GIS技术在突发性水污染事件应急响应系统中的应用研究

陈蓓青，谭德宝，宋 丽

GIS技术在突发性水污染事件应急响应系统中的应用研究

陈蓓青，谭德宝，宋 丽

（长江科学院空间信息技术应用研究所，武汉 430010）

在介绍组件式GIS技术、ArcGISEngine及GIS空间分析技术的基础上，结合突发性水污染事件应急管理体系的业务要求，探讨了在本底空间数据库的支持下，构建基于GIS技术的突发性水污染应急响应系统的主要内容及方法。为GIS技术更好地应用于水资源管理，最大程度地减少水污染造成的危害，提供先进可靠的技术支持。该研究的成果已在长江三峡库区万州段获得了实际应用。

GIS技术；突发性水污染；应急响应系统

1 概 述

近年来，我国突发性水污染事件频繁发生，已引起社会的广泛关注和各级政府的高度重视。突发性水污染事件频发的主要原因是企业违法（超标）排污和企业安全生产事故、海损事故、陆路交通事故和码头泄漏事故等增多。长江流域突发性水污染事件也有逐年增加的趋势，影响重大的水污染事件有：葛洲坝库区黄柏河黄磷污染事件、万州航空油泄漏事件、沱江污染事件、重庆垫江县英特化工有限公司爆炸事故等。与此同时，长江船舶与陆域运输交通事故所引发的水污染事件也呈上升趋势。

根据突发性水污染事件应急管理的特点，一方面，水资源保护管理需要大量的社会经济、水文、水质、河道、水功能区、取水、排水、水利工程、水生态环境等信息支持；另一方面，突发性水污染事件具有突发性、很强的不确定性（发生时间、事故地点、污染强度、污染物类型、水文条件等）和阶段性（突发性水污染事件仅在一段时间内存在，随水流逐渐扩散、衰减）等特点。因此，利用现代的网络通信、计算机、信息管理等技术，借助地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）等手段，研究建立实用有效的应对突发性水污染事件的应急响应系统，对提高应急指挥的快速性、有效性、准确性和科学决策水平，具有极大的实用性，在保护生态环境、保证供水安全等方面具有重大的现实意义。

2 组件式GIS及ArcGISEngine技术

地理信息系统（GIS）是在计算机软硬件平台支撑下的采集、存储、管理、分析描述与空间地理分布有关数据的空间信息系统［1］。作为一个强大的空间数据管理工具，它强调的是空间实体及其关系，不仅有空间分布位置信息，还同时具有属性信息和拓扑空间关系信息。GIS的优势在于它的数据综合、地理模拟、区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，在于它集空间数据的获取、管理、处理、分析和模拟显示于一体的数据流程。

组件式GIS可通过标准通信接口实现交互，嵌入通用的开发环境（如VB，VC等），实现GIS功能及开发GIS应用系统。ArcGIS Engine是美国ESRI公司推出的由一组核心ArcObject包组成并用于构建定制应用的完整GIS组件库，可帮助用户实现地图制作、地图编辑、地理编码、查询与分析等功能。

本文中突发性水污染事件应急响应系统是以长江三峡水库万州区约60 km江段为示范区，采用ArcGIS组件技术，利用其在空间分析、多要素的综合管理、开放性等方面的优势，构建的一个实用有效应对突发性水污染事件的应急响应系统。

3 GIS技术在应急响应系统中的应用

3.1 突发性水污染事件紧急处置查询系统的建立

在本系统中，GIS查询和分析模块采用基于COM技术的组件式GIS开发技术，在Visual Basic 6.0中利用ArcEngine9.2来实现空间数据和属性数据的存储、管理、查询和分析功能。

系统查询包括对水文站点水文数据的查询、水质监测断面水质监测数据的查询、排水口基础数据的查询以及水功能区的查询等。如图1所示。用户通过点击地图上的水文站点，可连接相应的水文数据库，获取水位、流量等数据作为水污染模型计算的初始条件。

图1 水文站水文数据查询Fig.1 The data query of a hydrologic station

将水质数据取样后，如何选择最近的水质监测站点，这就需要用到GIS中的最短路径分析功能。最短路径是指在一个非负权值图中找出两个指定节点间的一条权值和最小的路径。我们首先获取两类信息：结点最大编号和每一条路径的权值。并将数据存储在图形的属性表中。通过遍历路径图形要素，将路径的权值赋值给邻接矩阵的每个要素，不存在连通的路径可用一个大值表示（如99999）。然后根据弗洛伊德试探法，得到每2个结点之间的最短路径值和经过的结点编号。这样通过2个二维数组就可最终得到最短路径值和最短路径经过的结点集。最后调用DrawShape方法和FlashShape方法实现绘图和闪烁。如图2所示，点1代表取水样点，点2代表附近的水质监测站，白线即为系统确定的到达最近的水质监测站的路径。

3.2 水质模型计算使用的DEM网格

为了与突发性水污染应急响应系统的三维仿真场景等模块兼容，并考虑到可移植性、实用性，水质模型开发采用了DEM（数字高程模型）网格作为模型计算的基础网格。DEM是GIS技术中常见的地形标准，其网格一般为正方形网格。为了保证水质模型的计算精度，DEM还需要进行加壳变换或蜕皮变换等处理［2］。

加壳变换定义为

图2 水质监测站最短路径查询Fig.2 Shortest path reference of a water quality monitoring station

其中，所谓壳指实体外表邻近厚度均为L的外壳。

蜕皮变换定义为

其中XB1（L）为皮。

在使用DEM格网的万州段水质模型中，皮或壳代表边界，均为过水区域。蜕皮虽然会将外表面宽度不大于2L的凸部蚀去，但是由于其蚀去的区域仍然为边界，可以过水，故对计算精度影响不大。而加壳却有可能将外表面宽度不大于2L的凹部粘连起来，使原来不连通的水流相互连通，造成较大的计算误差。因此在万州示范段中，水质模型在处理DEM时主要采用蜕皮算法，保证了计算的精度，使水质模型能够适应不同地形以及水文条件变化造成的计算区域变化；同时，由于模型直接利用了DEM网格节点布设计算、求解变量，其计算网格与仿真系统采用的网格完全一致，因此可以与三维场景下的应急系统完美耦合。

3.3 开发应急响应专家决策支持系统

根据应急响应的特点，在突发性紧急事件发生时，相关部门将根据事先安排好的处置流程（即预案），结合实际情况进行决策、指挥、调度。这个过程实际涉及3方面的内容：预案、案事件相关信息的快速准确获取、指挥调度的上通下达［3］。因此，系统的GIS专业模块开发内容包括以下两方面内容。

3.3.1 预案处置模式化

根据突发性水污染事件报告和处置程序，分别建立相应的预案处置模式库。通过分析各种预案的处置模式，把已有的预案资料处理成主题词索引及处置方式描述的固定文档结构，将原来的纯文字描述性的预案文档处理成可查询、可组合的具有计算机语义的信息，从而快速提取出事件发生地点、性质、案情简要描述等关键信息，供辅助决策系统进行快速查询及调用。同时，也可将已发生过，处理完毕的历史事件存档，以供将来处理类似事件时参考。如图3所示。

图3 相关信息查询Fig.3 Relative information reference

3.3.2 水污染事件影响评估

建立灾害预估系统，对发生水污染事件后的决策有重要的支持作用。灾害损失的影响因素很多，而作为水污染事件的灾害预估，其中最重要的一个因素就是取水量。我们根据水污染源的类型、污染物质的种类、浓度和数量以及对人畜等的危害性等，在污染团扩散模拟（速度和范围）基础上，利用GIS技术多边形截选功能获得从污染源开始到扩散完成所影响的所有取水口信息，如图4所示。根据浓度的变化，结合水功能区的划分标准计算出影响每个取水口的时间和程度，从而获得对取水量的损失影响大小。以此辅助人口统计资料、土地利用状况资料等来评估突发性水污染所造成的灾害损失大小。

3.4 污染扩散应用实例

以万州江段发生溢油事故为例，溢油量10 m3，在无风情况下，首先以FAY模式模拟溢油的前期扩散，以油粒子模式模拟油膜的运动和后期扩散、分散等过程。其分析模拟结果如图5至图7所示。通过以长江三峡水库万州区约60 km江段模拟突发性水污染事件的发生，用建立的应急响应系统来进行相应的运作，可以达到高速的反映和决策系统的起动。

图4 取水口报警查询Fig.4 W ater intake alarm reference

4 结 语

图5 突发溢油位置图Fig.5 Position of sudden oil-overflow

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

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

将GIS技术运用到突发性水污染事件应急响应系统中，利用其强大的空间数据组织能力，空间分析能力、多要素综合分析和动态预测等能力，按照水污染事件应急管理体系的业务要求，可将基础地理、水文、生态环境和社会经济等各类本底信息有机整合，在本底数据库的支持下，通过水污染扩散模型的计算分析，进行灾情评估和应急预案的分析，为突发性水污染事故预警预报及应急决策等提供一个高精度、现势性强、可共享的数字化辅助决策系统［4］。同时，突发性水污染事件应急响应系统是一项涉及面广、影响因素多，机理复杂的应用型研究项目，除了GIS技术外，还涉及到三维虚拟仿真技术、水动力学、污染扩散模型建立和率定等不同的专业领域。我们在长江三峡水库万州段开发的系统仅仅是对突发性水污染应急响应系统的一个探索和试验，但它所展示的丰富的研究内容和广阔的应用前景，为我们更好地保护和利用水资源，将起到十分关键的作用。

［1］ 陈述彭，鲁学军，周成虎.地理信息系统导论［M］.北京：科学出版社，2000.（CHEN Shu-peng，LU Xue-jun，ZHOU Cheng-hu.Introduction to GIS［M］.Beijing：Sci-ence Press，2000.（in Chinese））

［2］ 叶 闽.三峡水库水污染控制对策研究［J］.人民长江，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］ 钱 江，杨 伟.江苏省突发性环境污染事故应急监测支持系统建设框架［J］.环境监测管理与技术，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］ 陈蓓青，谭德宝，程学军，等.三峡水库突发性水污染事件应急系统的开发与研究［J］.人民长江，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））

（编辑：罗玉兰）

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

科技部社会公益研究专项“三峡水库突发性水污染事件应急响应系统研究”项目资助

陈蓓青（1971-），女，浙江慈溪人，高级工程师，硕士，主要从事资源环境遥感监测与评价、空间信息技术在水利行业中的应用研究等工作，（电话）027-82926551（电子信箱）chenbq＠mail.crsri.cn。