基于云計(jì)算的整體水源安全機(jī)制

龔代華

摘要：水流產(chǎn)生了物流、信息流和資金流，它們將流域的各水務(wù)公司緊密聯(lián)系在一起，可以在此基礎(chǔ)上組建水供應(yīng)鏈。以水供應(yīng)鏈為基礎(chǔ)，從最下游開始設(shè)置水源質(zhì)量目標(biāo)，然后倒推上游水源質(zhì)量目標(biāo)，由此形成了覆蓋整個(gè)水源流域的目標(biāo)體系。應(yīng)用供應(yīng)鏈協(xié)同管理方法研究水供應(yīng)鏈信息管理和風(fēng)險(xiǎn)管理。在此基礎(chǔ)上建立基于GIS的水資源管理信息系統(tǒng)和基于云計(jì)算的水源安全預(yù)警系統(tǒng)。

Abstract： Water flow that forms logistics flow， information flow and cash flow closely linked each water company. The supply chain can be formed on this basis. Supply chain is applied to set water quality objectives from the most downstream and then push down the upstream water quality objectives， thus forming a target system to cover the entire water basin. Application of supply chain collaborative management methods to establish： the water supply chain information management and risk management. GIS-based water resources management information system and water security warning system based on cloud computing will be established.

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；GIS；安全；供應(yīng)鏈

Key words： cloud computing；GIS；security；supply chain

中圖分類號：[TU991.15] 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0102-02

1 嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)

水是生命之源。水源安全關(guān)系到經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的和諧和國家的穩(wěn)定。盡管有各級政府的高度重視，但我國正面臨越來越嚴(yán)重的水源污染問題。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2016年頒布的《中國水資源公報(bào)》[1]，Ⅰ～Ⅲ類水河長占76.9%，劣V類水河長占9.8%。2016年，對118個(gè)湖泊共3.1萬km2水面進(jìn)行了水質(zhì)評價(jià)。全年總體水質(zhì)為Ⅰ～Ⅲ類的湖泊有28個(gè)，Ⅳ～Ⅴ類湖泊69個(gè)，劣Ⅴ類湖泊21個(gè)，分別占評價(jià)湖泊總數(shù)的23.7%、58.5%和17.8%。

國家環(huán)?？偩值恼{(diào)查顯示，2005年以來，我國平均每兩三天便發(fā)生一起與水有關(guān)的污染事故。其中，工廠爆炸引起的大量有害物質(zhì)泄漏，山洪地震引發(fā)的企業(yè)污水池工業(yè)廢水泄漏，有害物質(zhì)運(yùn)輸途中泄漏和企業(yè)偷排污水等對水源安全的危害特別大。

2 整體水源安全的概念

水是流動的，這意味著污染物會隨水流而擴(kuò)散。根據(jù)水的自然屬性，必須以整個(gè)流域?yàn)楸Ｗo(hù)對象，以提高整體水質(zhì)為目標(biāo)。這就是整體水源安全的概念。英國的泰晤士水務(wù)公司負(fù)責(zé)整個(gè)泰晤士河流域的水資源利用與保護(hù)，便于建立整體水源安全機(jī)制[2]。

在水源安全日益嚴(yán)峻的形勢下，必須從局部的、事后的、被動的和遲緩的水源安全保障轉(zhuǎn)變到整體的、事前的、主動的和敏捷的水源安全保障，建立整體水源安全機(jī)制已迫在眉睫。由于江河往往流經(jīng)多個(gè)行政區(qū)域，流域內(nèi)企業(yè)數(shù)量眾多，污染物分布復(fù)雜，建立整體水源安全機(jī)制是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，有大量的問題需要探索。

第一項(xiàng)重要工作就是要將整體水質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行分解，科學(xué)合理地確定上下游各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的水質(zhì)目標(biāo)。根據(jù)水源流域的實(shí)際情況，確定關(guān)鍵污染物。按季節(jié)統(tǒng)計(jì)各節(jié)點(diǎn)企業(yè)的關(guān)鍵污染物數(shù)量，研究各關(guān)鍵污染物從上游到下游的變化規(guī)律，不同季節(jié)的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，研究水源質(zhì)量變化規(guī)律。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《國家生態(tài)保護(hù)紅線技術(shù)指南》確定最下游節(jié)點(diǎn)企業(yè)的水源質(zhì)量目標(biāo)。從最下游節(jié)點(diǎn)企業(yè)開始，根據(jù)水源質(zhì)量變化規(guī)律，層層倒推出上游節(jié)點(diǎn)企業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。由此形成覆蓋整個(gè)水源流域的質(zhì)量目標(biāo)體系。這些質(zhì)量目標(biāo)一環(huán)扣一環(huán)，只有所有節(jié)點(diǎn)企業(yè)都完成目標(biāo)，才能確保供應(yīng)鏈整體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

3 水供應(yīng)鏈的設(shè)計(jì)

有效的水資源信息管理是建立整體水源安全機(jī)制的基礎(chǔ)。供應(yīng)鏈管理可以實(shí)現(xiàn)信息流、物流和資金流的統(tǒng)一?？梢越梃b供應(yīng)鏈管理的理論和方法對水資源信息進(jìn)行有效管理。水是聯(lián)系流域各水務(wù)公司的紐帶。水是流動的，這就產(chǎn)生了物流。水中包含了大量信息，如水質(zhì)、污染物種類、濃度、分布等。這就產(chǎn)生了信息流。水是寶貴的資源，能為水務(wù)公司創(chuàng)造價(jià)值，這就產(chǎn)生了資金流。水流產(chǎn)生了物流、信息流和資金流，它們將流域的各水務(wù)公司緊密聯(lián)系在一起，以水源流域的所有水務(wù)公司為核心企業(yè)組成供應(yīng)鏈可以對物流、信息流和資金流進(jìn)行有效管理，將此供應(yīng)鏈直觀地稱為水供應(yīng)鏈。王光謙（2010）認(rèn)為未來10年將要迎來水聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[3]。

自來水將水源流域的所有企業(yè)、居民與水供應(yīng)鏈聯(lián)系在一起，由此可獲得居民用水量、企業(yè)民用水量、企業(yè)排放的污水成分等信息。因此，可以將水源供應(yīng)鏈擴(kuò)展到水源流域的所有居民和企業(yè)。從而將水源源頭和污染物源頭都納入供應(yīng)鏈中。以供應(yīng)鏈為基礎(chǔ)，集成水質(zhì)監(jiān)測信息，建立全程實(shí)時(shí)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，建立基于GIS的水源信息系統(tǒng)。在充分掌握信息的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立污染物控制機(jī)制，有效控制污染物總量。建立供應(yīng)商協(xié)同管理方法，激勵企業(yè)強(qiáng)化隔離設(shè)施，有針對性建立預(yù)案，從源頭上預(yù)防非常規(guī)突發(fā)性水源危機(jī)的發(fā)生。建立水源危機(jī)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)，分布式?jīng)Q策系統(tǒng)和水源危機(jī)快速響應(yīng)系統(tǒng)，減少非常規(guī)突發(fā)性水源危機(jī)的危害，有效保護(hù)水源。

水供應(yīng)鏈?zhǔn)且粋€(gè)非常特殊的供應(yīng)鏈，其主要特征有：

①供應(yīng)商數(shù)量巨大。

水供應(yīng)鏈除了自來水供應(yīng)商——水務(wù)企業(yè)之外，還有3類污染物供應(yīng)商，即流域的企業(yè)、居民和農(nóng)民，分別稱為企業(yè)供應(yīng)商、居民供應(yīng)商和農(nóng)民供應(yīng)商。這三類供應(yīng)商數(shù)量巨大。長江流域總?cè)丝诔^4億人，僅化工企業(yè)就超過40萬家。

②信息收集難。

污染物供應(yīng)商強(qiáng)行供應(yīng)一種不受歡迎的原材料——污染物；同時(shí)，極力阻礙信息流的形成，避免與核心企業(yè)進(jìn)行信息交流，使物流與信息流脫節(jié)。每個(gè)企業(yè)排放的污染物種類、總量、濃度千差萬別。因此，很難全面、正確和完整地收集整個(gè)流域的污染物信息。

③地理跨度大。

河流短則幾百公里，長則幾千公里，流經(jīng)多個(gè)市，乃至幾個(gè)省。如長江全長6211.31公里。

水供應(yīng)鏈的特征對管理模式選擇有重要影響，如何有效管理這個(gè)特殊供應(yīng)鏈對現(xiàn)有的供應(yīng)鏈管理理論和方法提出了挑戰(zhàn)。

4 基于GIS的水資源信息管理系統(tǒng)

這是建立整體水源安全機(jī)制的重要基礎(chǔ)。重點(diǎn)研究追蹤污染物的流程，實(shí)現(xiàn)物流與信息流的統(tǒng)一。

居民污水成分大致相同，而且集中由水供應(yīng)鏈的核心企業(yè)處理，收集居民排放的污染物信息比較容易。

流域企業(yè)通過自來水與水供應(yīng)鏈進(jìn)行聯(lián)接，也以水為載體把污染物排放到江河中。通過研究污染物計(jì)算模型，把企業(yè)的基本參數(shù)和用水量輸入模型就可以計(jì)算企業(yè)排放污染物的種類和數(shù)量，建立企業(yè)的污染物庫存，為有效控制企業(yè)排污打下基礎(chǔ)。企業(yè)逃脫控制的手段只有從水供應(yīng)鏈之外取水，我們稱之為外部性用水（如偷采地下水等），必須研究識別企業(yè)外部性用水的方法。研究企業(yè)用電量和用水量之間的關(guān)系，由企業(yè)用電量推算企業(yè)的合理用水量，用合理用水量來監(jiān)測企業(yè)外部性用水的情況。采用以上方法可以收集比較完整的企業(yè)污染物信息。

根據(jù)水源流域的水文情況，研究污染物擴(kuò)散模型，建立動態(tài)污染物庫存管理和動態(tài)水源安全級別管理方法。以動態(tài)信息管理為目標(biāo)，集成所有水務(wù)公司的信息。在此基礎(chǔ)上，可以建立基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的飲水安全決策系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測企業(yè)污染物庫存，動態(tài)監(jiān)測全流域水源安全級別的變化情況，及時(shí)發(fā)布水源危機(jī)預(yù)警，選擇和啟動應(yīng)急預(yù)案。該信息系統(tǒng)可以大大提高決策效率，全面保護(hù)水源。

5 基于云計(jì)算的水源危機(jī)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)

水源危機(jī)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)需要以下列工作為基礎(chǔ)。

5.1 污染物擴(kuò)散模型

根據(jù)水源流域的水文情況，研究污染物擴(kuò)散模型，用以計(jì)算污染物擴(kuò)散的速度、范圍以及污染物濃度變化。

5.2 污染物庫存動態(tài)管理模型

選擇水源流域若干重要斷面（如市界、省界）進(jìn)行污染物庫存監(jiān)測。監(jiān)測各斷面污染物總量、污染物濃度，特別是及時(shí)發(fā)現(xiàn)新污染物的出現(xiàn)。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)建立污染物庫存動態(tài)管理模型，利用該模型計(jì)算從上游到下游污染物總量、污染物濃度的變化情況和變化速度。

5.3 水源安全級別動態(tài)管理模型

利用該模型可以實(shí)時(shí)計(jì)算指定區(qū)域的水源安全級別，指定時(shí)間段水源安全級別的變化。并預(yù)測未來指定時(shí)間的水源安全級別，并給出置信度。

由于污染物庫存動態(tài)管理模型和水源安全級別動態(tài)管理模型極其復(fù)雜，需要大型計(jì)算機(jī)才能完成計(jì)算任務(wù)。根據(jù)水源流域的特點(diǎn)，宜采用分散監(jiān)測和集成處理的原則。以大型計(jì)算機(jī)群為核心，建立水源安全云計(jì)算平臺。以云計(jì)算平臺為依托，以污染物擴(kuò)散模型、污染物庫存動態(tài)管理模型和水源安全級別動態(tài)管理模型為基礎(chǔ)，建立基于云計(jì)算的水源危機(jī)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動態(tài)和全程監(jiān)測流域水源安全級別的變化情況。預(yù)測危機(jī)形成時(shí)間、危機(jī)發(fā)生的節(jié)點(diǎn)和界面、危機(jī)的強(qiáng)度、危害性、影響范圍等。

根據(jù)水源流域具體情況，確定預(yù)警級別和計(jì)算相應(yīng)的臨界值。如果預(yù)測水源安全級別將在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到某臨界值，可發(fā)布對應(yīng)級別的水源危機(jī)預(yù)警。

一旦上游發(fā)生水源危機(jī)，該系統(tǒng)可以計(jì)算危機(jī)擴(kuò)散速度、擴(kuò)散范圍、強(qiáng)度變化等，給下游發(fā)布水源危機(jī)預(yù)警，并用可視化的方式顯示，便于指揮部決策和指揮。

我國的水源生態(tài)危機(jī)是一個(gè)系統(tǒng)問題，只有采取系統(tǒng)的措施才能有效應(yīng)對。整體水源安全機(jī)制堵住了大量危機(jī)的源頭，可以大幅度減少常規(guī)水源危機(jī)?；谠朴?jì)算的水源危機(jī)預(yù)警系統(tǒng)可以有效應(yīng)對爆發(fā)性的水源危機(jī)，從而大幅度提高水源安全級別。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國水利部.2016年中國水資源公報(bào).

[2]鄧涌涌，江瑩.英國水管理狀況與啟示[J].人民長江，2006，37（8）.

[3]王光謙.未來10年將要迎來水聯(lián)網(wǎng)時(shí)代.價(jià)值中國網(wǎng)，2011.