清潩河流域水環境預測預警平臺的設計與構建

白云飛，謝超穎，余 璐，張培鋒

(1.許昌市環境監控信息中心，河南 許昌 461000;2.許昌學院 國際教育學院，河南 許昌 461000;3.許昌市環境監測中心，河南 許昌 461000)

清潩河流域水環境預測預警平臺的設計與構建

白云飛1，謝超穎1，余 璐2，張培鋒3

(1.許昌市環境監控信息中心，河南 許昌 461000;2.許昌學院 國際教育學院，河南 許昌 461000;3.許昌市環境監測中心，河南 許昌 461000)

以流域水環境安全為理念，綜合運用互聯網、大數據、云計算、webGIS技術和水質預測模型等現代高新技術，設計、構建了清潩河流域水環境預測預警平臺。通過本平臺的運用，可以實現清潩河流域水質預警信息的空間展示、可視化表達、動態趨勢推演和實時發布等功能，增強清潩河流域水質預測分析和預警預報的科學性、直觀性和及時性，有效保障清潩河流域水質安全，降低水體受污染的風險。

清潩河流域；水質模型；功能模塊；預測預警

以流域為規劃和管理單元的水資源綜合管理概念形成于20世紀90年代。[1]中國流域管理體系中的環境監測預警體系已經逐步從原來的點源、區域監測轉變到流域監測管理層面。[2]以智能化的管理手段來提升流域監測預警體系中的監測數據獲取、評估、預警和應急等功能是現代流域管理的發展趨勢。[3]國內學者已在多流域水污染預警及水環境風險預警等方面進行了一系列的研究，如黃河(蒙古段)流域、遼河流域、太湖流域、漢江流域、三峽庫區、滇池流域的水污染和水環境風險預警系統等。[4-9]

沙潁河作為淮河流域重要的一級支流，其流域面積占淮河全流域的1/7，污染負荷占淮河全流域的1/3，對淮河干流的水質影響較大，“預治淮河，必先治沙潁河”已成為眾多專家學者的共識。清潩河為沙潁河源頭河流，其污染物入河量占河南省轄沙潁河流域的1/5。隨著流域工業化和城鎮化的持續推進，水資源需求進一步增加，污染物排放新增壓力較大，水質改善的形勢依然嚴峻，流域面臨著經濟建設與生態文明建設必須協調發展的多重壓力。因此，在清潩河流域建立一套切實可行的水環境預測預警系統，以滿足流域水環境科學管理、水質預測評價、水環境預警以及應急處置的需求，對將流域水環境的被動管理轉化為主動管理、事后管理轉變為事前管理、常規管理轉變為風險管理具有十分重要的意義。

1 建設目標

基于水質傳感技術、網絡通訊、數據庫、云計算和webGIS技術，利用環境地理信息數據、水環境質量人工和自動監測數據、水文信息數據，結合水文模型和河流水環境質量模擬模型，構建可實現水質監測數據統計分析、異常判別、趨勢分析、風險識別與評估、污染預警、應急措施管控和動態專題圖展示等功能的清潩河水環境預測預警平臺，為清潩河流域水質監管和事故風險管控提供全方位、多角度的決策信息支持。

2 平臺構架

基于流域水環境安全管理的體系性、超前性和平臺可擴展性需求，結合流域河流特征和當前先進信息技術，順應軟件設計的最新發展趨勢，運用數據建模、對象建模和SOA(面向服務)的主流技術和設計思想，提出清潩河流域水環境預測預警平臺設計的總體構架，如圖1所示。平臺構架按邏輯層次分為3層，分別是數據層、計算層和預警服務層。

平臺采用功能模塊化設計理念，并在主系統劃分中采用組合分類方法，以滿足各種業務信息、預測預警信息和應急決策管理信息的查詢、統計、顯示、推送、維護等應用需求。

圖1 平臺總體架構圖

3 預測預警模型

3.1 機理性模型方法

機理性水質模型主要依據能量守恒和物質質量守恒原理，通過運用流體力學中的運動方程、連續方程、能量方程等建立數學模型，對污染物在水體中的擴散趨勢和變化狀態進行定量描述。

滾動預測預警是基于機理性模型建立的針對突發性河流水質事故的預警方法，其核心是基于預測控制理論中的滾動優化。滾動預測預警過程如圖2所示。

當發生突發性水質污染事故時，首先，數據觸發模塊會動態更新水質數據庫的污染物數值，并調用觸發器，觸發后續模塊的運行；第二，水文數據預測模塊預測出相關的水文數據，作為模型的輸入數據；第三，模型計算模塊運行模型，得到污染物濃度的仿真值；第四，模型校準模塊使用實時校準技術，對仿真值進一步優化；最后，預警評價模塊通過前面幾個模塊獲得的污染物相關信息，確定污染等級和污染的持續時間，為應急決策提供依據。

3.2 非機理性模型方法

非機理性模型方法主要是使用統計分析、機器學習等數據挖掘方法建立數學模型來預測水質污染物的變化趨勢。非機理性水質模型的模擬對象大多是某一特定的水質系統，預測過程較為簡單，因而在水質預警領域得到了較廣泛的應用。

圖2 滾動預測預警示意圖

4 功能模塊

系統整體分為模型庫管理模塊、預警任務管理及控制模塊、應急監測點布局優化模塊、可視化查詢與展示模塊和預警評價模塊。各模塊之間聯動實現水環境污染的預測預警，既有各自的作用又共同構成了一個整體。平臺功能模塊組成見圖3。

圖3 平臺功能模塊組成

4.1 模型庫管理模塊

本模塊包括了模型調入與查詢、模型添加和模型刪除三個功能，可快速實現不同水環境預測預警需求的模型選取、模型參數查看、模型的更新添加及廢舊模型的刪除。

4.2 預警任務管理及控制模塊

該模塊設計了用戶需求響應、新建預警任務和預警任務管理三項功能。

通過用戶需求響應可以調用相應預警模型，創建新預測預警任務，從而人為地針對特定的對象進行重點預測預警。新建預警任務功能主要幫助用戶在創建新的預警任務時，對諸如開始執行時間、執行頻率、執行函數等運行參數及校正和限制條件進行設置。預警任務管理主要是對預警任務運行過程中運行時間、占用資源等參數進行監控，以防止系統計算過程失敗或陷入“死循環”狀態，引起系統崩潰。

4.3 應急監測點布局優化模塊

本模塊分監測點位布局、點位查詢和點位優化三部分內容。通過該模塊，實現預情發生時自動布設預測點位，并把預測預警點位位置和相關結果信息展繪到二維或三維地圖上，可從全局角度了解流域或報警河段水質的空間分布及污染走勢。隨著污染物擴散的空間尺度和時間跨度的變化，系統適時對預測點位數量和位置進行變動，提高預測結果的準確性。

4.4 預測預警可視化模塊

本模塊分為預測范圍控制、預測結果可視、警情可視三個部分。用戶可通過該模塊設置水質預測的時間跨度和空間范圍，并將經過模型分析預測得出的水質變化過程以曲線、表格或動態專題圖的方式可視化顯示。在系統監控到水質預測結果達到設定的預警條件時，自動將預警發生的地點、級別等相關信息顯示在前臺，供有關部門在最短時間內了解流域水質情況。

4.5 預警發布模塊

本模塊包括警情級別判定、警情預報生成和預警信息發布等內容。其中警情級別判定主要是根據污染物濃度、擴散速度、毒害性、流速流量等信息綜合判定警情級別，并密切監視各項數據的變化以實時調整，直至最后解除警報，保證在整個過程中對警情做出客觀、及時的判斷。

通過警情預報生成和信息發布功能，可對到達設定級別的警情以報告形式匯總相關信息，并及時發送到相應的職能部門和人員，使各部門能夠提前做好準備，為防治水質進一步惡化贏得時間。

5 建設展望

清潩河流域水環境預測預警平臺的設計和構建，綜合運用了物聯網、網絡通訊、云計算和水質預測模型等現代高新技術，實現了流域水質預警信息的空間展示、可視化表達、動態趨勢推演和實時發布等功能，顯著增強了流域水質預測分析和預警預報的直觀性，有效降低了水體受污染的風險。但在預測模型細化研究、預測預警結果精度提高、多風險源疊加結果預警、風險防范和應急預案制定等方面，與業務化、智能化、效能化運用還有一定的差距；同時在本平臺的擴展與共享方面，特別是與本地水環境綜合管理決策系統及智慧環保系統的對接和鑲入方面也需要做進一步的研究，以便更好地為清潩河流域水環境的智慧化管理提供服務。

[1]Biswas A K.Integrated Water Resources Management:A Reassessment[J].Water International,2004,29(2):248-256.

[2]高娟,李貴寶,華珞.地表水環境監測進展與問題探討[J].水資源保護,2006,26(1):5-8,128.

[3]王秉杰.現代流域管理體系研究[J].環境科學研究,2013,26(4):457-464.

[4]劉衛,王克軍,李敬偉,等.黃河(內蒙古段)流域突發水環境風險預測預警平臺構建研究[J].環境與發展,2015,27(4):9-12.

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[6]李維新,張永春,張海平,等.太湖流域水環境風險預警系統構建[J].生態與農村環境學報,2010,26(S1):4-8.

[7]竇明,李重榮,王陶.漢江水質預警系統研究[J].人民長江,2002,33(11):38-42.

[8]張艷軍,秦延文,張云懷,等.三峽庫區水環境風險評估與預警平臺總體設計與應用[J].環境科學研究,2016,29(3):391-396.

[9]張迪,嵇曉燕,宮正宇,等.滇池流域水環境綜合管理技術支撐平臺構建研究[J].中國環境監測,2016,32(6):118-122.

(責任編輯 姚虹)

Design and Construction of Qingyi River Basin Water Environment Prediction and Early Warning Platform

BAI Yun-fei1,XIE Chao-ying1, YU Lu2,ZHANG Pei-feng3

(1. Xuchang Environmental Monitoring Information Center, Xuchang, Henan 461000, China;2.Department of International Education, Xuchang University, Xuchang, Henan 461000, China;3. Xuchang Environmental Monitoring Center, Xuchang, Henan 461000, China)

For the purpose of basin water environment safety, with comprehensive use of modern high technologies, such as internet, big data, cloud computing, webGIS and water quality prediction model and so on, the water environment prediction and early warning platform of Qingyi River Basin has been designed and constructed. For the early warning on this platform, we can have spatial display, visual expression, dynamic trend deduction and real time release to report water quality of Qingyi River and protect water from pollution.

Qingyi River basin; water quality model; functional module; early-warning and forecasting

2017-06-04

許昌市科技攻關計劃項目(20160213147)

白云飛(1981—)，男，河南許昌人，許昌市環境監控信息中心助理工程師，主要從事環境監控信息管理工作。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2017.04.027

X824

A

1008-3715(2017)04-0125-04