遼河流域水污染突發(fā)事件應(yīng)急處置系統(tǒng)平臺構(gòu)建

苑 鵬

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000)

目前，我國水污染突發(fā)事件出現(xiàn)頻繁，危害日益嚴(yán)重，對水污染突發(fā)事件出現(xiàn)時的應(yīng)急管理、處理關(guān)鍵技術(shù)體系和信息可視化管理平臺的研究較多，但仍存在一些不足，如缺乏水污染應(yīng)急預(yù)測模型，水力調(diào)度管控決策與實施效果評價脫離，缺少應(yīng)急預(yù)案等[1- 8]。遼河流域水污染嚴(yán)重現(xiàn)象實有發(fā)生，水資源短缺持續(xù)，沒有水污染突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案[9- 10]，因此將水污染應(yīng)急預(yù)測模型、應(yīng)急水利工程調(diào)度、綜合數(shù)據(jù)庫、信息化系統(tǒng)和應(yīng)急方案等核心技術(shù)為基礎(chǔ)與支撐，形成了適用于遼河流域的水污染突發(fā)事件應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)體系，搭建了信息化決策管理平臺，為遼河流域水污染應(yīng)急處置提供了強有力的技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體框架

根據(jù)水污染突發(fā)事件的特點，建立水質(zhì)預(yù)測的水動力水質(zhì)綜合模型，給定模型參數(shù)，以水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)庫與GIS等技術(shù)，構(gòu)建了流域水污染應(yīng)急處置系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成，即基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、水質(zhì)模型庫子系統(tǒng)和效果展示三維虛擬子系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生流域水污染突發(fā)事件，決策者根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)將發(fā)生的水污染事件錄入該系統(tǒng)，采用水質(zhì)模型庫子系統(tǒng)進(jìn)行水污染預(yù)測與模擬計算，然后將計算結(jié)果錄入到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，最后將結(jié)果通過效果展示三維虛擬子系統(tǒng)表現(xiàn)出各種信息數(shù)據(jù)。水污染應(yīng)急響應(yīng)決策支持系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 水污染應(yīng)急響應(yīng)決策支持系統(tǒng)總體框架

2 決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是水污染突發(fā)應(yīng)急處置平臺建設(shè)的基礎(chǔ)，通過地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)，構(gòu)建綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括水污染基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、流域信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水資源水質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、綜合模型、應(yīng)急處理方案等內(nèi)容，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)提取、信息維護(hù)等功能，將上述大量信息數(shù)據(jù)綜合集成組建到信息系統(tǒng)平臺，為水污染處置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐與決策。水污染突發(fā)應(yīng)急處置數(shù)據(jù)庫搭建，采用Arcgis、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立的數(shù)據(jù)庫包含流域水文信息、水資源量、水質(zhì)狀況、水利工程狀況、社會經(jīng)濟(jì)信息等內(nèi)容要素。通過綜合數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析、模擬計算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)整合處理等內(nèi)容應(yīng)用到水污染應(yīng)急預(yù)測和處置方案中，為數(shù)據(jù)的應(yīng)用、集成、管理、共享、維護(hù)及訪問提供信息化系統(tǒng)平臺，為決策系統(tǒng)平臺的運行與咨詢提供支撐。

根據(jù)遼河流域水污染風(fēng)險源、河流水系與水利工程的實際與特征，以及滿足流域水污染應(yīng)急水力調(diào)節(jié)相關(guān)技術(shù)要求，構(gòu)建了遼河流域水污染應(yīng)急水力調(diào)度的多層次多領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫，主要包括流域基本信息數(shù)據(jù)庫和應(yīng)急處置信息數(shù)據(jù)庫等兩類信息數(shù)據(jù)庫。綜合數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建過程中采用了瓦片金字塔方法，對系統(tǒng)的運行提供了效率，將空間與屬性兩個領(lǐng)域的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了有效銜接，對提高水污染應(yīng)急處置提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行更新，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、處理及查詢，對數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建進(jìn)行維護(hù)，功能主要有數(shù)據(jù)的輸入、代碼維護(hù)、安全維護(hù)、查詢與輸出、備份與恢復(fù)、維護(hù)與管理、外部接口等7項內(nèi)容。數(shù)據(jù)庫外部系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)接口在綜合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)運行完成后執(zhí)行。對于用戶，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能設(shè)計全部統(tǒng)一。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能邏輯結(jié)構(gòu)

2.2 模型庫子系統(tǒng)

結(jié)合水污染預(yù)測模型和水力調(diào)節(jié)模型的特征，系統(tǒng)對模型開展分類與管理，構(gòu)建成模型數(shù)據(jù)庫，與系統(tǒng)進(jìn)行融合，通過系統(tǒng)將模型的計算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析過程以可視化的形式展現(xiàn)出來，從而構(gòu)建了模型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的模型管理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要功能就是對模型庫中模型進(jìn)行組織、存儲及運行。用戶可以隨著調(diào)用模型管理信息系統(tǒng)中已有數(shù)據(jù)庫模型，同時可以將新的模型導(dǎo)入到模型數(shù)據(jù)庫中，不影響對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中模型進(jìn)行維護(hù)。模型數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存在著相似的地方，但是也不完全的一樣，模型數(shù)據(jù)庫儲存著不同的計算模型和模型相關(guān)參數(shù)，包括模型的名稱表、參數(shù)表等。

結(jié)合流域內(nèi)河流的特點，采用非恒定流水動力模型對河流的水流運動進(jìn)行模擬，通過構(gòu)建水質(zhì)模型，模擬污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，分析其變化規(guī)律。構(gòu)建水動力和水質(zhì)模型，模擬流域水動力和水質(zhì)的時空變化過程，分析其變化規(guī)律，為水污染的預(yù)測和水力調(diào)度決策提供技術(shù)支撐。如圖3所示。

圖3 模型厙管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.3 基于KML技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)

以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)構(gòu)建的流域數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)主要由三維空間數(shù)據(jù)構(gòu)成，該系統(tǒng)采用基于KML的標(biāo)記語言技術(shù)，從而實現(xiàn)對三維空間與屬性的數(shù)據(jù)管理，并為決策支持管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的集成提供數(shù)據(jù)模塊。

利用混合數(shù)據(jù)存儲方式，也就是以文件形式將空間數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，屬性數(shù)據(jù)由關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理?？臻g數(shù)據(jù)文件與屬性數(shù)據(jù)庫通過關(guān)鍵字段關(guān)聯(lián)，對屬性數(shù)據(jù)管理具有操作簡單，對空間數(shù)據(jù)具有描述準(zhǔn)確、維護(hù)方便等優(yōu)勢。根據(jù)空間數(shù)據(jù)的獨特屬性，將空間數(shù)據(jù)分為地形圖像數(shù)據(jù)、KML/KMZ層數(shù)據(jù)、三維模型、矢量層、WMS服務(wù)、粒子系統(tǒng)等。空間層次的劃分主要是基于空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)數(shù)量、顯示、查詢、模擬分析等方面，從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和維護(hù)管理。例如，為了滿足地形圖像數(shù)據(jù)快速瀏覽和簡單維護(hù)的要求，采用瓦片金字塔技術(shù)建立空間數(shù)據(jù)金字塔數(shù)據(jù)庫，從而確保地形圖像數(shù)據(jù)的瀏覽速度；對于矢量數(shù)據(jù)，需要查詢定位、設(shè)置樣式、設(shè)置比例、集成和共享屬性數(shù)據(jù)，因此矢量數(shù)據(jù)以國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)KMZ/KML形式存儲。如圖4所示。

圖4 基于KML技術(shù)的空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)構(gòu)架

2.4 三維虛擬現(xiàn)實子系統(tǒng)

由于水污染預(yù)測模型模擬污水量演變過程中表現(xiàn)出來的是數(shù)值或者符號，因此有必要借助可視化形式表達(dá)直觀地再現(xiàn)模型計算結(jié)果，從而才能對各種方案進(jìn)行更好的分析與比較。因此，水污染應(yīng)急處置三維虛擬系統(tǒng)是水污染應(yīng)急處置系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過水污染預(yù)測、應(yīng)急處置方案等內(nèi)容，對研究的流域區(qū)域開展三維效果模擬、河道水污染演進(jìn)過程與計算結(jié)果展示、各種應(yīng)急處置方案結(jié)果模擬展示等。

基于GIS的三維模擬系統(tǒng)是通過與決策者的交互協(xié)商，查詢流域重要信息，并提供輔助水污染應(yīng)急處置決策的系統(tǒng)。系統(tǒng)利用投影方法、視頻與音頻處理、信息可視化等技術(shù)，構(gòu)建高質(zhì)量的視聽虛擬咨詢決策環(huán)境；以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、水污染預(yù)測模型為基礎(chǔ)的計算結(jié)果信息，通過結(jié)合高科技綜合開發(fā)，形成具有較強的實用性和咨詢決策的綜合信息化系統(tǒng)。為用戶或者決策者能夠通過系統(tǒng)平臺提供三維虛擬可視化信息和空間模擬環(huán)境信息。通過三維模擬系統(tǒng)能夠清楚的將水污染突發(fā)事件的各種信息直觀展現(xiàn)出來，采用決策者商榷方式，對水污染應(yīng)急處置、關(guān)鍵問題、方案優(yōu)選等信息內(nèi)容進(jìn)行咨詢決策。如圖5所示。

圖5 三維虛擬現(xiàn)實子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 決策支持系統(tǒng)平臺實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)平臺

在數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、模型庫子系統(tǒng)和三維虛擬現(xiàn)實子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對3個子系統(tǒng)進(jìn)行綜合集成，開發(fā)了水污染突發(fā)事件應(yīng)急處置決策支持信息化系統(tǒng)，該系統(tǒng)對水污染突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)測預(yù)警與水力合理調(diào)度提供技術(shù)支撐。

基于GIS的水污染監(jiān)測和應(yīng)急處置模擬、研究區(qū)三維漫游、河流水量和水質(zhì)三維空間信息、水質(zhì)計算結(jié)果與模擬結(jié)果的信息查詢，污染源信息顯示和查詢等內(nèi)容。該系統(tǒng)通過三維虛擬系統(tǒng)，將運行結(jié)果數(shù)據(jù)和環(huán)境及時與決策者進(jìn)行交互，能夠展現(xiàn)流域、水利工程、污染演進(jìn)、水力調(diào)度等信息的模擬結(jié)果，并通過系統(tǒng)平臺展現(xiàn)，能夠使用戶或者決策者有直觀的體驗，為水污染應(yīng)急處置提供三維環(huán)境，更好地開展水污染預(yù)測預(yù)報和應(yīng)急處置。如圖6所示。

圖6 水污染突發(fā)事件應(yīng)急處置決策支持系統(tǒng)平臺

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.2.1水文、水質(zhì)、污染源與排污口監(jiān)測信息

實現(xiàn)水文、水質(zhì)、污染源、排污口監(jiān)測信息的查詢。查詢功能可實現(xiàn)兩種查詢：一種是通過菜單進(jìn)行查詢，也就是通過系統(tǒng)中“業(yè)務(wù)信息查詢”菜單欄中“水文信息查詢”、“水質(zhì)信息查詢”、“污染源信息查詢”、“排污口信息查詢”來實現(xiàn)；另一種是通過圖形來查詢，也就是在三維流域系統(tǒng)界面，選擇水文站、水質(zhì)站、排污口、污染源以此來查詢流量、水質(zhì)、排污口、污染源狀況，實現(xiàn)圖形或曲線來查詢。以太子河遼陽市湯河溫泉排污口為例，點擊菜單或排污口元素，彈出排污口屬性數(shù)據(jù)信息，主要包括排污口名稱、排放方式、排放流向、排放水質(zhì)濃度及排污口現(xiàn)場照片等信息。如圖7所示。

圖7 水文水質(zhì)、污染源及排污口信息

3.2.2方案結(jié)果的可視化顯示

通過系統(tǒng)平臺，對遼河流域水污染預(yù)測預(yù)報和水力應(yīng)急調(diào)度模型的計算結(jié)果將保存到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中。通過系統(tǒng)平臺中方案顯示模塊提供各種水污染應(yīng)急處置方案，對各種方案設(shè)定參數(shù)，可以對具體分配方案的論證結(jié)果進(jìn)行可視化分析，提高水污染應(yīng)急處置決策的效率和可視化效果。遼河流域水污染應(yīng)急處置設(shè)計場景可視化展示，如圖8所示。

圖8 方案成果的可視化展示

4 結(jié)語

本文研發(fā)的水污染突發(fā)事件應(yīng)急處置決策支持系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了對流域水環(huán)境信息管理、風(fēng)險源的空間信息管理、突發(fā)污染事件模型演算、污染預(yù)報、應(yīng)急水力調(diào)度效果計算等多種功能。系統(tǒng)內(nèi)集成了多個水污染突發(fā)模擬事件，在柴河水庫安裝并進(jìn)行了情景模擬，同時在遼河流域臺安、新民、鐵嶺、盤山等省內(nèi)多家水利部門進(jìn)行了安裝和情景模擬，系統(tǒng)平臺成果在遼河流域的廣泛應(yīng)用效果顯著。