跨界突發性大氣污染防范及應急系統設計與實現

馬 書 明， 張 樹 深＊， 鄭 洪 波， 匡 文 慧

(1.大連理工大學 化工與環境生命學部，遼寧 大連 116024；2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

近年來，我國工業發展飛速，由此造成的環境問題越來越尖銳，極端環境事件頻繁發生.2005年11月13日，中石油吉林石化分公司雙苯廠硝基苯精餾塔發生爆炸，上百噸硝基苯等有毒化學物質隨消防用水排入松花江，并隨江水跨界進入鄰國俄羅斯境內，造成了惡劣的國際影響[1].

松花江水污染事件暴露出我國在跨界突發性重大污染事件防范應急工作中的不足.從國內研究現狀來看，科研領域關于跨界突發性污染事件的研究尚處于空白.基于此，國家于2008年啟動“八六三”國家高技術研究發展計劃重大攻關課題“跨界重大環境污染事件風險防范與應急技術系統”.本文針對跨界突發性大氣污染這一典型事件的實際需求，基于國家突發事件法規準則及突發事故監測、模擬、處理處置方面取得的進展[2－8]，采用.NET、ArcGIS Engine、Oracle、計算機網絡等技術，對跨界突發性大氣污染事件的防范與應急系統進行研究，開發集風險管理和應急處置于一體的跨界突發性大氣污染防范與應急系統.

1 系統總體設計

1.1 系統目標與設計原則

結合跨界事件的特點和用戶的實際需求，本系統目標是構建具有跨界風險源管理、大氣事故模擬、跨級預警報警和應急決策能力的平臺，旨在輔助政府及企業應急部門貫徹平戰結合原則，最大限度地保障人民生命安全和環境安全.

系統具體目標如下:(1)“平時”，系統提供化工石化企業信息和跨界風險源信息管理功能，提供模擬風險源不同情景事故后果的評估功能，提供針對可能的事故情景的預案管理和專家信息管理功能.(2)“戰時”，系統提供多用戶跨界報警渠道、事故源查詢和事故模擬功能，提供專家調用和應急預案調用功能，提供針對事故源的應急防護、應急處置方法等輔助決策功能.

本系統是一項應用目標明確、工程性強的系統開發工程，在設計過程中始終遵循如下原則:(1)實用性原則.系統功能和界面設計以用戶的可操作性及現實需求為第一考慮要素.(2)可靠性原則.系統要確保運行時的穩定性及數據的安全性、系統相關數據和資料的準確性和完整性.(3)標準化原則.系統設計符合開發環境的基本要求和標準，相關數據庫表結構、編碼、符號應符合國家標準和行業規范.(4)可拓展性原則.系統模塊不但滿足當前需要，并可通過模塊的擴充或升級滿足可預見將來需求，以保證系統的先進性.

1.2 系統總體結構設計

1.2.1 系統總體功能結構設計 針對總體目標，系統共設計6個模塊:基礎空間信息模塊、跨界環境專題信息模塊、環境風險源申報模塊、跨界污染風險評價與制圖模塊、跨界污染監控與預警模塊、污染應急與指揮模塊.系統總體結構圖如圖1所示.

1.2.2 系統網絡結構設計 跨界突發性大氣污染防范與應急決策系統涉及4類用戶:化工石化企業、界內應急中心、界外應急中心和政府應急中心.整個系統采用C／S結構，各用戶通過應急內網進行用戶間信息交互.系統網絡拓撲結構圖如圖2所示.

圖1 系統總體功能結構圖Fig.1 Structure of the system

圖2 系統網絡拓撲結構圖Fig.2 Network topological graph of system

2 系統實現

2.1 系統示范區

系統選擇大連市為示范區，以大孤山半島企業作為企業用戶.大孤山半島位于大連市區東北部，大連灣與大窯灣之間，南臨黃海，西南部與甘井子區隔海相望.地理跨度為38°55′N～39°03′N，121°47′E～121°56′E.半島石化企業集中，涉及的化學品種類多，數量和規模大，安全隱患和環境風險突出.半島西北側為大連經濟技術開發區，人口密集.本研究通過構建大連市應急中心—開發區應急中心—半島園區應急中心—企業應急聯動框架來實現系統展示.

2.2 系統開發工具及環境

2.2.1 ArcGIS Engine 由于系統涉及大量地理空間數據，研究選用國際領先的ArcGIS Engine平臺作為地理數據開發平臺.ArcGIS Engine平臺是美國環境系統研究所(ESRI)整合了地理信息系統與數據庫、軟件工程、人工智能、網絡技術及多方面的計算機主流技術，開發出的GIS開發平臺.該平臺支持一系列的應用開發接口(API)，同時提供了大量高級地理信息系統開發控件[9].

2.2.2 .NET 系統采用 VisualStudio.NET開發工具，它由微軟公司開發，主要用于桌面應用程序、Web應用程序、移動應用程序的開發.開發語言選擇C＃，它是微軟針對.NET平臺推出的編程語言，作為.NET平臺的第一語言，它幾乎集中了所有關于軟件開發和軟件工程研究的最新成果，且與 ArcGIS Engine有很好的兼容性[10].

2.2.3 軟硬件環境 系統硬件環境為Intel雙核微機或更高，中央處理器為2GHz或更高，內存1GB以上或更高，顯存256MB以上，硬盤容量不小于80GB，配備以太網卡、高性能顯示系統.

系統開發的軟件環境為 Windows XP Professional(IE 6.0以上)、Oracle數據平臺、ArcSDE 9.3for Oracle、ArcGIS 9.3Desktop、Arc Engine、.Net Frame等.

2.3 系統數據

按照數據的結構，本研究數據可分為3類:地理空間數據庫、基礎信息數據庫和文檔資料庫.地理空間數據庫包括遙感底圖、行政區邊界信息、研究區高程數據、企業及企業布局空間數據、人口密度分布空間數據、敏感受體空間數據、應急疏散交通地理數據等.基礎信息數據庫包括企業基礎數據、重大風險源數據、化學品基本屬性數據、化學品環境標準數據、化學品毒理學數據、大氣擴散模型參數數據、風險預警參數數據、研究區氣象數據、應急專家數據.文檔資料庫包括不同級別的應急預案文檔、化學品應急檢測方法技術文檔、化學品應急處置方法技術文檔、人員應急防范方法技術文檔等.

地理空間數據主要以ARCINFO格式在本機中存儲和管理.基礎信息數據，通過數據庫的規范化設計，以表的形式在Oracle服務器中存儲和管理.文檔資料以富文本格式(rich text format，RTF)進行管理和調用.地理空間數據庫和文檔資料以本機存儲為主，系統可在脫機狀態調用和瀏覽.

2.4 應用功能實現

2.4.1 基礎空間信息瀏覽 該功能由系統的基礎空間信息模塊實現.主要實現功能有遙感數據、行政邊界、高程圖、企業布局信息的瀏覽和添加刪除等功能.瀏覽功能包括地圖放大、縮小、固定放大、固定縮小、平移、全屏顯示等.系統為實現跨界事故的快速判斷，在系統界面設置4個比例范圍下跨界快捷切換鍵，實現4個尺度的地圖視圖(省界、市界、縣區界、廠區界)快速切換，以滿足跨界識別及現場應急的需求.

2.4.2 跨界環境專題信息瀏覽 該功能由系統的環境專題信息模塊實現.主要實現功能有專題信息的瀏覽和檢索功能，專題信息包括企業基礎信息專題、敏感受體專題、氣象數據(風向、風速、降水、云量、輻射與日照、濕度、風向穩定頻率等)、風險評價結果集、企業風險數據信息等.該部分內容為管理者提供跨界事故風險集中審核平臺，同時也為風險評價和預警提供歷史氣象數據參考.

2.4.3 環境風險源申報 該功能由系統的環境風險源申報模塊實現.主要實現功能有:企業信息管理、化學品基礎信息添加和風險源申報管理.企業信息管理主要實現企業數據的申報、修改、瀏覽、增刪等功能.化學品基礎信息主要實現化學品數據的添加、修改、檢索、增刪等功能.風險源申報管理實現企業貯存的化學品基本信息名稱、存量、存儲裝置、存儲溫度、壓力等信息的添加、刪除、檢索等功能.

2.4.4 跨界污染風險評價與制圖 該功能由系統跨界污染風險評價與制圖模塊實現.主要實現大氣風險源的后果模擬:可計算在設定的泄漏量和氣象條件下3種閾值濃度擴散范圍，并在遙感底圖進行結果展示.計算出3種不同濃度范圍內受影響人數，并基于擴散范圍自動辨識是否跨界、跨界類別(國界＼省界＼市界＼縣界)和可能產生事故的級別.評級結果能以圖譜的形式保存.

2.4.5 跨界污染監控與預警 該功能由系統的跨界污染監控與預警模塊實現.主要實現如下功能:可根據事故源的泄漏量和當日氣象條件模擬事故擴散范圍、受影響人數，預判跨界類型和總體事故級別，可將事故信息傳送到其他聯網用戶.警報信息發送后，接受者在系統屏幕前會得到報警指示燈和報警聲音的提示.此外系統還實現了基于報警信息和風向進行空間搜索風險源的功能.

2.4.6 污染應急與指揮 該功能由系統的污染應急與指揮模塊實現.具體功能如下:預案庫，可實現各類應急預案的添加、刪除、編輯、檢索功能；應急檢測方法庫，可提供事故現場應急監測方法和設備信息參考；應急處置庫，實現了事故源處置信息查詢功能，可為事故處置者提供事故源處置方法參考；專家庫，實現了專家信息的管理功能，可在事故發生時，通過庫中專家信息的分類和聯系方法，第一時間通知應急專家趕赴現場.

系統示意圖見圖3.

圖3 系統示意圖Fig.3 Schematic for the system

3 結 論

本文成功利用ArcGIS Engine和.NET框架等技術開發了突發性大氣污染防范與應急系統.系統開發了6大功能模塊，實現了預期目標，填補了我國在跨界事故研究中的空白，對完善環境風險管理體系，增加事故應急處置能力具有一定的指導和實踐意義.

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