基于3S技術(shù)的洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)構(gòu)建

趙夢(mèng)杰 程興無 陳紅雨

基于3S技術(shù)的洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)構(gòu)建

趙夢(mèng)杰 程興無 陳紅雨

一、引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，洪災(zāi)所造成的損失越來越大，而水環(huán)境問題也日益突出，因此加強(qiáng)洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的研究非常必要，這對(duì)于流域的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，目的是為決策者提供定量化的洪水風(fēng)險(xiǎn)程度數(shù)據(jù)。周成虎等提出了基于地理信息系統(tǒng)的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)模型，得出遼河流域洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合區(qū)劃；解家畢探討了流域大尺度洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬方法，重點(diǎn)考慮了防洪設(shè)施在洪水風(fēng)險(xiǎn)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(xiàn)象或結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)價(jià)。對(duì)水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可定量地描述環(huán)境污染對(duì)公眾健康危害的程度，水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型在20世紀(jì)80年代興起，美國(guó)的Dennis J. Paustenbach將水質(zhì)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型用于農(nóng)藥使用對(duì)農(nóng)業(yè)的影響，并進(jìn)行了相關(guān)評(píng)價(jià)，最終給出多種農(nóng)藥的使用上限；Michael L.Dourson針對(duì)非致癌性污染物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，對(duì)如何減小由參數(shù)RfD、RfC導(dǎo)致的不確定性影響進(jìn)行了相關(guān)研究。我國(guó)從20世紀(jì)90年代起就有水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究及應(yīng)用，曾光明等應(yīng)用水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)河流水質(zhì)對(duì)人體健康危害的影響；錢家忠等建立了健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式，分析與評(píng)價(jià)了某市供水水源地水質(zhì)實(shí)測(cè)資料，這些研究使水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)在我國(guó)的應(yīng)用取得較大進(jìn)展。

“3S”技術(shù)已在淮河流域廣泛應(yīng)用，GIS目前應(yīng)用最多，各分布式水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)都基于GIS平臺(tái)，RS遙感和GPS全球定位技術(shù)目前應(yīng)用相對(duì)較少。縱觀國(guó)內(nèi)外研究，基于3S技術(shù)開展流域洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)已有實(shí)踐，然而對(duì)于短期暴雨洪水的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)較少。另外缺乏流域尺度水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)方面的分析評(píng)價(jià)，且對(duì)于流域洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集成平臺(tái)鮮有研究。

淮河流域洪水頻繁發(fā)生，洪災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，同時(shí)淮河流域自20世紀(jì)80年代以來，水質(zhì)呈逐年惡化趨勢(shì)。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(zhì)也逐漸改善，但隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，水污染問題仍十分突出。洪水和水環(huán)境污染造成的損失往往難以估量且影響深遠(yuǎn)，故開展流域?qū)用娴暮樗退h(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理非常迫切且必要，這是實(shí)現(xiàn)人水和諧、建設(shè)水生態(tài)文明的現(xiàn)實(shí)需要。

二、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理理論基礎(chǔ)

1.洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理理論基礎(chǔ)

洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理是以洪水預(yù)報(bào)技術(shù)和洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)為基礎(chǔ)。目前洪水預(yù)報(bào)技術(shù)成果較多，我國(guó)七大流域基本上都有了比較完善的實(shí)用水文預(yù)報(bào)方案。在洪水作業(yè)預(yù)報(bào)中，水文預(yù)報(bào)模型主要有新安江模型、雙超產(chǎn)流模型、河北雨洪模型等，國(guó)外引進(jìn)的模型主要有水箱模型、薩克拉門托模型等。

對(duì)于洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外提出的評(píng)價(jià)方法很多，如專家評(píng)價(jià)法、經(jīng)濟(jì)分析法等。數(shù)學(xué)方法中應(yīng)用較多的有：多目標(biāo)決策法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等。目前應(yīng)用最為廣泛的為模糊綜合評(píng)價(jià)法（FCE），該法可對(duì)涉及模糊因素的對(duì)象系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，而且更加適宜于評(píng)價(jià)因素眾多、結(jié)構(gòu)層次多的對(duì)象系統(tǒng)。洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)際上是一個(gè)多因素指標(biāo)綜合過程，由于研究方法不同，建立的洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系各有不同。

目前，常規(guī)的洪水風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警就是編制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，對(duì)可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水的演進(jìn)路線、淹沒水深、淹沒歷時(shí)、淹沒范圍及流速大小等過程特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，以標(biāo)示洪泛區(qū)內(nèi)各處受洪水災(zāi)害的危險(xiǎn)程度，是非常重要的防洪非工程措施，這是對(duì)某個(gè)地區(qū)進(jìn)行一種長(zhǎng)期且靜態(tài)的洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模式。然而洪澇災(zāi)害的發(fā)生一般具有突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的有關(guān)原理、指標(biāo)選取原則及淮河流域的實(shí)際情況，本文擬構(gòu)建區(qū)域短期洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

表1　區(qū)域短期洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理理論基礎(chǔ)

水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理主要包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)、水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和水環(huán)境管理三部分。水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)技術(shù)，常規(guī)的監(jiān)測(cè)模式是定點(diǎn)定期，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的基于遙感和地理信息系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，連續(xù)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法成為水環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)?，F(xiàn)有水質(zhì)預(yù)測(cè)模型大致可歸納為數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法、灰色系統(tǒng)理論預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)法、水質(zhì)模擬模型預(yù)測(cè)法和基于混沌理論的水質(zhì)預(yù)測(cè)法等五大類，此外不確定性理論與非線性系統(tǒng)理論的發(fā)展將為預(yù)測(cè)模式的產(chǎn)生提供理論支持。

水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是針對(duì)水環(huán)境中對(duì)人體有害的物質(zhì)進(jìn)行分析，這些物質(zhì)一般分為基因毒物質(zhì)和軀體毒物質(zhì)，前者包括放射性污染物和化學(xué)致癌物，后者則指非致癌物。根據(jù)污染物對(duì)人體產(chǎn)生的危害效應(yīng)，可分別建立放射性物質(zhì)、化學(xué)致癌物、非致癌物所致健康危害的風(fēng)險(xiǎn)模式，水環(huán)境總的健康危害為三者之和。

三、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)構(gòu)建思路及技術(shù)路線

1.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)構(gòu)建思路

流域可持續(xù)發(fā)展涉及的因素較多，本文重點(diǎn)考慮對(duì)流域影響較大的洪水和水環(huán)境兩大因素，基于“3S”技術(shù)，擬構(gòu)建一個(gè)洪水和水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)。作為開源性平臺(tái)，首先在平臺(tái)上面搭建洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)、水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)，后期根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要可以搭載功能更加豐富的水信息化系統(tǒng)，各個(gè)系統(tǒng)之間既可以相互獨(dú)立運(yùn)行，也可相互耦合實(shí)現(xiàn)平臺(tái)性能的最大化。兩大系統(tǒng)里面包含的模塊見圖1。

圖1　洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

2.技術(shù)路線

由于嵌入式系統(tǒng)具有內(nèi)核小、系統(tǒng)精簡(jiǎn)、專業(yè)性強(qiáng)、操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，是一個(gè)硬件與軟件的綜合體，故本平臺(tái)擬采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊。信息采集與傳輸模塊是整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的核心組成，是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保障。信息采集與傳輸模塊由實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集子模塊、分布式同步子模塊及人工預(yù)入子模塊構(gòu)成。

4G是一種具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能的移動(dòng)通信新技術(shù)，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(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)，因此4G技術(shù)將成為較為理想的數(shù)據(jù)傳輸方法。

信息管理技術(shù)采用分布式體系結(jié)構(gòu)的WebGIS，即分布式瀏覽器/服務(wù)器（B/S）結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分采用客戶端/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)。國(guó)外有代表性的系統(tǒng)平臺(tái)有ESRI公司的MapObjects IMS和ArcViewIMS，后來合并為Arc IMS；Mapinfo公司的MapXtreme等。國(guó)產(chǎn)Web GIS平臺(tái)有國(guó)家遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心的地網(wǎng)GeoBearzs、中地軟件的MAPGIS-IMS等。擬選擇適合洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理平臺(tái)特點(diǎn)的WebGIS作為軟件平臺(tái)，針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能進(jìn)行開發(fā)研究。對(duì)于洪水預(yù)報(bào)、洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理，水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、水環(huán)境健康管理等模塊，由專業(yè)技術(shù)人員編程實(shí)現(xiàn)其功能。

四、洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理各系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)功能

根據(jù)以上理論研究，擬構(gòu)建的洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)見圖2。其中洪水分析評(píng)價(jià)主要包括洪水風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)前評(píng)估和洪水災(zāi)后評(píng)價(jià)，洪水風(fēng)險(xiǎn)管理主要包含三維動(dòng)畫仿真模擬、短期暴雨洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制、防汛決策確定、預(yù)警信息發(fā)布。其中三維動(dòng)畫仿真模擬主要運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行對(duì)洪水演進(jìn)的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行模擬，可為防汛決策人員提供直觀的洪水變化形勢(shì)。防洪工程方案主要包括江河堤防、河道治理及護(hù)岸（灘）工程、防洪閘和山洪防治等傳統(tǒng)方案，非工程方案是防洪工程方案的重要補(bǔ)充。

圖2　洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)功能

根據(jù)以上理論研究，擬構(gòu)建的水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)見圖3。進(jìn)行水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立突發(fā)水污染事故條件下的預(yù)警模型，實(shí)時(shí)模擬污染物泄漏對(duì)下游水源地等敏感目標(biāo)水質(zhì)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(huán)境數(shù)學(xué)模型的集成，進(jìn)行固定源的濃度場(chǎng)和流場(chǎng)模擬，進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)。水環(huán)境健康管理從流域?qū)用婵紤]，主要包括對(duì)工業(yè)污染物、城市生活污水、農(nóng)村生活污水、農(nóng)田面源這幾個(gè)方面進(jìn)行控制，確定污染控制工程方案和非工程方案。

圖3　水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖

五、結(jié)語

本文從淮河洪澇及水環(huán)境多年研究成果及實(shí)際出發(fā)，分析了開展流域?qū)用婧樗退h(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的必要性。對(duì)于洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)作了詳細(xì)闡述，在分析了常規(guī)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖優(yōu)劣勢(shì)的基礎(chǔ)上，建立了區(qū)域洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，且構(gòu)想了洪水、水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖，擬構(gòu)建基于3S與現(xiàn)代通信技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理集成平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)洪水、水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理的有機(jī)集成。加強(qiáng)流域?qū)用娴暮樗退h(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與管理研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)人水和諧、建設(shè)流域水生態(tài)文明具有重要意義。

由于洪澇災(zāi)害、水污染事故的突發(fā)性及不確定性，加強(qiáng)不確定性理論的研究很有必要，將不確定性理論應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)測(cè)需作進(jìn)一步深入研究。此外，隨著3S與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將洪水演進(jìn)模型、洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、水質(zhì)模型等與地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來意義重大，這將進(jìn)一步加快洪水和水環(huán)境健康風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)與管理

（作者單位：淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心）233001）