01 研究背景

在城市的開放水域游泳是一件很受歡迎的休閑娛樂項目。一些國際游泳聯合會舉辦的競技賽事也是在城市淡水區域舉行的。例如，2022年7月的馬拉松游泳世界系列賽的第二階段就在巴黎的Ourcq運河舉行。城市開放水域游泳能減輕熱島效應對城市的影響，也減輕了熱浪對人口的影響。此外，它也是一種回收利用公共空間并加強城市居民與自然聯系的有效方式。

但在開放水域游泳，可能會引起一些在水中傳播的疾病。法國在1923年頒布的禁止在塞納河公開游泳的法令至今仍然有效。自2017年起，巴黎地區破例在夏季開放了拉維萊特盆地的公共游泳區。

為了控制衛生風險，歐洲沐浴水域指令2006/7/EC根據糞便污染指標的濃度對水質進行了分類，即糞便指示菌（FIB）。在歐洲分類中使用了兩種細菌作為參考參數：大腸桿菌（E. coli）和腸球菌（IE）。對于內陸水域，大腸桿菌的沐浴水質閾值為900 MPN/100mL，腸球菌IE為330 MPN/100mL。大腸桿菌在實驗室中進行計數的參考方法響應時間較長，約為24h~48h。

在一些水道中，對微生物水質的分析是每天在洗浴區的上游進行的。但這種方法的監測頻率不夠頻繁，兩次測量期間可能會出現未被檢測到的污染物。

因此，本研究將以大腸桿菌為FIB的代表指標，利用三維水動力通用仿真軟件并耦合WAQTEL模塊，監測和估計城市La Villette沐浴區（法國巴黎）的衛生條件，即預測沐浴區的大腸桿菌濃度，旨在確定該地點的開放及關閉時間。

02 案例展示

研究區域由一個寬25米長800米的運河和寬75米長700米的盆地組成，如圖1所示。

上游點A配備了一個垂直溫度（3個深度）和電導率傳感器鏈，以及一個水位傳感器。下游點B也配備了一個垂直溫度（3個深度）和電導率傳感器鏈，用于溫度和電導率測量。測量頻率為20 分鐘/次。

本次研究對研究區域內大腸桿菌進行兩種方式的測定。

• 為了更快地評估微生物水平，利用了熒光溶解有機物（FDOM）和細菌活性之間的關系。大腸桿菌的估計值來自與色氨酸樣熒光（TLF）的關系所建立的系統。
• 采用三維水動力模型遠程預測大腸桿菌的時空演化。為了重現河道內的熱分層，激活了WAQTEL熱模塊。用上游測量的TLF數據作為模擬的輸入數據。

測定方式1：

在A和B點，采樣地表水（0.40 m深度）進行熒光測量。2021年6月30日至9月20日，每個點采集17份樣本。在同一期間，在C點進行了糞便指示菌的地表水采樣和熒光測量。采集了5個樣本集，2個是干燥天氣，3個是雨天。每小時自動采集樣本。然后將所有的樣本混合，獲得每日平均樣本。在干燥天氣期間，共采集兩份日樣本。對于降雨期，第一次降雨的持續時間為兩天（兩個樣本），另外兩次降雨的持續時間為三天（2x3個樣本）。共收集了10個平均每日樣本。大腸桿菌的含量按ISO 9308-3法測定。大腸桿菌數據的不確定性約為25%。

通過2021年6月至9月在拉維萊特盆地收集的10個樣本的數據，建立了TLF與大腸桿菌之間的關系。大腸桿菌數據范圍為98~1400 MPN/100mL。TLF數據的變化范圍為0.13~0.75RU。所得到的線性關系為：大腸桿菌=1381?TLF。大腸桿菌單位為MPN/100mL，TLF單位為RU。

測定方式2：

使用v8p3版本的三維水動力通用仿真軟件進行模擬計算。利用BlueKenue（v3.3.4）準備幾何圖形和網格文件以及完成結果的可視化。研究區域從運河的上游一直延伸到Bassin La Villette的下游端。三維網格分成10層，每層0.30 m，每個網格的平均邊長為5m。模型計算的時間步長為20 s。結果輸出的時間步長為10 min。該研究中激活了WAQTEL中的熱交換模塊。上游邊界被定義為自由邊界，有水位和流量的輸入。下游邊界同為自由邊界，有規定的流量。上游的大腸桿菌輸入數據由從A點測量獲得的TLF值線性插值后提供。TLF在模擬中被視作一種示蹤劑。

利用從最近的Bourget機場站獲得（在東北約9公里）每小時一次的氣象數據（風速和方向、氣溫、大氣壓、相對濕度、云量和降雨），以及從奧利氣象站（南部約17公里）獲得的云覆蓋數據，來計算大氣換熱。考慮到河道中的大型植被，Strickler系數被選為2 m1/3s-1。

第一個模擬時期是2021年9月12-22日。其中包括9月14日和15日的一次降雨事件，在48小時內的總降雨量為28毫米。在這一時期獲得的結果將說明該模型在模擬微生物污染水平方面的性能。

第二個模擬時期是2022年7月13-23日，這是一個氣溫非常高的時期。在這里，將評估熱分層對可能的微生物污染的影響。

03 研究結果

• 模擬時期2021年9月12-22日

測量的A點的TLF值如圖2（a）所示。降雨之前TLF的值約在0.14RU左右。降雨之后，TLF值升高，連續5日維持在0.75RU左右。在9月20日之后才開始下降。同一時期，C點測量到的大腸桿菌的日均數值如圖2（b）所示。

B點的測量水溫以及模擬水溫變化如圖3所示。9月12日至22日期間，B點的表面中間和河道底部水溫出現差異，水柱白天輕微分層，夜間混合。水面與底層的現場測量數據得出的溫差為0.21℃，根據模型結果得到溫差為0.34℃。模型結果得到的水溫變化也比測量值稍大，水柱分層更明顯。

將模擬得到的C 點三個深度的大腸桿菌數據和測量值進行比對（圖4）。模擬結果與測量值很接近，且模擬得到的C點大腸桿菌數據在實際測量值的誤差范圍內。

從下圖5中B點大腸桿菌數量隨時間的演變可以看出，在9月17日到9月21日，大腸桿菌數量超過了規定的900 MPN/100mL（歐洲沐浴水域指令2006/7/EC）。因此在這段時間，該沐浴區（B點）必須對公眾關閉。

• 模擬時期2022年7月13-23日

這段時期，研究區域內觀察到了非常高的氣溫。7月19日最高溫度為39.8℃。由于該時期缺少大腸桿菌測量數據，因此利用9月的數據研究熱分層對大腸桿菌分布的影響。

在沐浴區（B點），現場測量水溫范圍為24.0 - 26.1℃，模擬結果的水溫范圍為22.9 - 26.8℃。7月13日至20日，水柱白天分層，夜間混合。在分層期間，現場數據的表層和底層之間的最大溫差平均值為0.97℃，模型結果的平均值為0.91℃?，F場測量數據和表層的溫度差與模擬結果有很好的一致性。

橫向對比整個河道內的大腸桿菌分布可以看出（圖7），在初始階段，大腸桿菌的分布具有明顯的橫向異質性，左岸高于右岸。此階段末尾時，大腸桿菌的分布左右岸也不盡相同。

04 研究結論

本研究為La Villette地區(法國巴黎)的開放水域建立了一個結合模型的水質檢測系統，旨在通過三維水動力仿真耦合WAQTEL模塊建立模型并預測沐浴區大腸桿菌數量是否超過規定閾值。第一個模擬時期（2021年9月12日至22日）包括一場大雨。該模型能夠充分模擬大腸桿菌數量隨時間的演化：雨后濃度增加，5天后濃度下降。17日至21日，大腸桿菌數量超過了規定閾值，沐浴區必須關閉。但是，根據模型結果得到的關閉時間應該比實際關閉時間（9月18日）早兩天（9月16日）。第二次模擬是在熱浪期間進行的（2022年7月13-23日）。結合模型可以觀察到大腸桿菌的分布具有橫向異質性。利用上游的TLF連續檢測并結合水動力模型，我們可以預測下游沐浴區水質情況，這一舉措將為沐浴區關閉/開放的決定提供支持。

05 小結

三維水動力仿真耦合WAQTEL模塊在水質預測方面能提供較準確的結果，且支持添加天氣因素，能夠實現非常實際具體的模擬。其中WAQTEL中的熱交換模塊可以為河道內的水溫變化提供良好的支持。利用三維水動力仿真，我們可以得到同一測量點不同深度的水溫。這有利于研究不同深度的水質及水溫情況，例如預測不同深度河道內的微生物活性以及水柱分層及混合現象。模擬的耗時也比實驗室分析短很多，因此可以快速且實時地提供水質數據。

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