清溟河流域水資源綜合管理和決策系統(tǒng)

謝超穎 王曉蕾 郭恒亮 田智慧 李強(qiáng) 吳豪杰

摘 要：為了高效管理水資源監(jiān)測的各類數(shù)據(jù)和信息，便于用戶針對水污染突發(fā)事件作出快速響應(yīng)，以GIS為基礎(chǔ)平臺，根據(jù)清溟河流域特定自然資源和生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開發(fā)了水資源綜合管理和決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)將在線網(wǎng)格劃分技術(shù)融入水質(zhì)污染擴(kuò)散的分析和模擬，實(shí)現(xiàn)了河流網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格點(diǎn)與地圖的在線聯(lián)動，提高了水質(zhì)污染分析的時(shí)效性；系統(tǒng)支持多源水文信息監(jiān)測，擴(kuò)展了流域水質(zhì)綜合管理的數(shù)據(jù)類型；解決了水污染事件、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)模型和決策者在決策過程中定位不明確的問題，實(shí)現(xiàn)了水污染事件的決策支持，提高了水污染突發(fā)應(yīng)急事件響應(yīng)的自動化程度和效率。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境：水污染：決策系統(tǒng)：清溟河流域

中圖分類號：X824

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.019

水資源短缺和水污染問題是目前困擾各國的難題，水環(huán)境管理和決策是21世紀(jì)全球水資源高效管理的“軟方法”之一[l]，因此流域綜合管理和決策對于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[2]。隨著對水資源管理的日益深入，流域管理模式和決策手段不斷更新3-4'。綜合管理和決策系統(tǒng)作為及時(shí)高效監(jiān)測、綜合處理分析和可視化平臺在保障水資源管理效率方面發(fā)揮著重要作用[5]。

近年來，國外研究機(jī)構(gòu)研究了適合各流域環(huán)境的決策系統(tǒng)，如易北河決策系統(tǒng)[6]和恒河決策支持系統(tǒng)[7]。我國學(xué)者建立的管理決策支持系統(tǒng)在流域管理中逐步發(fā)揮了重要作用，如三門峽以下非汛期水量調(diào)度決策支持系統(tǒng)[8]和海河流域多目標(biāo)綜合管理決策支持系統(tǒng)[9]。雖然現(xiàn)有的流域管理和決策系統(tǒng)可以幫助決策者進(jìn)行水資源管理、生態(tài)保護(hù)、污染治理和防治，但仍存在一些局限性：系統(tǒng)中單一數(shù)據(jù)源的水環(huán)境監(jiān)測和管理不能滿足多源水資源信息綜合監(jiān)測和共享的需求：多數(shù)決策系統(tǒng)對于描述水污染事件、水資源和決策服務(wù)關(guān)系的流程不清晰，針對突發(fā)水污染事件難以作出快速響應(yīng)：多數(shù)流域管理系統(tǒng)為桌面版，難以保證流域水環(huán)境管理的時(shí)效性和數(shù)據(jù)共享。筆者針對上述問題，以清溟河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域開展了相關(guān)研究。清溟河屬淮河流域沙潁河水系，是沙潁河重要的支流之一，發(fā)源于新鄭市溝草園，于鄢陵縣陶城閘下匯人潁河，全長149 km，流域面積2 362 km2。清溟河天然徑流匱乏，人工干擾嚴(yán)重，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化帶來的污染排放與集約化農(nóng)業(yè)面源污染疊加，具有典型混合型污染河流的特征。清溟河主要擔(dān)負(fù)沿河區(qū)域防洪、排澇、納污及許昌市城區(qū)景觀水體的重要功能，水環(huán)境質(zhì)量整體提升和環(huán)境功能恢復(fù)意義重大。筆者設(shè)計(jì)了清溟河綜合管理和決策系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，研究了水污染擴(kuò)散模擬和決策流程，并建立了清溟河流域數(shù)據(jù)管理、信息分析與可視化的綜合管理和決策系統(tǒng)，旨在為清溟河流域的管理和服務(wù)等提供輔助決策依據(jù)。

1 清溟河流域綜合管理和決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

以GIS為基礎(chǔ)平臺，根據(jù)清溟河流域特定自然資源和生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開發(fā)了水資源綜合管理和決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為主線，從底層到頂層分別為數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互模塊和系統(tǒng)用戶，見圖1。

數(shù)據(jù)庫包括流域文本、表格、地圖和圖片等數(shù)據(jù)文件：系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)管理、分析和決策以及輸出處理結(jié)果，其核心功能為流域水文信息檢索查詢、污染擴(kuò)散分析與模擬、流域水污染專題制圖和流域水污染應(yīng)急決策支持：人機(jī)交互模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的輸入與輸出，并且通過可視化等模塊實(shí)現(xiàn)綜合管理和決策系統(tǒng)對決策者的圖形展示。本文重點(diǎn)介紹水污染擴(kuò)散模擬和流域水污染應(yīng)急決策的原理和流程。

1.2 水污染擴(kuò)散模擬

（1）河流網(wǎng)格劃分。為了描述河流橫向上的濃度變化，基于一維河段進(jìn)行了二維河網(wǎng)劃分，即在一維網(wǎng)格劃分后再進(jìn)行河流斷面等距劃分。為了保證網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)確性，減小客戶端的計(jì)算壓力，系統(tǒng)開發(fā)了在線網(wǎng)格劃分功能，將河流網(wǎng)格劃分的計(jì)算放到服務(wù)器端，客戶端只進(jìn)行參數(shù)的輸人和結(jié)果顯示。由此，系統(tǒng)既可以表示河流網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格點(diǎn)與地圖的聯(lián)動關(guān)系，又可以在河流復(fù)雜程度不一的情況下為用戶提供更加便捷高效的在線河流網(wǎng)格劃分服務(wù)。

（2）計(jì)算河段網(wǎng)格點(diǎn)污染物濃度值。網(wǎng)格劃分后，首先求出沿河流方向節(jié)點(diǎn)至污染源的距離（X）和河寬方向節(jié)點(diǎn)至污染源的距離（Y），然后將（X，y）、污染發(fā)生時(shí)間t及水質(zhì)模型的其他參數(shù)代人二維穩(wěn)態(tài)模型，從而可以得到每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的污染物濃度。

X可以通過計(jì)算沿河流方向中心線上某點(diǎn)到污染源的距離得到。y的求解根據(jù)污染源位置（岸邊和非岸邊排放）的不同，其計(jì)算公式也不同。若設(shè)河段劃分?jǐn)?shù)為Ⅳ，斷面等分?jǐn)?shù)為M，河流寬度為L，則河段截面等分步長Y_step=L/M。岸邊排放時(shí)，y的計(jì)算公式為式中：C為河段中某種污染物的濃度，mg/L；t為時(shí)間，s；C_p為排放污水中污染物的濃度，mg/L；Q_p為排放污水流量，m3/s；C_h為河流上游污染物的濃度，mg/L； K_l為污染物的降解系數(shù)，l/d；日為平均水深，m；M，為河流橫向混合系數(shù)，m2/s；u為河流流速，m/s；B為河流平均寬度，m。

（3）污染物濃度插值及可視化。求出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的污染物濃度后，將網(wǎng)格點(diǎn)圖層作為地理處理的輸入圖層進(jìn)行污染物濃度插值，從而實(shí)現(xiàn)污染物濃度的圖形展示。系統(tǒng)濃度插值主要采用ArcGIS的反距離權(quán)重法，并按照河道范圍進(jìn)行了掩膜提取、柵格轉(zhuǎn)面和平滑處理，最后輸出污染物濃度的可視化圖像，完成水污染擴(kuò)散的模擬。

總之，系統(tǒng)的水污染擴(kuò)散模擬是在流域水環(huán)境質(zhì)量及污染監(jiān)測的基礎(chǔ)上，通過清溟河水質(zhì)模型的運(yùn)用，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與分析，并將模型計(jì)算結(jié)果以可視化形式顯示，形成基于水質(zhì)模型的污染分析服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)超標(biāo)斷面的預(yù)警預(yù)報(bào)。

1.3 系統(tǒng)決策過程

系統(tǒng)的流域水污染應(yīng)急決策過程可以通過流域水污染突發(fā)事件觸發(fā)。通過建立水污染事件中所需的水資源、水質(zhì)分析和決策者事件處置的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)決策者對流域水污染事件的應(yīng)急決策。在整個(gè)決策過程中，各個(gè)環(huán)節(jié)都與數(shù)據(jù)庫發(fā)生直接或間接交互。數(shù)據(jù)庫是整個(gè)決策過程的中心，見圖2。

系統(tǒng)決策流程：0.監(jiān)測，針對清溟河流域的監(jiān)測斷面進(jìn)行水文信息監(jiān)測，這是清溟河流域綜合管理與決策數(shù)據(jù)獲取的主要來源：1.存儲，將流域的水文信息、水質(zhì)模型和水污染事件存儲到數(shù)據(jù)庫中：2.查詢獲取數(shù)據(jù)和分析模型，污染擴(kuò)散的水質(zhì)分析和水污染專題制圖功能可以從數(shù)據(jù)庫中獲取所需的數(shù)據(jù)或模型，從而實(shí)現(xiàn)水質(zhì)分析或制圖：3.制圖或分析結(jié)果存儲，存儲上一步的處理結(jié)果，將其作為水污染應(yīng)急決策的數(shù)據(jù)來源：4.水污染事件觸發(fā)，對日常監(jiān)測時(shí)各數(shù)據(jù)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行閾值判斷，當(dāng)某個(gè)參數(shù)超過閾值時(shí)，作出響應(yīng)并觸發(fā)水污染決策功能：5.調(diào)用分析和制圖結(jié)果或者獲取相關(guān)數(shù)據(jù)及事件信息，在確定水污染事件成立后從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，進(jìn)行決策處置：6.決策服務(wù)執(zhí)行，采用相應(yīng)的水文信息資源，執(zhí)行決策流程，得到?jīng)Q策方案：7.決策結(jié)果反饋，將決策結(jié)果返饋給決策者，若方案可行則繼續(xù)進(jìn)行，否則返回上一步重新制定決策方案：8.決策結(jié)果處置，應(yīng)用決策方案解決水污染事件，降低事件造成的損失：9.決策結(jié)果與處置信息存儲，存儲決策最終處置結(jié)果到數(shù)據(jù)庫，便于優(yōu)化相關(guān)方案，提高系統(tǒng)決策的適用性。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)開發(fā)語言為C#，OraCle為后臺支撐數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，分別用于存儲清溟河水環(huán)境綜合管理的地理要素和屬性信息。系統(tǒng)基于在線網(wǎng)格劃分、水污染擴(kuò)散模擬和決策支持技術(shù)實(shí)現(xiàn)對清溟河流域水環(huán)境的全面感知。

（1）在線網(wǎng)格劃分技術(shù)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線河流網(wǎng)格的快速劃分，便于用戶針對流域水環(huán)境進(jìn)行分析和決策。目前，河流網(wǎng)格的劃分主要基于C/S（客戶端與服務(wù)器）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)難以及時(shí)快速地處理分析信息，而本系統(tǒng)采用的在線網(wǎng)格劃分技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線處理和共享，保證了水文信息的時(shí)效性。

（2）水污染擴(kuò)散模擬技術(shù)。系統(tǒng)通過ArcGISServer將濃度插值、柵格化、柵格轉(zhuǎn)面和平滑面四個(gè)地理處理服務(wù)發(fā)布成GP服務(wù)（地理數(shù)據(jù)處理服務(wù)），當(dāng)確定GP服務(wù)的輸人參數(shù)，并調(diào)用輸出結(jié)果后，可以根據(jù)時(shí)間變化輸出污染物濃度分布圖，從而實(shí)現(xiàn)污染物濃度的擴(kuò)散模擬。

（3）決策支持技術(shù)。系統(tǒng)的決策流程面向流域水環(huán)境監(jiān)測的不同階段，可以幫助用戶進(jìn)行水污染事件的快速分析與決策，為用戶提供水污染事件的應(yīng)急決策支持。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

清溟河水環(huán)境綜合管理和決策系統(tǒng)初始化后，可以顯示流域地理信息、水文信息和污染源監(jiān)測等基本情況。用戶可以在主界面上單擊監(jiān)測斷面的位置，在彈出的新窗口中瀏覽斷面的基本信息，并且可以通過單擊排污口的圖標(biāo)，在主界面上顯示該排污口歷史數(shù)據(jù)的柱狀圖和詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)屬性信息和地圖數(shù)據(jù)的聯(lián)動展示。

系統(tǒng)還可以提供水污染事件的決策支持。以清溟河流域2014年12月29日的水污染事件為例，在監(jiān)測到污染物超過設(shè)置的閾值后，系統(tǒng)開始執(zhí)行水污染應(yīng)急決策服務(wù)，見圖3。首先，按照決策服務(wù)流程進(jìn)行水污染事件判斷，判別為污染事件后，調(diào)用二維水質(zhì)模型進(jìn)行水質(zhì)污染擴(kuò)散的分析和模擬，并根據(jù)事故發(fā)生的情況設(shè)置模型參數(shù)（見圖4，污染源類型為二維穩(wěn)態(tài)岸邊污染源）：然后，系統(tǒng)模擬出下游各個(gè)時(shí)刻污染物擴(kuò)散的過程，計(jì)算得到最高濃度值和最高濃度值出現(xiàn)位置與排污口的距離，并提供不同時(shí)間、不同觀測點(diǎn)的污染物濃度：最后，系統(tǒng)將相關(guān)分析結(jié)果返回決策服務(wù)進(jìn)行決策評估，并獲得決策評估結(jié)果，給出水污染應(yīng)急決策的處置方案，最終實(shí)現(xiàn)決策結(jié)果的存儲和發(fā)布。在系統(tǒng)決策服務(wù)流程中，必須按照步驟執(zhí)行，只有完成決策服務(wù)流程中某一步的判斷后，才能進(jìn)行下一步操作，以保證決策結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)語

相較于已有研究，清溟河綜合管理和決策系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：支持多源水文信息監(jiān)測，擴(kuò)展了流域水質(zhì)綜合管理的數(shù)據(jù)類型；解決了水污染事件、水文數(shù)據(jù)、水質(zhì)模型和決策者在決策過程中定位不明確的問題，實(shí)現(xiàn)了水污染事件的決策支持，提高了水污染突發(fā)應(yīng)急事件響應(yīng)的自動化程度和效率：實(shí)現(xiàn)了水污染的在線分析和決策，為流域數(shù)據(jù)提供了數(shù)據(jù)共享和決策平臺?？傊邃楹铀h(huán)境綜合管理和決策系統(tǒng)為流域水環(huán)境治理和應(yīng)急管理等業(yè)務(wù)提供了可靠的決策支持，提高了清溟河流域整體水環(huán)境管理的智能化水平。下一步需要研究如何在三維上動態(tài)地加載水文模型進(jìn)行決策支持，為流域水污染治理智慧化建設(shè)提供更加高效、準(zhǔn)確的水環(huán)境信息。

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