清溟河流域水资源综合管理和决策系统

谢超颖 王晓蕾 郭恒亮 田智慧 李强 吴豪杰

摘 要：为了高效管理水资源监测的各类数据和信息，便于用户针对水污染突发事件作出快速响应，以GIS为基础平台，根据清溟河流域特定自然资源和生态环境等特点进行设计，并开发了水资源综合管理和决策系统。该系统将在线网格划分技术融入水质污染扩散的分析和模拟，实现了河流网格划分时网格点与地图的在线联动，提高了水质污染分析的时效性；系统支持多源水文信息监测，扩展了流域水质综合管理的数据类型；解决了水污染事件、水文数据、水质模型和决策者在决策过程中定位不明确的问题，实现了水污染事件的决策支持，提高了水污染突发应急事件响应的自动化程度和效率。

关键词：水环境：水污染：决策系统：清溟河流域

中图分类号：X824

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.019

水资源短缺和水污染问题是目前困扰各国的难题，水环境管理和决策是21世纪全球水资源高效管理的“软方法”之一[l]，因此流域综合管理和决策对于区域可持续发展具有重要作用[2]。随着对水资源管理的日益深入，流域管理模式和决策手段不断更新3-4'。综合管理和决策系统作为及时高效监测、综合处理分析和可视化平台在保障水资源管理效率方面发挥着重要作用[5]。

近年来，国外研究机构研究了适合各流域环境的决策系统，如易北河决策系统[6]和恒河决策支持系统[7]。我国学者建立的管理决策支持系统在流域管理中逐步发挥了重要作用，如三门峡以下非汛期水量調度决策支持系统[8]和海河流域多目标综合管理决策支持系统[9]。虽然现有的流域管理和决策系统可以帮助决策者进行水资源管理、生态保护、污染治理和防治，但仍存在一些局限性：系统中单一数据源的水环境监测和管理不能满足多源水资源信息综合监测和共享的需求：多数决策系统对于描述水污染事件、水资源和决策服务关系的流程不清晰，针对突发水污染事件难以作出快速响应：多数流域管理系统为桌面版，难以保证流域水环境管理的时效性和数据共享。笔者针对上述问题，以清溟河流域为研究区域开展了相关研究。清溟河属淮河流域沙颍河水系，是沙颍河重要的支流之一，发源于新郑市沟草园，于鄢陵县陶城闸下汇人颍河，全长149 km，流域面积2 362 km2。清溟河天然径流匮乏，人工干扰严重，工业化、城镇化带来的污染排放与集约化农业面源污染叠加，具有典型混合型污染河流的特征。清溟河主要担负沿河区域防洪、排涝、纳污及许昌市城区景观水体的重要功能，水环境质量整体提升和环境功能恢复意义重大。笔者设计了清溟河综合管理和决策系统的体系结构，研究了水污染扩散模拟和决策流程，并建立了清溟河流域数据管理、信息分析与可视化的综合管理和决策系统，旨在为清溟河流域的管理和服务等提供辅助决策依据。

1 清溟河流域综合管理和决策系统设计

1.1 系统体系架构

以GIS为基础平台，根据清溟河流域特定自然资源和生态环境等特点进行设计，并开发了水资源综合管理和决策系统。该系统以数据为主线，从底层到顶层分别为数据库、数据处理、人机交互模块和系统用户，见图1。

数据库包括流域文本、表格、地图和图片等数据文件：系统数据处理主要包括数据预处理，数据管理、分析和决策以及输出处理结果，其核心功能为流域水文信息检索查询、污染扩散分析与模拟、流域水污染专题制图和流域水污染应急决策支持：人机交互模块主要实现用户与系统之间的输入与输出，并且通过可视化等模块实现综合管理和决策系统对决策者的图形展示。本文重点介绍水污染扩散模拟和流域水污染应急决策的原理和流程。

1.2 水污染扩散模拟

（1）河流网格划分。为了描述河流横向上的浓度变化，基于一维河段进行了二维河网划分，即在一维网格划分后再进行河流断面等距划分。为了保证网格划分的准确性，减小客户端的计算压力，系统开发了在线网格划分功能，将河流网格划分的计算放到服务器端，客户端只进行参数的输人和结果显示。由此，系统既可以表示河流网格划分的网格点与地图的联动关系，又可以在河流复杂程度不一的情况下为用户提供更加便捷高效的在线河流网格划分服务。

（2）计算河段网格点污染物浓度值。网格划分后，首先求出沿河流方向节点至污染源的距离（X）和河宽方向节点至污染源的距离（Y），然后将（X，y）、污染发生时间t及水质模型的其他参数代人二维稳态模型，从而可以得到每个网格节点的污染物浓度。

X可以通过计算沿河流方向中心线上某点到污染源的距离得到。y的求解根据污染源位置（岸边和非岸边排放）的不同，其计算公式也不同。若设河段划分数为Ⅳ，断面等分数为M，河流宽度为L，则河段截面等分步长Y_step=L/M。岸边排放时，y的计算公式为式中：C为河段中某种污染物的浓度，mg/L；t为时间，s；C_p为排放污水中污染物的浓度，mg/L；Q_p为排放污水流量，m3/s；C_h为河流上游污染物的浓度，mg/L； K_l为污染物的降解系数，l/d；日为平均水深，m；M，为河流横向混合系数，m2/s；u为河流流速，m/s；B为河流平均宽度，m。

（3）污染物浓度插值及可视化。求出每个网格点的污染物浓度后，将网格点图层作为地理处理的输入图层进行污染物浓度插值，从而实现污染物浓度的图形展示。系统浓度插值主要采用ArcGIS的反距离权重法，并按照河道范围进行了掩膜提取、栅格转面和平滑处理，最后输出污染物浓度的可视化图像，完成水污染扩散的模拟。

总之，系统的水污染扩散模拟是在流域水环境质量及污染监测的基础上，通过清溟河水质模型的运用，对监测数据进行挖掘与分析，并将模型计算结果以可视化形式显示，形成基于水质模型的污染分析服务，从而实现对水质超标断面的预警预报。

1.3 系统决策过程

系统的流域水污染应急决策过程可以通过流域水污染突发事件触发。通过建立水污染事件中所需的水资源、水质分析和决策者事件处置的关联，实现决策者对流域水污染事件的应急决策。在整个决策过程中，各个环节都与数据库发生直接或间接交互。数据库是整个决策过程的中心，见图2。

系统决策流程：0.监测，针对清溟河流域的监测断面进行水文信息监测，这是清溟河流域综合管理与决策数据获取的主要来源：1.存储，将流域的水文信息、水质模型和水污染事件存储到数据库中：2.查询获取数据和分析模型，污染扩散的水质分析和水污染专题制图功能可以从数据库中获取所需的数据或模型，从而实现水质分析或制图：3.制图或分析结果存储，存储上一步的处理结果，将其作为水污染应急决策的数据来源：4.水污染事件触发，对日常监测时各数据关键参数进行阈值判断，当某个参数超过阈值时，作出响应并触发水污染决策功能：5.调用分析和制图结果或者获取相关数据及事件信息，在确定水污染事件成立后从数据库中调用相应的数据和分析结果，进行决策处置：6.决策服务执行，采用相应的水文信息资源，执行决策流程，得到决策方案：7.决策结果反馈，将决策结果返馈给决策者，若方案可行则继续进行，否则返回上一步重新制定决策方案：8.决策结果处置，应用决策方案解决水污染事件，降低事件造成的损失：9.决策结果与处置信息存储，存储决策最终处置结果到数据库，便于优化相关方案，提高系统决策的适用性。

2 系统功能实现

该系统开发语言为C#，OraCle为后台支撑数据库。系统数据库主要包括空间数据库和属性数据库，分别用于存储清溟河水环境综合管理的地理要素和属性信息。系统基于在线网格划分、水污染扩散模拟和决策支持技术实现对清溟河流域水环境的全面感知。

（1）在线网格划分技术。系统可以实现在线河流网格的快速划分，便于用户针对流域水环境进行分析和决策。目前，河流网格的划分主要基于C/S（客户端与服务器）结构实现，这种结构难以及时快速地处理分析信息，而本系统采用的在线网格划分技术，可以实现数据的在线处理和共享，保证了水文信息的时效性。

（2）水污染擴散模拟技术。系统通过ArcGISServer将浓度插值、栅格化、栅格转面和平滑面四个地理处理服务发布成GP服务（地理数据处理服务），当确定GP服务的输人参数，并调用输出结果后，可以根据时间变化输出污染物浓度分布图，从而实现污染物浓度的扩散模拟。

（3）决策支持技术。系统的决策流程面向流域水环境监测的不同阶段，可以帮助用户进行水污染事件的快速分析与决策，为用户提供水污染事件的应急决策支持。

3 系统应用

清溟河水环境综合管理和决策系统初始化后，可以显示流域地理信息、水文信息和污染源监测等基本情况。用户可以在主界面上单击监测断面的位置，在弹出的新窗口中浏览断面的基本信息，并且可以通过单击排污口的图标，在主界面上显示该排污口历史数据的柱状图和详细信息，实现属性信息和地图数据的联动展示。

系统还可以提供水污染事件的决策支持。以清溟河流域2014年12月29日的水污染事件为例，在监测到污染物超过设置的阈值后，系统开始执行水污染应急决策服务，见图3。首先，按照决策服务流程进行水污染事件判断，判别为污染事件后，调用二维水质模型进行水质污染扩散的分析和模拟，并根据事故发生的情况设置模型参数（见图4，污染源类型为二维稳态岸边污染源）：然后，系统模拟出下游各个时刻污染物扩散的过程，计算得到最高浓度值和最高浓度值出现位置与排污口的距离，并提供不同时间、不同观测点的污染物浓度：最后，系统将相关分析结果返回决策服务进行决策评估，并获得决策评估结果，给出水污染应急决策的处置方案，最终实现决策结果的存储和发布。在系统决策服务流程中，必须按照步骤执行，只有完成决策服务流程中某一步的判断后，才能进行下一步操作，以保证决策结果的可靠性。

4 结语

相较于已有研究，清溟河综合管理和决策系统具有如下特点：支持多源水文信息监测，扩展了流域水质综合管理的数据类型；解决了水污染事件、水文数据、水质模型和决策者在决策过程中定位不明确的问题，实现了水污染事件的决策支持，提高了水污染突发应急事件响应的自动化程度和效率：实现了水污染的在线分析和决策，为流域数据提供了数据共享和决策平台。总之，清溟河水环境综合管理和决策系统为流域水环境治理和应急管理等业务提供了可靠的决策支持，提高了清溟河流域整体水环境管理的智能化水平。下一步需要研究如何在三维上动态地加载水文模型进行决策支持，为流域水污染治理智慧化建设提供更加高效、准确的水环境信息。

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