清潩河流域水环境预测预警平台的设计与构建

白云飞，谢超颖，余 璐，张培锋

(1.许昌市环境监控信息中心，河南 许昌 461000;2.许昌学院 国际教育学院，河南 许昌 461000;3.许昌市环境监测中心，河南 许昌 461000)

清潩河流域水环境预测预警平台的设计与构建

白云飞1，谢超颖1，余 璐2，张培锋3

(1.许昌市环境监控信息中心，河南 许昌 461000;2.许昌学院 国际教育学院，河南 许昌 461000;3.许昌市环境监测中心，河南 许昌 461000)

以流域水环境安全为理念，综合运用互联网、大数据、云计算、webGIS技术和水质预测模型等现代高新技术，设计、构建了清潩河流域水环境预测预警平台。通过本平台的运用，可以实现清潩河流域水质预警信息的空间展示、可视化表达、动态趋势推演和实时发布等功能，增强清潩河流域水质预测分析和预警预报的科学性、直观性和及时性，有效保障清潩河流域水质安全，降低水体受污染的风险。

清潩河流域；水质模型；功能模块；预测预警

以流域为规划和管理单元的水资源综合管理概念形成于20世纪90年代。[1]中国流域管理体系中的环境监测预警体系已经逐步从原来的点源、区域监测转变到流域监测管理层面。[2]以智能化的管理手段来提升流域监测预警体系中的监测数据获取、评估、预警和应急等功能是现代流域管理的发展趋势。[3]国内学者已在多流域水污染预警及水环境风险预警等方面进行了一系列的研究，如黄河(蒙古段)流域、辽河流域、太湖流域、汉江流域、三峡库区、滇池流域的水污染和水环境风险预警系统等。[4-9]

沙颍河作为淮河流域重要的一级支流，其流域面积占淮河全流域的1/7，污染负荷占淮河全流域的1/3，对淮河干流的水质影响较大，“预治淮河，必先治沙颍河”已成为众多专家学者的共识。清潩河为沙颍河源头河流，其污染物入河量占河南省辖沙颍河流域的1/5。随着流域工业化和城镇化的持续推进，水资源需求进一步增加，污染物排放新增压力较大，水质改善的形势依然严峻，流域面临着经济建设与生态文明建设必须协调发展的多重压力。因此，在清潩河流域建立一套切实可行的水环境预测预警系统，以满足流域水环境科学管理、水质预测评价、水环境预警以及应急处置的需求，对将流域水环境的被动管理转化为主动管理、事后管理转变为事前管理、常规管理转变为风险管理具有十分重要的意义。

1 建设目标

基于水质传感技术、网络通讯、数据库、云计算和webGIS技术，利用环境地理信息数据、水环境质量人工和自动监测数据、水文信息数据，结合水文模型和河流水环境质量模拟模型，构建可实现水质监测数据统计分析、异常判别、趋势分析、风险识别与评估、污染预警、应急措施管控和动态专题图展示等功能的清潩河水环境预测预警平台，为清潩河流域水质监管和事故风险管控提供全方位、多角度的决策信息支持。

2 平台构架

基于流域水环境安全管理的体系性、超前性和平台可扩展性需求，结合流域河流特征和当前先进信息技术，顺应软件设计的最新发展趋势，运用数据建模、对象建模和SOA(面向服务)的主流技术和设计思想，提出清潩河流域水环境预测预警平台设计的总体构架，如图1所示。平台构架按逻辑层次分为3层，分别是数据层、计算层和预警服务层。

平台采用功能模块化设计理念，并在主系统划分中采用组合分类方法，以满足各种业务信息、预测预警信息和应急决策管理信息的查询、统计、显示、推送、维护等应用需求。

图1 平台总体架构图

3 预测预警模型

3.1 机理性模型方法

机理性水质模型主要依据能量守恒和物质质量守恒原理，通过运用流体力学中的运动方程、连续方程、能量方程等建立数学模型，对污染物在水体中的扩散趋势和变化状态进行定量描述。

滚动预测预警是基于机理性模型建立的针对突发性河流水质事故的预警方法，其核心是基于预测控制理论中的滚动优化。滚动预测预警过程如图2所示。

当发生突发性水质污染事故时，首先，数据触发模块会动态更新水质数据库的污染物数值，并调用触发器，触发后续模块的运行；第二，水文数据预测模块预测出相关的水文数据，作为模型的输入数据；第三，模型计算模块运行模型，得到污染物浓度的仿真值；第四，模型校准模块使用实时校准技术，对仿真值进一步优化；最后，预警评价模块通过前面几个模块获得的污染物相关信息，确定污染等级和污染的持续时间，为应急决策提供依据。

3.2 非机理性模型方法

非机理性模型方法主要是使用统计分析、机器学习等数据挖掘方法建立数学模型来预测水质污染物的变化趋势。非机理性水质模型的模拟对象大多是某一特定的水质系统，预测过程较为简单，因而在水质预警领域得到了较广泛的应用。

图2 滚动预测预警示意图

4 功能模块

系统整体分为模型库管理模块、预警任务管理及控制模块、应急监测点布局优化模块、可视化查询与展示模块和预警评价模块。各模块之间联动实现水环境污染的预测预警，既有各自的作用又共同构成了一个整体。平台功能模块组成见图3。

图3 平台功能模块组成

4.1 模型库管理模块

本模块包括了模型调入与查询、模型添加和模型删除三个功能，可快速实现不同水环境预测预警需求的模型选取、模型参数查看、模型的更新添加及废旧模型的删除。

4.2 预警任务管理及控制模块

该模块设计了用户需求响应、新建预警任务和预警任务管理三项功能。

通过用户需求响应可以调用相应预警模型，创建新预测预警任务，从而人为地针对特定的对象进行重点预测预警。新建预警任务功能主要帮助用户在创建新的预警任务时，对诸如开始执行时间、执行频率、执行函数等运行参数及校正和限制条件进行设置。预警任务管理主要是对预警任务运行过程中运行时间、占用资源等参数进行监控，以防止系统计算过程失败或陷入“死循环”状态，引起系统崩溃。

4.3 应急监测点布局优化模块

本模块分监测点位布局、点位查询和点位优化三部分内容。通过该模块，实现预情发生时自动布设预测点位，并把预测预警点位位置和相关结果信息展绘到二维或三维地图上，可从全局角度了解流域或报警河段水质的空间分布及污染走势。随着污染物扩散的空间尺度和时间跨度的变化，系统适时对预测点位数量和位置进行变动，提高预测结果的准确性。

4.4 预测预警可视化模块

本模块分为预测范围控制、预测结果可视、警情可视三个部分。用户可通过该模块设置水质预测的时间跨度和空间范围，并将经过模型分析预测得出的水质变化过程以曲线、表格或动态专题图的方式可视化显示。在系统监控到水质预测结果达到设定的预警条件时，自动将预警发生的地点、级别等相关信息显示在前台，供有关部门在最短时间内了解流域水质情况。

4.5 预警发布模块

本模块包括警情级别判定、警情预报生成和预警信息发布等内容。其中警情级别判定主要是根据污染物浓度、扩散速度、毒害性、流速流量等信息综合判定警情级别，并密切监视各项数据的变化以实时调整，直至最后解除警报，保证在整个过程中对警情做出客观、及时的判断。

通过警情预报生成和信息发布功能，可对到达设定级别的警情以报告形式汇总相关信息，并及时发送到相应的职能部门和人员，使各部门能够提前做好准备，为防治水质进一步恶化赢得时间。

5 建设展望

清潩河流域水环境预测预警平台的设计和构建，综合运用了物联网、网络通讯、云计算和水质预测模型等现代高新技术，实现了流域水质预警信息的空间展示、可视化表达、动态趋势推演和实时发布等功能，显著增强了流域水质预测分析和预警预报的直观性，有效降低了水体受污染的风险。但在预测模型细化研究、预测预警结果精度提高、多风险源叠加结果预警、风险防范和应急预案制定等方面，与业务化、智能化、效能化运用还有一定的差距；同时在本平台的扩展与共享方面，特别是与本地水环境综合管理决策系统及智慧环保系统的对接和镶入方面也需要做进一步的研究，以便更好地为清潩河流域水环境的智慧化管理提供服务。

[1]Biswas A K.Integrated Water Resources Management:A Reassessment[J].Water International,2004,29(2):248-256.

[2]高娟,李贵宝,华珞.地表水环境监测进展与问题探讨[J].水资源保护,2006,26(1):5-8,128.

[3]王秉杰.现代流域管理体系研究[J].环境科学研究,2013,26(4):457-464.

[4]刘卫,王克军,李敬伟,等.黄河(内蒙古段)流域突发水环境风险预测预警平台构建研究[J].环境与发展,2015,27(4):9-12.

[5]李秉文,刘明,冯明祥.辽河流域突发水质预警预报系统的探讨[J].华北水利水电,2000,18(9):39-42.

[6]李维新,张永春,张海平,等.太湖流域水环境风险预警系统构建[J].生态与农村环境学报,2010,26(S1):4-8.

[7]窦明,李重荣,王陶.汉江水质预警系统研究[J].人民长江,2002,33(11):38-42.

[8]张艳军,秦延文,张云怀,等.三峡库区水环境风险评估与预警平台总体设计与应用[J].环境科学研究,2016,29(3):391-396.

[9]张迪,嵇晓燕,宫正宇,等.滇池流域水环境综合管理技术支撑平台构建研究[J].中国环境监测,2016,32(6):118-122.

(责任编辑 姚虹)

Design and Construction of Qingyi River Basin Water Environment Prediction and Early Warning Platform

BAI Yun-fei1,XIE Chao-ying1, YU Lu2,ZHANG Pei-feng3

(1. Xuchang Environmental Monitoring Information Center, Xuchang, Henan 461000, China;2.Department of International Education, Xuchang University, Xuchang, Henan 461000, China;3. Xuchang Environmental Monitoring Center, Xuchang, Henan 461000, China)

For the purpose of basin water environment safety, with comprehensive use of modern high technologies, such as internet, big data, cloud computing, webGIS and water quality prediction model and so on, the water environment prediction and early warning platform of Qingyi River Basin has been designed and constructed. For the early warning on this platform, we can have spatial display, visual expression, dynamic trend deduction and real time release to report water quality of Qingyi River and protect water from pollution.

Qingyi River basin; water quality model; functional module; early-warning and forecasting

2017-06-04

许昌市科技攻关计划项目(20160213147)

白云飞(1981—)，男，河南许昌人，许昌市环境监控信息中心助理工程师，主要从事环境监控信息管理工作。

10.13783/j.cnki.cn41-1275/g4.2017.04.027

X824

A

1008-3715(2017)04-0125-04