GIS技術在突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)中的應用研究

陳蓓青，譚德寶，宋 麗

GIS技術在突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)中的應用研究

陳蓓青，譚德寶，宋 麗

（長江科學院空間信息技術應用研究所，武漢 430010）

在介紹組件式GIS技術、ArcGISEngine及GIS空間分析技術的基礎上，結合突發(fā)性水污染事件應急管理體系的業(yè)務要求，探討了在本底空間數(shù)據庫的支持下，構建基于GIS技術的突發(fā)性水污染應急響應系統(tǒng)的主要內容及方法。為GIS技術更好地應用于水資源管理，最大程度地減少水污染造成的危害，提供先進可靠的技術支持。該研究的成果已在長江三峽庫區(qū)萬州段獲得了實際應用。

GIS技術；突發(fā)性水污染；應急響應系統(tǒng)

1 概 述

近年來，我國突發(fā)性水污染事件頻繁發(fā)生，已引起社會的廣泛關注和各級政府的高度重視。突發(fā)性水污染事件頻發(fā)的主要原因是企業(yè)違法（超標）排污和企業(yè)安全生產事故、海損事故、陸路交通事故和碼頭泄漏事故等增多。長江流域突發(fā)性水污染事件也有逐年增加的趨勢，影響重大的水污染事件有：葛洲壩庫區(qū)黃柏河黃磷污染事件、萬州航空油泄漏事件、沱江污染事件、重慶墊江縣英特化工有限公司爆炸事故等。與此同時，長江船舶與陸域運輸交通事故所引發(fā)的水污染事件也呈上升趨勢。

根據突發(fā)性水污染事件應急管理的特點，一方面，水資源保護管理需要大量的社會經濟、水文、水質、河道、水功能區(qū)、取水、排水、水利工程、水生態(tài)環(huán)境等信息支持；另一方面，突發(fā)性水污染事件具有突發(fā)性、很強的不確定性（發(fā)生時間、事故地點、污染強度、污染物類型、水文條件等）和階段性（突發(fā)性水污染事件僅在一段時間內存在，隨水流逐漸擴散、衰減）等特點。因此，利用現(xiàn)代的網絡通信、計算機、信息管理等技術，借助地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等手段，研究建立實用有效的應對突發(fā)性水污染事件的應急響應系統(tǒng)，對提高應急指揮的快速性、有效性、準確性和科學決策水平，具有極大的實用性，在保護生態(tài)環(huán)境、保證供水安全等方面具有重大的現(xiàn)實意義。

2 組件式GIS及ArcGISEngine技術

地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計算機軟硬件平臺支撐下的采集、存儲、管理、分析描述與空間地理分布有關數(shù)據的空間信息系統(tǒng)［1］。作為一個強大的空間數(shù)據管理工具，它強調的是空間實體及其關系，不僅有空間分布位置信息，還同時具有屬性信息和拓撲空間關系信息。GIS的優(yōu)勢在于它的數(shù)據綜合、地理模擬、區(qū)域空間分析、多要素綜合分析和動態(tài)預測能力，在于它集空間數(shù)據的獲取、管理、處理、分析和模擬顯示于一體的數(shù)據流程。

組件式GIS可通過標準通信接口實現(xiàn)交互，嵌入通用的開發(fā)環(huán)境（如VB，VC等），實現(xiàn)GIS功能及開發(fā)GIS應用系統(tǒng)。ArcGIS Engine是美國ESRI公司推出的由一組核心ArcObject包組成并用于構建定制應用的完整GIS組件庫，可幫助用戶實現(xiàn)地圖制作、地圖編輯、地理編碼、查詢與分析等功能。

本文中突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)是以長江三峽水庫萬州區(qū)約60 km江段為示范區(qū)，采用ArcGIS組件技術，利用其在空間分析、多要素的綜合管理、開放性等方面的優(yōu)勢，構建的一個實用有效應對突發(fā)性水污染事件的應急響應系統(tǒng)。

3 GIS技術在應急響應系統(tǒng)中的應用

3.1 突發(fā)性水污染事件緊急處置查詢系統(tǒng)的建立

在本系統(tǒng)中，GIS查詢和分析模塊采用基于COM技術的組件式GIS開發(fā)技術，在Visual Basic 6.0中利用ArcEngine9.2來實現(xiàn)空間數(shù)據和屬性數(shù)據的存儲、管理、查詢和分析功能。

系統(tǒng)查詢包括對水文站點水文數(shù)據的查詢、水質監(jiān)測斷面水質監(jiān)測數(shù)據的查詢、排水口基礎數(shù)據的查詢以及水功能區(qū)的查詢等。如圖1所示。用戶通過點擊地圖上的水文站點，可連接相應的水文數(shù)據庫，獲取水位、流量等數(shù)據作為水污染模型計算的初始條件。

圖1 水文站水文數(shù)據查詢Fig.1 The data query of a hydrologic station

將水質數(shù)據取樣后，如何選擇最近的水質監(jiān)測站點，這就需要用到GIS中的最短路徑分析功能。最短路徑是指在一個非負權值圖中找出兩個指定節(jié)點間的一條權值和最小的路徑。我們首先獲取兩類信息：結點最大編號和每一條路徑的權值。并將數(shù)據存儲在圖形的屬性表中。通過遍歷路徑圖形要素，將路徑的權值賦值給鄰接矩陣的每個要素，不存在連通的路徑可用一個大值表示（如99999）。然后根據弗洛伊德試探法，得到每2個結點之間的最短路徑值和經過的結點編號。這樣通過2個二維數(shù)組就可最終得到最短路徑值和最短路徑經過的結點集。最后調用DrawShape方法和FlashShape方法實現(xiàn)繪圖和閃爍。如圖2所示，點1代表取水樣點，點2代表附近的水質監(jiān)測站，白線即為系統(tǒng)確定的到達最近的水質監(jiān)測站的路徑。

3.2 水質模型計算使用的DEM網格

為了與突發(fā)性水污染應急響應系統(tǒng)的三維仿真場景等模塊兼容，并考慮到可移植性、實用性，水質模型開發(fā)采用了DEM（數(shù)字高程模型）網格作為模型計算的基礎網格。DEM是GIS技術中常見的地形標準，其網格一般為正方形網格。為了保證水質模型的計算精度，DEM還需要進行加殼變換或蛻皮變換等處理［2］。

加殼變換定義為

圖2 水質監(jiān)測站最短路徑查詢Fig.2 Shortest path reference of a water quality monitoring station

其中，所謂殼指實體外表鄰近厚度均為L的外殼。

蛻皮變換定義為

其中XB1（L）為皮。

在使用DEM格網的萬州段水質模型中，皮或殼代表邊界，均為過水區(qū)域。蛻皮雖然會將外表面寬度不大于2L的凸部蝕去，但是由于其蝕去的區(qū)域仍然為邊界，可以過水，故對計算精度影響不大。而加殼卻有可能將外表面寬度不大于2L的凹部粘連起來，使原來不連通的水流相互連通，造成較大的計算誤差。因此在萬州示范段中，水質模型在處理DEM時主要采用蛻皮算法，保證了計算的精度，使水質模型能夠適應不同地形以及水文條件變化造成的計算區(qū)域變化；同時，由于模型直接利用了DEM網格節(jié)點布設計算、求解變量，其計算網格與仿真系統(tǒng)采用的網格完全一致，因此可以與三維場景下的應急系統(tǒng)完美耦合。

3.3 開發(fā)應急響應專家決策支持系統(tǒng)

根據應急響應的特點，在突發(fā)性緊急事件發(fā)生時，相關部門將根據事先安排好的處置流程（即預案），結合實際情況進行決策、指揮、調度。這個過程實際涉及3方面的內容：預案、案事件相關信息的快速準確獲取、指揮調度的上通下達［3］。因此，系統(tǒng)的GIS專業(yè)模塊開發(fā)內容包括以下兩方面內容。

3.3.1 預案處置模式化

根據突發(fā)性水污染事件報告和處置程序，分別建立相應的預案處置模式庫。通過分析各種預案的處置模式，把已有的預案資料處理成主題詞索引及處置方式描述的固定文檔結構，將原來的純文字描述性的預案文檔處理成可查詢、可組合的具有計算機語義的信息，從而快速提取出事件發(fā)生地點、性質、案情簡要描述等關鍵信息，供輔助決策系統(tǒng)進行快速查詢及調用。同時，也可將已發(fā)生過，處理完畢的歷史事件存檔，以供將來處理類似事件時參考。如圖3所示。

圖3 相關信息查詢Fig.3 Relative information reference

3.3.2 水污染事件影響評估

建立災害預估系統(tǒng)，對發(fā)生水污染事件后的決策有重要的支持作用。災害損失的影響因素很多，而作為水污染事件的災害預估，其中最重要的一個因素就是取水量。我們根據水污染源的類型、污染物質的種類、濃度和數(shù)量以及對人畜等的危害性等，在污染團擴散模擬（速度和范圍）基礎上，利用GIS技術多邊形截選功能獲得從污染源開始到擴散完成所影響的所有取水口信息，如圖4所示。根據濃度的變化，結合水功能區(qū)的劃分標準計算出影響每個取水口的時間和程度，從而獲得對取水量的損失影響大小。以此輔助人口統(tǒng)計資料、土地利用狀況資料等來評估突發(fā)性水污染所造成的災害損失大小。

3.4 污染擴散應用實例

以萬州江段發(fā)生溢油事故為例，溢油量10 m3，在無風情況下，首先以FAY模式模擬溢油的前期擴散，以油粒子模式模擬油膜的運動和后期擴散、分散等過程。其分析模擬結果如圖5至圖7所示。通過以長江三峽水庫萬州區(qū)約60 km江段模擬突發(fā)性水污染事件的發(fā)生，用建立的應急響應系統(tǒng)來進行相應的運作，可以達到高速的反映和決策系統(tǒng)的起動。

圖4 取水口報警查詢Fig.4 W ater intake alarm reference

4 結 語

圖5 突發(fā)溢油位置圖Fig.5 Position of sudden oil-overflow

圖6 溢油后3 h模擬Fig.6 Sim lulation of an oil-overflow accident after 3 hours

圖7 溢油后4 h模擬Fig.7 Simulation of an oil-overflow accident after 4 hours

將GIS技術運用到突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)中，利用其強大的空間數(shù)據組織能力，空間分析能力、多要素綜合分析和動態(tài)預測等能力，按照水污染事件應急管理體系的業(yè)務要求，可將基礎地理、水文、生態(tài)環(huán)境和社會經濟等各類本底信息有機整合，在本底數(shù)據庫的支持下，通過水污染擴散模型的計算分析，進行災情評估和應急預案的分析，為突發(fā)性水污染事故預警預報及應急決策等提供一個高精度、現(xiàn)勢性強、可共享的數(shù)字化輔助決策系統(tǒng)［4］。同時，突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)是一項涉及面廣、影響因素多，機理復雜的應用型研究項目，除了GIS技術外，還涉及到三維虛擬仿真技術、水動力學、污染擴散模型建立和率定等不同的專業(yè)領域。我們在長江三峽水庫萬州段開發(fā)的系統(tǒng)僅僅是對突發(fā)性水污染應急響應系統(tǒng)的一個探索和試驗，但它所展示的豐富的研究內容和廣闊的應用前景，為我們更好地保護和利用水資源，將起到十分關鍵的作用。

［1］ 陳述彭，魯學軍，周成虎.地理信息系統(tǒng)導論［M］.北京：科學出版社，2000.（CHEN Shu-peng，LU Xue-jun，ZHOU Cheng-hu.Introduction to GIS［M］.Beijing：Sci-ence Press，2000.（in Chinese））

［2］ 葉 閩.三峽水庫水污染控制對策研究［J］.人民長江，2001，（7）：44－46.（YEMin.On countermeasures of water pollution control of TGP reservoir［J］.Yangtze Riv-er，2001，（7）：44－46.（in Chinese））

［3］ 錢 江，楊 偉.江蘇省突發(fā)性環(huán)境污染事故應急監(jiān)測支持系統(tǒng)建設框架［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2001，13（5）：1－3.（QIAN Jiang，YANGWei.Frame-work of emergency monitoring support system of sudden environmental pollution accident in Jiangsu［J］.The Ad-ministration and Technique of Environmental Monitoring，2001，13（5）：1－3.（in Chinese））

［4］ 陳蓓青，譚德寶，程學軍，等.三峽水庫突發(fā)性水污染事件應急系統(tǒng)的開發(fā)與研究［J］.人民長江，2006，（5）：89－91.（CHEN Bei-qing，TAN De-bao，CHENG Xue-jun，et al.Emergency system development for sud-denly-happened water pollution event in TGP reservoir ar-ea［J］.Yangtze River，2006，（5）：89－91.（in Chi-nese））

（編輯：羅玉蘭）

Application Research of GIS Technology in Suddenly-Happened Water Pollution Accident Emergency Response System

CHEN Bei-qing，TAN De-bao，SONG Li
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

On the basis of the technique and theory of Embedded-GIS，ArcGIS Engine and GIS spatial analysis，and by combining the requirements of suddenly happened water pollution accident emergency responsemanagement system，we study themain content and method on suddenly happened water pollution accident emergency response system based on GIS technology，supported by the spatial database.This study can use the GIS technology for the water resourcemanagement so as to reduce the damage ofwater pollution influence.The study result has been used in Wanzhou stretch of the Three Gorges Reservior.

GIS technology；suddenly happened water pollution accident； emergency response system

P35

A

1001－5485（2010）01－0029－04

2009-07-06

科技部社會公益研究專項“三峽水庫突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)研究”項目資助

陳蓓青（1971-），女，浙江慈溪人，高級工程師，碩士，主要從事資源環(huán)境遙感監(jiān)測與評價、空間信息技術在水利行業(yè)中的應用研究等工作，（電話）027-82926551（電子信箱）chenbq＠m(xù)ail.crsri.cn。