基于云计算的整体水源安全机制

龚代华

摘要：水流产生了物流、信息流和资金流，它们将流域的各水务公司紧密联系在一起，可以在此基础上组建水供应链。以水供应链为基础，从最下游开始设置水源质量目标，然后倒推上游水源质量目标，由此形成了覆盖整个水源流域的目标体系。应用供应链协同管理方法研究水供应链信息管理和风险管理。在此基礎上建立基于GIS的水资源管理信息系统和基于云计算的水源安全预警系统。

Abstract： Water flow that forms logistics flow， information flow and cash flow closely linked each water company. The supply chain can be formed on this basis. Supply chain is applied to set water quality objectives from the most downstream and then push down the upstream water quality objectives， thus forming a target system to cover the entire water basin. Application of supply chain collaborative management methods to establish： the water supply chain information management and risk management. GIS-based water resources management information system and water security warning system based on cloud computing will be established.

关键词：云计算；GIS；安全；供应链

Key words： cloud computing；GIS；security；supply chain

中图分类号：[TU991.15] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）32-0102-02

1 严峻的现实

水是生命之源。水源安全关系到经济的发展，社会的和谐和国家的稳定。尽管有各级政府的高度重视，但我国正面临越来越严重的水源污染问题。根据环境保护部2016年颁布的《中国水资源公报》[1]，Ⅰ～Ⅲ类水河长占76.9%，劣V类水河长占9.8%。2016年，对118个湖泊共3.1万km2水面进行了水质评价。全年总体水质为Ⅰ～Ⅲ类的湖泊有28个，Ⅳ～Ⅴ类湖泊69个，劣Ⅴ类湖泊21个，分别占评价湖泊总数的23.7%、58.5%和17.8%。

国家环保总局的调查显示，2005年以来，我国平均每两三天便发生一起与水有关的污染事故。其中，工厂爆炸引起的大量有害物质泄漏，山洪地震引发的企业污水池工业废水泄漏，有害物质运输途中泄漏和企业偷排污水等对水源安全的危害特别大。

2 整体水源安全的概念

水是流动的，这意味着污染物会随水流而扩散。根据水的自然属性，必须以整个流域为保护对象，以提高整体水质为目标。这就是整体水源安全的概念。英国的泰晤士水务公司负责整个泰晤士河流域的水资源利用与保护，便于建立整体水源安全机制[2]。

在水源安全日益严峻的形势下，必须从局部的、事后的、被动的和迟缓的水源安全保障转变到整体的、事前的、主动的和敏捷的水源安全保障，建立整体水源安全机制已迫在眉睫。由于江河往往流经多个行政区域，流域内企业数量众多，污染物分布复杂，建立整体水源安全机制是一项非常复杂的工作，有大量的问题需要探索。

第一项重要工作就是要将整体水质目标进行分解，科学合理地确定上下游各节点企业的水质目标。根据水源流域的实际情况，确定关键污染物。按季节统计各节点企业的关键污染物数量，研究各关键污染物从上游到下游的变化规律，不同季节的变化规律。在此基础上，研究水源质量变化规律。根据《地表水环境质量标准》和《国家生态保护红线技术指南》确定最下游节点企业的水源质量目标。从最下游节点企业开始，根据水源质量变化规律，层层倒推出上游节点企业的质量标准。由此形成覆盖整个水源流域的质量目标体系。这些质量目标一环扣一环，只有所有节点企业都完成目标，才能确保供应链整体目标的实现。

3 水供应链的设计

有效的水资源信息管理是建立整体水源安全机制的基础。供应链管理可以实现信息流、物流和资金流的统一。可以借鉴供应链管理的理论和方法对水资源信息进行有效管理。水是联系流域各水务公司的纽带。水是流动的，这就产生了物流。水中包含了大量信息，如水质、污染物种类、浓度、分布等。这就产生了信息流。水是宝贵的资源，能为水务公司创造价值，这就产生了资金流。水流产生了物流、信息流和资金流，它们将流域的各水务公司紧密联系在一起，以水源流域的所有水务公司为核心企业组成供应链可以对物流、信息流和资金流进行有效管理，将此供应链直观地称为水供应链。王光谦（2010）认为未来10年将要迎来水联网时代[3]。

自来水将水源流域的所有企业、居民与水供应链联系在一起，由此可获得居民用水量、企业民用水量、企业排放的污水成分等信息。因此，可以将水源供应链扩展到水源流域的所有居民和企业。从而将水源源头和污染物源头都纳入供应链中。以供应链为基础，集成水质监测信息，建立全程实时的水质监测系统，建立基于GIS的水源信息系统。在充分掌握信息的基础上进一步建立污染物控制机制，有效控制污染物总量。建立供应商协同管理方法，激励企业强化隔离设施，有针对性建立预案，从源头上预防非常规突发性水源危机的发生。建立水源危机预测预警系统，分布式决策系统和水源危机快速响应系统，减少非常规突发性水源危机的危害，有效保护水源。

水供应链是一个非常特殊的供应链，其主要特征有：

①供应商数量巨大。

水供应链除了自来水供应商——水务企业之外，还有3类污染物供应商，即流域的企业、居民和农民，分别称为企业供应商、居民供应商和農民供应商。这三类供应商数量巨大。长江流域总人口超过4亿人，仅化工企业就超过40万家。

②信息收集难。

污染物供应商强行供应一种不受欢迎的原材料——污染物；同时，极力阻碍信息流的形成，避免与核心企业进行信息交流，使物流与信息流脱节。每个企业排放的污染物种类、总量、浓度千差万别。因此，很难全面、正确和完整地收集整个流域的污染物信息。

③地理跨度大。

河流短则几百公里，长则几千公里，流经多个市，乃至几个省。如长江全长6211.31公里。

水供应链的特征对管理模式选择有重要影响，如何有效管理这个特殊供应链对现有的供应链管理理论和方法提出了挑战。

4 基于GIS的水资源信息管理系统

这是建立整体水源安全机制的重要基础。重点研究追踪污染物的流程，实现物流与信息流的统一。

居民污水成分大致相同，而且集中由水供应链的核心企业处理，收集居民排放的污染物信息比较容易。

流域企业通过自来水与水供应链进行联接，也以水为载体把污染物排放到江河中。通过研究污染物计算模型，把企业的基本参数和用水量输入模型就可以计算企业排放污染物的种类和数量，建立企业的污染物库存，为有效控制企业排污打下基础。企业逃脱控制的手段只有从水供应链之外取水，我们称之为外部性用水（如偷采地下水等），必须研究识别企业外部性用水的方法。研究企业用电量和用水量之间的关系，由企业用电量推算企业的合理用水量，用合理用水量来监测企业外部性用水的情况。采用以上方法可以收集比较完整的企业污染物信息。

根据水源流域的水文情况，研究污染物扩散模型，建立动态污染物库存管理和动态水源安全级别管理方法。以动态信息管理为目标，集成所有水务公司的信息。在此基础上，可以建立基于地理信息系统（GIS）的饮水安全决策系统，实时监测企业污染物库存，动态监测全流域水源安全级别的变化情况，及时发布水源危机预警，选择和启动应急预案。该信息系统可以大大提高决策效率，全面保护水源。

5 基于云计算的水源危机预测预警系统

水源危机预测预警系统需要以下列工作为基础。

5.1 污染物扩散模型

根据水源流域的水文情况，研究污染物扩散模型，用以计算污染物扩散的速度、范围以及污染物浓度变化。

5.2 污染物库存动态管理模型

选择水源流域若干重要断面（如市界、省界）进行污染物库存监测。监测各断面污染物总量、污染物浓度，特别是及时发现新污染物的出现。利用监测数据建立污染物库存动态管理模型，利用该模型计算从上游到下游污染物总量、污染物浓度的变化情况和变化速度。

5.3 水源安全级别动态管理模型

利用该模型可以实时计算指定区域的水源安全级别，指定时间段水源安全级别的变化。并预测未来指定时间的水源安全级别，并给出置信度。

由于污染物库存动态管理模型和水源安全级别动态管理模型极其复杂，需要大型计算机才能完成计算任务。根据水源流域的特点，宜采用分散监测和集成处理的原则。以大型计算机群为核心，建立水源安全云计算平台。以云计算平台为依托，以污染物扩散模型、污染物库存动态管理模型和水源安全级别动态管理模型为基础，建立基于云计算的水源危机预测预警系统。实现实时、动态和全程监测流域水源安全级别的变化情况。预测危机形成时间、危机发生的节点和界面、危机的强度、危害性、影响范围等。

根据水源流域具体情况，确定预警级别和计算相应的临界值。如果预测水源安全级别将在一定时间内达到某临界值，可发布对应级别的水源危机预警。

一旦上游发生水源危机，该系统可以计算危机扩散速度、扩散范围、强度变化等，给下游发布水源危机预警，并用可视化的方式显示，便于指挥部决策和指挥。

我国的水源生态危机是一个系统问题，只有采取系统的措施才能有效应对。整体水源安全机制堵住了大量危机的源头，可以大幅度减少常规水源危机。基于云计算的水源危机预警系统可以有效应对爆发性的水源危机，从而大幅度提高水源安全级别。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.2016年中国水资源公报.

[2]邓涌涌，江莹.英国水管理状况与启示[J].人民长江，2006，37（8）.

[3]王光谦.未来10年将要迎来水联网时代.价值中国网，2011.