滇池流域水环境综合管理技术支撑平台构建研究

张 迪，嵇晓燕，宫正宇，孙宗光，李文攀，刘 允，罗 毅

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.环境保护部环境监测司，北京 100012

滇池流域水环境综合管理技术支撑平台构建研究

张 迪1，嵇晓燕1，宫正宇1，孙宗光1，李文攀1，刘 允1，罗 毅2

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.环境保护部环境监测司，北京 100012

滇池流域水环境综合管理技术支撑平台以实现水环境数据信息化、支撑多元化、管理智能化为目标，集成水环境多元数据采集传输、融合共享及动态表征技术，突破高原湖泊流域多目标复杂环境综合管理决策控制技术，构建“数据中心-业务系统-信息发布”为主线的综合管理平台，其以水环境数据中心为支撑，以水环境信息系统与水环境专家决策支持系统为核心，以水环境信息发布系统为共享交换媒介，为流域管理提供监控预警、总量控制、预测预报、项目评估及应急决策等技术服务，有效支撑滇池流域水环境监控预警和综合管理。

管理平台；数据中心；监控预警；总量控制；预测预报；项目评估；应急决策

以流域为规划和管理单元的水资源综合管理(IWRM)概念形成于20世纪90年代[1]，其衍生的流域综合管理(IRBM) 理论目前已成为水环境和资源管理的主流思想，随着这一概念被引入欧盟水框架指令(WFD)，其所有的成员国均在流域层面重新调整了水环境及资源管理策略[2]。中国流域管理体系中的环境监测预警体系已经逐步从原来的点源、区域监测转变到流域监测管理层面[3]，但目前仍普遍存在监测数据分散、利用率低及缺少评估、预警、应急功能等问题。以智能化的管理手段来提升流域监测预警体系中的监测数据获取、评估、预警和应急等功能是现代流域管理的发展趋势[4]，其不仅要对流域水环境状况进行及时准确的监测和评估，同时也要对突发及演化的环境问题进行预警和应急响应。

滇池是“三河三湖”治理重点之一，“九五”开始就被列入水污染防治重点湖泊[5]。滇池流域水污染防治工作在多年的污染治理和环境管理中取得了一定成效[6-7]，但仍存在水环境数据信息散落在不同部门，形成数据孤岛，重复采集，信息表征单一、不直观、利用程度低等问题，造成了极大的资源浪费；同时，流域缺乏统一的、融合多部门信息的、科学权威的环境信息共享和管理决策平台，造成了管理上的混乱和科学决策的失位。通过对滇池湖体、出入湖河流、流域湖库的85个监测断面(点位)进行筛选、判别，优化滇池流域水环境监测网络，优选污染特征指标，补充完善滇池流域水环境监测技术体系等手段，本研究在增强了监测数据的代表性，实现准确监测和评估，全面客观地反映滇池流域水环境质量状况的基础上，结合现代流域综合管理理论，研究水环境数据采集传输、融合共享及动态表征技术和高原湖泊流域多目标复杂环境综合管理决策控制技术，通过先进的理念和信息化技术整合、分析、评估与应用滇池流域水环境信息，强化流域水环境数据信息系统管理，提高监控预警、评估与应急决策支持能力，建设一个具有水环境监测业务管理、入湖总量模拟、水质预测预报、治理项目评估、应急决策管理等功能，并能与流域其他管理部门进行信息交流与共享的技术支撑平台。

1 关键技术研究

1.1 水环境数据采集传输、融合共享及动态表征技术

滇池流域的水环境数据涉及环保、统计、国土、规划、水文、水利、城建、农业等不同部门，包括水环境质量、水质自动监测、饮用水源地、水污染源、蓝藻监测、知识模型方法、水文、气象、土地利用以及涉滇基础数据等多种类的多格式、多标准数据。

本研究首先采用TUXEDO/Q[8]消息传递机制、SAX(用于处理XML事件驱动的“推”模型)文档解析标准、XML[9](可扩展标记语言)中间件和数据仓库挖掘等技术，提取多元异构数据并转化为标准的XML数据，实现多格式、多标准的水环境数据信息的采集；通过规范化的VPN[10](虚拟专用网)和环保局政务网，完成数据的可靠传输。

其次在整合滇池流域水环境多元数据基础上，建立兼顾多个部门、多个单位安全性、时效性、操作灵活性和访问效率的异构数据交换系统，实现不同部门多种类、多格式、多标准数据的交换与共享。

最后通过融合空间信息技术、信息仿真、模拟技术及GIS(地理信息系统)表征技术，搭建基于WebGIS(网络地理信息系统)的具有流域水环境质量和污染源的实时监控、入湖污染物总量动态监控、水环境质量预测预报、污染治理项目评估等功能的滇池流域水环境综合管理技术支撑平台，实现涉滇基础信息、点位信息、水环境质量及污染源、水质预测预报、应急事故模拟分析及预测预报等内容的动态展示，为滇池流域水环境综合管理提供可视化决策依据。

最终研究集成滇池流域水环境多元数据采集传输、融合共享及动态表征技术，实现流域水环境信息数字化，为滇池流域水环境统一监管提供信息支持。

1.2 高原湖泊流域多目标复杂环境综合管理决策控制技术

流域水文水质HSPF模型[11-12]能够综合模拟流域径流过程，是半分布式水文水质模型的优秀代表。环境流体动力学EFDC模型[13-14]是地表水三维数值计算的通用模型，通过设置初始条件和边界条件实现湖泊不同情景下的水质模拟。

本研究在开发水环境污染物总量动态监控子系统及水环境污染物预测预报子系统的过程中，成功耦合HSPF模型和EFDC模型，研发了HSPF与EFDC的一体化集成技术，实现了流域到湖体的系统性模拟与预测预报，完成了在数据流和信息流支撑下，从总量控制到湖体水质预测的一序列基于模型驱动的流域水环境管理控制技术集成。

采用TUXEDO/Q消息传递机制、SAX文档解析标准和XML中间件技术，结合数据仓库挖掘技术等，从分布异构数据库中提取信用数据，转化为标准的XML数据格式，研发了HSPF、EFDC模型数据XML标准化中间件技术。使基于多元环境数据的HSPF和EFDC模型数据在远程运用中得以可靠传输和异构数据库得以无缝连接，实现分布异构数据库中多元数据的整合共享。

利用Windows系统和Arcgis系统，开发EFDC模型的前处理和后处理计算机图形界面软件，进行模型开发、直角和曲线正交网格生成、模型测试、校准和数据可视化、EFDC模型计算结果绘制和动画模拟，开发了基于GIS的EFDC模型可视化界面设计技术，实现了EFDC模型与GIS系统在B/S体系中的嵌入与对接。

最终研究形成了由HSPF与EFDC模型的一体化集成技术，HSPF、EFDC模型数据XML标准化中间件技术以及基于GIS的EFDC模型可视化界面设计技术构成的高原湖泊流域多目标复杂环境综合管理决策控制技术，并基于此技术构建了滇池流域水环境综合管理专家支持系统。

2 平台构建

以实现流域水环境数据信息化、支撑多元化、管理智能化，建立流域水环境信息的高效监管体系，提升全流域污染控制和决策管理能力为建设目标，基于以上2项关键技术，构建以“数据中心-业务系统-信息发布”为主线的滇池流域水环境综合管理技术支撑平台，对应总体架构中的数据管理层、业务应用层和共享发布层，平台结构图见图1。

图1 滇池流域水环境综合管理技术支撑平台总体架构图

滇池流域水环境综合管理技术支撑平台包括1个数据中心，2个业务系统和1个发布系统。建设内容主要为技术标准体系建设、数据中心建设、业务系统建设、分析与发布系统建设等。首先，通过制定和实施总体开发要求、数据编码与组织规范、系统集成规范等技术标准规范，把流域水环境信息化的前、中、后全过程纳入标准规范的研发和管理中，规范滇池流域综合管理平台各系统建设过程；其次，构建流域水环境数据中心，并在此基础上建立滇池流域水环境信息系统、滇池流域水环境综合管理专家支持系统两大业务系统及滇池流域水环境信息发布系统；最终集成数据中心、两大业务系统及信息发布系统构建滇池流域水环境综合管理技术支撑平台，实现流域水环境数据信息的自动采集、动态监测、系统分析、整合及虚拟再现、应急决策等多层次、多目标的复杂环境综合管理决策，为流域污染控制提供必要的技术支撑，具有先进性、可靠性、可扩展性等特点。

数据来源层是平台总的数据来源，主要包括地表水/饮用水源地常规监测数据、蓝藻人工及自动监测数据、水质自动监测数据、污染源在线监测数据、知识模型方法、GIS地理信息数据、水文气象及人口经济等涉滇基础数据。数据经过挖掘、整合、汇总处理后，通过手工录入、自动入库、手工导入、交换入库等方式进入系统数据管理层的各个业务数据库中。

数据管理层包括了水环境质量数据库、污染源数据库、知识模型方法库、地理信息数据库、水文气象数据库及涉滇基础数据库。经过整合汇总的原始数据存储在业务数据库的原始数据表中，经过自动及人工审核、处理后形成中间数据表，用于生成各种统计图表和报告等。

业务应用层是业务应用的具体实现层，是系统的展现层之一。通过基于B/S架构的程序调用内部服务层的WebService[15](Web服务)，进行各种数据和信息处理分析等操作，主要包括滇池流域水环境信息系统和滇池流域水环境综合管理专家支持系统。

共享发布层是数据共享发布的具体实现层，也是系统的展现层之一。业务数据库中的数据经过抽取、转换和加载等操作，根据滇池流域管理需求生成各种面向主题的数据信息，提供数据查询、信息下载和数据的各类应用。

2.1 数据中心建设

在整合滇池流域水环境多元数据的基础上，通过采集传输构架和多类型数据交换技术的研究，搭建一个对各类数据信息进行整合与管理、交换与共享的数据中心，实现环保、国土、规划、水文、农业等不同部门多种类型、多种格式、多种标准的数据交换与共享。建设内容包括水环境质量数据库、污染源数据库、知识模型方法库、地理信息数据库、水文气象数据库及涉滇基础数据库等一系列数据库。数据中心划分为系统支撑层、数据整合层、数据共享层、应用层及展现层，包含水环境质量、水质自动监测、饮用水源地、水污染源、蓝藻监测、知识模型方法、水文、气象、土地利用以及涉滇基础数据等多种类数据。最终实现了多元数据采集与传输、数据解析与存储、异构数据交换与共享、数据查询、挖掘与分析、数据信息展示等功能，主要面向决策者、管理层人员、分析人员和业务人员等业务用户。

2.2 业务系统建设

基于数据中心建立以滇池流域水环境信息系统和滇池流域水环境综合管理专家支持系统为核心的业务系统，既为滇池流域水环境综合管理提供及时、准确、全面的水质监测基础数据，又能满足流域监测业务管理、入湖总量模拟、水质预测预报、治理项目评估、应急决策等功能性需求。

滇池流域水环境信息系统包括水质常规监测子系统、水质自动监测子系统以及滇池蓝藻天地一体化监测子系统。系统将水质常规监测数据、自动监测数据、蓝藻监测数据进行整合并有效地组织应用，实现流域水环境信息的自动采集、动态监测、系统分析评价、蓝藻水华监测等功能，为流域水环境的综合管理提供数据查询、分析及报告生成、下载等服务。

滇池流域水环境综合管理专家支持系统包括水环境污染物总量动态监控子系统、水环境污染物预测预报子系统、水污染治理项目评估子系统以及水污染治理项目应急决策子系统。整合已有的滇池水环境和相关基础信息，集成现有的文献知识和专家判断形成知识、模型与方法库；集成流域污染物迁移以及通量核算模型，构建滇池流域入湖通量与污染物总量监控模块；在总量监控模块的基础上，结合滇池水质与水生态响应模拟模型，构建滇池流域水环境预测预报模块；在总量监控模块和预测预报模块的基础上，构建滇池流域水污染治理项目评估模块；基于前3个模块，构建滇池流域水污染治理项目应急决策模块；形成专家支持系统的推理机制，构建滇池流域水环境综合管理专家支持系统。滇池流域水环境管理专家支持系统完成流域污染物从源头产生量、途中输送迁移到入湖水质响应的全过程数值模拟计算，实现29条主要入湖河流各监测断面的总磷、总氮等特征污染物通量和入湖总量计算，实现滇池湖体总磷、总氮、叶绿素a等迁移、沉积、营养化与生化过程模拟，实现滇池入湖河流和湖体短期水质预测、中长期水质模拟以及突发事故水质预测，满足流域污染治理项目和突发环境污染事件应急管理需求。

2.3 发布系统建设

针对流域水质及污染源监测数据信息、流域入湖河道污染物总量模拟计算结果、污染物排放量动态监控和总量控制管理等信息，水环境现状评价结果、三维水质短期和中长期预测预报结果、突发水环境事故水质预测预报等信息，污染治理项目全过程指标分析和效率评估信息等不同内容、不同形式的数据信息，建立滇池流域水环境信息发布系统。通过统计化、矢量化的手段，结合GIS表征技术，面向不同类型的用户进行展示，主要包括图形演示、信息查询、空间分析、信息共享等功能，为滇池流域水环境综合管理提供及时、准确、全面的数据信息。信息发布面向的群体包括政府部门、科研单位和公众，基于WebServices提供数据查询、报告下载等服务，从而实现与不同用户群体的交互与数据共享。

3 结论

以现代流域综合管理理论为基础，打破长期困扰滇池流域“信息数据分散在多个部门和单位，存在信息孤岛，管理各自为政”的现象，集成滇池流域水环境多元数据采集传输、融合共享及动态表征技术，突破高原湖泊流域多目标复杂环境综合管理决策控制技术，以水环境数据中心为支撑、以水环境信息系统与水环境专家决策支持系统为核心、以研发的水环境信息发布系统为共享交换媒介，构建了对滇池流域水环境进行实时监控、对水质进行预测预警、对具体治理项目进行评估、对水污染进行应急决策与处置管理，并能与流域其他管理部门进行信息交流与共享的技术支撑平台，实现了流域水环境数据信息的自动采集、动态监测、系统分析、整合及虚拟再现、应急决策等多层次、多目标的复杂环境综合管理决策，为流域污染控制和科学统一的监管提供必要的技术支撑，全面提升流域水环境风险的防范与预警决策支持能力。

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Construction of Technical Support Platform for Integrated Management of Water Environment in Dianchi River Basin

ZHANG Di1，JI Xiaoyan1，GONG Zhengyu1，SUN Zongguang1，LI Wenpan1，LIU Yun1，LUO Yi2

1.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 2.Department of Environmental Monitoring, Ministry of Environmental Protection of The People’s Republic of China, Beijing 100012, China

With the goal of realizing data informationization, support diversification and management intellectualization of water environment integrated management for Dianchi Lake basin, to form the plateau lake basin complex multi-objective control technology of integrated environmental management decision-making, technical support platform was constructed with the mainline of “data center-administrative system-information release”. With the water environment data center as support, the information system and expert decision support system as the core, and the information release system as a shared medium, the integrated management platform provided monitoring and early warning, total quantity control, forecast, project evaluation and emergency decision making and other technical services, and supported the water environment monitoring and early warning and comprehensive management of Dianchi River Basin effectively.

management platform;data center;monitoring and early warning;total quantity control;prediction and forecast;project evaluation;emergency decision-making

2016-10-31;

2016-11-23

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2010ZX07102-006)

张 迪(1986-)，女，北京人，硕士，工程师。

嵇晓燕

X830.3

A

1002-6002(2016)06- 0118- 05

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.19