水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)在太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)中的應(yīng)用

李慎華　葉新輝　陳　文　趙　宏

（1浙江省環(huán)境信息中心浙江杭州3100122丹華水利環(huán)境技術(shù)（上海）有限公司上海200235）

水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)在太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)中的應(yīng)用

李慎華1葉新輝1陳文2趙宏1

（1浙江省環(huán)境信息中心浙江杭州3100122丹華水利環(huán)境技術(shù)（上海）有限公司上海200235）

太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)是基于DHI水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)，進(jìn)行的二次開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)了突發(fā)污染物事故管理和水質(zhì)日常管理2個(gè)模型。該模型基于C/S客戶端和B/S瀏覽器相結(jié)合的方式進(jìn)行開發(fā)。用戶可以在C/S客戶端設(shè)置模型的相關(guān)數(shù)據(jù)、對應(yīng)模型參數(shù)等，通過B/S瀏覽器對事件進(jìn)行預(yù)測與發(fā)布展示，為制定各類突發(fā)事件和防控措施提供決策支持信息。

太湖流域；水質(zhì)管理；決策支持；信息化

太湖是我國第三大淡水湖，平均水深1.89m，屬大型淺水湖泊，實(shí)際面積2338km2，流域總面積2.69×104km2，總蓄水量47.6×108m3，年吞吐量52×108m3。浙江省太湖流域位于浙江省北部，流域面積12273km2，約占太湖流域面積的1/3。境內(nèi)水系包括東苕溪、西苕溪、長興水系、京杭運(yùn)河、嘉興河網(wǎng)和湖州河網(wǎng)6塊。區(qū)域內(nèi)降水豐富，各地多年降水量1100mm～1500mm，但豐枯年際降水不均勻。杭嘉湖地區(qū)水資源總量為79.2×108m3（不含太湖補(bǔ)給水），占全省水資源總量的8.3%；人均水資源量為562.5m2，嚴(yán)重低于浙江省平均水平（1900m2）。2015年，全湖整體為輕度污染，主要污染指標(biāo)為總磷。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展，太湖流域浙江片區(qū)水質(zhì)性缺水日益嚴(yán)重，水質(zhì)也不容樂觀，不僅影響市民的日常生活，對該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也形成了一定的制約。

根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用效果，現(xiàn)選取DHI的河流水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)模型進(jìn)行二次開發(fā)，應(yīng)用于太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)突發(fā)污染物事故管理和水質(zhì)日常管理2個(gè)模型，模型結(jié)合了地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1　水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)思路

1.1兩級(jí)辦法

作為一個(gè)現(xiàn)在常見的經(jīng)過檢驗(yàn)的科學(xué)方法，水質(zhì)的數(shù)值模型可以作為管理水質(zhì)量體系的分析和預(yù)測工具。Soncini-sessa等提出的“兩級(jí)決策支持系統(tǒng)”的概念,可在模型開發(fā)者和最終用戶的管理上得到真正應(yīng)用。模型開發(fā)者可以開發(fā)一些新的模型然后在決策支持系統(tǒng)（以下簡稱DSS）中整合，而最終用戶（管理者和利益相關(guān)者）可以通過一些簡單的操作獲得模擬結(jié)果。

DHI中國研制的水質(zhì)DSS遵循這一理念并有如下自己的特色。（1）該DSS側(cè)重于管理人員的需求（特定領(lǐng)域、易于使用、易于理解）。在DSS的幫助下，管理者的唯一任務(wù)是收集數(shù)據(jù)，設(shè)置模型選項(xiàng)等。因此，管理者如果接受了培訓(xùn)，可以很容易地使用集成/校準(zhǔn)模式，獲得一個(gè)簡單的方法結(jié)果。（2）該DSS可以在類似的區(qū)域僅僅通過開發(fā)新模式中使用，而無需重寫代碼。（3）該DSS方便進(jìn)行二次開發(fā)。這意味著該系統(tǒng)允許從科學(xué)到管理的知識(shí)傳送。

1.2流域水質(zhì)的建模方法

水質(zhì)模型是DSS的核心。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，在時(shí)間和人力資源有限的情況下，利用建模和仿真軟件工具是適當(dāng)和必要的。因此，以我們的經(jīng)驗(yàn)，平臺(tái)可以使用基于DHI開發(fā)的大量數(shù)值模型。該DHI模型可以耦合水動(dòng)力和水質(zhì)模擬，基于GIS污染負(fù)荷模型、水質(zhì)評(píng)估和環(huán)境戰(zhàn)略評(píng)估。此外，一些傳統(tǒng)的模型或統(tǒng)計(jì)方法，應(yīng)用戶管理的需要被集成在系統(tǒng)中。

日均水質(zhì)模型可以模擬現(xiàn)狀，并預(yù)測在特定條件下的未來趨勢。針對流域，一維動(dòng)態(tài)模型是最常見的，但二維或三維模型在必要的時(shí)候也可用于模擬湖泊和水庫。模型組件和日常水質(zhì)模型的概念見圖1。

圖1　模型組件和日常水質(zhì)模型概念

除了預(yù)測未來趨勢的日常水質(zhì)模型，流域的水質(zhì)管理、突發(fā)性水質(zhì)污染的早期預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)預(yù)測都是特殊問題。通常認(rèn)為，一維動(dòng)態(tài)模型原則上在建模精度和有效性中能有一個(gè)良好的平衡，并適合應(yīng)急響應(yīng)。另外，為了提高預(yù)測的準(zhǔn)確性，預(yù)測模型中很有必要顯示污染事件中污染流量和濃度的實(shí)時(shí)測量信息。也就是說，如果在污染事故下游位置的應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)（濃度和/或放電）可獲取，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將被使用在MIKE軟件數(shù)據(jù)同化設(shè)備的模型更新。緊急水質(zhì)的模型組件和概念見圖2。

圖2　緊急水質(zhì)的模型組件及概念

所有水質(zhì)模型嵌入在CS應(yīng)用程序中。CS應(yīng)用程序?yàn)榱私２僮骱捅苊庠诮＝Y(jié)果前/后處理復(fù)雜的工程視圖提供了一個(gè)友好和易于使用的接口。這是基于MIKE模型軟件，數(shù)據(jù)庫和GIS技術(shù)的組件開發(fā)的。通過CS接口上的顯示地圖按鈕，GIS地圖彈出以及識(shí)別特定對象的空間位置（例如分支機(jī)構(gòu)，水質(zhì)監(jiān)測和廢水出口）。主接口上的操作與GIS界面層的互動(dòng)。CS應(yīng)用的水質(zhì)模型系統(tǒng)的功能性結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3　CS應(yīng)用的水質(zhì)模型系統(tǒng)功能性結(jié)構(gòu)

日常水質(zhì)管理和應(yīng)急管理的兩個(gè)基準(zhǔn)情景，與之前成立的相關(guān)模塊分別集成在CS應(yīng)用中。集成的計(jì)算模塊可以自動(dòng)從中提取所有相關(guān)數(shù)據(jù)。從不同場景的模擬結(jié)果，可以靈活提取并定制在表格或地圖中。

1.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

水質(zhì)DSS分為四層：用戶界面層、應(yīng)用系統(tǒng)層、GIS平臺(tái)層和數(shù)據(jù)庫層。各層之間的相互關(guān)系在圖4中進(jìn)行說明。

圖4　水質(zhì)DSS分層間的相互關(guān)系

用戶界面層包括對話框生成以及管理用戶和系統(tǒng)之間的接口。

應(yīng)用系統(tǒng)層包括信息管理和水質(zhì)模擬管理。

信息管理包括信息查詢、水質(zhì)信息的評(píng)估、公共報(bào)表管理和系統(tǒng)管理等。該系統(tǒng)使用戶能夠檢索監(jiān)測站和排污口等的相關(guān)信息和結(jié)果，這些結(jié)果可以基于GIS地圖進(jìn)行可視化操作獲取。

如上所述，水質(zhì)模型管理包括兩部分，即日常水質(zhì)管理和應(yīng)急管理。通過相關(guān)模塊的適當(dāng)應(yīng)用，對很多因素（包括不同水文，運(yùn)行和污染負(fù)荷）進(jìn)行評(píng)估。

上述功能的整合將形成污水控制、水環(huán)境安全監(jiān)測和水質(zhì)管理的綜合平臺(tái)。

GIS平臺(tái)層包括WebGIs服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫引擎，其中WebGIs包括ArcIMS、ArcGISEngine和ESRI的ArcSDE應(yīng)用三部分。

數(shù)據(jù)庫層提供了支持系統(tǒng)和MIKE模型的基本數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)、水文、氣象、操作、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和模型結(jié)果。

2　水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)在太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)中的應(yīng)用

太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)了突發(fā)污染物事故管理和水質(zhì)日常管理2個(gè)模型。該模型基于C/S客戶端和B/S瀏覽器相結(jié)合的方式進(jìn)行開發(fā)。下面具體描述下模型是如何實(shí)現(xiàn)的。

2.1突發(fā)污染事故管理模型

在發(fā)生天然或人為突發(fā)水污染事故時(shí)，用戶能夠在C/S客戶端基于相對專業(yè)的水質(zhì)模型進(jìn)行完整的事故預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)流程操作，在第一時(shí)間能夠?qū)ξ廴臼鹿实陌l(fā)展態(tài)勢做出初步預(yù)測與評(píng)估，能對專家會(huì)商所提供的應(yīng)急預(yù)案效果進(jìn)行模擬。通過B/S瀏覽器對突發(fā)污染事故發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測與發(fā)布展示，為制定各類突發(fā)應(yīng)急事件的應(yīng)急預(yù)案和防控措施提供決策支持信息見圖5。

2.1.1突發(fā)水污染事故設(shè)置

突發(fā)水污染事故發(fā)生后，根據(jù)獲得的警情上報(bào)信息在C/S客戶端系統(tǒng)中設(shè)定污染事件的對應(yīng)模型參數(shù)，指定污染事件數(shù)量，事件所包括的污染物組分，對于每個(gè)污染事件都能夠指定事件的名稱、位置、污染事件的開始和結(jié)束時(shí)間、流量。通過和GIS地圖的交互，事件發(fā)生的位置也能夠快速識(shí)別并記錄下來。針對可溶性污染物質(zhì)能夠設(shè)置其降解系數(shù)及估計(jì)的排放總量，或給出恒定排放濃度及動(dòng)態(tài)排放濃度。

圖5　突發(fā)污染事故管理模型

在進(jìn)行突發(fā)水污染事故發(fā)生位置定位中，除了能進(jìn)行任意河道任意點(diǎn)的位置定位外，還能自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫中已保存好的固定源排放企業(yè)信息，通過對企業(yè)名稱檢索能夠在地圖上快速定位排放位置，同時(shí)顯示排放企業(yè)的坐標(biāo)信息。

2.1.2預(yù)測預(yù)警方案設(shè)置

預(yù)測預(yù)警方案用于模擬污染事故發(fā)生后污染團(tuán)的實(shí)際運(yùn)移狀況，該類型方案沒有任何假設(shè)的水工建筑物操作或邊界輸入限制，系統(tǒng)只是從外部數(shù)據(jù)庫或其他源讀取所有在線數(shù)據(jù)并寫入水污染事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型中,在設(shè)置完相關(guān)水質(zhì)模型參數(shù)和邊界條件后，系統(tǒng)就能驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行快速的事故模擬分析。計(jì)算得到事故發(fā)生后污染團(tuán)在沒有任何應(yīng)急措施下的運(yùn)移情況，幫助決策者預(yù)先對事件作出快速準(zhǔn)確的評(píng)估，為進(jìn)一步的應(yīng)急預(yù)案研究提供基礎(chǔ)信息。

預(yù)測預(yù)警方案設(shè)置除了能對模型模擬的時(shí)間段、模擬時(shí)間步長、是否引入在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置外，還能對模型水動(dòng)力邊界、降雨邊界、水工構(gòu)筑物進(jìn)行相應(yīng)的查看與編輯。

操作人員在系統(tǒng)中除了利用定制界面對模型邊界進(jìn)行修改外，如需利用MIKE模型軟件對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行進(jìn)一步修改，進(jìn)入高級(jí)編輯界面能夠?qū)泳W(wǎng)布置、斷面設(shè)置、邊界設(shè)置、水動(dòng)力參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行編輯。

方案編輯完成后，即可進(jìn)入方案計(jì)算功能，通過界面驅(qū)動(dòng)后臺(tái)MIKE模型進(jìn)行突發(fā)污染預(yù)測預(yù)警模擬計(jì)算。系統(tǒng)界面中將實(shí)時(shí)刷新計(jì)算進(jìn)度與計(jì)算過程日志信息供用戶查看。

2.1.3應(yīng)急響應(yīng)方案設(shè)置

應(yīng)急響應(yīng)方案設(shè)置用于輔助用戶制定污染事件的應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃?；陬A(yù)測預(yù)警方案，通過修改水工構(gòu)筑物操作、邊界條件或MIKE模型高級(jí)編輯生成一系列應(yīng)急響應(yīng)方案，用戶能通過方案比較分析選取更合適的措施來降低事件的影響，如增加水庫下泄流量、增加污染物降解率模擬吸附措施效果等。

2.1.4B/S客戶端效果展示

客戶端BS平臺(tái)根據(jù)服務(wù)器CS系統(tǒng)發(fā)布的模型結(jié)果，獲得各區(qū)域的預(yù)測預(yù)警數(shù)據(jù)集，結(jié)合GIS地圖進(jìn)行展示，形成區(qū)域預(yù)測預(yù)警專題圖供用戶查看，給出報(bào)警信息，并在圖上按照不同顏色對應(yīng)不同預(yù)警情況進(jìn)行展示。

2.1.5方案對比

方案模擬完成后，系統(tǒng)能將預(yù)先設(shè)置好的項(xiàng)目重要點(diǎn)位的模擬信息進(jìn)行提取和保存，通過方案對比功能能夠?qū)Ρ炔煌M方案中重要點(diǎn)位的模擬值濃度。例如未做任何措施的初步預(yù)測方案與進(jìn)行了污染物吸附措施的模擬方案進(jìn)行對比，就能很直觀的了解采用某種應(yīng)急手段后對污染團(tuán)移動(dòng)及濃度分布的影響狀況，輔助用戶選取更合適的措施來降低事件的影響。

2.2水質(zhì)日常管理

水質(zhì)日常管理功能基于C/S客戶端和B/S瀏覽器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)，能夠針對水體中主要污染指標(biāo)進(jìn)行日常水質(zhì)常規(guī)模擬，重現(xiàn)或預(yù)測各個(gè)不同時(shí)段水體的水質(zhì)狀況。用戶可在C/S客戶端中編輯水質(zhì)模型的輸入條件，包括降雨、工業(yè)源等水文數(shù)據(jù)，流域內(nèi)點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染負(fù)荷數(shù)據(jù)以及水工結(jié)構(gòu)物調(diào)度數(shù)據(jù)等。

2.2.1人工模擬方案設(shè)置

系統(tǒng)提供人工手動(dòng)編制方案功能，能實(shí)現(xiàn)日常累積性水質(zhì)狀況的模擬并進(jìn)行多種不同模擬方案的管理，方便用戶手動(dòng)設(shè)置模擬時(shí)間并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，能夠重新核算并編輯模型邊界條件數(shù)據(jù)，能對不同重要點(diǎn)位的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

水質(zhì)日常模擬方案設(shè)置除了能對模型模擬的時(shí)間段、模擬時(shí)間步長等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置外，還能對模型水動(dòng)力邊界、降雨邊界、水工構(gòu)筑物、水質(zhì)邊界進(jìn)行相應(yīng)的查看與編輯。

操作人員在系統(tǒng)中除了利用定制界面對模型邊界進(jìn)行修改外，如需利用MIKE模型軟件對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行進(jìn)一步修改，進(jìn)入高級(jí)編輯界面能夠?qū)泳W(wǎng)布置、斷面設(shè)置、邊界設(shè)置、水動(dòng)力參數(shù)、水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行編輯。

2.2.2負(fù)荷增減（污控方案）設(shè)置

在進(jìn)行累積性水質(zhì)模擬分析時(shí)，用戶可能會(huì)分析某一個(gè)或者幾個(gè)點(diǎn)源或者面源的負(fù)荷降低時(shí)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)變化（如污染負(fù)荷削減、土地利用方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等），系統(tǒng)能夠輔助用戶生成各類日常水質(zhì)指標(biāo)的增減方案或水污染控制方案，提供簡單易操作的界面讓用戶在圖上選擇需要增減的點(diǎn)源或者面源來對各類日常水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行增減，以對各種水環(huán)境污控方案的實(shí)施效果進(jìn)行模擬與方案對比分析。

方案編輯完成后，即可進(jìn)入方案計(jì)算功能，通過界面驅(qū)動(dòng)后臺(tái)MIKE模型進(jìn)行突發(fā)污染預(yù)測預(yù)警模擬計(jì)算。系統(tǒng)界面中將實(shí)時(shí)刷新計(jì)算進(jìn)度與計(jì)算過程日志信息供用戶查看。

污控方案實(shí)施效果對比分析界面參見圖2.22，能夠直觀的看到針對流域水質(zhì)改善進(jìn)行20%污染負(fù)荷削減后對不同斷面的水質(zhì)濃度影響情況。

2.2.3B/S客戶端效果展示

水質(zhì)預(yù)警也是根據(jù)服務(wù)器CS程序發(fā)布日常模型結(jié)果，獲得各區(qū)域的預(yù)測預(yù)警數(shù)據(jù)集，結(jié)合GIS地圖進(jìn)行展示，形成區(qū)域預(yù)測預(yù)警專題圖供用戶查看，給出報(bào)警信息，并在圖上按照不同顏色對應(yīng)不同預(yù)警情況進(jìn)行展示。

3　應(yīng)用展望

選取DHI的河流水質(zhì)管理決策支持系統(tǒng)模型進(jìn)行二次開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)了突發(fā)污染物事故管理和水質(zhì)日常管理2個(gè)模型，模型結(jié)合了地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用于太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境綜合管理平臺(tái)，將能顯著提高太湖流域（浙江片區(qū)）水環(huán)境管理能力，輔助區(qū)域五水共治管理。

[1]ncini-Sessa R,Castelletti A,Weber E.A DSS for planning and managing water reservoir systems[J].Environmental Modelling&Software,2003,18:395-404.

[2]曹宇，顏晶.流域管理決策支持系統(tǒng)研究進(jìn)展.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2012,23（7）：2007-2014.

李慎華（1983—），男，漢，本科，工程師，工作方向：環(huán)境管理信息化。