流域水污染事故預警及應急響應系統整體框架設計

賴曉珍 賈 利陳煉鋼 施 勇

流域水污染事故預警及應急響應系統整體框架設計

賴曉珍1賈 利1陳煉鋼2施 勇2

1 引言

我國近年發生的環境事故中，水污染事故占52%～60%，列居首位。水污染事故具有不確定性、流域性、處理的艱巨性和危害的長期性，直接影響居民飲用水安全，易對區域經濟、社會穩定構成威脅和損害，是典型的公共安全問題。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中的重點領域“公共安全”明確提出“加強對突發公共事件快速反應和應急處置的技術支持，形成科學預測、有效防控與高效應急的公共安全技術體系，構建國家公共安全早期監測、快速預警與高效處置一體化應急決策指揮平臺”。《水利發展“十二五”規劃》指出，當前水污染事件時有發生，嚴重威脅公共安全，而水利應急處理能力不足，需要健全應對嚴重自然災害和突發事件的能力。《水利科技發展“十二五”規劃》指出水利信息化和防災減災領域需要重點突破和解決“極端水事件預警預報信息支撐技術”、“重大突發水事件的應急管理機制及對策”，為建立突發水資源事件應急調度與管理技術體系提供技術支撐。因此，以3S技術為支持、水質預警預報模型為核心、信息采集為基礎、網絡通訊為保障，建設面向管理和服務于決策的可視化動態應用型流域水污染事故預警及應急響應系統是非常必要的。

2 系統邏輯架構

依據決策指揮流程（情報活動—決策分析—決策實施），流域水污染事故預警及應急響應系統的邏輯架構應包括以下6層：數據采集層、數據傳輸層、數據處理層、數據存儲層、決策支持層和決策調度層，如圖1所示。

2.1 數據采集層

作為整個系統基礎，數據采集層主要完成整個系統的數據采集工作。采集的數據源主要由實時監測數據和非實時的常規數據兩種數據形式構成。

2.2 數據傳輸層

數據傳輸是整個系統的神經中樞，負責各類采集數據的有效傳輸。根據各類采集工作的地理位置、網絡環境現狀、緊急程度和所采集數據類型的不同，將視具體情況采用GPRS/GSM、北斗衛星、水利專網和Internet網等多種方式互為備用，同時使用數據壓縮和加密技術，確保各類信息及時、有效、準確傳輸。

2.3 數據處理層

數據處理是將采集的信息進行加工處理,內容包括數據標準和格式的統一、數據錄入、數據整理和數據導入及導出接口開發等項工作。按照數據性質的不同又進一步分為實時數據處理、GIS數據處理、遙感數據處理，同時通過數據庫管理系統實現數據維護與更新等。

2.4 數據存儲層

數據存儲層基于大型商業數據庫管理系統，負責各類業務相關數據的存儲管理。根據流域水污染事故預警及應急響應的需要，按照數據性質以及服務對象的不同進行分類組織，設計10種類型的數據庫：地理空間數據庫、危險化學品數據庫、水文信息數據庫、水質信息數據庫、工情數據庫、應急資源信息數據庫、模型參數庫、文檔及多媒體數據庫、模型計算成果數據庫和專家知識庫。

2.5 決策支持層

決策支持層主要針對水污染事故預警及應急響應的業務需求，開發業務分析子系統。系統由若干功能服務模塊組成，提供模型計算、知識推理，共同解決水污染事故預警及應急響應中的結構化與非結構化問題，同時通過GIS可視化技術將模擬計算成果直觀展示。

2.6 決策調度層

決策調度層基于決策支持層提供的各類決策信息，利用監控中心提供的硬件環境，為領導、專家和業務管理人員提供決策調度的支撐平臺，實現水污染事故應急管理的工作目標：水資源保護基礎信息的數字化管理、重大危險源辨識與預警、水質實時監控與預警、事故源快速準確定位、污染物擴散快速預報預警、信息快速上報下達、應急監測與處置方案快速制定、應急監測與處置資源快速調配、事故后果科學評估、多元決策支持（定量模型計算與定性專家知識高度整合）。

3 系統物理架構

根據系統的邏輯架構，流域水污染事故預警及應急響應系統應由以下5個子系統組成：信息采集子系統、網絡通訊子系統、數據庫子系統、業務分析子系統和監控中心，同時在多個方面采用安全設計來保障系統的安全運行。系統物理架構如圖2所示。

3.1 信息采集子系統

信息采集子系統通過建設移動監測與常規監測體系，實時監測水質的動態變化。其中，移動監測通過配備應急指揮車、應急監測船和相應的監測設備，一方面能在水污染事件發生時，第一時間趕赴事發地點，跟蹤監測污染物的推移變化，為水質預警預報提供更全面的實時信息；另一方面能對所管轄河段排污進行監督巡查。常規監測通過建設水質自動/人工監測站，實時監控主要斷面的水質變化，在未及時發現污染事件時通過分析水質變化趨勢進行預警。

3.2 網絡通訊子系統

網絡通訊子系統主要負責信息的傳輸與交換，一方面將信息采集子系統采集到的水質信息、GPS定位信息以及視頻圖像等傳輸到監控中心經過處理進入系統數據庫；另一方面將決策會商確定的人員與設備的調度指令下達或傳達到對應的責任部門和責任人員，同時負責將事件的相關信息在有關部門之間進行通報以協調應急工作的展開。

3.3 數據庫子系統

數據庫子系統主要負責存儲各類信息，一方面存儲系統業務分析所需的各類基礎數據；另一方面存儲系統業務分析成果。水污染事故影響的范圍大、涉及的專業領域廣，所需信息量相當龐大。根據水污染事故應急管理的需要，采用Oracle商業數據庫管理系統作為系統運行過程中各類數據存儲和管理的平臺。

3.4 業務分析子系統

從服務應急管理工作需求出發，水污染事故應急管理業務分析子系統采用B/S與C/S混合結構，采用J2EE的SSH框架開發6個功能服務模塊：信息管理模塊、應急預防模塊、應急預警模塊、應急決策模塊、應急調度模塊、系統幫助模塊。

3.5 監控中心

監控中心為水資源保護的信息管理和水污染事故的應急管理提供一個集數據匯集、處理、查詢、分析、顯示等多功能于一體的信息中心。中心主要建設內容包括信息收發及處理系統，大屏幕信息監控系統，中心局域網及相關配套設施建設三大部分，實時監控水質變化，同時在水污染事故期間作為應急響應的決策調度指揮中心。

3.6 安全保障

水污染事故應急響應管理工作對系統安全性有很高的要求，系統應能長時間持續穩定運行，在出現故障的情況下能快速恢復。為此，系統將采用物理安全設計、系統安全防護設計和數據備份與恢復多重措施來充分保障系統的安全運行。

4 系統業務流程

在應對水污染事故時，系統需要完成污情、水情、工情等與事故應急響應相關信息的收集、整理；完成污染物推移擴散的預測預報、災情預測，依據決策目標和可使用的減污手段設計出一組實現決策目標的可行方案，分析每個可行方案的風險及后果；在認清事故形勢的基礎上，以損失最小等為目標，通過會商進行方案補充調整，定出滿意方案予以實施。系統業務流程如圖3所示。

5 結語

根據流域水污染事故預警及應急響應工作的需求，系統架構在邏輯上分為6層：數據采集層、數據傳輸層、數據處理層、數據存儲層、決策支持層和決策調度層；在物理架構上由5個子系統組成：信息采集子系統、網絡通訊子系統、數據庫子系統、業務分析子系統和監控中心。系統在應對突發水污染事故時，按照信息采集、信息傳輸、決策支持業務分析、決策會商和決策實施5個流程，調用相應的子系統和功能模塊，實現水污染事故應急管理的10個目標：水資源保護基礎信息的數字化管理、重大危險源辨識與預警、水質實時監控與預警、事故源快速準確定位、污染物擴散快速預報預警、信息快速上報下達、應急監測與處置方案快速制定、應急監測與處置資源快速調配、事故后果科學評估、多元決策支持

1.淮河流域水資源保護局 233001 2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室 210029）