水质管理决策支持系统在太湖流域（浙江片区）水环境综合管理平台中的应用

2016-11-18李慎华叶新辉

资源节约与环保 2016年8期

关键词：预警水质应急

李慎华　叶新辉　陈　文　赵　宏

（1浙江省环境信息中心浙江杭州3100122丹华水利环境技术（上海）有限公司上海200235）

水质管理决策支持系统在太湖流域（浙江片区）水环境综合管理平台中的应用

李慎华1叶新辉1陈文2赵宏1

（1浙江省环境信息中心浙江杭州3100122丹华水利环境技术（上海）有限公司上海200235）

太湖流域（浙江片区）水环境综合管理平台是基于DHI水质管理决策支持系统，进行的二次开发，主要实现了突发污染物事故管理和水质日常管理2个模型。该模型基于C/S客户端和B/S浏览器相结合的方式进行开发。用户可以在C/S客户端设置模型的相关数据、对应模型参数等，通过B/S浏览器对事件进行预测与发布展示，为制定各类突发事件和防控措施提供决策支持信息。

太湖流域；水质管理；决策支持；信息化

太湖是我国第三大淡水湖，平均水深1.89m，属大型浅水湖泊，实际面积2338km2，流域总面积2.69×104km2，总蓄水量47.6×108m3，年吞吐量52×108m3。浙江省太湖流域位于浙江省北部，流域面积12273km2，约占太湖流域面积的1/3。境内水系包括东苕溪、西苕溪、长兴水系、京杭运河、嘉兴河网和湖州河网6块。区域内降水丰富，各地多年降水量1100mm～1500mm，但丰枯年际降水不均匀。杭嘉湖地区水资源总量为79.2×108m3（不含太湖补给水），占全省水资源总量的8.3%；人均水资源量为562.5m2，严重低于浙江省平均水平（1900m2）。2015年，全湖整体为轻度污染，主要污染指标为总磷。

近年来，随着经济、社会的发展，太湖流域浙江片区水质性缺水日益严重，水质也不容乐观，不仅影响市民的日常生活，对该地区的经济发展也形成了一定的制约。

根据实际的应用效果，现选取DHI的河流水质管理决策支持系统模型进行二次开发，应用于太湖流域（浙江片区）水环境综合管理平台，主要实现突发污染物事故管理和水质日常管理2个模型，模型结合了地理信息系统、数据库系统和网络技术。

1　水质管理决策支持系统模型设计思路

1.1两级办法

作为一个现在常见的经过检验的科学方法，水质的数值模型可以作为管理水质量体系的分析和预测工具。Soncini-sessa等提出的“两级决策支持系统”的概念,可在模型开发者和最终用户的管理上得到真正应用。模型开发者可以开发一些新的模型然后在决策支持系统（以下简称DSS）中整合，而最终用户（管理者和利益相关者）可以通过一些简单的操作获得模拟结果。

DHI中国研制的水质DSS遵循这一理念并有如下自己的特色。（1）该DSS侧重于管理人员的需求（特定领域、易于使用、易于理解）。在DSS的帮助下，管理者的唯一任务是收集数据，设置模型选项等。因此，管理者如果接受了培训，可以很容易地使用集成/校准模式，获得一个简单的方法结果。（2）该DSS可以在类似的区域仅仅通过开发新模式中使用，而无需重写代码。（3）该DSS方便进行二次开发。这意味着该系统允许从科学到管理的知识传送。

1.2流域水质的建模方法

水质模型是DSS的核心。随着计算机技术的飞速发展，在时间和人力资源有限的情况下，利用建模和仿真软件工具是适当和必要的。因此，以我们的经验，平台可以使用基于DHI开发的大量数值模型。该DHI模型可以耦合水动力和水质模拟，基于GIS污染负荷模型、水质评估和环境战略评估。此外，一些传统的模型或统计方法，应用户管理的需要被集成在系统中。

日均水质模型可以模拟现状，并预测在特定条件下的未来趋势。针对流域，一维动态模型是最常见的，但二维或三维模型在必要的时候也可用于模拟湖泊和水库。模型组件和日常水质模型的概念见图1。

图1　模型组件和日常水质模型概念

除了预测未来趋势的日常水质模型，流域的水质管理、突发性水质污染的早期预警和应急响应预测都是特殊问题。通常认为，一维动态模型原则上在建模精度和有效性中能有一个良好的平衡，并适合应急响应。另外，为了提高预测的准确性，预测模型中很有必要显示污染事件中污染流量和浓度的实时测量信息。也就是说，如果在污染事故下游位置的应急监测数据（浓度和/或放电）可获取，实时数据将被使用在MIKE软件数据同化设备的模型更新。紧急水质的模型组件和概念见图2。

图2　紧急水质的模型组件及概念

所有水质模型嵌入在CS应用程序中。CS应用程序为了建模操作和避免在建模结果前/后处理复杂的工程视图提供了一个友好和易于使用的接口。这是基于MIKE模型软件，数据库和GIS技术的组件开发的。通过CS接口上的显示地图按钮，GIS地图弹出以及识别特定对象的空间位置（例如分支机构，水质监测和废水出口）。主接口上的操作与GIS界面层的互动。CS应用的水质模型系统的功能性结构见图3。

图3　CS应用的水质模型系统功能性结构

日常水质管理和应急管理的两个基准情景，与之前成立的相关模块分别集成在CS应用中。集成的计算模块可以自动从中提取所有相关数据。从不同场景的模拟结果，可以灵活提取并定制在表格或地图中。

1.3系统的结构和功能

水质DSS分为四层：用户界面层、应用系统层、GIS平台层和数据库层。各层之间的相互关系在图4中进行说明。

图4　水质DSS分层间的相互关系

用户界面层包括对话框生成以及管理用户和系统之间的接口。

应用系统层包括信息管理和水质模拟管理。

信息管理包括信息查询、水质信息的评估、公共报表管理和系统管理等。该系统使用户能够检索监测站和排污口等的相关信息和结果，这些结果可以基于GIS地图进行可视化操作获取。

如上所述，水质模型管理包括两部分，即日常水质管理和应急管理。通过相关模块的适当应用，对很多因素（包括不同水文，运行和污染负荷）进行评估。

上述功能的整合将形成污水控制、水环境安全监测和水质管理的综合平台。

GIS平台层包括WebGIs服务器和数据库引擎，其中WebGIs包括ArcIMS、ArcGISEngine和ESRI的ArcSDE应用三部分。

数据库层提供了支持系统和MIKE模型的基本数据，包括水质、水文、气象、操作、社会经济和模型结果。

2　水质管理决策支持系统在太湖流域（浙江片区）水环境综合管理平台中的应用

太湖流域（浙江片区）水环境综合管理平台主要实现了突发污染物事故管理和水质日常管理2个模型。该模型基于C/S客户端和B/S浏览器相结合的方式进行开发。下面具体描述下模型是如何实现的。

2.1突发污染事故管理模型

在发生天然或人为突发水污染事故时，用户能够在C/S客户端基于相对专业的水质模型进行完整的事故预警与应急响应流程操作，在第一时间能够对污染事故的发展态势做出初步预测与评估，能对专家会商所提供的应急预案效果进行模拟。通过B/S浏览器对突发污染事故发展态势进行预测与发布展示，为制定各类突发应急事件的应急预案和防控措施提供决策支持信息见图5。

2.1.1突发水污染事故设置

突发水污染事故发生后，根据获得的警情上报信息在C/S客户端系统中设定污染事件的对应模型参数，指定污染事件数量，事件所包括的污染物组分，对于每个污染事件都能够指定事件的名称、位置、污染事件的开始和结束时间、流量。通过和GIS地图的交互，事件发生的位置也能够快速识别并记录下来。针对可溶性污染物质能够设置其降解系数及估计的排放总量，或给出恒定排放浓度及动态排放浓度。

图5　突发污染事故管理模型

在进行突发水污染事故发生位置定位中，除了能进行任意河道任意点的位置定位外，还能自动读取数据库中已保存好的固定源排放企业信息，通过对企业名称检索能够在地图上快速定位排放位置，同时显示排放企业的坐标信息。

2.1.2预测预警方案设置

预测预警方案用于模拟污染事故发生后污染团的实际运移状况，该类型方案没有任何假设的水工建筑物操作或边界输入限制，系统只是从外部数据库或其他源读取所有在线数据并写入水污染事故风险预警模型中,在设置完相关水质模型参数和边界条件后，系统就能驱动模型进行快速的事故模拟分析。计算得到事故发生后污染团在没有任何应急措施下的运移情况，帮助决策者预先对事件作出快速准确的评估，为进一步的应急预案研究提供基础信息。

预测预警方案设置除了能对模型模拟的时间段、模拟时间步长、是否引入在线监测数据等参数进行设置外，还能对模型水动力边界、降雨边界、水工构筑物进行相应的查看与编辑。

操作人员在系统中除了利用定制界面对模型边界进行修改外，如需利用MIKE模型软件对数学模型进行进一步修改，进入高级编辑界面能够对河网布置、断面设置、边界设置、水动力参数、水质参数进行编辑。

方案编辑完成后，即可进入方案计算功能，通过界面驱动后台MIKE模型进行突发污染预测预警模拟计算。系统界面中将实时刷新计算进度与计算过程日志信息供用户查看。

2.1.3应急响应方案设置

应急响应方案设置用于辅助用户制定污染事件的应急反应计划。基于预测预警方案，通过修改水工构筑物操作、边界条件或MIKE模型高级编辑生成一系列应急响应方案，用户能通过方案比较分析选取更合适的措施来降低事件的影响，如增加水库下泄流量、增加污染物降解率模拟吸附措施效果等。

2.1.4B/S客户端效果展示

客户端BS平台根据服务器CS系统发布的模型结果，获得各区域的预测预警数据集，结合GIS地图进行展示，形成区域预测预警专题图供用户查看，给出报警信息，并在图上按照不同颜色对应不同预警情况进行展示。

2.1.5方案对比

方案模拟完成后，系统能将预先设置好的项目重要点位的模拟信息进行提取和保存，通过方案对比功能能够对比不同模拟方案中重要点位的模拟值浓度。例如未做任何措施的初步预测方案与进行了污染物吸附措施的模拟方案进行对比，就能很直观的了解采用某种应急手段后对污染团移动及浓度分布的影响状况，辅助用户选取更合适的措施来降低事件的影响。

2.2水质日常管理

水质日常管理功能基于C/S客户端和B/S浏览器相结合的方式实现，能够针对水体中主要污染指标进行日常水质常规模拟，重现或预测各个不同时段水体的水质状况。用户可在C/S客户端中编辑水质模型的输入条件，包括降雨、工业源等水文数据，流域内点源和非点源污染负荷数据以及水工结构物调度数据等。

2.2.1人工模拟方案设置

系统提供人工手动编制方案功能，能实现日常累积性水质状况的模拟并进行多种不同模拟方案的管理，方便用户手动设置模拟时间并进行实时数据更新，能够重新核算并编辑模型边界条件数据，能对不同重要点位的模拟结果进行对比分析。

水质日常模拟方案设置除了能对模型模拟的时间段、模拟时间步长等参数进行设置外，还能对模型水动力边界、降雨边界、水工构筑物、水质边界进行相应的查看与编辑。

2.2.2负荷增减（污控方案）设置

在进行累积性水质模拟分析时，用户可能会分析某一个或者几个点源或者面源的负荷降低时水质风险变化（如污染负荷削减、土地利用方式和产业结构调整等），系统能够辅助用户生成各类日常水质指标的增减方案或水污染控制方案，提供简单易操作的界面让用户在图上选择需要增减的点源或者面源来对各类日常水质指标进行增减，以对各种水环境污控方案的实施效果进行模拟与方案对比分析。

污控方案实施效果对比分析界面参见图2.22，能够直观的看到针对流域水质改善进行20%污染负荷削减后对不同断面的水质浓度影响情况。

2.2.3B/S客户端效果展示

水质预警也是根据服务器CS程序发布日常模型结果，获得各区域的预测预警数据集，结合GIS地图进行展示，形成区域预测预警专题图供用户查看，给出报警信息，并在图上按照不同颜色对应不同预警情况进行展示。