基于ArcEngine的納污控制及水質(zhì)管理系統(tǒng)開發(fā)

許子乾 ， 楊 玨， 馮 巧， 曹 林

（1.南京林業(yè)大學(xué) 教務(wù)處，江蘇 南京210000；2.北京中水新華國(guó)際工程咨詢有限公司， 北京 100044）

合理地利用環(huán)境資源，控制和減少環(huán)境污染是各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所考慮的主要問(wèn)題之一[1]。迅速有效地控制水環(huán)境污染，對(duì)保護(hù)水資源質(zhì)量，以水資源的可持續(xù)開發(fā)利用支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，具有極其重要的意義[2,3]。

黃河中游龍門至三門峽干流區(qū)間是三省交界的水質(zhì)敏感河段，處在控制黃河水質(zhì)的關(guān)鍵部位。此區(qū)間黃河干流河段長(zhǎng)約240 km，河段不足黃河總河長(zhǎng)的5%，但目前河段內(nèi)有20余個(gè)入黃排污口和渭河、汾河等污染嚴(yán)重入黃支流的匯入，接納的污染物占到整個(gè)黃河的1/3，黃河潼關(guān)斷面水質(zhì)常年處于Ⅴ類和劣Ⅴ類，河流生態(tài)系統(tǒng)已受到不同程度的危害，制約了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)，水質(zhì)的持續(xù)惡化，也對(duì)下游城市供水以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水安全構(gòu)成威脅。利用GIS空間分析技術(shù)，建立基于ArcEngine的納污控制及水質(zhì)管理應(yīng)用系統(tǒng)，能夠從空間層面進(jìn)行水質(zhì)目標(biāo)的定量管理，有效提高水功能區(qū)管理的可操作性、可考核性和可應(yīng)用性，對(duì)黃河水功能區(qū)水質(zhì)管理、納污控制管理、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度等工作起到重要技術(shù)支持作用。

1 納污控制與水質(zhì)管理模型

污染物進(jìn)人水體后，在水體的平流輸移、縱向離散和橫向混合作用下，發(fā)生物理、化學(xué)和生物作用，使水體中污染物濃度逐漸降低，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，對(duì)納污量的分析計(jì)算也要采用動(dòng)態(tài)的方法。本系統(tǒng)采用一維穩(wěn)態(tài)條件下計(jì)算水域納污量的2種模型，即段首控制模型、標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)不同設(shè)計(jì)水文條件下的納污量進(jìn)行估算。

1）納污量計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)模型。

根據(jù)SL348-2006《水域納污量計(jì)算規(guī)程》[4]，一維穩(wěn)態(tài)條件下的標(biāo)準(zhǔn)模型適用于污染物在橫斷面上均勻混合的中、小型河段。污染物濃度按式（1）計(jì)算：

式中，Cx為流經(jīng)x距離后的污染物濃度（mg/L）；x為沿河段的縱向距離（m）；u為設(shè)計(jì)流量下河道斷面的平均流速（m/s）；K為污染物綜合衰減系數(shù)（1/s）；C0為初始斷面的污染物濃度（mg/L）。

相應(yīng)的水域納污量按式（2）計(jì)算：

式中，Qp為廢污水排放流量（m3/s）；Q為初始斷面的入流流量（m3/s）。

若將計(jì)算河段內(nèi)的多個(gè)排污口概化為一個(gè)集中的排污口，概化排污口位于河段中點(diǎn)處，相當(dāng)于一個(gè)集中點(diǎn)源，該集中點(diǎn)源的實(shí)際自凈長(zhǎng)度為河段長(zhǎng)的一半（x=L/2）。因此，概化后的排污口入流斷面污染物濃度按式（3）計(jì)算：

式中，m為污染物入河速率（g/s）；Cx-L為水功能區(qū)下斷面污染物濃度（mg/L）； 其余符號(hào)意義同前。

相應(yīng)的水域納污量按式（4）計(jì)算：

式中，Qp為廢污水排放流量（m3/s）；Q為初始斷面的入流流量（m3/s）。

2）納污量計(jì)算的段首控制模型。

段首控制[2-3,5]中的“段”是指沿河任何2個(gè)排污口斷面之間的河段，而段首則是指各段的上游第一個(gè)排污口斷面。段首控制法進(jìn)行水環(huán)境容量計(jì)算,即根據(jù)某一功能區(qū)內(nèi)各段的劃分情況，控制上游斷面(也即段首)的水質(zhì),使其達(dá)到功能區(qū)段的要求。因有機(jī)物的降解，故在該段內(nèi)的水質(zhì)達(dá)到或高于功能區(qū)段的控制指標(biāo)。段首嚴(yán)格控制功能區(qū)段的水質(zhì)不超標(biāo)。

在功能區(qū)的段首，由于來(lái)水的COD濃度與功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)存在差別，因此為來(lái)水提供的稀釋容量為：

式中，W0為功能區(qū)段段首的稀釋容量（t/d）；Cs為功能區(qū)段水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（mg/L）；Q0為來(lái)水流量（m3/s）；C0為來(lái)水的COD濃度（mg/L）。

功能區(qū)段內(nèi)任意一段的容量計(jì)算（如圖1）。由于控制各段段首為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，那么經(jīng)過(guò)一段降解(如圖1中A、B所示) 后，到達(dá)段末時(shí)的降解量即為該斷面處的環(huán)境容量(如圖1中C、D所示)。

第i個(gè)斷面處的納污量為：

式中，Wi為第i個(gè)斷面處的納污量（t/d）；qi為第i個(gè)斷面處的排污流量（m3/s)；Qi為混合后干流流量；其余各符號(hào)意義同上。則功能區(qū)段內(nèi)所具有的總納污量為：

根據(jù)一維穩(wěn)態(tài)水質(zhì)模型簡(jiǎn)化得：

2 系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

納污控制及水質(zhì)管理系統(tǒng)開發(fā)遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO9000－2 000 質(zhì)量保證體系，采用統(tǒng)一的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)平臺(tái)要求支持與第3方軟件產(chǎn)品的接口。軟件開發(fā)框架平臺(tái)采用C/S結(jié)構(gòu)，多層化應(yīng)用為不同的服務(wù)提供一個(gè)獨(dú)立的處理空間。系統(tǒng)采取三層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為用戶層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層（圖2）。數(shù)據(jù)層采用采用ArcSDE+Oracle存儲(chǔ)引擎，實(shí)現(xiàn)空間地理數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化，建立空間地理數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空間地理數(shù)據(jù)與屬性的互查和互訪。業(yè)務(wù)層的底層為ArcEngine組件和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用組件，在此基礎(chǔ)之上，開發(fā)并構(gòu)建系統(tǒng)個(gè)性化GIS應(yīng)用組件和數(shù)據(jù)建庫(kù)組件，針對(duì)系統(tǒng)特殊要求定制。以上組件通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。最上層的是用戶層，由數(shù)據(jù)管理、模型計(jì)算、系統(tǒng)配置等多個(gè)子系統(tǒng)組成，用戶通過(guò)這些系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種透明化的操作。

圖2 系統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為地圖管理、數(shù)據(jù)管理、允許納污量、限排總量、水質(zhì)評(píng)價(jià)、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)、紅線考核和系統(tǒng)配置8個(gè)模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1）地圖管理和數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)走向，包括各監(jiān)測(cè)站位（水質(zhì)站、水文站、取水口和排污口）地理位置和屬性數(shù)據(jù)，歷次水質(zhì)、水文和排污數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和查詢。

2）允許納污量和限排總量模塊根據(jù)排污、水質(zhì)、水文、河流及功能區(qū)等信息實(shí)時(shí)計(jì)算各功能區(qū)、行政區(qū)在某一時(shí)段內(nèi)的允許納污量和限排總量，通過(guò)不同方案的比選最終確定允許納污量和限排量。

3）水質(zhì)評(píng)價(jià)模塊用于不同功能區(qū)、不同水質(zhì)要素的水質(zhì)情況評(píng)定，根據(jù)各水功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合《中華人民共和國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)不同時(shí)段、不同要素、不同區(qū)域的水功能區(qū)進(jìn)行水質(zhì)判定，通過(guò)GIS的空間制圖功能進(jìn)行地理制圖。

4）水功能區(qū)達(dá)標(biāo)模塊通過(guò)定標(biāo)的方式對(duì)功能區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)標(biāo)定，并結(jié)合排污數(shù)據(jù)和限排量進(jìn)行區(qū)域超排判別。

5）紅線考核模塊針對(duì)省、功能區(qū)、排污口三級(jí)區(qū)域設(shè)置不同的考核指標(biāo)，結(jié)合水質(zhì)達(dá)標(biāo)及超排數(shù)據(jù)在實(shí)際使用中調(diào)用不同的指標(biāo)體系進(jìn)行紅線考核，達(dá)到從整體到局部的納污能力的考核判定。

6）系統(tǒng)配置模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的配置和提供外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入更新接口，用戶通過(guò)將更新數(shù)據(jù)整理為既定格式導(dǎo)入系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

納污控制及水質(zhì)管理應(yīng)用系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)對(duì)象可分為圖形數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)2大類，其中圖形數(shù)據(jù)主要用于數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)制圖、地圖定位和系統(tǒng)美化。屬性數(shù)據(jù)主要用于數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)性系統(tǒng)，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)可按照數(shù)據(jù)自身的業(yè)務(wù)性質(zhì)分為不同類型，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和主要功能

系統(tǒng)采用Microsoft Visual studio 2010 C#為開發(fā)工具，采用客戶端 / 服務(wù)器（ Client/Server ）架構(gòu)實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)界面采用Windows界面風(fēng)格，圍繞納污能力預(yù)測(cè)、水質(zhì)達(dá)標(biāo)判定2個(gè)核心功能對(duì)研究區(qū)水質(zhì)和納污能力進(jìn)行圖形化管理。

3.1 納污能力預(yù)測(cè)

通過(guò)集成的納污控制模型，可以獲取不同計(jì)算模型、不同時(shí)間、不同站位、不同水質(zhì)要素的多維度的水功能區(qū)納污能力的預(yù)測(cè)，通過(guò)GIS空間分析的手段將預(yù)測(cè)結(jié)果以專題圖的形式進(jìn)行展現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 水功能區(qū)納污能力預(yù)測(cè)

3.2 水質(zhì)達(dá)標(biāo)判定

利用系統(tǒng)估測(cè)的納污能力結(jié)合水功能區(qū)已有的水質(zhì)目標(biāo)和水質(zhì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行功能區(qū)的水質(zhì)判定，實(shí)現(xiàn)多因子多時(shí)間段的不同緯度的水質(zhì)達(dá)標(biāo)判定，實(shí)現(xiàn)空間、時(shí)間、要素指標(biāo)3個(gè)維度的橫向比較，效果圖如圖6所示。

圖6 水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率專題圖

4 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)建基于ArcEngine的黃河重點(diǎn)水功能區(qū)納污控制及水質(zhì)管理系統(tǒng)，結(jié)合污染源、取排水口、水功能區(qū)、主要省界及控制斷面、水功能區(qū)劃等多種水質(zhì)管理信息，集成納污控制與水質(zhì)管理控制數(shù)學(xué)模型，利用GIS空間數(shù)據(jù)管理功能和分析能力，建立項(xiàng)目區(qū)納污控制及水質(zhì)管理應(yīng)用系統(tǒng)，為實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度及實(shí)現(xiàn)水功能水質(zhì)目標(biāo)提供技術(shù)支持。相比傳統(tǒng)的納污控制與水質(zhì)管理手段，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）內(nèi)嵌納污能力計(jì)算和限排總量分配模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，提供決策依據(jù)。

2）建立納污控制標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，提供數(shù)據(jù)更新接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化管理。

3）系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)水質(zhì)判定、達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)和紅線考核等納污控制及水質(zhì)管理關(guān)鍵技術(shù)，為水質(zhì)管理科學(xué)化、有序化提供科技手段。

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