基于GIS的阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统的设计与开发

马 恒 谈 红 杨忠平

(1.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江 杭州 310007；2.新疆阿克区地区环境保护政策研究与技术发展中心，新疆 阿克苏 84300；3.浙江工业大学，浙江 杭州 310014)



基于GIS的阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统的设计与开发

马 恒1谈 红2杨忠平3

(1.浙江省环境保护科学设计研究院，浙江 杭州 310007；2.新疆阿克区地区环境保护政策研究与技术发展中心，新疆 阿克苏 84300；3.浙江工业大学，浙江 杭州 310014)

在新疆跨越式发展时期，对工业污染源实施科学有效的监管是保障环境安全与改善环境质量的基础，也是现阶段环保工作的重点要点。目前新疆环境管理工作中存在污染源信息不衔接，现有环境管理信息系统空间分析功能薄弱，跟不上形势发展需求等问题。本文以阿克苏地区为例，研发基于GIS的重点工业污染源动态管理系统，实现对重点工业污染源全生命周期的综合管理和动态监控，为地区环境管理提供空间分析和决策支持，促进新疆社会经济与环境协调发展。

重点工业污染源；GIS；动态管理；设计；开发

近年来，随着跨越式发展战略的实施，新疆进入大建设、大开放、大发展时期。资源能源消费总量不断上升，污染物产生量和排放量持续增加，环境风险与压力进一步加大。在保护与改善环境质量的前提下，保障社会经济跨越式发展，这成为新阶段新疆的难点重点工作。在严峻的形势下，如何科学合理有效地对重点工业源实施全生命周期监管是现阶段环保工作的要点与基础，更是新时期做好环保工作的必然要求。

工业源具有区域性、分散性、多源性等特点，污染因子多，数据量大[1]。目前，环境信息系统虽然在环保领域已有一定的应用[2-6]，但仍处于探索阶段，空间统计分析功能薄弱、不健全，无法满足当前环境管理业务的需求[7]，适应新形势的迅猛发展。将地理信息系统(GIS)技术引入进来，把工业源信息与其空间位置有机的结合起来，且融入区域环境功能分区信息，建立了一个具有空间属性的污染源信息数据库。在此基础上通过系统开发，对现有数据信息和实时动态更新数据进行统计分析与维护管理，为项目准入、综合管理、实时预警、应急处理和辅助决策等方面提供有力的信息支撑。

本文以阿克苏地区重点工业污染源为研究对象，基于GIS技术开发阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统，就总体设计与实际应用进行了相关探讨。

1 系统总体设计

1.1 总体构架设计

系统总体构架设计以阿克苏地区环境管理业务需求为导向，重点工业污染源信息与环境功能区信息集成整合，采用模块方法进行构建。整体结构由数据库、数据管理子系统和功能模块所组成，如图1所示。数据库通过数据管理子系统实现对数据的动态更新、管理和维护。通过GIS软件平台，根据与功能模块具体功能相对应的逻辑运算关系，对数据库中的数据进行处理、加工分析，实现查询、统计分析、图表导出、动态监管等功能。

1.2 网络结构设计

网络结构设计依托政务网，通过构建虚拟专用网络(Virtual Private Network，VPN)，阿克苏地区八县一市环保局作为VPN的一个数据端或客户端，实现与所属各成员单位的网络连接[8]；同时，在各公共网络区域之间加入防火墙，以确保内部网络的安全性和相对独立性。

1.3 系统平台设计

系统采用ArcGIS作为基础GIS平台，由ArcIMS提供多层次的产品解决方案[9]。选用NETFramework和ASP.NET作为软件基础结构，Visual Studio.NET作为开发环境，Access作为数据库管理软件[10]。操作系统选择Windows2007或Windows2008。本系统与环保局其他信息化管理产品之间，通过开放的、标准化的接口，实现多种方式的数据和业务融合。

2 数据库设计

2.1 数据库的构成

数据库的构成包括阿克苏地空间数据、重点工业污染源的相关信息属性数据、以及阿克苏地区环境功能分区地理信息数据。之间利用ArcMap和ArcCatalog应用程序模块[11]，将获取的空间数据和属性数据进行数据转换跟踪，实现空间数据和属性数据的有效整合，构成动态管理系统的数据库。

图1 阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统总体结构示意图

2.2 空间数据库的设计

空间数据库主要包括阿克苏地区境界线：国内部分(国界、地区界、县/市界)国外部分(国界线)；交通：G3012高速公路、G314和G217国道线、S306、S207、S208、S215、S210、S211和S307省道、以及县乡级道路、南疆铁路；水系：阿克苏河、渭干河、塔里木河三大水系及多条泉流；驻地：地区、八县一市、乡镇及村庄等。污染源的空间数据主要是企业代码、经纬度信息等。环境功能分区信息：功能小区的边界范围。

3.3 属性数据库的设计

属性数据库包括污染源属性数据库和环境功能区属性数据库。污染源数据库主要包含阿克苏地区重点工业污染源信息：基本信息、产能信息、能源消耗信息、建设项目审批信息、废水及污染物排放信息、废水污染物监测信息、废气及污染物排放信息、废气污染物监测信息、固体废物信息、污染源在线监控信息、环境监察执法信息、排污许可证信息、排污申报及收费信息、环境统计信息、污染源普查信息等[12]。环境功能小区属性数据库主要包含每个功能小区基本信息、环境功能基本概况、小区的环境保护目标、小区的管控措施等。

3 基本功能设计

3.1 数据动态更新管理

涉及数据输入、数据转换、自查校验、数据编辑、数据处理、数据输出、数据维护与备份等，下面就重点功能作介绍。

3.1.1 数据输入和转换

数据的采集包括两种方式，即实时数据采集和批量数据采集。批量采集的数据采用人工录入、excel或access数据表的直接导入和纸版数据的扫描识别导入等方式[13]导入系统。实时数据的采集分为两部分，一部分是污染源在线监控系统数据的即时传入；另一部分是办公自动化模块所产生的对应信息的及时导入与更新，如排污申报受理所产生的新增污染源信息等。采集的数据转换为标准数据格式后，统一入库。

3.1.2 数据自查校验

根据数据类型、数据长度、该属性是否允许空值、数据间的相互关系等属性的设定，对数据做初步的自查校验，对不符合数据属性的信息，作直接提示。根据此功能可对相关数据的真实性作初步核查判断。

3.2 双向查询

即从空间到属性和从属性到空间的双向查询[4]。从空间到属性的查询包括点击查询、画圆查询、拉框查询，采用任意多边形、按地理位置的条件查询等。从属性到空间的查询，采取模糊查询和精确查询，对污染源按不同种类进行多种组合查询，查询条件包括污染要素、行业类型、行政区域、企业名称、产品等。此外，能快速定位单个污染源，同时显示此企业的相关信息。

3.3 统计分析

可按行业、流域、产品、区域等统计点污染源的排污量、原辅材料用量、能源消耗及排放强度等指标，实现三同时验收等监管统计、排污费统计、总量特征及变化分析、超标排放统计、在线监测(日、月、年)统计、趋势分析等。

3.4 结果显示与输出

主要包括查询结果、统计分析结果及空间分析结果的显示与输出，具有可视化、多样式特点。

使用不同的标志标示不同种类的污染源，直观地表现各类污染源的地理分布特点。以柱状图、散点图、饼图、曲线图、表等多种方式显示统计分析结果。结合空间数据，实现可视化功能，具备窗口放大、缩小、漫游、复位、更新、清窗口等操作功能；可将地图的各种部件组合成图，绘制输出专题地图，包含视图、统计图、表格、图片、以及图例、指北针、比例尺、标题等要素[14]。

4 专题功能模块设计

专题功能模块是围绕重点工业污染源的管理开发的功能模块，从工业源前期审核落地到生命全周期的监督管理、统计分析，目的为政府决策提供科学有力的依据，确保环境安全。

4.1 环境功能区划管理

环境功能区划管理是系统融入了阿克苏地区环境功能区划中的功能分区的空间数据与功能小区的属性数据。实现图文一体化的生态环境信息展示、管理与分析，为科学决策提供辅助分析。空间分区数据主要包括自然生态保留区、生态功能保育区、食物环境安全保障区、聚居环境维护区和资源开发环境引导区五大分区范围，功能小区属性数据包括生态环境保护目标与具体管控措施，以及产业准入的要求。在本系统内融入环境功能区划的信息，主要是针对工业项目落地设置，对工业污染源“预进入阶段”就开始了监管，真正意义上实现了污染源的生命全周期监管，如图2所示。

图2 阿克苏地区环境功能区划管理专题功能模块截图

系统设置工业项目审批功能，工业项目审批通过传递项目的空间位置，系统自动定位项目位置，通过空间分析，判断项目所在的功能区类型，是否在聚居环境维护区下设的环境控制区与环境治理区，如果是则继续查看该区域内产业准入要求、污染源排放(主要是COD、NH3等)的总量控制目标和现状排放量，结合减排政策判断项目是否准入；如果项目所在的功能区类型是自然生态保留区、生态功能保育区和食物环境安全保障区，则不允许项目准入，维护该功能区的环境功能目标；如果项目所在功能区是资源开发环境引导区，则依据该区的矿产开发要求判断项目是否能准入，如果能则依据管控措施进行管理。

系统对已建项目不合理的提出了限期整改或搬迁的要求，并实时监督执行的情况与进度。同时系统也设置了分析功能，用户通过框选或者选择功能区查看该范围内的建设项目的项目列表和污染物排放信息，从侧面为工业项目的准入提供决策分析支持。

4.2 污染源综合管理

污染源综合管理主要建设阿克苏地区重点工业污染源的字典库，是整个动态管理系统主要数据存储、管理与维护中心，也是各级环保局业务工作的支撑。主要包括重点工业污染源基本信息管理与查询和污染源数据维护等方面内容。

污染源基本信息管理贯穿从“环保建设项目管理”到污染源“死亡”的整个过程，管理企业的基本信息与污染方面的专题信息，包括企业名称、地址、法人、行业类别、企业规模、污染物总类、污染物的排放量、污染物排放浓度等信息；同时污染源是环保管理中的一个主体，串联阿克苏地区环保局各个业务部门，作为环保核心业务的载体，因此，从污染源的产生、各类审批、排污申报与受理管理、排污费征收管理、环境信访和污染源注销全生命周期涉及到的所有信息进行统一“一厂一档”式管理，建立污染源台帐管理，企业概况管理、产品及辅材料管理、能源消耗管理、污染源排放、固体废物、环境投诉、环境执法、建设项目情况管理、许可证情况管理、废水监测管理、废气监测管理、污染源在线监控管理、行政处罚管理、危险化学品和危险源管理、放射源管理等各方面综合信息统一管理和应用，如图3所示。

污染源数据维护工作主要涉及当业务系统数据不完整、不统一，难以满足业务管理需要时，可设置权限对重点工业污染源及时进行数据增加、修改、删除操作。对工业污染源的各年度的控制级别的维护，系统提供快捷的维护界面；同时系统能够提供直观方便的污染源管理功能，以电子地图显示污染源位置及相对关系、以及污染源企业内的排口等设施的位置；并能对污染源企业及设施的相关信息进行维护，能够通过污染源列表显示污染源一览；同时系统能够提供丰富的、可方便维护的各类相关标准或规则，如污水综合排放标准、行业排放标准、行业清洁生产标准、行业代码等，以提高软件的易用性，同时方便管理人员的日常工作。

图3 阿克苏地区重点工业污染源综合管理专题功能模块截图

系统能够对污染源数据进行自动或手动的备份，保证数据的完整性。当某一企业在数据库中还没有记录，但又需要记录该企业的信息时，可在各记录的录入时，作为首次录入，直接增添该企业的记录，并在GIS中临时以点来表示；在今后数据整理时，可将临时用点来表示的企业，完善到用面表示，也可将误操作重复添加的两个企业进行合并。

4.3 污染源动态监控

污染源动态监控与在线监测设备相连，其数据采集和传输的特点是实时获取在线监控数据、以主动与被动方式传输数据。对于数据库中的缺失数据，系统会自动扫描，并向监测仪器发出请求，自动补足数据。另外，也提供手动采集数据的界面，让系统管理员或数据专家可以录入需要采集的监测数据的参数，系统会根据用户提供的参数，从相应的监测仪器中重新获取相应的数据。监测因子的基本信息包括因子中文名称、因子编码、单位等信息，监测对象主要以废水和废气为主，包括二氧化硫浓度、烟气温度、烟气压力、流速、烟气含湿量(或输入烟气含湿量)、烟气含氧量(或二氧化碳含量)、计算烟气污染物排放率、排放量、污水瞬时流量、污水累积流量、COD浓度和排放总量、氨氮的浓度和排放总量等，如图4所示。

图4 阿克苏地区重点工业污染源实时监控专题功能模块截图

实时数据是指企业监测点最近一条上传的数据。在实时数据里可以清楚的看到两类信息：监测设备在线情况和最新数据状态。数据状态包括国标中的各类数据状态，如正常、告警、电源故障、填充值、校验值等。实时告警是指监测数据正在告警并且到当前时间还没有结束的告警记录，该记录显示：数据产生的企业，排口，开始时间，监测因子及该监测因子的超标上限和下限，及超标这段时间的平均值。实时报警是污染源动态监控的重要部分，开发了实时预警模块，实现总量超标预警、浓度超标预警及监测设备、采集传输设备、排污处理设备异常报警。系统将以蜂鸣或出现警示信息或通过短信提示等方式予以预警，使主管部门能及时采取相应管理措施。数据异常报警，设置某个监测因子，监测数据浓度与累计排放量或区域的总量达到、接近或超过上限时，及时发出告警，在数据列表页面，以各种颜色数据表示各种数据的状态，白色表示正常，橘黄色表示告警等。

实时数据定期分析功能，系统嵌合污染物排放标准(包括国家标准、行业标准及地方标准)，把污染源所对应的污染物排放标准中的具体指标的排放限值设为上限，进行某个污染源日、月、年超标频次、超标污染因子统计分析，从中可以对企业的污染治理情况及超标原因作主观分析，锁定监管目标，对企业实施针对性的环境管理措施；全面掌握超标排放企业的分布、数量等信息，对比分析行业间、区域间企业超标情况，及时发现某一行业、某一区域存在的共性问题，制定针对性的措施，提高某个行业或某个区域内产业的污染治理水平和发展水平。

4.4 污染物统计分析

该功能模块对污染源信息根据业务需求进行统计分析，为政府决策提供支撑。

污染物总量控制主要针对COD、BOD、SO2、NOX、NH3-N等污水与废气指标，在实现基本查询功能上，系统还提供了多张数据表间关联的条件查询；自动生成“阿克苏地区重点污染源排放污染物年(季)度汇总表”，并可就单位总量、地区总量和行业总量等汇总数据进行查询，同时可按地区、行业、流域等类别统计年度数据，进一步分析总量削减情况。如图5所示。

图5 阿克苏地区污染物统计分析专题功能模块截图

可计算排放总量和排放分担率，分析企业排放污染物是否符合总量控制的要求，对接近、达到或超过允许排放总量的企业，按不同颜色在地图中标示。也可按区域和行业分类汇总，分析出任一行政区域的排污状况和收费潜力，为制定适合该地区发展的环境管理和排污收费政策提供基础数据支撑。

污染物统计则根据用户的需求，自动生成相应的环境统计专题报表，实现按各种环境要素的横向对比、纵向对比，如同年份各行政区或各产业主要污染产生量、排放量对比分析，同一行政区或同一产业不同年份的各主要污染物产生量、排放量对比分析。同时，结合经济数据分析核算各地区及各产业污染物产生排放状况和变化趋势。

此外，还设置了多种环境要素分析模型和辅助决策模型，如洛伦兹曲线分析、弹性系数分析、回归分析层次分析、聚类分析法等，系统给出的区域内某年工业行业氨氮排放的洛伦兹曲线，清晰地显示出阿克苏地区各个重点污染工业行业污染物排放的贡献率与工业产值贡献率之间的关系，快速判断某一行业的环境效率，为产业结构调整和产业升级提供科学的依据。

5 结 语

基于GIS的阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统通过空间分析与常规数据系统无缝结合，为环境管理和政府决策提供了一体化解决方案。与其它环境信息系统比较，具有以下创新与优势：

(1)具备数据自查校验功能，可对相关数据的真实性作初步的快速核查判断，确保污染源数据的统一性。

(2)通过“一厂一档”，建立健全了各类、各级重点工业污染源的档案和数据库，实现了对重点工业污染源全生命周期环境信息的综合管理和统一管理，解决了环境管理过程中信息不衔接、不对称的问题。

(3)结合在线监控设备，以污染物排放标准、总量控制标准为基准，实现浓度超标、排放总量超标、设备异常实时预警，使主管部门能及时采取相应管理措施。

(4)通过嵌合多种数学模型，综合GIS的各种功能，将信息的整合应用挥发到最大程度，其应用范围涵盖了环境管理各个业务领域。

基于GIS的阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统掌握重点工业源全生命周期信息数据，实施高效、动态管理，实现排污现状、污染防治和环境管理的量化评价，及时发现并解决环境管理中存在的问题。该系统的研发为环境管理提供空间分析和决策支持，增强管理决策的科学性、可靠性和预见性，进一步提高综合管理能力、分析决策能力和执法监管水平，在新疆跨越式发展中具有广阔的应用前景。

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Design and Development of Dynamic Management System for Major Industrial Pollution Sources in Aksu Area Based on GIS

MA Heng1TAN Hong2YANG Zhongping3

(1.Environmental Science Research and Design Institute of Zhejiang Province，Hangzhou Zhejiang China，310007；2.Environmental Policy Research and Technology Development Center of Akesu of Xinjiang Province，Akesu Zhejiang China，84300；3.Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang China，310032)

In the great leap development period of Xinjiang，the effective supervision on industrial pollution sources is the foundation to ensure the environmental safety and improve the quality of the environment. It is also the key point of the environmental protection work. Now there are some problems in Xinjiang environmental management work. For example，the pollution source information is not connected；the spatial analysis function of the existing environmental management information system is weak and can′t keep up with the demand for development. In this paper，Akesu area is taken as an example. The paper researches on the key industrial pollution source dynamic management system which is based on GIS and the paper realizes the whole life cycle′s comprehensive management and dynamic monitoring of the key industrial pollution sources. And this paper provides the spatial analysis and decision support for regional environment management and promotes social harmonious development of economy and environment in Xinjiang.

Key industrial pollution sources；GIS；Dynamic management；Design；Development

马恒，环境工程硕士，援疆干部，主要从事环境管理与GIS在环境领域的应用等方面工作

X21

A

1673-288X(2016)06-0186-05

项目资助：阿克苏地区科技兴阿项目“基于GIS的新疆重点工业污染源动态管理系统研发”

引用文献格式：马 恒 等.基于GIS的阿克苏地区重点工业污染源动态管理系统的设计与开发[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：186-190.