基于3S技术的洪水和水环境健康风险评价与管理平台构建

赵梦杰 程兴无 陈红雨

基于3S技术的洪水和水环境健康风险评价与管理平台构建

赵梦杰 程兴无 陈红雨

一、引言

随着经济社会的发展，洪灾所造成的损失越来越大，而水环境问题也日益突出，因此加强洪水和水环境健康风险评价与管理的研究非常必要，这对于流域的可持续发展意义重大。

对洪水风险进行评价，目的是为决策者提供定量化的洪水风险程度数据。周成虎等提出了基于地理信息系统的洪灾风险区划指标模型，得出辽河流域洪灾风险综合区划；解家毕探讨了流域大尺度洪水风险模拟方法，重点考虑了防洪设施在洪水风险管理中的作用，突破了原方法中只单纯地考虑洪水的水文现象或结构可靠性评价。对水质健康风险进行评价，可定量地描述环境污染对公众健康危害的程度，水质健康风险评价模型在20世纪80年代兴起，美国的Dennis J. Paustenbach将水质健康风险评价模型用于农药使用对农业的影响，并进行了相关评价，最终给出多种农药的使用上限；Michael L.Dourson针对非致癌性污染物进行风险评价，对如何减小由参数RfD、RfC导致的不确定性影响进行了相关研究。我国从20世纪90年代起就有水环境健康风险评价的研究及应用，曾光明等应用水环境健康风险评价模型评价河流水质对人体健康危害的影响；钱家忠等建立了健康风险评价模式，分析与评价了某市供水水源地水质实测资料，这些研究使水环境健康风险评价在我国的应用取得较大进展。

“3S”技术已在淮河流域广泛应用，GIS目前应用最多，各分布式水文预报系统都基于GIS平台，RS遥感和GPS全球定位技术目前应用相对较少。纵观国内外研究，基于3S技术开展流域洪水风险评价已有实践，然而对于短期暴雨洪水的风险评价较少。另外缺乏流域尺度水环境健康风险方面的分析评价，且对于流域洪水和水环境健康风险评价集成平台鲜有研究。

淮河流域洪水频繁发生，洪灾造成的经济损失严重，同时淮河流域自20世纪80年代以来，水质呈逐年恶化趋势。至1995年底，全流域80%以上的河流和水域已受到污染。尽管目前入河污水量和NH3-N有所控制，水质也逐渐改善，但随着经济快速发展和人口的增长，水污染问题仍十分突出。洪水和水环境污染造成的损失往往难以估量且影响深远，故开展流域层面的洪水和水环境健康风险评价与管理非常迫切且必要，这是实现人水和谐、建设水生态文明的现实需要。

二、风险评价与管理理论基础

1.洪水风险评价与管理理论基础

洪水风险评价与管理是以洪水预报技术和洪水风险评价技术为基础。目前洪水预报技术成果较多，我国七大流域基本上都有了比较完善的实用水文预报方案。在洪水作业预报中，水文预报模型主要有新安江模型、双超产流模型、河北雨洪模型等，国外引进的模型主要有水箱模型、萨克拉门托模型等。

对于洪水风险评价技术，目前国内外提出的评价方法很多，如专家评价法、经济分析法等。数学方法中应用较多的有：多目标决策法、数据包络分析法等。目前应用最为广泛的为模糊综合评价法（FCE），该法可对涉及模糊因素的对象系统进行综合评价，而且更加适宜于评价因素众多、结构层次多的对象系统。洪水风险评价实际上是一个多因素指标综合过程，由于研究方法不同，建立的洪水风险评价指标体系各有不同。

目前，常规的洪水风险预警就是编制洪水风险图，对可能发生的超标准洪水的演进路线、淹没水深、淹没历时、淹没范围及流速大小等过程特征进行预测，以标示洪泛区内各处受洪水灾害的危险程度，是非常重要的防洪非工程措施，这是对某个地区进行一种长期且静态的洪水风险评价模式。然而洪涝灾害的发生一般具有突发性强的特点，根据洪水风险评价的有关原理、指标选取原则及淮河流域的实际情况，本文拟构建区域短期洪水风险评价指标体系见表1。

表1　区域短期洪水风险评价指标体系

2.水环境健康风险评价与管理理论基础

水环境健康风险评价与管理主要包括水质监测与预报技术、水环境健康风险评价和水环境管理三部分。水质监测与预报技术，常规的监测模式是定点定期，随着3S技术的发展，产生了大量的基于遥感和地理信息系统的水质监测方法，连续在线水质监测方法成为水环境监测发展的一个重要趋势。现有水质预测模型大致可归纳为数理统计预测法、灰色系统理论预测法、神经网络模型预测法、水质模拟模型预测法和基于混沌理论的水质预测法等五大类，此外不确定性理论与非线性系统理论的发展将为预测模式的产生提供理论支持。

水环境健康风险评价主要是针对水环境中对人体有害的物质进行分析，这些物质一般分为基因毒物质和躯体毒物质，前者包括放射性污染物和化学致癌物，后者则指非致癌物。根据污染物对人体产生的危害效应，可分别建立放射性物质、化学致癌物、非致癌物所致健康危害的风险模式，水环境总的健康危害为三者之和。

三、风险评价与管理平台构建思路及技术路线

1.风险评价与管理平台构建思路

流域可持续发展涉及的因素较多，本文重点考虑对流域影响较大的洪水和水环境两大因素，基于“3S”技术，拟构建一个洪水和水环境风险评价与管理平台。作为开源性平台，首先在平台上面搭建洪水风险评价与管理系统、水环境健康风险评价与管理系统，后期根据现实需要可以搭载功能更加丰富的水信息化系统，各个系统之间既可以相互独立运行，也可相互耦合实现平台性能的最大化。两大系统里面包含的模块见图1。

图1　洪水和水环境健康风险评价与管理平台结构框图

2.技术路线

由于嵌入式系统具有内核小、系统精简、专业性强、操作系统实时性高的特点，是一个硬件与软件的综合体，故本平台拟采用嵌入式系统设计数据采集与传输模块。信息采集与传输模块是整个平台运行的核心组成，是整个系统的数据保障。信息采集与传输模块由实时动态采集子模块、分布式同步子模块及人工预入子模块构成。

4G是一种具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能的移动通信新技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量；并且4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联，因此4G技术将成为较为理想的数据传输方法。

信息管理技术采用分布式体系结构的WebGIS，即分布式浏览器/服务器（B/S）结构，实时监测部分采用客户端/服务器（C/S）结构。国外有代表性的系统平台有ESRI公司的MapObjects IMS和ArcViewIMS，后来合并为Arc IMS；Mapinfo公司的MapXtreme等。国产Web GIS平台有国家遥感应用工程技术研究中心的地网GeoBearzs、中地软件的MAPGIS-IMS等。拟选择适合洪水和水环境健康风险评价与管理平台特点的WebGIS作为软件平台，针对系统结构和系统功能进行开发研究。对于洪水预报、洪水风险评价、洪水风险管理，水质监测与预测、水环境健康风险评价、水环境健康管理等模块，由专业技术人员编程实现其功能。

四、洪水和水环境健康风险评价与管理各系统设计

1.洪水风险评价与管理系统功能

根据以上理论研究，拟构建的洪水风险评价与管理系统的逻辑结构见图2。其中洪水分析评价主要包括洪水风险灾前评估和洪水灾后评价，洪水风险管理主要包含三维动画仿真模拟、短期暴雨洪水风险图绘制、防汛决策确定、预警信息发布。其中三维动画仿真模拟主要运用虚拟现实技术进行对洪水演进的动态变化过程进行模拟，可为防汛决策人员提供直观的洪水变化形势。防洪工程方案主要包括江河堤防、河道治理及护岸（滩）工程、防洪闸和山洪防治等传统方案，非工程方案是防洪工程方案的重要补充。

图2　洪水风险评价与管理系统的逻辑结构图

2.水环境健康风险评价与管理系统功能

根据以上理论研究，拟构建的水环境健康风险评价与管理系统的逻辑结构见图3。进行水质实时监测，建立突发水污染事故条件下的预警模型，实时模拟污染物泄漏对下游水源地等敏感目标水质的影响；建立污染物溯源模型，追溯最大可能污染源。通过GIS与水环境数学模型的集成，进行固定源的浓度场和流场模拟，进行水质预测。水环境健康管理从流域层面考虑，主要包括对工业污染物、城市生活污水、农村生活污水、农田面源这几个方面进行控制，确定污染控制工程方案和非工程方案。

图3　水环境健康风险评价与管理系统的逻辑结构图

五、结语

本文从淮河洪涝及水环境多年研究成果及实际出发，分析了开展流域层面洪水和水环境健康风险评价与管理的必要性。对于洪水风险评价与管理和水环境健康风险评价与管理的研究现状及趋势作了详细阐述，在分析了常规洪水风险图优劣势的基础上，建立了区域洪水风险评价指标体系，且构想了洪水、水环境健康风险评价与管理系统的逻辑结构图，拟构建基于3S与现代通信技术的风险评价与管理集成平台，从而实现洪水、水环境健康风险评价与管理的有机集成。加强流域层面的洪水和水环境健康风险评价与管理研究，对于实现人水和谐、建设流域水生态文明具有重要意义。

由于洪涝灾害、水污染事故的突发性及不确定性，加强不确定性理论的研究很有必要，将不确定性理论应用于洪水预报、水质预测需作进一步深入研究。此外，随着3S与计算机技术的发展，将洪水演进模型、洪水风险管理、水质模型等与地理信息系统有机结合起来意义重大，这将进一步加快洪水和水环境健康风险的评价与管理

（作者单位：淮河水利委员会水文局（信息中心）233001）