河湖水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用構(gòu)想

孫道林，劉玉含，馬 文

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見》的出臺(tái)，標(biāo)志著我國(guó)水治理體制取得了重大突破，揭開了新時(shí)代治水的序幕[1]?！蛾P(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見》將加強(qiáng)水環(huán)境治理列為六大主要任務(wù)之一，針對(duì)治水實(shí)踐中信息化支撐不足的矛盾，提出“推進(jìn)水環(huán)境治理信息化建設(shè)”。因此，將新一代信息技術(shù)與水環(huán)境治理業(yè)務(wù)緊密融合，建立基于先進(jìn)理念和技術(shù)的水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)，為水環(huán)境治理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理提供數(shù)據(jù)和決策支撐，成為水環(huán)境治理領(lǐng)域的迫切需求。

適應(yīng)水環(huán)境管理工作的需要，水環(huán)境信息系統(tǒng)經(jīng)歷了從無(wú)到有，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程[2]，水環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染源監(jiān)控及環(huán)境應(yīng)急管理等一批業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來(lái)[3]。隨著水環(huán)境管理的日益深入，具備綜合管理功能的水環(huán)境信息系統(tǒng)在提升水環(huán)境管理效率方面扮演著重要角色[4]。近年來(lái)，建立適合各流域和典型區(qū)域環(huán)境的決策系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注，如海河流域多目標(biāo)綜合管理決策支持系統(tǒng)[5]、清潩河流域水資源綜合管理和決策系統(tǒng)[6]和河口水環(huán)境決策支持系統(tǒng)[7]等。在構(gòu)建水環(huán)境信息系統(tǒng)時(shí)，如何處理龐大的環(huán)境空間數(shù)據(jù)成為系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵，地理信息系統(tǒng)（GIS）憑借著強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)組織與管理能力，日益成為環(huán)境信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)[8]。GIS 已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)水環(huán)境信息系統(tǒng)的構(gòu)建中，水利部門相繼開發(fā)出具有水資源管理和水污染防治功能的信息系統(tǒng)[9–10]?，F(xiàn)階段水環(huán)境信息系統(tǒng)多數(shù)基于解決某一問題而設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境管理、環(huán)境評(píng)價(jià)與規(guī)劃、環(huán)境模擬、非點(diǎn)源污染控制及環(huán)境應(yīng)急預(yù)警預(yù)報(bào)等方面[11–12]。隨著水環(huán)境治理的大力推進(jìn)，有關(guān)水環(huán)境治理項(xiàng)目的管理信息系統(tǒng)逐步得到發(fā)展，如相關(guān)部門開發(fā)了全國(guó)中小河流治理項(xiàng)目信息管理系統(tǒng)，為及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握全國(guó)中小河流治理進(jìn)展情況提供了一個(gè)良好的平臺(tái)[13]6–7。目前現(xiàn)有的水環(huán)境信息系統(tǒng)偏向于管理，存在一些局限性，如尚不具備對(duì)水環(huán)境治理全流程進(jìn)行服務(wù)和技術(shù)支撐的能力，不能滿足新形勢(shì)下水環(huán)境治理的需要。構(gòu)建覆蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、工程評(píng)估等內(nèi)容的信息平臺(tái)，是提升水環(huán)境治理信息化水平的重要舉措。

本研究闡述正在建設(shè)中的水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用構(gòu)想。系統(tǒng)以需求為導(dǎo)向，以 GIS 與計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、環(huán)境等融合為技術(shù)手段，以建設(shè)涵蓋水環(huán)境治理各階段支撐系統(tǒng)為目標(biāo)，以期為提高水環(huán)境治理的精細(xì)化水平、促進(jìn)水環(huán)境質(zhì)量改善、提升水生態(tài)文明建設(shè)質(zhì)量提供服務(wù)和支撐。

1 水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)

針對(duì)當(dāng)前水環(huán)境治理的現(xiàn)狀，在分析系統(tǒng)需求基礎(chǔ)上，致力于為水環(huán)境治理全過程提供服務(wù)，開發(fā)一個(gè)基于 GIS 的集技術(shù)檢索與查詢、區(qū)域水環(huán)境信息管理、治理輔助決策、工程績(jī)效評(píng)估和可視化呈現(xiàn)等五大功能為一體的專業(yè)性應(yīng)用支撐系統(tǒng)，為水環(huán)境治理提供信息化支撐。

1.2 系統(tǒng)功能

按照系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能，進(jìn)一步將系統(tǒng)分成5 個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定的功能，各個(gè)子系統(tǒng)相互配合，實(shí)現(xiàn)整體功能，系統(tǒng)各部分如圖1所示。

圖1 水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)功能

各子系統(tǒng)介紹如下：

1）區(qū)域水環(huán)境信息管理子系統(tǒng)。提供對(duì)區(qū)域空間和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加、查詢、編輯輸出的功能。

2）水環(huán)境治理技術(shù)檢索與查詢子系統(tǒng)。為用戶提供治理技術(shù)的查詢、瀏覽服務(wù)，支撐用戶進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)和篩選。

3）治理輔助決策子系統(tǒng)?；跀?shù)學(xué)模型和區(qū)域水環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)不同治理方案情境下的水環(huán)境變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)，判斷不同方案的水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，為決策者提供支撐服務(wù)。

4）水環(huán)境治理工程績(jī)效評(píng)估子系統(tǒng)。通過工程績(jī)效評(píng)估指標(biāo)和方法的構(gòu)建，對(duì)工程項(xiàng)目開展績(jī)效評(píng)估，綜合評(píng)價(jià)治理項(xiàng)目績(jī)效。

5）可視化呈現(xiàn)子系統(tǒng)。運(yùn)用 GIS 的空間顯示功能，解決水環(huán)境數(shù)據(jù)抽象、不易理解的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)果的二三維可視化呈現(xiàn)。

GIS 是基礎(chǔ)平臺(tái)。通過 GIS 技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、儲(chǔ)存及可視化功能，構(gòu)建水環(huán)境治理數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的河流水系、水質(zhì)狀況、污染源、工程位置等不同要素集成管理，以供水環(huán)境信息管理、治理輔助決策和可視化等系統(tǒng)調(diào)用。在數(shù)據(jù)的支持下，結(jié)合水環(huán)境模型，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水環(huán)境的模擬和預(yù)測(cè)，為決策提供有價(jià)值的信息；利用圖像處理功能，可以直觀顯示水環(huán)境時(shí)空特征、治理效果等，提升各類信息的可視化水平。

1.3 總體架構(gòu)

系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用分層的架構(gòu)模式，每層之間采用組件模式，保障各個(gè)子系統(tǒng)相互可獨(dú)立運(yùn)行[14]。系統(tǒng)總體架構(gòu)模式如圖2 所示。

圖2 水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)總體架構(gòu)

具體分為以下幾層：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層。包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)軟件、應(yīng)用軟件、計(jì)算機(jī)終端等設(shè)備設(shè)施，可以采用集中和分布式部署相結(jié)合的方式，為系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供軟硬件環(huán)境支持。

2）數(shù)據(jù)層。存儲(chǔ)區(qū)域水系、污染源、水質(zhì)監(jiān)測(cè)（包括實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)）及其它相關(guān)數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)學(xué)模型的輸入輸出數(shù)據(jù)，主要包括基礎(chǔ)、矢量、柵格、專題、模型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、輸出結(jié)果等數(shù)據(jù)。

3）模型層。提供數(shù)學(xué)模型的運(yùn)行環(huán)境，保障模型的順利運(yùn)行。模型庫(kù)包括水質(zhì)評(píng)價(jià)、污染物計(jì)算和預(yù)測(cè)、水文與水動(dòng)力、水質(zhì)模擬和水生態(tài)等應(yīng)用成熟的模型。

4）顯示層。提供各系統(tǒng)的地圖、專題圖、統(tǒng)計(jì)圖、報(bào)表和報(bào)告等的二三維展示；整合水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；提供污染源位置及排放情況的查詢和顯示等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水環(huán)境治理比選技術(shù)

目前水環(huán)境治理尚缺乏統(tǒng)一的、較為完善的技術(shù)比選依據(jù)和原則，缺乏全面的技術(shù)整理和總結(jié)，缺乏適用技術(shù)指南[13]18–21。因此有必要系統(tǒng)整梳理國(guó)內(nèi)外水環(huán)境治理的技術(shù)及實(shí)踐，分析比較技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特征，形成適合水環(huán)境治理需求的技術(shù)體系，指導(dǎo)水環(huán)境治理工作。

根據(jù)水環(huán)境治理的不同階段，篩選出污染源控制與治理類、水體修復(fù)與改善類、水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重構(gòu)類等三大類適用于水環(huán)境治理的技術(shù)，技術(shù)分類情況如圖3 所示。污染源控制與治理類注重減源，水體修復(fù)與改善類和水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與重構(gòu)類側(cè)重于“擴(kuò)容”，以增大水環(huán)境容量和恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)為目的。

圖3 水環(huán)境治理技術(shù)分類圖

在水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)中，將提供技術(shù)查詢和檢索服務(wù)。每項(xiàng)技術(shù)均包括原理、流程、指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)特征、適用范圍及相關(guān)案例等內(nèi)容。用戶在可視化窗口下，查看各項(xiàng)信息，選擇適宜的技術(shù)。

2.2 水環(huán)境模型技術(shù)

2.2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)模型

水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的建立思路是：整理各斷面或點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇單因子評(píng)價(jià)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[15]進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，識(shí)別某時(shí)段水體或者分段水體所處的水質(zhì)類別。

2.2.2 污染負(fù)荷模型

水污染負(fù)荷模型由農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活 3 個(gè)部分模塊組成，各部分均包括用水量、廢水產(chǎn)生量和排放量、水污染排放量等計(jì)算及預(yù)測(cè)模塊[16]。

水污染負(fù)荷模型建立的思路是：根據(jù)行業(yè)增加值和人口及城市化程度，模擬計(jì)算廢水及水污染物產(chǎn)生與行業(yè)增加值的關(guān)系，城市生活污水及污染物產(chǎn)生與城市人口增長(zhǎng)的關(guān)系；進(jìn)行一系列技術(shù)參數(shù)的預(yù)測(cè)，包括用水系數(shù)、廢水和污染物產(chǎn)生系數(shù)等技術(shù)參數(shù)；以廢水處理率或污染物削減率為控制變量，得到未來(lái)廢水及污染物排放量。

2.2.3 水質(zhì)預(yù)測(cè)模型

水環(huán)境治理的出發(fā)點(diǎn)是改善水環(huán)境質(zhì)量，需要確定污染物排放量、排放源與受納水體之間的輸入輸出響應(yīng)關(guān)系[17–18]。

水質(zhì)預(yù)測(cè)模型建立的思路是：充分考慮點(diǎn)源、面源污染物排放對(duì)水體水質(zhì)的影響，結(jié)合水文水動(dòng)力模擬，選擇國(guó)內(nèi)外水環(huán)境治理實(shí)踐中應(yīng)用廣泛的模型，兼顧模型運(yùn)算效率和模擬精度，建立水文水質(zhì)耦合模型，用于水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)。以河流水環(huán)境治理為例，其技術(shù)示意圖如圖4 所示。

圖4 水質(zhì)模擬耦合模型技術(shù)示意圖

2.2.4 GIS 與水環(huán)境模型集成

系統(tǒng)采用水環(huán)境模型與 GIS 緊密集成的方式，二者使用共同的界面以便于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。利?GIS 集成軟件，建立水環(huán)境模型庫(kù)；在 VB 的集成界面上，通過控件 MapX 數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)訪問對(duì)象和開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)連接技術(shù)與水環(huán)境專題數(shù)據(jù)庫(kù)的集成，采用調(diào)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和共享。

2.3 績(jī)效評(píng)估技術(shù)

實(shí)施績(jī)效評(píng)估是水環(huán)境治理全過程的重要環(huán)節(jié)，隨著環(huán)境治理和保護(hù)的重視程度逐步提高，治理項(xiàng)目的評(píng)價(jià)考核機(jī)制正在完善，因此建立水環(huán)境治理技術(shù)評(píng)估體系，加強(qiáng)工程實(shí)施的績(jī)效評(píng)估，對(duì)水環(huán)境治理的工程和目標(biāo)控制非常重要。

鑒于現(xiàn)階段水環(huán)境治理工程缺乏有效評(píng)價(jià)體系，本研究通過建立水環(huán)境治理工程績(jī)效評(píng)估體系，評(píng)價(jià)在污染治理過程中或工程實(shí)施后，其水環(huán)境質(zhì)量的改變?cè)谕苿?dòng)周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用，以及對(duì)生態(tài)和居住環(huán)境的改善程度，為今后的水環(huán)境治理和管理提供決策依據(jù)。主要內(nèi)容包括：1）從經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境和社會(huì)民生效益 3 個(gè)方面提出并建立工程績(jī)效評(píng)估指標(biāo)體系；2）建立工程績(jī)效評(píng)估模型，利用層次分析法（AHP）確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值；3）建立各指標(biāo)的分級(jí)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工程績(jī)效做出評(píng)價(jià)和分級(jí)[13]。

3 水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)應(yīng)用探討

依托水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)，可為水環(huán)境治理工作提供全過程全方位技術(shù)服務(wù)支持，提升水環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、可視化和智能化水平。以某河流水環(huán)境治理為例，探討該系統(tǒng)的應(yīng)用情景。

3.1 在水環(huán)境綜合信息管理中的應(yīng)用

水環(huán)境治理需要海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)將整合該河流域的基本地理、水環(huán)境質(zhì)量、污染源及排污口、水文及經(jīng)濟(jì)社會(huì)等數(shù)據(jù)。通過流域水環(huán)境信息管理子系統(tǒng)，用戶可方便地進(jìn)行流域信息的查詢、統(tǒng)計(jì)分析及可視化瀏覽。對(duì)流域基本、污染源、監(jiān)測(cè)斷面、模擬預(yù)測(cè)結(jié)果等信息，用戶可通過選擇時(shí)間、斷面、指標(biāo)等進(jìn)行綜合或分類查詢；用戶根據(jù)需要，可對(duì)污染源、污染負(fù)荷、斷面水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律及沿河水質(zhì)變化趨勢(shì)等進(jìn)行分析；用戶可對(duì)各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪和修改等操作。

3.2 在水環(huán)境治理規(guī)劃和決策中的應(yīng)用

應(yīng)用水環(huán)境治理輔助決策子系統(tǒng)，可輔助進(jìn)行治理規(guī)劃與決策，提高工作效率。

1）在水質(zhì)評(píng)價(jià)方面，可對(duì)水污染程度進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，不同水質(zhì)級(jí)別的水域，在數(shù)字地圖上用不同顏色表示，如將超標(biāo)嚴(yán)重的區(qū)段設(shè)置成紅色，結(jié)果一目了然。在污染負(fù)荷計(jì)算方面，應(yīng)用模型庫(kù)中的污染負(fù)荷計(jì)算模型，只需要輸入相關(guān)參數(shù)便可自動(dòng)計(jì)算出流域相應(yīng)年份的污染負(fù)荷；可以進(jìn)行不同年份污染負(fù)荷查詢，并可生成直觀的圖形。

2）在水質(zhì)預(yù)測(cè)方面，模型庫(kù)存有適用該河的水量水質(zhì)耦合模型，只需輸入相應(yīng)的參數(shù)，便可以得到不同年份、情境下特定斷面的水質(zhì)狀況，并自動(dòng)呈現(xiàn)結(jié)果。

3）在方案制定和比選方面，應(yīng)用技術(shù)查詢子系統(tǒng)，可選擇適用于該流域的治理技術(shù)。在已確定的方案中，只需輸入規(guī)劃方案的污水排放量標(biāo)準(zhǔn)、處理率等參數(shù)，可以自動(dòng)計(jì)算出規(guī)劃方案的污染負(fù)荷，運(yùn)行水質(zhì)模型，自動(dòng)計(jì)算出規(guī)劃方案實(shí)施后的水質(zhì)狀況，水質(zhì)類別用不同顏色表示，超出規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)的河段顯示為紅色，提示該方案不能滿足規(guī)劃水質(zhì)要求，規(guī)劃方案的比選從而簡(jiǎn)便而快捷，同時(shí)可根據(jù)有關(guān)部門和專家的意見，對(duì)方案進(jìn)行及時(shí)的修改，最終獲得技術(shù)可行經(jīng)濟(jì)合理的治理方案。在最優(yōu)方案確定后，對(duì)方案所涉及的問題進(jìn)行詳細(xì)研究，充實(shí)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，例如可以將涉及的征地、搬遷等屬性列入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便決策者對(duì)規(guī)劃方案實(shí)施后的流域狀況有完整且直觀的了解。

3.3 在水環(huán)境治理工程績(jī)效評(píng)估中的應(yīng)用

應(yīng)用工程績(jī)效評(píng)估子系統(tǒng)，可定量評(píng)價(jià)水環(huán)境治理工程的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)工程績(jī)效做出評(píng)分和分級(jí)，分析工程的經(jīng)驗(yàn)和不足，為后續(xù)治理工程提供參考和借鑒。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)階段水環(huán)境治理的現(xiàn)狀和需求，探討了構(gòu)建適用于水環(huán)境治理的支撐系統(tǒng)。本研究結(jié)合建設(shè)中的水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)，提出基于 GIS 的系統(tǒng)構(gòu)建思路，該系統(tǒng)是集水環(huán)境信息管理、治理技術(shù)檢索與查詢、治理輔助決策、工程績(jī)效評(píng)估和可視化呈現(xiàn)等功能為一體的專業(yè)性應(yīng)用服務(wù)信息系統(tǒng)，可為水環(huán)境治理提供全方位服務(wù)。

水環(huán)境治理技術(shù)比選、水環(huán)境模型和工程績(jī)效評(píng)估等技術(shù)是系統(tǒng)所需的關(guān)鍵環(huán)境技術(shù)，也是本系統(tǒng)的核心服務(wù)內(nèi)容。

水環(huán)境治理支撐系統(tǒng)可為水環(huán)境治理規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理及評(píng)估提供全過程咨詢和服務(wù)，有利于提升水環(huán)境治理的信息化、數(shù)字化和智能化水平，為水環(huán)境治理能力現(xiàn)代化提供支撐。