云南省河流污染源排查系统设计与实现

杨美菊+龙华+李宇昊+邵玉斌+杜庆治+杨晓红

摘要：为解决人工排查河流突发水污染事件排污企业名单时，工作效率低、可靠性差等问题，针对云南省河流数量庞大、分布广的特点，基于BS模式，利用Java编程语言及DBSCAN聚类算法、WebGIS的富客户端技术设计实现了云南省河流污染源排查系统。该系统实现云南省内6大水系干流及其一级支流和排污企业的信息化管理，并在发生水污染事件时及时排查出导致水污染事件发生的疑似企业名单，为环保部门分析及执法提供决策依据，提高环保部门的工作效率。

关键词关键词：水污染；Java；排查系统；WebGIS

DOIDOI：10.11907/rjdk.171905

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）011005804

0引言

环保部《2016年全国环境应急管理工作要点》提出做实环境安全隐患排查治理监管工作，各地环保部门要督促企业开展环境安全隐患排查治理，健全环境安全隐患治理制度，建立环境安全隐患排查治理档案，深化重点领域环境应急管理工作[1]。信息化手段是环境应急管理的必要技术手段，各地环保部门只有通过信息化建设，充分掌控所管企业的涉污数据，才能有效地督促指导污染企业开展环境风险评估，制定切实可行的预案并备案，从而及时防范并妥善应对突发环境事件[2]。

由于沿河居民日常生活和农业生产对河流水资源的依赖程度较高，因此提升水污染事件排查效率尤为重要[3]。云南水资源丰富，总量仅次于西藏、四川两省区，居全国第3位。省境内有大小河流600多条，其中水能资源蕴藏量在1万千瓦以上的有300条。然而，根据2016年云南省国家重点监控企业名单显示，云南省共有废水国家重点监控企业78家，废气国家重点监控企业87家，污水处理厂国家重点监控企业98家，涉污国家重点监控企业256家，危险废物国家重点监控企业32家[4]。除此551家登记在国家重点监控企业名单的企业外，还有许多企业存在排污。这些企业中的很大部分企业排污设施不完善，有些甚至直接将工业废水直接排入附近河流。当发生突发性水污染事件时，相关部门除了制定相关措施处理被污染水源外，还需要迅速定位污染排放企业，从源头上迅速堵截污染，并对相关企业进行追责。近年来，各级环保部门纷纷把制定突发性污染实践应急预案作为维护社会安全稳定的主要措施[5]。因此，河流污染源排查系统设计在相关部门中的应用尤为必要，可在很大程度上缓解手工排查污染企业费时费力的弊端。

1关键技术

1.1基于WebGIS的河流标定

本系统主要实现云南省河流与污染企业的电子地图展示，以及污染源排查结果的地图显示。因WebGIS（Web Geographic Information System）在水质监测系统中具有显著优势，可实现图形、图像、地理信息数据在空间框架下的动态链接，富客户端技术又使得程序部署灵活且用户交互性较强、用户体验丰富[67]。因此，系统调用高德地图Javascript API（Javascript Application Programming Interface）接口进行GIS显示。然而，河流在电子地图中展示需要已知一系列的点才能在地图上进行描绘。因此，需要先获取河流上一系列点的坐标。

河流可视为一条起伏的曲线。在此，本文给出关于河流拐点的定义，拐点即地图在某一缩放级别时，描绘河流曲线上的转折点。当拐点附件折线段范围无限小，则拐点就是极值点。假设将河流某一段抽象表示为二元函数表达式Z=f（lng，lat），其中lng和lat分别为点坐标的经度与纬度。则拐点为这一段中的极大值或者极小值，例如当P0坐标为（lng0，lat0）时使得Z=Zmin或者Z=Zmax，则P0点为拐点。

通过人工取点的方式从电子地图中取得云南省6大水系干流及其一级支流拐点经纬度数据保存于数据库中。

1.2污染源排查算法

污染源排查算法是污染源排查系统的核心，本系统中除了保存河流拐点信息，還将统计到的污染企业信息及其地理坐标也存储于数据库中。在污染源排查过程中通过对比提交的污染源地理坐标信息与数据库中的河流及企业数据，找出污染来源上游的疑似排污企业，再根据污染源信息与企业排污成分对比和搜查范围划定最后的疑似排污企业名单。

检索污染源位于哪条河流拐点附近时，先确定污染源所在簇，由簇序号在河流表中确定与污染源距离最近的拐点。通过该拐点向上游拐点追溯，由上游某一范围内的拐点依次调用距离计算函数求出距离河流上游指定距离企业名单，再通过污染成分筛查即可确定最终疑似企业名单。从地图中取出的拐点数据为二维数据，包括经度、纬度。在系统中为了加速污染定位排查速度，使用DBSCAN（DensityBased Spatial Clustering of Applications with Noise）聚类算法对河流拐点经纬度数据进行聚类，基于簇的核心对象建立索引[8]。DBSCAN聚类算法的核心对象是给定对象在ε邻域（搜索半径）内的样本点数大于等于MinPts（最小点数）[9]。本文设置ε=0.1，MinPts=4，然后将得到的每个核心对象的坐标范围和所包含的对象ID存到数据库表中。在数据库中，河流表以【id |河流id |点序号 |经度 |纬度 |所在簇序号】 的格式存储。

例如，假设污染源P的坐标为（Plng，Plat），集合 C={Ci，i=1，2，…}为河流拐点簇的集合，集合中的某个簇Ci={Pj，j=1，2，…}为部分拐点的集合。则距离污染源最近的河流拐点满足以下两个条件：

Cilngmin≤Plng≤Cilngmax

Cilatmin≤Plat≤Cilatmax（1）

Pjlng≤Plng≤Pj+1lng或Pj+1lng≤Plng≤Pjlngendprint

Pjlat≤Plat≤Pj+1lat或Pj+1lat≤Plat≤Pjlat（2）

其中，Plng和Plat分别为污染源的经度与纬度；Cilngmin和Cilngmax为某个簇经度的最大值和最小值；Cilatmin和Cilatmax為某个簇纬度的最大值和最小值；Pjlng和Pjlat分别表示所找到的簇中某一拐点的经度与纬度。

此系统筛选出来的疑似排污名单可为环保部门工作人员提供走访调查依据，大大节省人工排查污染企业的人力与物力投资，提高排查准确性。污染源排查具体流程如图1所示。

图1污染源排查流程

2系统需求分析

本系统以信息化手段支持对涉污企业的管控，提高管控的及时性和高效性。开发云南省河流污染源排查系统，通过建立云南省国家重点监控涉污企业信息管理数据库，以电子地图的可视化方式，结合大数据分析模型与技术，从地理空间、时间和污染关联因素等多方面直观展现云南省国家重点监控涉污企业分布情况、企业基本信息和其特征污染因子等信息，并通过信息间的关联检索，快速筛查和锁定污染企业，并将污染企业的基本情况和其特征污染因子以图表形式展示，为水质预警预报和应急提供基础资料。系统将完成以下7方面内容：①设计涉污企业信息管理平台硬件和软件构架；②实现涉污企业信息管理系统的服务器、数据库构建；③涉污企业监管信息数据的采集和入库，包括涉污企业基本数据、污染因子数据、主要污染物、数量等数据；④实现基于电子地图的BS工作引擎，加载云南省电子地图基础数据，实现云南省6大水系及其一级、二级支流的地图数据矢量化，并为其构造相应数据库，完成污染源水系的查询和显示；⑤完成对采集数据的多方位查询应用，并得出输出数据的统计分析；⑥基于GIS的可视化前台应用界面，实现基于电子地图的污染源数据分析，并以图表形式展示出分析结果；⑦数据后台管理应用界面，实现对采集数据的录入和管理、用户管理和安全管理等后台功能。

图2系统架构

应用软件架构设计分为7层：基础软件层即为服务器基础平台，包括操作系统、Web服务器以及数据库软件；数据层即基于MySQL数据库的各种数据存储，分为WebGIS数据和业务应用数据两大类；在数据层之上，是为用户提供数据查询检索、编辑录入以及用户管理等基本功能的基础功能层，通过基础功能层提供的功能模块，形成业务应用层上的各种业务组合，包括后台维护应用和基于GIS用户界面的前台业务应用等；通信层即业务内网，用户通过业务内网以浏览器方式访问Web服务器上的业务应用，从而构成业务应用的软件系统。

3系统设计与实现

采用BS架构，服务器由Web服务器软件和数据库服务器软件构成，用户通过浏览器进行交互，实现前台业务应用和后台数据管理。服务器操作系统采用Windows Server 2010，Web服务器为Resin，数据库采用MySQL，应用软件采用Java和JSP编程实现。

3.1数据库设计

数据库可以存放企业、河流和用户基本信息，系统中共建立了用户表USER_LIST、权限表PERMISION_LIST、企业信息表COMPANY_INFO、河流表RIVER_LIST、污染物信息表POLLUTENT_INFO等 20张数据表。企业信息表的表结构如表1所示。

3.2系统功能模块设计实现

河流污染源排查系统用户登录后，主界面使用HTML

中的frameset标签设置页面框架为顶部、左部和中部3个模块。其中顶部显示系统名称、登录用户信息和重新登录链接等信息，左部为导航栏，中部嵌套显示左部导航栏中的页面内容，用户点击导航栏模块，页面局部刷新操作结果，使得操作者具有良好的用户体验。系统包含以下6个功能模块：用户管理、企业信息、河流信息、污染源排查、污染物信息、法律法规模块。云南省河流污染源排查系统功能结构如图3所示。

图3云南省河流污染源排查系统功能结构

（1）用户管理模块。用户角色不同，该用户在系统中能够访问的功能模块则不同[10]。管理员可以添加、删除、修改用户，并分配用户权限。权限分以下8种：参观、业务操作、污染物管理、企业信息管理、地图配置管理、用户管理、权限分配、日志管理等权限。管理员根据用户职能范围给用户分配具体权限，比如一般职员只有参观者权限，即允许参观浏览，但不能使用系统业务。此外，如管理员发现用户操作异常，可在用户管理中冻结用户权限。

（2）企业信息模块。在企业信息管理模块，以列表的形式将企业信息展现给用户。用户和管理人员可以查询、查看、添加、编辑、修改企业相关数据。用户可以依据企业名、地址或者类别查询企业信息，并生成查询结果报表以Excel表格形式导出；通过页面上的地图显示操作按钮，在地图上查看该企业的具体位置；通过污染物管理操作按钮，将企业排污种类更新到数据库中。目前更新的污染物有：

（3）河流信息模块。在河流信息管理模块，河流信息以列表方式呈现，用户可根据水系或者河流名称查询河流基本信息，如需查看具体河流的拐点或者位置信息，可点击河流辅助编辑工具按钮在地图页面通过输入河流ID查看该河流在地图上的具体位置。如发现河流拐点信息与地图图层上的河流有偏差，可拖动相应拐点，之后以更新所有点标记的方式更新拐点信息有误的河流。因河流拐点信息数据为排查的基本数据，不能随便更改，因此只有管理员或者具有地图配置管理权限的用户才能操作。

（4）污染源排查模块。污染源排查模块，在地图上将所有污染企业以点标记，河流以折线的方式将信息加以展示。用户可以通过添加污染源、污染物及需要搜索的范围（默认值5 000m），提交后台计算之后得到疑似企业信息。这些检索出来的疑似排污企业以点标记的形式展示在地图上，并且河流上下游以污染源为分界线，标记不同的颜色。执法人员或决策分析人员将根据排查结果，对疑似企业进行走访调查。endprint

如图4所示，在地图上的信息框中添加污染源报告点，设置范围为3 000m，污染物为铅，提交后台检索得到3家疑似排污企业。点击其中一个点标记，可查看具体企业信息，如图中所點击查看的企业为“昆明市XX矿业有限公司”。

图4污染源排查

（5）污染物信息模块。该模块以列表的方式展示涉污企业排放的所有污染物种类、排放标准和相关介绍。目前，系统中录入的污染物有总磷、总氮、氨氮、铜、镉、汞、砷等16种。如企业生产工艺改变或新增企业类型与现有类型都不同，需增加或删除污染物类型时，执法或者办公人员可根据变更信息在页面中添加、删除或修改污染物信息并保存，以更新数据库中的信息。

（6）法律法规模块。该部分以列表的方式罗列了环保部门常用的法律法规，执法或者办公人员可以输入关键词检索符合要求的法律法规，然后根据自己的需求查看某部法律法规的详细信息，解决在执法过程中遇到的问题。系统中使用jspSmartUpload上传、下载组件，完成新增法律法规的上传。如需补充新的法律法规，可以文本文档形式或者直接将内容粘贴到编辑框完成上传更新。

4结语

本文以软件工程设计思想为指导，采用面向对象的设计方法，实现基于JSP和WebGIS的云南省河流污染源排查系统。系统采用基于B/S架构的Web Service技术，同时融合了数据库和计算机网络等最新前沿技术，实现了河流及污染企业管理信息化。一是结果显示直观，将WebGIS技术应用于河流污染源排查，查找统计结果可直接在地图上显示，使用户可以直观看到排查结果；二是准确性提高，通过后台直接进行经纬度及距离运算，与人工比对企业及河流信息的方式相比，准确性更高；三是工作效率提升，对比人工筛查方式，利用DBSCAN智能算法大大缩短了筛查时间，减少了人力物力投入，提升了相关部门的工作效率。

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责任编辑（责任编辑：孙娟）endprint