遼河流域水污染突發事件應急處置系統平臺構建

苑 鵬

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113000)

目前，我國水污染突發事件出現頻繁，危害日益嚴重，對水污染突發事件出現時的應急管理、處理關鍵技術體系和信息可視化管理平臺的研究較多，但仍存在一些不足，如缺乏水污染應急預測模型，水力調度管控決策與實施效果評價脫離，缺少應急預案等[1- 8]。遼河流域水污染嚴重現象實有發生，水資源短缺持續，沒有水污染突發事件應急預案[9- 10]，因此將水污染應急預測模型、應急水利工程調度、綜合數據庫、信息化系統和應急方案等核心技術為基礎與支撐，形成了適用于遼河流域的水污染突發事件應急處置關鍵技術體系，搭建了信息化決策管理平臺，為遼河流域水污染應急處置提供了強有力的技術支撐。

1 系統總體框架

根據水污染突發事件的特點，建立水質預測的水動力水質綜合模型，給定模型參數，以水質模型為基礎，采用數據庫與GIS等技術，構建了流域水污染應急處置系統。該系統由3個子系統組成，即基礎數據庫子系統、水質模型庫子系統和效果展示三維虛擬子系統。當發生流域水污染突發事件，決策者根據基礎數據庫子系統將發生的水污染事件錄入該系統，采用水質模型庫子系統進行水污染預測與模擬計算，然后將計算結果錄入到基礎數據庫子系統，最后將結果通過效果展示三維虛擬子系統表現出各種信息數據。水污染應急響應決策支持系統的總體框架如圖1所示。

圖1 水污染應急響應決策支持系統總體框架

2 決策支持系統關鍵技術

2.1 數據庫管理系統

數據庫系統是水污染突發應急處置平臺建設的基礎，通過地理信息系統、數據庫管理等技術，構建綜合數據庫系統，該系統包括水污染基礎數據、流域信息基礎數據、水資源水質基礎數據、綜合模型、應急處理方案等內容，數據庫系統具有數據提取、信息維護等功能，將上述大量信息數據綜合集成組建到信息系統平臺，為水污染處置提供基礎數據支撐與決策。水污染突發應急處置數據庫搭建，采用Arcgis、數據庫管理系統和計算機網絡技術，建立的數據庫包含流域水文信息、水資源量、水質狀況、水利工程狀況、社會經濟信息等內容要素。通過綜合數據庫信息系統，將數據查詢、統計分析、模擬計算、數據顯示、數據整合處理等內容應用到水污染應急預測和處置方案中，為數據的應用、集成、管理、共享、維護及訪問提供信息化系統平臺，為決策系統平臺的運行與咨詢提供支撐。

根據遼河流域水污染風險源、河流水系與水利工程的實際與特征，以及滿足流域水污染應急水力調節相關技術要求，構建了遼河流域水污染應急水力調度的多層次多領域數據庫，主要包括流域基本信息數據庫和應急處置信息數據庫等兩類信息數據庫。綜合數據庫的構建過程中采用了瓦片金字塔方法，對系統的運行提供了效率，將空間與屬性兩個領域的數據實現了有效銜接，對提高水污染應急處置提供了基礎數據支撐。

數據庫管理系統能夠對數據進行更新，對基礎數據進行整理、處理及查詢，對數據庫的構建進行維護，功能主要有數據的輸入、代碼維護、安全維護、查詢與輸出、備份與恢復、維護與管理、外部接口等7項內容。數據庫外部系統的外部數據接口在綜合數據庫管理系統運行完成后執行。對于用戶，數據庫管理系統功能設計全部統一。數據庫管理系統的功能邏輯結構如圖2所示。

圖2 數據庫管理系統的功能邏輯結構

2.2 模型庫子系統

結合水污染預測模型和水力調節模型的特征，系統對模型開展分類與管理，構建成模型數據庫，與系統進行融合，通過系統將模型的計算結果與數據分析過程以可視化的形式展現出來，從而構建了模型數據庫為基礎的模型管理信息系統。該系統主要功能就是對模型庫中模型進行組織、存儲及運行。用戶可以隨著調用模型管理信息系統中已有數據庫模型，同時可以將新的模型導入到模型數據庫中，不影響對現有數據庫中模型進行維護。模型數據庫與數據庫管理系統存在著相似的地方，但是也不完全的一樣，模型數據庫儲存著不同的計算模型和模型相關參數，包括模型的名稱表、參數表等。

結合流域內河流的特點，采用非恒定流水動力模型對河流的水流運動進行模擬，通過構建水質模型，模擬污染物的遷移轉化過程，分析其變化規律。構建水動力和水質模型，模擬流域水動力和水質的時空變化過程，分析其變化規律，為水污染的預測和水力調度決策提供技術支撐。如圖3所示。

圖3 模型厙管理系統功能結構

2.3 基于KML技術的空間數據管理技術

以數據庫為基礎構建的流域數據庫子系統主要由三維空間數據構成，該系統采用基于KML的標記語言技術，從而實現對三維空間與屬性的數據管理，并為決策支持管理系統對數據的集成提供數據模塊。

利用混合數據存儲方式，也就是以文件形式將空間數據進行存儲，屬性數據由關系數據庫進行管理。空間數據文件與屬性數據庫通過關鍵字段關聯，對屬性數據管理具有操作簡單，對空間數據具有描述準確、維護方便等優勢。根據空間數據的獨特屬性，將空間數據分為地形圖像數據、KML/KMZ層數據、三維模型、矢量層、WMS服務、粒子系統等。空間層次的劃分主要是基于空間數據結構、數據數量、顯示、查詢、模擬分析等方面，從而對數據進行有效的處理和維護管理。例如，為了滿足地形圖像數據快速瀏覽和簡單維護的要求，采用瓦片金字塔技術建立空間數據金字塔數據庫，從而確保地形圖像數據的瀏覽速度；對于矢量數據，需要查詢定位、設置樣式、設置比例、集成和共享屬性數據，因此矢量數據以國際標準數據KMZ/KML形式存儲。如圖4所示。

圖4 基于KML技術的空間數據管理技術構架

2.4 三維虛擬現實子系統

由于水污染預測模型模擬污水量演變過程中表現出來的是數值或者符號，因此有必要借助可視化形式表達直觀地再現模型計算結果，從而才能對各種方案進行更好的分析與比較。因此，水污染應急處置三維虛擬系統是水污染應急處置系統的關鍵組成部分，通過水污染預測、應急處置方案等內容，對研究的流域區域開展三維效果模擬、河道水污染演進過程與計算結果展示、各種應急處置方案結果模擬展示等。

基于GIS的三維模擬系統是通過與決策者的交互協商，查詢流域重要信息，并提供輔助水污染應急處置決策的系統。系統利用投影方法、視頻與音頻處理、信息可視化等技術，構建高質量的視聽虛擬咨詢決策環境；以實時監測數據、水污染預測模型為基礎的計算結果信息，通過結合高科技綜合開發，形成具有較強的實用性和咨詢決策的綜合信息化系統。為用戶或者決策者能夠通過系統平臺提供三維虛擬可視化信息和空間模擬環境信息。通過三維模擬系統能夠清楚的將水污染突發事件的各種信息直觀展現出來，采用決策者商榷方式，對水污染應急處置、關鍵問題、方案優選等信息內容進行咨詢決策。如圖5所示。

圖5 三維虛擬現實子系統結構

3 決策支持系統平臺實現

3.1 系統平臺

在數據庫子系統、模型庫子系統和三維虛擬現實子系統的基礎上，對3個子系統進行綜合集成，開發了水污染突發事件應急處置決策支持信息化系統，該系統對水污染突發事件應急預測預警與水力合理調度提供技術支撐。

基于GIS的水污染監測和應急處置模擬、研究區三維漫游、河流水量和水質三維空間信息、水質計算結果與模擬結果的信息查詢，污染源信息顯示和查詢等內容。該系統通過三維虛擬系統，將運行結果數據和環境及時與決策者進行交互，能夠展現流域、水利工程、污染演進、水力調度等信息的模擬結果，并通過系統平臺展現，能夠使用戶或者決策者有直觀的體驗，為水污染應急處置提供三維環境，更好地開展水污染預測預報和應急處置。如圖6所示。

圖6 水污染突發事件應急處置決策支持系統平臺

3.2 系統功能實現

3.2.1水文、水質、污染源與排污口監測信息

實現水文、水質、污染源、排污口監測信息的查詢。查詢功能可實現兩種查詢：一種是通過菜單進行查詢，也就是通過系統中“業務信息查詢”菜單欄中“水文信息查詢”、“水質信息查詢”、“污染源信息查詢”、“排污口信息查詢”來實現；另一種是通過圖形來查詢，也就是在三維流域系統界面，選擇水文站、水質站、排污口、污染源以此來查詢流量、水質、排污口、污染源狀況，實現圖形或曲線來查詢。以太子河遼陽市湯河溫泉排污口為例，點擊菜單或排污口元素，彈出排污口屬性數據信息，主要包括排污口名稱、排放方式、排放流向、排放水質濃度及排污口現場照片等信息。如圖7所示。

圖7 水文水質、污染源及排污口信息

3.2.2方案結果的可視化顯示

通過系統平臺，對遼河流域水污染預測預報和水力應急調度模型的計算結果將保存到基礎數據庫中。通過系統平臺中方案顯示模塊提供各種水污染應急處置方案，對各種方案設定參數，可以對具體分配方案的論證結果進行可視化分析，提高水污染應急處置決策的效率和可視化效果。遼河流域水污染應急處置設計場景可視化展示，如圖8所示。

圖8 方案成果的可視化展示

4 結語

本文研發的水污染突發事件應急處置決策支持系統平臺，實現了對流域水環境信息管理、風險源的空間信息管理、突發污染事件模型演算、污染預報、應急水力調度效果計算等多種功能。系統內集成了多個水污染突發模擬事件，在柴河水庫安裝并進行了情景模擬，同時在遼河流域臺安、新民、鐵嶺、盤山等省內多家水利部門進行了安裝和情景模擬，系統平臺成果在遼河流域的廣泛應用效果顯著。