiān)測頻次等，并支持方案的編輯調(diào)整。

b）方案導(dǎo)出和APP聯(lián)動(dòng)：提供以kml、文檔等方式對(duì)方案進(jìn)行導(dǎo)出，并與水質(zhì)巡檢

APP進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，指導(dǎo)現(xiàn)場人員執(zhí)行應(yīng)急監(jiān)測方案。

7.5.2應(yīng)急處置管理

a）污染攔蓄：對(duì)污染物進(jìn)行攔河壩、橡膠壩等攔蓄工程的模擬設(shè)置，模擬攔蓄對(duì)污染

物的阻攔效果。

b）污染削減：針對(duì)不同的污染源，提供不同水質(zhì)凈化絮凝劑投放方案設(shè)置，定量模擬

評(píng)估處置效果。

c）應(yīng)急調(diào)度：提供水工程聯(lián)合調(diào)度設(shè)置方案，定量模擬評(píng)估應(yīng)急調(diào)度實(shí)施后的處置效

果。

d）方案對(duì)比：提供多種方案的效果對(duì)比，提出應(yīng)急決策方案建議。

9

附錄A

（規(guī)范性）

湖庫水環(huán)境專業(yè)模型

A.1水環(huán)境評(píng)價(jià)模型

A.1.1模型分類

（1）水質(zhì)評(píng)價(jià)模型

①單因子評(píng)價(jià)法

②綜合污染指數(shù)法

③內(nèi)梅羅指數(shù)法

（2）綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

（3）水環(huán)境容量分析模型

A.1.2模型構(gòu)建基本步驟

①收集基礎(chǔ)資料：收集區(qū)域范圍、水文氣象、水質(zhì)等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

②模型計(jì)算：模型讀取輸入文件進(jìn)行計(jì)算。

③分析評(píng)價(jià)結(jié)果輸出：根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，開展分析評(píng)價(jià)。

④模型輸入：水質(zhì)指標(biāo)濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)及水文氣象等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

⑤模型輸出：水質(zhì)類別、超標(biāo)倍數(shù)、綜合污染指數(shù)、營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)。

A1.3模型選擇要求

①目標(biāo)水體單個(gè)點(diǎn)位的水質(zhì)類別評(píng)價(jià)宜采用單因子評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)方法應(yīng)符合GB3838

要求。

②目標(biāo)水體水質(zhì)污染情況綜合評(píng)價(jià)宜采用綜合污染指數(shù)法或內(nèi)梅羅指數(shù)法。

③目標(biāo)水體富營養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)宜采用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)模型。

④定量核算目標(biāo)水體的水環(huán)境容量和納污能力宜采用水環(huán)境容量分析模型。

A.2水環(huán)境機(jī)理模型

A.2.1水動(dòng)力水質(zhì)模型

水動(dòng)力水質(zhì)模型應(yīng)用于模擬湖庫與入湖（庫）河流水體氮磷等主要水質(zhì)指標(biāo)濃度時(shí)空變

化。通過輸入水下地形數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)等，基于水流運(yùn)

動(dòng)理論、物質(zhì)在水體中遷移擴(kuò)散原理，模擬輸出目標(biāo)水體全域全時(shí)刻污染物濃度分布及變化

過程。

A.2.1.1模型分類

（1）零維模型

①河流均勻混合模型：

????+????

式中：?=?.1

??+??

C——污染物濃度，mg/L；

CP——污染物排放濃度，mg/L；

Ch——河流上游污染物濃度，mg/L；

3

QP——污水排放量，m/s；

3

Qh——河流流量，m/s；

②湖庫均勻混合模型

d?

?=????+????.2

d?

10

式中：

V——水體體積，m3；

t——時(shí)間，s；

W——單位時(shí)間污染物排放量，g/s；

Q——水量平衡時(shí)流入與流出湖(庫)的流量，m3/s；

f(C)——生化反應(yīng)項(xiàng)，g/(m3·s)；

其余符號(hào)意義同前。

（2）一維模型

①水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型基本方程：

AQ

q

tx

Q2

()

QzgQ|Q|

AgA0

txxC2AR

1

CR1/6

n

式中：

Q——斷面流量，m3/s；

q——單位河長的旁側(cè)入流，m2/s；

A——斷面面積，m2；

Z——斷面水位，m；

C——謝才系數(shù)，m；

n——河道糙率；

g——重力加速度，m/s2；

x——笛卡爾坐標(biāo)系X向的坐標(biāo)，m；

其余符號(hào)意義同前。

②水溫?cái)?shù)學(xué)模型基本方程：

????????tx??L??

式中：+=??+??+p?.4

??????????

T——水溫，℃。

2

Etx——水溫縱向擴(kuò)散系數(shù)，m/s；

2

ST——溫度源項(xiàng)，m·℃/s；

TL——旁側(cè)出入流（源匯項(xiàng)）水溫，℃；

ρ——水體密度，kg/m3；

CP——水的比熱，J/(kg·℃)；

S——表面積凈熱交換通量，W/m2；

其余符號(hào)意義同前。

③水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本方程：

11

?????????

式中：+=???+???+????.5

????2????

Ex——污染物縱向擴(kuò)散系數(shù)，m/s；

CL——旁側(cè)出入流（源匯項(xiàng)）污染物濃度，mg/L；

其余符號(hào)意義同前。

（3）二維模型

1）平面二維基本方程

①水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型基本方程為：

????????

++=??

??????

2222

?????????+????+??x????

+?+?=??+???2??++?m2+2?.6

??????????????????

2222

????????+????+????????

+?+?=??????2??++?m2+2

??式中：???????????????

u——對(duì)應(yīng)于x軸的平均流速分量，m/s；

v——對(duì)應(yīng)于y軸的平均流速分量，m/s；

zb——河底高程，m；

f——科氏系數(shù)，f=2Ωsin，1/s；

1/2

Cz——謝才系數(shù)，m/s；

2

τsx、τsy——分別為水面上的風(fēng)應(yīng)力，，，r為風(fēng)應(yīng)

2222

力系數(shù)，ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3，w為風(fēng)速，m/s，α為風(fēng)方向角；

?sx=??a?sin??sy=??a?cos?

2

Am——水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)，m/s；

x——笛卡爾坐標(biāo)系X向的坐標(biāo)，m；

y——笛卡爾坐標(biāo)系Y向的坐標(biāo)，m；

S——源（匯）項(xiàng)，s-1；

其余符號(hào)意義同前。

②水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程：

?????????????????S?

式中：++=????+????++????4.7

???

??????2????????

Etx——水溫縱向擴(kuò)散系數(shù)，m/s；

2

Ety——水溫橫向擴(kuò)散系數(shù)，m/s；

Sφ——水流邊界面凈獲得的熱交換通量，表示水流與外界（太陽、空氣、河道邊界）

之間的熱交換量，J/(m2·s)；

Ts——源（匯）項(xiàng)溫度，℃；

其余符號(hào)意義同前。

③水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的基本方程：

?????????????????

式中：++=???+???+???+????4.8

??????????????

Cs——源（匯）項(xiàng)污染物濃度，mg/L；

12

其余符號(hào)意義同前。

2）立面二維數(shù)學(xué)模型水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型的基本方程

①水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型基本方程為：

??????

+=??

????

2

??????????????????????

+++=??h+????4.9

??????????????????

??

式中：+??=0

??

P——壓力，Pa；

2

Ah——水平方向的渦粘性系數(shù)，m/s；

2

Az——垂直方向的渦粘性系數(shù)，m/s；

τwx——邊壁阻力，N；

q——旁側(cè)出入流（源匯項(xiàng)），1/s；

其余符號(hào)意義同前。

②水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程：

??????tx???tz??1???L

③水+質(zhì)數(shù)?學(xué)??模型+的基?本?方?程=：??+??+?+???4.10

??????????????????

???????????

（4）+三維模??型?水+動(dòng)力數(shù)?學(xué)??模型=的基?本?方?程+???+????+???4.11

??????????????

①水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型基本方程為：

??????

++=?

??????

2

??????????1???????????

++++=?h+?h+?z+2??sin?+???

???????????????????????

24.12

??????????1???????????

++++=??+??+???2?usin?+???

???????????????????????

??

+??=0

式中：??

θ——地球自轉(zhuǎn)角速度，ω/s；

φ——當(dāng)?shù)鼐暥龋悖?/p>

其余符號(hào)意義同前。

②水溫?cái)?shù)學(xué)模型的基本方程：

r

?T??????????u???u???u????

+③水質(zhì)數(shù)+學(xué)模型+的基本方=程：?+?+?+p+??4.13

??????????????????????

????????????????????

+++=??+??+??+???+??4.14

????????????????????

13

A.2.2.2模型構(gòu)建基本步驟

①數(shù)據(jù)收集：收集目標(biāo)水域的地形、水文、氣象、水質(zhì)等數(shù)據(jù)。

②網(wǎng)格劃分：對(duì)模型水域進(jìn)行劃分，可采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（矩形網(wǎng)格、正交曲線網(wǎng)格）、

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（三角網(wǎng)格）。

③初始條件輸入：確定模型計(jì)算初始時(shí)刻的狀態(tài)值（初始時(shí)刻的流場、水質(zhì)濃度場）。

④邊界條件輸入：輸入模型計(jì)算所需的邊界條件，如入湖（庫）流量邊界、入湖（庫）

污染濃度邊界、出湖（庫）流量邊界、湖泊（水庫）水位邊界等。

⑤模型參數(shù)設(shè)置：對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如糙率、衰減系數(shù)等。

⑥模型率定驗(yàn)證：采用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模型開展參數(shù)率定和驗(yàn)證工作。

⑦模型輸入：水下地形、水文、氣象、水質(zhì)、污染源、水工程調(diào)度等。

⑧模型輸出：湖泊（水庫）流場與水質(zhì)濃度場分布及變化趨勢。

A.1.3突發(fā)水污染模型

突發(fā)水污染模型用于對(duì)突發(fā)水污染事故污染團(tuán)濃度擴(kuò)散過程及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。

A.1.3.1模型分類

①突發(fā)水污染快速預(yù)測模型是基于水動(dòng)力水質(zhì)模型，實(shí)現(xiàn)湖（庫）區(qū)和入湖（庫）支流

任意位置發(fā)生的突發(fā)污染事故污染團(tuán)濃度擴(kuò)散過程模擬。

②污染粒子軌跡示蹤模型是在突發(fā)水污染快速預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，通過拉格朗日質(zhì)子示

蹤算法，進(jìn)行時(shí)序粒子軌跡跟蹤，模擬污染團(tuán)或污染粒子遷移路徑。

A.1.3.2模型構(gòu)建基本步驟：

a）突發(fā)水污染快速預(yù)測模型

①數(shù)據(jù)收集：收集目標(biāo)水域的地形、水文、氣象、水質(zhì)、污染源等數(shù)據(jù)。

②網(wǎng)格劃分：對(duì)模型水域進(jìn)行劃分，可采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（矩形網(wǎng)格、正交曲線網(wǎng)格）、

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（三角網(wǎng)格）。

③初始條件輸入：確定模型計(jì)算初始時(shí)刻的狀態(tài)值（初始時(shí)刻的流場、水質(zhì)濃度場）。

④邊界條件輸入：輸入模型計(jì)算所需的邊界條件，如污染源位置與污染釋放過程輸入、

出入湖（庫）流量、湖庫運(yùn)行水位邊界等。

⑤模型參數(shù)設(shè)置：對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如糙率、衰減系數(shù)等。

⑥模型率定驗(yàn)證：采用實(shí)測數(shù)據(jù)（應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)）對(duì)模型開展參數(shù)率定和驗(yàn)證工作。

⑦模型輸入：水下地形、水文、氣象、水質(zhì)、污染源、水工程調(diào)度等。

⑧模型輸出：污染物擴(kuò)散過程及濃度分布變化。

b）污染粒子軌跡示蹤模型

①數(shù)據(jù)收集：收集目標(biāo)水域的地形、水文、氣象、水質(zhì)、污染源等數(shù)據(jù)。

②網(wǎng)格劃分：對(duì)模型水域進(jìn)行劃分，可采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（矩形網(wǎng)格、正交曲線網(wǎng)格）、

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（三角網(wǎng)格）。

③初始條件輸入：確定模型計(jì)算初始時(shí)刻的狀態(tài)值（初始時(shí)刻的流場、水質(zhì)濃度場）。

④邊界條件輸入：輸入模型計(jì)算所需的邊界條件，出入湖（庫）流量、湖庫水位邊界等。

⑤模型參數(shù)設(shè)置：對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如糙率、衰減系數(shù)等。

⑥粒子投放設(shè)置：根據(jù)研究對(duì)象以及收集的資料，在研究位置投放合適的粒子數(shù)量。

⑦模型輸入：水下地形、水文、氣象、污染物粒子位置及數(shù)量、工程調(diào)度等。

⑧模型輸出：模擬對(duì)象的水動(dòng)力場以及污染運(yùn)移軌跡和沉降特征。

A.2數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型

A.2.1模型分類

分為機(jī)器學(xué)習(xí)模型和深度學(xué)習(xí)模型。

14

機(jī)器學(xué)習(xí)模型包括多元線性回歸、門限回歸、逐步回歸、多元逐步回歸、支持向量機(jī)、

隨機(jī)森林回歸、梯度提升回歸、均生函數(shù)等模型。

深度學(xué)習(xí)模型包括回饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）、遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）、長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）、

門限循環(huán)網(wǎng)絡(luò)（GRU）、廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRNN）等模型。

A.2.2模型構(gòu)建基本步驟

①數(shù)據(jù)收集：收集目標(biāo)水域的水文、氣象、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。②數(shù)據(jù)歸一化處理：對(duì)原始

數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一化處理。

③訓(xùn)練樣本構(gòu)建：準(zhǔn)備模型訓(xùn)練樣本。

④預(yù)報(bào)模型構(gòu)建：選擇和構(gòu)建適合的預(yù)報(bào)模型。

⑤模型訓(xùn)練及參數(shù)調(diào)整：對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整模型參數(shù)，使其能夠更好地適應(yīng)數(shù)據(jù)。

⑥基于模型進(jìn)行預(yù)報(bào)：采用訓(xùn)練后的模型，開展預(yù)報(bào)作業(yè)。

⑦模型輸入：目標(biāo)水域的水文（包括水位、流量、流向）、氣象（包括氣溫、降水、光

照、風(fēng)力風(fēng)向）、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等長序列歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

⑧模型輸出：典型監(jiān)測斷面/點(diǎn)位的水質(zhì)濃度變化趨勢。

A.3智能識(shí)別模型

A.3.1模型分類

①視頻圖像智能識(shí)別模型

視頻圖像智能識(shí)別模型通過構(gòu)建多層網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)學(xué)習(xí)得到數(shù)據(jù)內(nèi)部關(guān)系，提取圖像重要

特征，抽取關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)水面漂浮物、排污口排污、水體顏色異常、突發(fā)水污染、水華暴

發(fā)等水質(zhì)信息智能識(shí)別。模型主要算法包括DBN、DFN、CNN、RNN等，模型精度參照《數(shù)

字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱》執(zhí)行。

②水質(zhì)遙感反演模型。

水質(zhì)遙感反演模型基于衛(wèi)星或無人機(jī)遙感影像，根據(jù)電磁波產(chǎn)生的遙感影像特征，結(jié)合

地面監(jiān)測數(shù)據(jù)或地物特征，訓(xùn)練智能反演模型，實(shí)現(xiàn)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、面源污染、土地分布、

排污口分布等反演功能，適用于時(shí)間、空間維度上水質(zhì)流域分析、水質(zhì)動(dòng)態(tài)分析、污染成因

溯源等。

A.3.2模型構(gòu)建基本步驟

①模型構(gòu)建：圖像或影像數(shù)據(jù)收集、標(biāo)注，模型參數(shù)設(shè)置，模型訓(xùn)練，基于模型進(jìn)行識(shí)

別。

②模型輸入：圖像數(shù)據(jù)集、圖像標(biāo)注信息文件。

③模型輸出：目標(biāo)物像素位置、大小、種類等信息。

A.4可視化模型

A.4.1模型分類

①流場仿真模型。對(duì)水動(dòng)力模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行信息篩選，抽取用于流場構(gòu)建的信息要素，對(duì)

提取的流場仿真信息進(jìn)行分類表達(dá)，運(yùn)用箭頭、分級(jí)設(shè)色、粒子動(dòng)畫等方式呈現(xiàn)某一時(shí)刻流

場的渲染效果。

②水質(zhì)濃度場仿真模型。引入標(biāo)量場（濃度場）在地理場景中的時(shí)序動(dòng)態(tài)可視化算法，

實(shí)現(xiàn)湖庫主要關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)濃度場二三維渲染展示。

A.4.2模型構(gòu)建基本步驟

①數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換：對(duì)水動(dòng)力水質(zhì)模擬計(jì)算結(jié)果按照規(guī)定的格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化。

②信息渲染與表達(dá)：將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)輸入仿真模型，實(shí)現(xiàn)流場與水質(zhì)濃度的可視化表達(dá)。

③三維動(dòng)態(tài)推演仿真：以動(dòng)畫形式實(shí)現(xiàn)流場與水質(zhì)濃度場的三維動(dòng)態(tài)推演仿真。

④模型輸入：水動(dòng)力水質(zhì)模型的計(jì)算結(jié)果。

⑤模型輸出：目標(biāo)水體流場與濃度場的二三維仿真信息。

15

附件2

《數(shù)字孿生湖庫水質(zhì)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

導(dǎo)則》

（征求意見稿□送審稿□報(bào)批稿）

編制說明

主編單位（簽章）：長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院

2024年05月22日

1

編制說明

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源

湖泊和水庫是我國飲用水水源地的重要組成部分，在我國的供水

系統(tǒng)中占有重要地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國1093個(gè)市縣級(jí)集中式飲用水源

地中，湖庫型水源地?cái)?shù)量占比最高，達(dá)40.6%。習(xí)近平總書記高度重

視水源地保護(hù)和治理工作，始終堅(jiān)持把水源涵養(yǎng)和水質(zhì)保護(hù)作為頭等

大事來抓。然而，我國大部分湖庫水源地監(jiān)管能力不足，安全預(yù)警技

術(shù)體系還不完善，導(dǎo)致水環(huán)境突發(fā)污染事件頻發(fā)。

近年來，隨著以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智

能、數(shù)字孿生等為代表的新興數(shù)字技術(shù)快速發(fā)展，在全國智慧流域、

數(shù)字孿生流域建設(shè)進(jìn)程加快推進(jìn)的大背景下，如何利用信息化技術(shù)，

強(qiáng)化水質(zhì)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能，提升湖庫水環(huán)境保護(hù)的數(shù)字

化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，實(shí)現(xiàn)更有效的安全監(jiān)管、更精準(zhǔn)的輸水調(diào)

度、更高效的水質(zhì)保護(hù)，成為湖庫水源地水質(zhì)保護(hù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的探索

方向。

自2021年起，水利部組織編制了《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)

的指導(dǎo)意見》《智慧水利建設(shè)頂層設(shè)計(jì)》《“十四五”智慧水利建設(shè)

規(guī)劃》《“十四五”期間推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案》等系列文件，

全面部署智慧水利建設(shè)，并將數(shù)字孿生流域建設(shè)作為構(gòu)建智慧水利體

系、實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”的核心和關(guān)鍵。2022年，圍繞當(dāng)前最迫切的數(shù)字

孿生流域、數(shù)字孿生水利工程、水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”等重點(diǎn)工作，水利

部信息中心組織編制了《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》《數(shù)

字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技

術(shù)要求（試行）》《數(shù)字孿生流域共建共享管理辦法（試行）》等技

2

術(shù)文件，為全面開展水利數(shù)字孿生試點(diǎn)建設(shè)工作奠定了基礎(chǔ)。目前，

水利部印發(fā)的數(shù)字孿生系列標(biāo)準(zhǔn)辦法重點(diǎn)針對(duì)防洪、水資源調(diào)配等業(yè)

務(wù)，針對(duì)水質(zhì)管理“四預(yù)”平臺(tái)的規(guī)范化要求還較為薄弱，缺乏結(jié)合

業(yè)務(wù)功能的整體框架設(shè)計(jì)，與實(shí)際需求存在一定差距、指導(dǎo)性有待加

強(qiáng)。

2024