清潩河流域水環(huán)境預(yù)測預(yù)警平臺的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

白云飛，謝超穎，余 璐，張培鋒

(1.許昌市環(huán)境監(jiān)控信息中心，河南 許昌 461000;2.許昌學(xué)院 國際教育學(xué)院，河南 許昌 461000;3.許昌市環(huán)境監(jiān)測中心，河南 許昌 461000)

清潩河流域水環(huán)境預(yù)測預(yù)警平臺的設(shè)計(jì)與構(gòu)建

白云飛1，謝超穎1，余 璐2，張培鋒3

(1.許昌市環(huán)境監(jiān)控信息中心，河南 許昌 461000;2.許昌學(xué)院 國際教育學(xué)院，河南 許昌 461000;3.許昌市環(huán)境監(jiān)測中心，河南 許昌 461000)

以流域水環(huán)境安全為理念，綜合運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、webGIS技術(shù)和水質(zhì)預(yù)測模型等現(xiàn)代高新技術(shù)，設(shè)計(jì)、構(gòu)建了清潩河流域水環(huán)境預(yù)測預(yù)警平臺。通過本平臺的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)清潩河流域水質(zhì)預(yù)警信息的空間展示、可視化表達(dá)、動態(tài)趨勢推演和實(shí)時(shí)發(fā)布等功能，增強(qiáng)清潩河流域水質(zhì)預(yù)測分析和預(yù)警預(yù)報(bào)的科學(xué)性、直觀性和及時(shí)性，有效保障清潩河流域水質(zhì)安全，降低水體受污染的風(fēng)險(xiǎn)。

清潩河流域；水質(zhì)模型；功能模塊；預(yù)測預(yù)警

以流域?yàn)橐?guī)劃和管理單元的水資源綜合管理概念形成于20世紀(jì)90年代。[1]中國流域管理體系中的環(huán)境監(jiān)測預(yù)警體系已經(jīng)逐步從原來的點(diǎn)源、區(qū)域監(jiān)測轉(zhuǎn)變到流域監(jiān)測管理層面。[2]以智能化的管理手段來提升流域監(jiān)測預(yù)警體系中的監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取、評估、預(yù)警和應(yīng)急等功能是現(xiàn)代流域管理的發(fā)展趨勢。[3]國內(nèi)學(xué)者已在多流域水污染預(yù)警及水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等方面進(jìn)行了一系列的研究，如黃河(蒙古段)流域、遼河流域、太湖流域、漢江流域、三峽庫區(qū)、滇池流域的水污染和水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)等。[4-9]

沙潁河作為淮河流域重要的一級支流，其流域面積占淮河全流域的1/7，污染負(fù)荷占淮河全流域的1/3，對淮河干流的水質(zhì)影響較大，“預(yù)治淮河，必先治沙潁河”已成為眾多專家學(xué)者的共識。清潩河為沙潁河源頭河流，其污染物入河量占河南省轄沙潁河流域的1/5。隨著流域工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，水資源需求進(jìn)一步增加，污染物排放新增壓力較大，水質(zhì)改善的形勢依然嚴(yán)峻，流域面臨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)文明建設(shè)必須協(xié)調(diào)發(fā)展的多重壓力。因此，在清潩河流域建立一套切實(shí)可行的水環(huán)境預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，以滿足流域水環(huán)境科學(xué)管理、水質(zhì)預(yù)測評價(jià)、水環(huán)境預(yù)警以及應(yīng)急處置的需求，對將流域水環(huán)境的被動管理轉(zhuǎn)化為主動管理、事后管理轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑肮芾?、常?guī)管理轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)險(xiǎn)管理具有十分重要的意義。

1 建設(shè)目標(biāo)

基于水質(zhì)傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)庫、云計(jì)算和webGIS技術(shù)，利用環(huán)境地理信息數(shù)據(jù)、水環(huán)境質(zhì)量人工和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文信息數(shù)據(jù)，結(jié)合水文模型和河流水環(huán)境質(zhì)量模擬模型，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、異常判別、趨勢分析、風(fēng)險(xiǎn)識別與評估、污染預(yù)警、應(yīng)急措施管控和動態(tài)專題圖展示等功能的清潩河水環(huán)境預(yù)測預(yù)警平臺，為清潩河流域水質(zhì)監(jiān)管和事故風(fēng)險(xiǎn)管控提供全方位、多角度的決策信息支持。

2 平臺構(gòu)架

基于流域水環(huán)境安全管理的體系性、超前性和平臺可擴(kuò)展性需求，結(jié)合流域河流特征和當(dāng)前先進(jìn)信息技術(shù)，順應(yīng)軟件設(shè)計(jì)的最新發(fā)展趨勢，運(yùn)用數(shù)據(jù)建模、對象建模和SOA(面向服務(wù))的主流技術(shù)和設(shè)計(jì)思想，提出清潩河流域水環(huán)境預(yù)測預(yù)警平臺設(shè)計(jì)的總體構(gòu)架，如圖1所示。平臺構(gòu)架按邏輯層次分為3層，分別是數(shù)據(jù)層、計(jì)算層和預(yù)警服務(wù)層。

平臺采用功能模塊化設(shè)計(jì)理念，并在主系統(tǒng)劃分中采用組合分類方法，以滿足各種業(yè)務(wù)信息、預(yù)測預(yù)警信息和應(yīng)急決策管理信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、顯示、推送、維護(hù)等應(yīng)用需求。

圖1 平臺總體架構(gòu)圖

3 預(yù)測預(yù)警模型

3.1 機(jī)理性模型方法

機(jī)理性水質(zhì)模型主要依據(jù)能量守恒和物質(zhì)質(zhì)量守恒原理，通過運(yùn)用流體力學(xué)中的運(yùn)動方程、連續(xù)方程、能量方程等建立數(shù)學(xué)模型，對污染物在水體中的擴(kuò)散趨勢和變化狀態(tài)進(jìn)行定量描述。

滾動預(yù)測預(yù)警是基于機(jī)理性模型建立的針對突發(fā)性河流水質(zhì)事故的預(yù)警方法，其核心是基于預(yù)測控制理論中的滾動優(yōu)化。滾動預(yù)測預(yù)警過程如圖2所示。

當(dāng)發(fā)生突發(fā)性水質(zhì)污染事故時(shí)，首先，數(shù)據(jù)觸發(fā)模塊會動態(tài)更新水質(zhì)數(shù)據(jù)庫的污染物數(shù)值，并調(diào)用觸發(fā)器，觸發(fā)后續(xù)模塊的運(yùn)行；第二，水文數(shù)據(jù)預(yù)測模塊預(yù)測出相關(guān)的水文數(shù)據(jù)，作為模型的輸入數(shù)據(jù)；第三，模型計(jì)算模塊運(yùn)行模型，得到污染物濃度的仿真值；第四，模型校準(zhǔn)模塊使用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)，對仿真值進(jìn)一步優(yōu)化；最后，預(yù)警評價(jià)模塊通過前面幾個(gè)模塊獲得的污染物相關(guān)信息，確定污染等級和污染的持續(xù)時(shí)間，為應(yīng)急決策提供依據(jù)。

3.2 非機(jī)理性模型方法

非機(jī)理性模型方法主要是使用統(tǒng)計(jì)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)挖掘方法建立數(shù)學(xué)模型來預(yù)測水質(zhì)污染物的變化趨勢。非機(jī)理性水質(zhì)模型的模擬對象大多是某一特定的水質(zhì)系統(tǒng)，預(yù)測過程較為簡單，因而在水質(zhì)預(yù)警領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用。

圖2 滾動預(yù)測預(yù)警示意圖

4 功能模塊

系統(tǒng)整體分為模型庫管理模塊、預(yù)警任務(wù)管理及控制模塊、應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)布局優(yōu)化模塊、可視化查詢與展示模塊和預(yù)警評價(jià)模塊。各模塊之間聯(lián)動實(shí)現(xiàn)水環(huán)境污染的預(yù)測預(yù)警，既有各自的作用又共同構(gòu)成了一個(gè)整體。平臺功能模塊組成見圖3。

圖3 平臺功能模塊組成

4.1 模型庫管理模塊

本模塊包括了模型調(diào)入與查詢、模型添加和模型刪除三個(gè)功能，可快速實(shí)現(xiàn)不同水環(huán)境預(yù)測預(yù)警需求的模型選取、模型參數(shù)查看、模型的更新添加及廢舊模型的刪除。

4.2 預(yù)警任務(wù)管理及控制模塊

該模塊設(shè)計(jì)了用戶需求響應(yīng)、新建預(yù)警任務(wù)和預(yù)警任務(wù)管理三項(xiàng)功能。

通過用戶需求響應(yīng)可以調(diào)用相應(yīng)預(yù)警模型，創(chuàng)建新預(yù)測預(yù)警任務(wù)，從而人為地針對特定的對象進(jìn)行重點(diǎn)預(yù)測預(yù)警。新建預(yù)警任務(wù)功能主要幫助用戶在創(chuàng)建新的預(yù)警任務(wù)時(shí)，對諸如開始執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行頻率、執(zhí)行函數(shù)等運(yùn)行參數(shù)及校正和限制條件進(jìn)行設(shè)置。預(yù)警任務(wù)管理主要是對預(yù)警任務(wù)運(yùn)行過程中運(yùn)行時(shí)間、占用資源等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以防止系統(tǒng)計(jì)算過程失敗或陷入“死循環(huán)”狀態(tài)，引起系統(tǒng)崩潰。

4.3 應(yīng)急監(jiān)測點(diǎn)布局優(yōu)化模塊

本模塊分監(jiān)測點(diǎn)位布局、點(diǎn)位查詢和點(diǎn)位優(yōu)化三部分內(nèi)容。通過該模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)情發(fā)生時(shí)自動布設(shè)預(yù)測點(diǎn)位，并把預(yù)測預(yù)警點(diǎn)位位置和相關(guān)結(jié)果信息展繪到二維或三維地圖上，可從全局角度了解流域或報(bào)警河段水質(zhì)的空間分布及污染走勢。隨著污染物擴(kuò)散的空間尺度和時(shí)間跨度的變化，系統(tǒng)適時(shí)對預(yù)測點(diǎn)位數(shù)量和位置進(jìn)行變動，提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.4 預(yù)測預(yù)警可視化模塊

本模塊分為預(yù)測范圍控制、預(yù)測結(jié)果可視、警情可視三個(gè)部分。用戶可通過該模塊設(shè)置水質(zhì)預(yù)測的時(shí)間跨度和空間范圍，并將經(jīng)過模型分析預(yù)測得出的水質(zhì)變化過程以曲線、表格或動態(tài)專題圖的方式可視化顯示。在系統(tǒng)監(jiān)控到水質(zhì)預(yù)測結(jié)果達(dá)到設(shè)定的預(yù)警條件時(shí)，自動將預(yù)警發(fā)生的地點(diǎn)、級別等相關(guān)信息顯示在前臺，供有關(guān)部門在最短時(shí)間內(nèi)了解流域水質(zhì)情況。

4.5 預(yù)警發(fā)布模塊

本模塊包括警情級別判定、警情預(yù)報(bào)生成和預(yù)警信息發(fā)布等內(nèi)容。其中警情級別判定主要是根據(jù)污染物濃度、擴(kuò)散速度、毒害性、流速流量等信息綜合判定警情級別，并密切監(jiān)視各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化以實(shí)時(shí)調(diào)整，直至最后解除警報(bào)，保證在整個(gè)過程中對警情做出客觀、及時(shí)的判斷。

通過警情預(yù)報(bào)生成和信息發(fā)布功能，可對到達(dá)設(shè)定級別的警情以報(bào)告形式匯總相關(guān)信息，并及時(shí)發(fā)送到相應(yīng)的職能部門和人員，使各部門能夠提前做好準(zhǔn)備，為防治水質(zhì)進(jìn)一步惡化贏得時(shí)間。

5 建設(shè)展望

清潩河流域水環(huán)境預(yù)測預(yù)警平臺的設(shè)計(jì)和構(gòu)建，綜合運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通訊、云計(jì)算和水質(zhì)預(yù)測模型等現(xiàn)代高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了流域水質(zhì)預(yù)警信息的空間展示、可視化表達(dá)、動態(tài)趨勢推演和實(shí)時(shí)發(fā)布等功能，顯著增強(qiáng)了流域水質(zhì)預(yù)測分析和預(yù)警預(yù)報(bào)的直觀性，有效降低了水體受污染的風(fēng)險(xiǎn)。但在預(yù)測模型細(xì)化研究、預(yù)測預(yù)警結(jié)果精度提高、多風(fēng)險(xiǎn)源疊加結(jié)果預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急預(yù)案制定等方面，與業(yè)務(wù)化、智能化、效能化運(yùn)用還有一定的差距；同時(shí)在本平臺的擴(kuò)展與共享方面，特別是與本地水環(huán)境綜合管理決策系統(tǒng)及智慧環(huán)保系統(tǒng)的對接和鑲?cè)敕矫嬉残枰鲞M(jìn)一步的研究，以便更好地為清潩河流域水環(huán)境的智慧化管理提供服務(wù)。

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(責(zé)任編輯 姚虹)

Design and Construction of Qingyi River Basin Water Environment Prediction and Early Warning Platform

BAI Yun-fei1,XIE Chao-ying1, YU Lu2,ZHANG Pei-feng3

(1. Xuchang Environmental Monitoring Information Center, Xuchang, Henan 461000, China;2.Department of International Education, Xuchang University, Xuchang, Henan 461000, China;3. Xuchang Environmental Monitoring Center, Xuchang, Henan 461000, China)

For the purpose of basin water environment safety, with comprehensive use of modern high technologies, such as internet, big data, cloud computing, webGIS and water quality prediction model and so on, the water environment prediction and early warning platform of Qingyi River Basin has been designed and constructed. For the early warning on this platform, we can have spatial display, visual expression, dynamic trend deduction and real time release to report water quality of Qingyi River and protect water from pollution.

Qingyi River basin; water quality model; functional module; early-warning and forecasting

2017-06-04

許昌市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(20160213147)

白云飛(1981—)，男，河南許昌人，許昌市環(huán)境監(jiān)控信息中心助理工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)控信息管理工作。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2017.04.027

X824

A

1008-3715(2017)04-0125-04