基于3S技術的洪水和水環境健康風險評價與管理平臺構建

趙夢杰 程興無 陳紅雨

基于3S技術的洪水和水環境健康風險評價與管理平臺構建

趙夢杰 程興無 陳紅雨

一、引言

隨著經濟社會的發展，洪災所造成的損失越來越大，而水環境問題也日益突出，因此加強洪水和水環境健康風險評價與管理的研究非常必要，這對于流域的可持續發展意義重大。

對洪水風險進行評價，目的是為決策者提供定量化的洪水風險程度數據。周成虎等提出了基于地理信息系統的洪災風險區劃指標模型，得出遼河流域洪災風險綜合區劃；解家畢探討了流域大尺度洪水風險模擬方法，重點考慮了防洪設施在洪水風險管理中的作用，突破了原方法中只單純地考慮洪水的水文現象或結構可靠性評價。對水質健康風險進行評價，可定量地描述環境污染對公眾健康危害的程度，水質健康風險評價模型在20世紀80年代興起，美國的Dennis J. Paustenbach將水質健康風險評價模型用于農藥使用對農業的影響，并進行了相關評價，最終給出多種農藥的使用上限；Michael L.Dourson針對非致癌性污染物進行風險評價，對如何減小由參數RfD、RfC導致的不確定性影響進行了相關研究。我國從20世紀90年代起就有水環境健康風險評價的研究及應用，曾光明等應用水環境健康風險評價模型評價河流水質對人體健康危害的影響；錢家忠等建立了健康風險評價模式，分析與評價了某市供水水源地水質實測資料，這些研究使水環境健康風險評價在我國的應用取得較大進展。

“3S”技術已在淮河流域廣泛應用，GIS目前應用最多，各分布式水文預報系統都基于GIS平臺，RS遙感和GPS全球定位技術目前應用相對較少。縱觀國內外研究，基于3S技術開展流域洪水風險評價已有實踐，然而對于短期暴雨洪水的風險評價較少。另外缺乏流域尺度水環境健康風險方面的分析評價，且對于流域洪水和水環境健康風險評價集成平臺鮮有研究。

淮河流域洪水頻繁發生，洪災造成的經濟損失嚴重，同時淮河流域自20世紀80年代以來，水質呈逐年惡化趨勢。至1995年底，全流域80%以上的河流和水域已受到污染。盡管目前入河污水量和NH3-N有所控制，水質也逐漸改善，但隨著經濟快速發展和人口的增長，水污染問題仍十分突出。洪水和水環境污染造成的損失往往難以估量且影響深遠，故開展流域層面的洪水和水環境健康風險評價與管理非常迫切且必要，這是實現人水和諧、建設水生態文明的現實需要。

二、風險評價與管理理論基礎

1.洪水風險評價與管理理論基礎

洪水風險評價與管理是以洪水預報技術和洪水風險評價技術為基礎。目前洪水預報技術成果較多，我國七大流域基本上都有了比較完善的實用水文預報方案。在洪水作業預報中，水文預報模型主要有新安江模型、雙超產流模型、河北雨洪模型等，國外引進的模型主要有水箱模型、薩克拉門托模型等。

對于洪水風險評價技術，目前國內外提出的評價方法很多，如專家評價法、經濟分析法等。數學方法中應用較多的有：多目標決策法、數據包絡分析法等。目前應用最為廣泛的為模糊綜合評價法（FCE），該法可對涉及模糊因素的對象系統進行綜合評價，而且更加適宜于評價因素眾多、結構層次多的對象系統。洪水風險評價實際上是一個多因素指標綜合過程，由于研究方法不同，建立的洪水風險評價指標體系各有不同。

目前，常規的洪水風險預警就是編制洪水風險圖，對可能發生的超標準洪水的演進路線、淹沒水深、淹沒歷時、淹沒范圍及流速大小等過程特征進行預測，以標示洪泛區內各處受洪水災害的危險程度，是非常重要的防洪非工程措施，這是對某個地區進行一種長期且靜態的洪水風險評價模式。然而洪澇災害的發生一般具有突發性強的特點，根據洪水風險評價的有關原理、指標選取原則及淮河流域的實際情況，本文擬構建區域短期洪水風險評價指標體系見表1。

表1　區域短期洪水風險評價指標體系

2.水環境健康風險評價與管理理論基礎

水環境健康風險評價與管理主要包括水質監測與預報技術、水環境健康風險評價和水環境管理三部分。水質監測與預報技術，常規的監測模式是定點定期，隨著3S技術的發展，產生了大量的基于遙感和地理信息系統的水質監測方法，連續在線水質監測方法成為水環境監測發展的一個重要趨勢。現有水質預測模型大致可歸納為數理統計預測法、灰色系統理論預測法、神經網絡模型預測法、水質模擬模型預測法和基于混沌理論的水質預測法等五大類，此外不確定性理論與非線性系統理論的發展將為預測模式的產生提供理論支持。

水環境健康風險評價主要是針對水環境中對人體有害的物質進行分析，這些物質一般分為基因毒物質和軀體毒物質，前者包括放射性污染物和化學致癌物，后者則指非致癌物。根據污染物對人體產生的危害效應，可分別建立放射性物質、化學致癌物、非致癌物所致健康危害的風險模式，水環境總的健康危害為三者之和。

三、風險評價與管理平臺構建思路及技術路線

1.風險評價與管理平臺構建思路

流域可持續發展涉及的因素較多，本文重點考慮對流域影響較大的洪水和水環境兩大因素，基于“3S”技術，擬構建一個洪水和水環境風險評價與管理平臺。作為開源性平臺，首先在平臺上面搭建洪水風險評價與管理系統、水環境健康風險評價與管理系統，后期根據現實需要可以搭載功能更加豐富的水信息化系統，各個系統之間既可以相互獨立運行，也可相互耦合實現平臺性能的最大化。兩大系統里面包含的模塊見圖1。

圖1　洪水和水環境健康風險評價與管理平臺結構框圖

2.技術路線

由于嵌入式系統具有內核小、系統精簡、專業性強、操作系統實時性高的特點，是一個硬件與軟件的綜合體，故本平臺擬采用嵌入式系統設計數據采集與傳輸模塊。信息采集與傳輸模塊是整個平臺運行的核心組成，是整個系統的數據保障。信息采集與傳輸模塊由實時動態采集子模塊、分布式同步子模塊及人工預入子模塊構成。

4G是一種具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能的移動通信新技術，它采用的是分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量；并且4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互聯，因此4G技術將成為較為理想的數據傳輸方法。

信息管理技術采用分布式體系結構的WebGIS，即分布式瀏覽器/服務器（B/S）結構，實時監測部分采用客戶端/服務器（C/S）結構。國外有代表性的系統平臺有ESRI公司的MapObjects IMS和ArcViewIMS，后來合并為Arc IMS；Mapinfo公司的MapXtreme等。國產Web GIS平臺有國家遙感應用工程技術研究中心的地網GeoBearzs、中地軟件的MAPGIS-IMS等。擬選擇適合洪水和水環境健康風險評價與管理平臺特點的WebGIS作為軟件平臺，針對系統結構和系統功能進行開發研究。對于洪水預報、洪水風險評價、洪水風險管理，水質監測與預測、水環境健康風險評價、水環境健康管理等模塊，由專業技術人員編程實現其功能。

四、洪水和水環境健康風險評價與管理各系統設計

1.洪水風險評價與管理系統功能

根據以上理論研究，擬構建的洪水風險評價與管理系統的邏輯結構見圖2。其中洪水分析評價主要包括洪水風險災前評估和洪水災后評價，洪水風險管理主要包含三維動畫仿真模擬、短期暴雨洪水風險圖繪制、防汛決策確定、預警信息發布。其中三維動畫仿真模擬主要運用虛擬現實技術進行對洪水演進的動態變化過程進行模擬，可為防汛決策人員提供直觀的洪水變化形勢。防洪工程方案主要包括江河堤防、河道治理及護岸（灘）工程、防洪閘和山洪防治等傳統方案，非工程方案是防洪工程方案的重要補充。

圖2　洪水風險評價與管理系統的邏輯結構圖

2.水環境健康風險評價與管理系統功能

根據以上理論研究，擬構建的水環境健康風險評價與管理系統的邏輯結構見圖3。進行水質實時監測，建立突發水污染事故條件下的預警模型，實時模擬污染物泄漏對下游水源地等敏感目標水質的影響；建立污染物溯源模型，追溯最大可能污染源。通過GIS與水環境數學模型的集成，進行固定源的濃度場和流場模擬，進行水質預測。水環境健康管理從流域層面考慮，主要包括對工業污染物、城市生活污水、農村生活污水、農田面源這幾個方面進行控制，確定污染控制工程方案和非工程方案。

圖3　水環境健康風險評價與管理系統的邏輯結構圖

五、結語

本文從淮河洪澇及水環境多年研究成果及實際出發，分析了開展流域層面洪水和水環境健康風險評價與管理的必要性。對于洪水風險評價與管理和水環境健康風險評價與管理的研究現狀及趨勢作了詳細闡述，在分析了常規洪水風險圖優劣勢的基礎上，建立了區域洪水風險評價指標體系，且構想了洪水、水環境健康風險評價與管理系統的邏輯結構圖，擬構建基于3S與現代通信技術的風險評價與管理集成平臺，從而實現洪水、水環境健康風險評價與管理的有機集成。加強流域層面的洪水和水環境健康風險評價與管理研究，對于實現人水和諧、建設流域水生態文明具有重要意義。

由于洪澇災害、水污染事故的突發性及不確定性，加強不確定性理論的研究很有必要，將不確定性理論應用于洪水預報、水質預測需作進一步深入研究。此外，隨著3S與計算機技術的發展，將洪水演進模型、洪水風險管理、水質模型等與地理信息系統有機結合起來意義重大，這將進一步加快洪水和水環境健康風險的評價與管理

（作者單位：淮河水利委員會水文局（信息中心）233001）