跨界突發(fā)性大氣污染防范及應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 書 明， 張 樹 深＊， 鄭 洪 波， 匡 文 慧

(1.大連理工大學(xué) 化工與環(huán)境生命學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

近年來，我國工業(yè)發(fā)展飛速，由此造成的環(huán)境問題越來越尖銳，極端環(huán)境事件頻繁發(fā)生.2005年11月13日，中石油吉林石化分公司雙苯廠硝基苯精餾塔發(fā)生爆炸，上百噸硝基苯等有毒化學(xué)物質(zhì)隨消防用水排入松花江，并隨江水跨界進(jìn)入鄰國俄羅斯境內(nèi)，造成了惡劣的國際影響[1].

松花江水污染事件暴露出我國在跨界突發(fā)性重大污染事件防范應(yīng)急工作中的不足.從國內(nèi)研究現(xiàn)狀來看，科研領(lǐng)域關(guān)于跨界突發(fā)性污染事件的研究尚處于空白.基于此，國家于2008年啟動(dòng)“八六三”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃重大攻關(guān)課題“跨界重大環(huán)境污染事件風(fēng)險(xiǎn)防范與應(yīng)急技術(shù)系統(tǒng)”.本文針對(duì)跨界突發(fā)性大氣污染這一典型事件的實(shí)際需求，基于國家突發(fā)事件法規(guī)準(zhǔn)則及突發(fā)事故監(jiān)測(cè)、模擬、處理處置方面取得的進(jìn)展[2－8]，采用.NET、ArcGIS Engine、Oracle、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，對(duì)跨界突發(fā)性大氣污染事件的防范與應(yīng)急系統(tǒng)進(jìn)行研究，開發(fā)集風(fēng)險(xiǎn)管理和應(yīng)急處置于一體的跨界突發(fā)性大氣污染防范與應(yīng)急系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)與設(shè)計(jì)原則

結(jié)合跨界事件的特點(diǎn)和用戶的實(shí)際需求，本系統(tǒng)目標(biāo)是構(gòu)建具有跨界風(fēng)險(xiǎn)源管理、大氣事故模擬、跨級(jí)預(yù)警報(bào)警和應(yīng)急決策能力的平臺(tái)，旨在輔助政府及企業(yè)應(yīng)急部門貫徹平戰(zhàn)結(jié)合原則，最大限度地保障人民生命安全和環(huán)境安全.

系統(tǒng)具體目標(biāo)如下:(1)“平時(shí)”，系統(tǒng)提供化工石化企業(yè)信息和跨界風(fēng)險(xiǎn)源信息管理功能，提供模擬風(fēng)險(xiǎn)源不同情景事故后果的評(píng)估功能，提供針對(duì)可能的事故情景的預(yù)案管理和專家信息管理功能.(2)“戰(zhàn)時(shí)”，系統(tǒng)提供多用戶跨界報(bào)警渠道、事故源查詢和事故模擬功能，提供專家調(diào)用和應(yīng)急預(yù)案調(diào)用功能，提供針對(duì)事故源的應(yīng)急防護(hù)、應(yīng)急處置方法等輔助決策功能.

本系統(tǒng)是一項(xiàng)應(yīng)用目標(biāo)明確、工程性強(qiáng)的系統(tǒng)開發(fā)工程，在設(shè)計(jì)過程中始終遵循如下原則:(1)實(shí)用性原則.系統(tǒng)功能和界面設(shè)計(jì)以用戶的可操作性及現(xiàn)實(shí)需求為第一考慮要素.(2)可靠性原則.系統(tǒng)要確保運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性及數(shù)據(jù)的安全性、系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)和資料的準(zhǔn)確性和完整性.(3)標(biāo)準(zhǔn)化原則.系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合開發(fā)環(huán)境的基本要求和標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)、編碼、符號(hào)應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范.(4)可拓展性原則.系統(tǒng)模塊不但滿足當(dāng)前需要，并可通過模塊的擴(kuò)充或升級(jí)滿足可預(yù)見將來需求，以保證系統(tǒng)的先進(jìn)性.

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 針對(duì)總體目標(biāo)，系統(tǒng)共設(shè)計(jì)6個(gè)模塊:基礎(chǔ)空間信息模塊、跨界環(huán)境專題信息模塊、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源申報(bào)模塊、跨界污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與制圖模塊、跨界污染監(jiān)控與預(yù)警模塊、污染應(yīng)急與指揮模塊.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

1.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 跨界突發(fā)性大氣污染防范與應(yīng)急決策系統(tǒng)涉及4類用戶:化工石化企業(yè)、界內(nèi)應(yīng)急中心、界外應(yīng)急中心和政府應(yīng)急中心.整個(gè)系統(tǒng)采用C／S結(jié)構(gòu)，各用戶通過應(yīng)急內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行用戶間信息交互.系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Network topological graph of system

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)示范區(qū)

系統(tǒng)選擇大連市為示范區(qū)，以大孤山半島企業(yè)作為企業(yè)用戶.大孤山半島位于大連市區(qū)東北部，大連灣與大窯灣之間，南臨黃海，西南部與甘井子區(qū)隔海相望.地理跨度為38°55′N～39°03′N，121°47′E～121°56′E.半島石化企業(yè)集中，涉及的化學(xué)品種類多，數(shù)量和規(guī)模大，安全隱患和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)突出.半島西北側(cè)為大連經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，人口密集.本研究通過構(gòu)建大連市應(yīng)急中心—開發(fā)區(qū)應(yīng)急中心—半島園區(qū)應(yīng)急中心—企業(yè)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)框架來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)展示.

2.2 系統(tǒng)開發(fā)工具及環(huán)境

2.2.1 ArcGIS Engine 由于系統(tǒng)涉及大量地理空間數(shù)據(jù)，研究選用國際領(lǐng)先的ArcGIS Engine平臺(tái)作為地理數(shù)據(jù)開發(fā)平臺(tái).ArcGIS Engine平臺(tái)是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)整合了地理信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及多方面的計(jì)算機(jī)主流技術(shù)，開發(fā)出的GIS開發(fā)平臺(tái).該平臺(tái)支持一系列的應(yīng)用開發(fā)接口(API)，同時(shí)提供了大量高級(jí)地理信息系統(tǒng)開發(fā)控件[9].

2.2.2 .NET 系統(tǒng)采用 VisualStudio.NET開發(fā)工具，它由微軟公司開發(fā)，主要用于桌面應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序、移動(dòng)應(yīng)用程序的開發(fā).開發(fā)語言選擇C＃，它是微軟針對(duì).NET平臺(tái)推出的編程語言，作為.NET平臺(tái)的第一語言，它幾乎集中了所有關(guān)于軟件開發(fā)和軟件工程研究的最新成果，且與 ArcGIS Engine有很好的兼容性[10].

2.2.3 軟硬件環(huán)境 系統(tǒng)硬件環(huán)境為Intel雙核微機(jī)或更高，中央處理器為2GHz或更高，內(nèi)存1GB以上或更高，顯存256MB以上，硬盤容量不小于80GB，配備以太網(wǎng)卡、高性能顯示系統(tǒng).

系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境為 Windows XP Professional(IE 6.0以上)、Oracle數(shù)據(jù)平臺(tái)、ArcSDE 9.3for Oracle、ArcGIS 9.3Desktop、Arc Engine、.Net Frame等.

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

按照數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，本研究數(shù)據(jù)可分為3類:地理空間數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫和文檔資料庫.地理空間數(shù)據(jù)庫包括遙感底圖、行政區(qū)邊界信息、研究區(qū)高程數(shù)據(jù)、企業(yè)及企業(yè)布局空間數(shù)據(jù)、人口密度分布空間數(shù)據(jù)、敏感受體空間數(shù)據(jù)、應(yīng)急疏散交通地理數(shù)據(jù)等.基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫包括企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、重大風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、化學(xué)品基本屬性數(shù)據(jù)、化學(xué)品環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、化學(xué)品毒理學(xué)數(shù)據(jù)、大氣擴(kuò)散模型參數(shù)數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警參數(shù)數(shù)據(jù)、研究區(qū)氣象數(shù)據(jù)、應(yīng)急專家數(shù)據(jù).文檔資料庫包括不同級(jí)別的應(yīng)急預(yù)案文檔、化學(xué)品應(yīng)急檢測(cè)方法技術(shù)文檔、化學(xué)品應(yīng)急處置方法技術(shù)文檔、人員應(yīng)急防范方法技術(shù)文檔等.

地理空間數(shù)據(jù)主要以ARCINFO格式在本機(jī)中存儲(chǔ)和管理.基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化設(shè)計(jì)，以表的形式在Oracle服務(wù)器中存儲(chǔ)和管理.文檔資料以富文本格式(rich text format，RTF)進(jìn)行管理和調(diào)用.地理空間數(shù)據(jù)庫和文檔資料以本機(jī)存儲(chǔ)為主，系統(tǒng)可在脫機(jī)狀態(tài)調(diào)用和瀏覽.

2.4 應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)

2.4.1 基礎(chǔ)空間信息瀏覽 該功能由系統(tǒng)的基礎(chǔ)空間信息模塊實(shí)現(xiàn).主要實(shí)現(xiàn)功能有遙感數(shù)據(jù)、行政邊界、高程圖、企業(yè)布局信息的瀏覽和添加刪除等功能.瀏覽功能包括地圖放大、縮小、固定放大、固定縮小、平移、全屏顯示等.系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)跨界事故的快速判斷，在系統(tǒng)界面設(shè)置4個(gè)比例范圍下跨界快捷切換鍵，實(shí)現(xiàn)4個(gè)尺度的地圖視圖(省界、市界、縣區(qū)界、廠區(qū)界)快速切換，以滿足跨界識(shí)別及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急的需求.

2.4.2 跨界環(huán)境專題信息瀏覽 該功能由系統(tǒng)的環(huán)境專題信息模塊實(shí)現(xiàn).主要實(shí)現(xiàn)功能有專題信息的瀏覽和檢索功能，專題信息包括企業(yè)基礎(chǔ)信息專題、敏感受體專題、氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)向、風(fēng)速、降水、云量、輻射與日照、濕度、風(fēng)向穩(wěn)定頻率等)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果集、企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)信息等.該部分內(nèi)容為管理者提供跨界事故風(fēng)險(xiǎn)集中審核平臺(tái)，同時(shí)也為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)警提供歷史氣象數(shù)據(jù)參考.

2.4.3 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源申報(bào) 該功能由系統(tǒng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源申報(bào)模塊實(shí)現(xiàn).主要實(shí)現(xiàn)功能有:企業(yè)信息管理、化學(xué)品基礎(chǔ)信息添加和風(fēng)險(xiǎn)源申報(bào)管理.企業(yè)信息管理主要實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的申報(bào)、修改、瀏覽、增刪等功能.化學(xué)品基礎(chǔ)信息主要實(shí)現(xiàn)化學(xué)品數(shù)據(jù)的添加、修改、檢索、增刪等功能.風(fēng)險(xiǎn)源申報(bào)管理實(shí)現(xiàn)企業(yè)貯存的化學(xué)品基本信息名稱、存量、存儲(chǔ)裝置、存儲(chǔ)溫度、壓力等信息的添加、刪除、檢索等功能.

2.4.4 跨界污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與制圖 該功能由系統(tǒng)跨界污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與制圖模塊實(shí)現(xiàn).主要實(shí)現(xiàn)大氣風(fēng)險(xiǎn)源的后果模擬:可計(jì)算在設(shè)定的泄漏量和氣象條件下3種閾值濃度擴(kuò)散范圍，并在遙感底圖進(jìn)行結(jié)果展示.計(jì)算出3種不同濃度范圍內(nèi)受影響人數(shù)，并基于擴(kuò)散范圍自動(dòng)辨識(shí)是否跨界、跨界類別(國界＼省界＼市界＼縣界)和可能產(chǎn)生事故的級(jí)別.評(píng)級(jí)結(jié)果能以圖譜的形式保存.

2.4.5 跨界污染監(jiān)控與預(yù)警 該功能由系統(tǒng)的跨界污染監(jiān)控與預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn).主要實(shí)現(xiàn)如下功能:可根據(jù)事故源的泄漏量和當(dāng)日氣象條件模擬事故擴(kuò)散范圍、受影響人數(shù)，預(yù)判跨界類型和總體事故級(jí)別，可將事故信息傳送到其他聯(lián)網(wǎng)用戶.警報(bào)信息發(fā)送后，接受者在系統(tǒng)屏幕前會(huì)得到報(bào)警指示燈和報(bào)警聲音的提示.此外系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了基于報(bào)警信息和風(fēng)向進(jìn)行空間搜索風(fēng)險(xiǎn)源的功能.

2.4.6 污染應(yīng)急與指揮 該功能由系統(tǒng)的污染應(yīng)急與指揮模塊實(shí)現(xiàn).具體功能如下:預(yù)案庫，可實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)急預(yù)案的添加、刪除、編輯、檢索功能；應(yīng)急檢測(cè)方法庫，可提供事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備信息參考；應(yīng)急處置庫，實(shí)現(xiàn)了事故源處置信息查詢功能，可為事故處置者提供事故源處置方法參考；專家?guī)欤瑢?shí)現(xiàn)了專家信息的管理功能，可在事故發(fā)生時(shí)，通過庫中專家信息的分類和聯(lián)系方法，第一時(shí)間通知應(yīng)急專家趕赴現(xiàn)場(chǎng).

系統(tǒng)示意圖見圖3.

圖3 系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic for the system

3 結(jié) 論

本文成功利用ArcGIS Engine和.NET框架等技術(shù)開發(fā)了突發(fā)性大氣污染防范與應(yīng)急系統(tǒng).系統(tǒng)開發(fā)了6大功能模塊，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，填補(bǔ)了我國在跨界事故研究中的空白，對(duì)完善環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理體系，增加事故應(yīng)急處置能力具有一定的指導(dǎo)和實(shí)踐意義.

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