北海区陆源入海排污口数据分析评价系统的设计和实现*

温婷婷，卜志国，赵玉慧，尹维翰，曾小霖，李海涛

(1.国家海洋局北海环境监测中心，山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室 青岛 266033； 2.青岛科技大学 青岛 266061)



北海区陆源入海排污口数据分析评价系统的设计和实现*

温婷婷1，卜志国1，赵玉慧1，尹维翰1，曾小霖1，李海涛2

(1.国家海洋局北海环境监测中心，山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室 青岛 266033； 2.青岛科技大学 青岛 266061)

以ArcGIS Engine技术为核心，以.net为开发平台，采用SQL Server数据库和C/S关系的多机系统，设计研发了“北海区陆源入海排污口数据分析评价系统”。系统包括数据导入模块、评价分析模块、公式管理模块和标准管理模块。系统通过监测数据质量控制功能，实现对监测数据的质量检验、评价和处置。对评价分析部分采取开放性设置，为后续评价方法的研发提供接口。系统集成的空间分析技术，实现了一键导出评价结果的功能，极大地方便和简化了复杂繁琐的制图工作，提高了海洋环境评价工作的效率。

ArcGIS Engine技术； 排污口； 数据分析评价

近年来，在建设海洋强国的战略部署下，尤其是2014年国务院提出建设21世纪海上丝绸之路以来，海洋产业转型进一步加快，海洋经济保持着平稳的发展态势。多年来，北海区尤其是环渤海地区作为我国海洋经济发展的重要区域，海洋生产总值与长江三角洲地区和珠江三角洲地区相比始终占据优势，2014年，占到了全国海洋生产总值的37.0%[1]。随着海洋产业转型和海洋经济的飞速发展，大量的营养盐和有机碳、重金属等化学物质通过河流以及入海排污口进入海洋，造成海水水质和地质环境的污染甚至破坏，给海洋环境带来诸多难以解决和恢复的严峻问题。渤海近岸海域污染主要由陆源污染物贡献，约占入海污染物总量的75%[2]。2014年，渤海实施监测的陆源排污口中，有82%的重点排污口邻近海域环境质量不能满足周边海洋功能区环境质量要求，35%的重点排污口对其邻近海域环境质量造成较重或严重影响[3]。因此，及时、全面、深入了解陆源排污口的排污状况，邻近海域的海洋环境质量及其时空变化情况，并对其做出科学、合理的评价一直是海洋行政主管部门的管理目标和工作需求。

以往对排污口的评价工作全部依赖人工进行，评价人员需要对数百个排污口、千余个excel文件、数万个数据进行分类、整理、计算、统计，工作量之大直接制约着评价工作的时效性，且排污口数据处理过程较为复杂，对人工评价的每一个环节要求很高，稍有疏忽就会影响评价结果的准确性。这一现状导致管理部门不能及时获得所辖海区陆源入海排污状况，在一定程度上制约了海洋管理工作的开展。

GIS技术由于其优秀的基础空间数据处理功能，在海洋环境信息可视化及海洋环境监测评价工作已有诸多应用[4-6]。而排污口评价工作的两个特点，即排污口监测数据格式一致、排污口评价的计算公式相对确定，为评价分析模型化提供了便利条件。基于以上情况，为提高排污口数据评价的时效性和准确性，便于海洋行政主管部门及时准确地了解所辖海区陆源入海排污状况，设计研发了“北海区陆源入海排污口数据分析评价系统”。系统采用ArcGIS Engine技术，以.net为开发环境，采用SQL Server 2008进行数据管理，基于C/S模式的多机系统。

1 系统设计目标与模块功能

1.1 设计目标与功能

系统设计目标为增强陆源入海排污口监测数据评价工作的快速反应能力，更加系统和科学地对排污口监测数据进行存储、整合和管理，提高排污口环境监测评价产品服务的效率，增加海洋环境监测评价工作的信息化程度。

系统可对已有的陆源入海排污口及其邻近海域监测数据进行存储检索调用共享，对监测数据进行入库审核，可根据需要对评价方法进行录入编辑和保存，对数据进行时空分布分析，实现评价结果实时显示和评价产品一键生成等功能。

系统设计基于GIS的基本功能，对监测站点信息、实时评价结果等属性进行整合，在GIS的地图模式下，能够根据用户需求查看不同空间范围和时间序列内入海排污口的监测评价结果。

系统投入应用，将大大解放人力，以往需要使用多种软件、多名技术人员、花费较长时间才能完成的工作，将实现系统后台运行为主，人工介入为辅的工作模式，对于日常的业务化监测和评价实现一键导出评价报告的目标，为海洋行政主管部门随时掌握海洋环境动态变化情况提供技术支持。

1.2 系统模块设计

根据北海区陆源入海排污口监测评价工作的特点，通过对陆源入海排污口监测与评价的业务需求分析，将系统分为数据管理模块、评价分析模块、公式管理模块和标准管理模块(图1)。

图1 北海区陆源入海排污口数据分析评价系统模块结构

本系统作为“北海区海洋环境监测数据分析评价系统”的子系统进行开发。子系统中使用的基础地理信息数据、海洋功能区数据、地图操作、系统管理等功能全部依托主系统来实现。

2 系统开发环境

本系统研发采用ArcGIS Engine技术完成，以.net为开发环境，系统选用与ArcGIS Engine兼容性较好的C#作为系统研发语言。同时选择 Microsoft Visual Studio 2008作为软件开发平台，PowerDesigner 15.1作为数据库设计工具，IBM Rational Rose 2003、Microsoft Visio 2005作为系统设计工具，Microsoft Visual SourceSafe 2005作为版本控制工具，界面美化工具采用WPF和DotNetBar 8.2，使用LoadRunner 9.5进行软件测试。

通过编写代码实现DeskTop的SpatialAnalystTools中的分析工具，代替了DeskTop中复杂的操作过程。在DeskTop中，从数据制成评价图要经过一系列复杂的过程，比如插值，拆分、合并、擦除、相交、融合、渲染等，但是通过本系统的空间分析技术，就实现了一键导出评价结果的功能，极大地方便和简化了复杂繁琐的制图工作，非常具有现实意义。

3 系统模块功能设计实现

3.1 数据管理模块

数据管理模块可以对数据进行查询、搜索、同步、报告和分析等操作，实现排污口监测任务数据的存储与管理，为海洋环境专题数据库提供数据来源与分析评价数据支持。模块主要有数据导入、数据质量控制两大部分构成(图2)。

图2 模块功能结构

数据导入部分主要基于排污口监测上报的excel文件，包括排污口调查数据、排污口状况数据、邻近海域水质数据、沉积物数据、生物质量数据。导入功能能够实现这些数据的单个文件导入、多文件批量导入以及文件夹直接导入。

监测数据导入后，在正式入库之前需要通过系统的数据质量控制检验，这一过程由数据管理模块的质量控制部分实现。该部分内置阈值检验、离群数据检验、空间位置检验等功能，可对预入库的数据质量进行预警。通过分析每种要素的历史均值、检出限值，设置该要素的可能阈值，对可疑数据进行筛选。筛选后不符合条件的数据将在质量控制日志中通过高亮、文字等方式进行提示，用户可根据报告提示对数据可靠性进行人工判定和处置，处置结束后，数据入库成功。

该模块可实时检测监测数据与历史数据的差异，使监测数据的时间尺度异常、空间尺度异常或报送信息异常在数据入库之前得以及时发现和处理[7]。

3.2 评价分析模块

评价分析模块是系统的核心模块，可通过用户指定的评价条件和评价范围对所查询选取的数据进行评价操作，如某一排污口多年监测数据评价、某一行政区所有排污口年度评价、或某污染事件周边规定范围内排污口评价等，并以图片或报告的形式给出评价结果。该模块结构按照功能分为数据查询以及评价分析两部分(图3)。

图3 评价分析模块功能结构

在排污口的日常评价工作中，常要求对不同海区、省市、功能区、年度、季节等条件下的排污口监测数据进行分析评价和结果统计，由于排污口的属性信息较多，常给评价人员带来非常大的工作量。本模块的数据查询功能即针对这一需求设置。系统中的数据查询可设置一个或多个查询属性，如海区、省市、监测类别、功能区、监测时间、监测经纬度范围等进行数据选取，还可以在地图中进行矩形或不规则形状的范围选择，从不同角度满足评价工作的需求。数据选取成功后可直接进入评价分析程序，或按需导出。

评价分析部分作为本系统的核心组成，其中整合了排污口和邻近海域环境质量评价的常用方法模型，系统现已内置的方法基于《陆源入海排污口及邻近海域环境监测与评价技术规程(试行)》[7]，主要包括排污口评价部分的单因子评价、等标污染负荷评价、超标率评价和排污口综合评价等以及邻近海域环境评价中的单因子评价和综合指数评价。用户可对数据查询部分已选取的数据按需选择评价方法或直接一键实现综合评价，给出排污口的综合评价等级结果。考虑到排污口评价方法一直处于改进阶段[8]，目前系统内置的方法也存在一定的缺陷[9]，未满足评价方法的发展需求，本系统对评价方法的设置是开放的，用户可按需对评价方法进行编辑、修改、删除、新建等操作。

另外，本模块还可以对所选取的数据和得出的评价结果进行统计分析，按照用户要求将统计结果以文字、饼图或柱状图的形式给出，并将文字和图形按照系统内置模板形成评价报告，直接以word格式导出，便于用户编辑或提交。

3.3 公式管理模块

公式管理模块是评价分析模块的基础支持。评价分析模块中所集成的评价方法模型均由简单的计算公式组合而成，公式管理模块就是对这些计算公式进行新建、编辑、删除、管理等方面进行操作的模块。本模块主要是为评价分析模型的开放化而设置的，用户可以根据评价方法的变化自己设置评价模型，增强了系统工作的灵活性和主观能动性。

本套公式编辑器目前包含33种逻辑运算，不仅包含加减乘除等基本运算，而且还包含IF， And等复杂的逻辑运算函数。选择相应的运算，组合成需要的公式，进行语法分析，算术逻辑分析，结果校验，指定公示名称，公式分类之后进行保存，在指定评价方法时就可以直接调用公式。

3.4 标准管理模块

标准管理模块作为评价分析模块的支持模块，主要对评价分析中用到的不同评价标准进行管理。目前，排污口评价用到的标准包括《污水综合排放标准》[10]《城镇污水处理厂污染物排放标准》[11]《海水水质标准》[12]《海洋沉积物质量》[13]和《海洋生物质量》[14]。模块内可以实现标准查询、新建、修改和删除。当评价标准改变时，用户可自行对评价标准进行编辑，在最短的时间内解决评价标准变化带来的问题。

4 结束语

北海区陆源入海排污口数据分析评价系统采用ArcGIS Engine技术，以.net为开发环境，采用SQL Server 2008进行数据管理。系统通过数据导入模块，实现对监测数据的管理、质量检验和异常数据处置。对评价分析模块的开放性设置，为后续评价方法的研发提供接口。系统集成的空间分析技术，实现了一键导出统计评价结果的功能，极大地方便和简化了复杂繁琐的制图工作，提高了海洋环境评价工作的效率。

实际应用表明，系统设计的数据管理、评价分析、公式管理、标准管理四大模块能够满足日常分析评价工作的需求，使排污口监测数据评价工作实现自动化或人工半介入。系统后续开发将进一步优化后台计算过程，丰富评价产品的表现形式，为提升海洋行政主管部门的快速应对能力和科学管理能力提供技术保障。

[1] 国家海洋局.2014年中国海洋经济统计公报[R].2014.

[2] 王修林， 李克强.渤海主要化学污染物海洋环境容量[M].北京: 科学出版社， 2006: 45-47.

[3] 国家海洋局北海分局.2014年北海区海洋环境公报 [R].2014.

[4] 徐波， 翁焕新， 董成松.基于GIS的海洋环境信息数据库在海洋环境信息可视化分析中的应用[J].浙江大学学报:理学版，2004， 31(4): 471-475.

[5] 卜志国， 高晓慧， 李忠强.基于GIS的海洋生态环境监测数据分析评价系统研究[J].中国海洋大学学报，2012， 42(1-2):36-040.

[6] 尹维翰， 卜志国， 孙培艳，等.基于ArcGIS Engine和.NET的海水环境数据分析评价系统的设计与实现[J].山东科学，2014， 27(2): 13-18.

[7] 国家海洋局.陆源入海排污口及邻近海域环境监测与评价技术规程(试行)[Z].2015.

[8] 贝竹园， 周晓燕， 祝翔宇，等.陆源入海排污口环境监测评价模式的探讨[J].海洋开发与管理，2009， 26(2): 85-88.

[9] 于丽敏， 张志锋， 林忠胜，等.综合因子评判法评价陆源入海排污口排污状况[J].海洋环境科学， 2013， 32(6): 944-947.

[10] 国家环境保护总局.GB8978-1996污水综合排放标准[S].1996.

[11] 国家环境保护总局.GB18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准[S].2002.

[12] 国家环境保护总局.GB3097-1997海水水质标准[S].1997.

[13] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB18668-2002海洋沉积物质量[S].2002.

[14] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB18421-2001海洋生物质量[S].2001.

山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室开放基金项目(2012004);海洋公益性行业科研专项(201205012).

X55；P7

A

1005-9857(2015)12-0090-04