01 研究背景

在城市的开放水域游泳是一件很受欢迎的休闲娱乐项目。一些国际游泳联合会举办的竞技赛事也是在城市淡水区域举行的。例如，2022年7月的马拉松游泳世界系列赛的第二阶段就在巴黎的Ourcq运河举行。城市开放水域游泳能减轻热岛效应对城市的影响，也减轻了热浪对人口的影响。此外，它也是一种回收利用公共空间并加强城市居民与自然联系的有效方式。

但在开放水域游泳，可能会引起一些在水中传播的疾病。法国在1923年颁布的禁止在塞纳河公开游泳的法令至今仍然有效。自2017年起，巴黎地区破例在夏季开放了拉维莱特盆地的公共游泳区。

为了控制卫生风险，欧洲沐浴水域指令2006/7/EC根据粪便污染指标的浓度对水质进行了分类，即粪便指示菌（FIB）。在欧洲分类中使用了两种细菌作为参考参数：大肠杆菌（E. coli）和肠球菌（IE）。对于内陆水域，大肠杆菌的沐浴水质阈值为900 MPN/100mL，肠球菌IE为330 MPN/100mL。大肠杆菌在实验室中进行计数的参考方法响应时间较长，约为24h~48h。

在一些水道中，对微生物水质的分析是每天在洗浴区的上游进行的。但这种方法的监测频率不够频繁，两次测量期间可能会出现未被检测到的污染物。

因此，本研究将以大肠杆菌为FIB的代表指标，利用三维水动力通用仿真软件并耦合WAQTEL模块，监测和估计城市La Villette沐浴区（法国巴黎）的卫生条件，即预测沐浴区的大肠杆菌浓度，旨在确定该地点的开放及关闭时间。

02 案例展示

研究区域由一个宽25米长800米的运河和宽75米长700米的盆地组成，如图1所示。

上游点A配备了一个垂直温度（3个深度）和电导率传感器链，以及一个水位传感器。下游点B也配备了一个垂直温度（3个深度）和电导率传感器链，用于温度和电导率测量。测量频率为20 分钟/次。

本次研究对研究区域内大肠杆菌进行两种方式的测定。

• 为了更快地评估微生物水平，利用了荧光溶解有机物（FDOM）和细菌活性之间的关系。大肠杆菌的估计值来自与色氨酸样荧光（TLF）的关系所建立的系统。
• 采用三维水动力模型远程预测大肠杆菌的时空演化。为了重现河道内的热分层，激活了WAQTEL热模块。用上游测量的TLF数据作为模拟的输入数据。

测定方式1：

在A和B点，采样地表水（0.40 m深度）进行荧光测量。2021年6月30日至9月20日，每个点采集17份样本。在同一期间，在C点进行了粪便指示菌的地表水采样和荧光测量。采集了5个样本集，2个是干燥天气，3个是雨天。每小时自动采集样本。然后将所有的样本混合，获得每日平均样本。在干燥天气期间，共采集两份日样本。对于降雨期，第一次降雨的持续时间为两天（两个样本），另外两次降雨的持续时间为三天（2x3个样本）。共收集了10个平均每日样本。大肠杆菌的含量按ISO 9308-3法测定。大肠杆菌数据的不确定性约为25%。

通过2021年6月至9月在拉维莱特盆地收集的10个样本的数据，建立了TLF与大肠杆菌之间的关系。大肠杆菌数据范围为98~1400 MPN/100mL。TLF数据的变化范围为0.13~0.75RU。所得到的线性关系为：大肠杆菌=1381∙TLF。大肠杆菌单位为MPN/100mL，TLF单位为RU。

测定方式2：

使用v8p3版本的三维水动力通用仿真软件进行模拟计算。利用BlueKenue（v3.3.4）准备几何图形和网格文件以及完成结果的可视化。研究区域从运河的上游一直延伸到Bassin La Villette的下游端。三维网格分成10层，每层0.30 m，每个网格的平均边长为5m。模型计算的时间步长为20 s。结果输出的时间步长为10 min。该研究中激活了WAQTEL中的热交换模块。上游边界被定义为自由边界，有水位和流量的输入。下游边界同为自由边界，有规定的流量。上游的大肠杆菌输入数据由从A点测量获得的TLF值线性插值后提供。TLF在模拟中被视作一种示踪剂。

利用从最近的Bourget机场站获得（在东北约9公里）每小时一次的气象数据（风速和方向、气温、大气压、相对湿度、云量和降雨），以及从奥利气象站（南部约17公里）获得的云覆盖数据，来计算大气换热。考虑到河道中的大型植被，Strickler系数被选为2 m1/3s-1。

第一个模拟时期是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小时内的总降雨量为28毫米。在这一时期获得的结果将说明该模型在模拟微生物污染水平方面的性能。

第二个模拟时期是2022年7月13-23日，这是一个气温非常高的时期。在这里，将评估热分层对可能的微生物污染的影响。

03 研究结果

• 模拟时期2021年9月12-22日

测量的A点的TLF值如图2（a）所示。降雨之前TLF的值约在0.14RU左右。降雨之后，TLF值升高，连续5日维持在0.75RU左右。在9月20日之后才开始下降。同一时期，C点测量到的大肠杆菌的日均数值如图2（b）所示。

B点的测量水温以及模拟水温变化如图3所示。9月12日至22日期间，B点的表面中间和河道底部水温出现差异，水柱白天轻微分层，夜间混合。水面与底层的现场测量数据得出的温差为0.21℃，根据模型结果得到温差为0.34℃。模型结果得到的水温变化也比测量值稍大，水柱分层更明显。

将模拟得到的C 点三个深度的大肠杆菌数据和测量值进行比对（图4）。模拟结果与测量值很接近，且模拟得到的C点大肠杆菌数据在实际测量值的误差范围内。

从下图5中B点大肠杆菌数量随时间的演变可以看出，在9月17日到9月21日，大肠杆菌数量超过了规定的900 MPN/100mL（欧洲沐浴水域指令2006/7/EC）。因此在这段时间，该沐浴区（B点）必须对公众关闭。

• 模拟时期2022年7月13-23日

这段时期，研究区域内观察到了非常高的气温。7月19日最高温度为39.8℃。由于该时期缺少大肠杆菌测量数据，因此利用9月的数据研究热分层对大肠杆菌分布的影响。

在沐浴区（B点），现场测量水温范围为24.0 - 26.1℃，模拟结果的水温范围为22.9 - 26.8℃。7月13日至20日，水柱白天分层，夜间混合。在分层期间，现场数据的表层和底层之间的最大温差平均值为0.97℃，模型结果的平均值为0.91℃。现场测量数据和表层的温度差与模拟结果有很好的一致性。

横向对比整个河道内的大肠杆菌分布可以看出（图7），在初始阶段，大肠杆菌的分布具有明显的横向异质性，左岸高于右岸。此阶段末尾时，大肠杆菌的分布左右岸也不尽相同。

04 研究结论

本研究为La Villette地区(法国巴黎)的开放水域建立了一个结合模型的水质检测系统，旨在通过三维水动力仿真耦合WAQTEL模块建立模型并预测沐浴区大肠杆菌数量是否超过规定阈值。第一个模拟时期（2021年9月12日至22日）包括一场大雨。该模型能够充分模拟大肠杆菌数量随时间的演化：雨后浓度增加，5天后浓度下降。17日至21日，大肠杆菌数量超过了规定阈值，沐浴区必须关闭。但是，根据模型结果得到的关闭时间应该比实际关闭时间（9月18日）早两天（9月16日）。第二次模拟是在热浪期间进行的（2022年7月13-23日）。结合模型可以观察到大肠杆菌的分布具有横向异质性。利用上游的TLF连续检测并结合水动力模型，我们可以预测下游沐浴区水质情况，这一举措将为沐浴区关闭/开放的决定提供支持。

05 小结

三维水动力仿真耦合WAQTEL模块在水质预测方面能提供较准确的结果，且支持添加天气因素，能够实现非常实际具体的模拟。其中WAQTEL中的热交换模块可以为河道内的水温变化提供良好的支持。利用三维水动力仿真，我们可以得到同一测量点不同深度的水温。这有利于研究不同深度的水质及水温情况，例如预测不同深度河道内的微生物活性以及水柱分层及混合现象。模拟的耗时也比实验室分析短很多，因此可以快速且实时地提供水质数据。

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