湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统设计＊

陈军，卢岚



湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统设计＊

陈军1，卢岚2

（1.长沙市环境监测中心站，湖南 长沙 410001；2.长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙 410004）

湘江流域经济的快速发展带来了一系列的环境问题，部分江段的重金属污染物较为严重，因此建立湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统具有重要意义。从系统构架、功能和数据库等方面对该系统进行了设计。

重金属污染；水质模拟；地理信息系统；数据库

1 引言

随着国家“促进中部地区崛起”战略的实施，湘江流域社会经济发展速度加快，而流域环境保护基础薄弱、工业产业结构不合理造成的水环境问题将更加突出。湘江上游是湖南省有色金属矿山集中地，株洲是有色金属冶炼的集中地，如此工业布局使湘江流域突发性重金属污染事故频繁发生，这不仅对湘江流域的经济、社会和生态环境造成了不可估量的损失，同时也严重影响了湘江流域的水环境质量。

湘江是主要饮用水源地，又是沿江城市的重要纳污水体，水质直接影响人民饮水安全。面对如此严峻的水环境问题，如何在事故发生时及时控制污染、预测水质变化、提出预警，以保障用水安全、将损失降至最低程度是我们应该思考的问题。因此建立湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统显得尤为重要。

本课题的研究目的在于结合“湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范”项目，对重金属污染物在湘江水环境中的运动、迁移规律进行研究，建立数学模型，探索实现重金属突发污染事件水质模拟预测的可能，在此基础上通过GIS技术、网络技术、数据库技术等建立湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统，其主要功能在于对发生污染事件后进行水质模拟，反映出水污染状况及其随时间的变化过程，直观地表达事发地点及其污染水体在时间与空间上的变化情况，尤其是受害对象与污染事故的时空关系。

系统可将模拟的结果以直观图形图像信息进行随时间变化的动态表达，使人们感性地观察到重金属突发污染事件发展的模拟变化过程，以便对事件进行分析和评价，进而对湘江水质及饮水安全进行预测预警，为决策提供支持。本系统的技术方案对于非重金属污染事件的水质模拟系统的实现也有积极的借鉴意义。本文着重谈谈湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统的设计。

2 系统构架

2.1 系统体系结构的选择

本系统采用Client/Server（简称“C/S模式”）体系结构和Browser/Server体系结构（简称“B/S模式”）相结合的复合模式，对于人机交互界面复杂、保密性、安全性要求高，以数据库操作和输入输出为主，要求复杂的表格输入、输出和需要复杂的预测模型计算以及模型结果的动态可视化表达的部分，采用C/S模式，对于那些以信息共享、信息通讯、信息检索查询为主的部分，则采用B/S结构。即B/S模式主要用于信息发布，C/S模式主要用于数据维护、各种重金属水质模型的预测和结果的可视化表达。

2.2 系统硬件构架

根据环境管理部门的工作特点，采用C/S和B/S结合的网络模式，实现本系统各种信息数据及其他系统信息资源的共享。B/S模式由路由器与Internet网相连接，C/S模式采用环境监测中心站各部门间的内部局域连接。

2.3 系统软件构架

为了实现数据的有效管理、提高数据访问速度以及系统开发的并行性，本系统的软件构架分为四个逻辑层次，即表示层、逻辑业务层、数据访问层和数据层。系统软件架构如图1所示。

表示层指用户在客户端看到的界面。该层需要以适当的形式显示由其他层动态传送的数据信息，比如预测结果信息的可视化表达，这个功能要通过使用相应的Windows Form、Web Form以及各种控件来实现。同时，这一层还负责对用户录入的数据完成校验，并将录入的数据传送给其他层。业务层主要用于实现业务规则和逻辑。它是一些组件和一些类，这些组件和类包含了所有应用逻辑如模型的计算等，这一层向表示层提供功能的调用，同时它通过调用数据访问层所提供的数据访问功能来访问数据库。

数据访问层为逻辑业务层提供数据访问服务。根据逻辑业务层的要求从数据库中检索数据或修改数据库中的数据。它封装了ADO.NET和ArcGIS Engine数据库访问对象，提供数据访问服务，实现对不同数据库的访问。数据层是指数据库系统本身。它主要用来存储数据信息，其中包括各类数据表、各种视图和存储过程等，为整个系统提供数据支持。

图1 系统软件架构

3 系统功能设计

基于GIS的湘江流域重金属突发污染事件水质预测系统采用组件技术和插件技术实现，系统由一个系统主程序（EXE）、多个组件（DLL）和插件（DLL）组成。系统功能如图2所示。

图2 系统组件功能图

各组件、插件的功能描述如下：①HPSGIS.EXE（系统主框架）实现地图的漫游、缩放等地图操作以及系统其他功能模块的集成。②Query.dll（查询组件）实现对各种数据（比如突发事件基本信息、监测数据、模型、预测结果等）的查询功能。③Statistic.dll（统计组件）实现对预测结果及监测数据的统计功能。④DataManager.dll（数据管理组件）实现对各类数据的输入、删除、修改、导入、导出等功能。⑤UserRight.dll（用户权限管理组件）实现对用户及其权限（分功能权限和数据权限）的管理。⑥Model.dll（模型插件）实现模型的运算及结果的可视化表达功能。⑦AEArcSDEProvider.dll（空间数据访问组件）基于AE和ArcSDE提供空间数据库访问的底层公共组件。⑧OracleProvider.dll（Oracle数据访问组件）基于ADO.NET提供属性数据访问的底层公共组件。⑨ExcelProvider.dll（Excel数据访问组件）直接调用Excel对象方式对Excel格式的数据进行访问。

4 系统数据库设计

数据库是空间数据和属性数据存放的一个集合，建立数据库不仅仅是为了保存数据，更主要的是帮助管理和控制这些数据。数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求[1]（信息要求和处理要求）。本系各种数据的分类和组织如图3所示，该图包括的基础数据和常规监测数据的实现分别由另外的系统实现，本文不对其进行设计。

4.1 数据库概念模型

数据库概念模型的设计通常有自顶向下、自底向上、逐步扩张和混合策略[2]四种方法。本文采用自底向上法，首先构建各局部的概念模型，并用E-R图表示，然后合并各个局部模型，最终得到数据库的总体概念模型。本文采用PowerDesign12.5来设计其概念模型。因篇幅有限，只介绍预测的E-R图，污染事故的E-R图和用户管理的E-R图不予介绍。预测的E-R图如图4所示。

4.2 数据库逻辑结构设计

数据库的逻辑设计中，表与表之间的关系是优化关系数据库性能的核心。因此，在数据库的逻辑结构设计中，遵循3NF规范对数据进行合理组合，使数据库的逻辑结构合理，避免数据的冗余。本课题利用PowerDesigner软件进行完概念设计后，通过PowerDesigner的报表功能直接生成数据的逻辑结构表，同时用PowerDesigner的Generate Physical Data Model命令可将概念模型直接转化成物理模型，在软件里连接指定的数据库后，用Generate Database命令即可创建各类数据表，这样省去了创建数据库烦琐的工作，提高了建库效率。本系统的逻辑结构表有三角网三角形信息表、三角网三角形顶点信息表、曲线离散表、湘江功能区分段基础数据表、湘江水文参数表、重金属突发事件水环境变化预测结果表、地表水监测数据表、模型库、水厂出水监测数据表、污染事故表、污染源监测数据表、重金属变化预测管理表、权限表、监测部门信息表和用户表。

5 结束语

本文给出了基于C/S模式的湘江重金属突发污染事件水质模拟预测系统构架、功能和数据库的设计。该系统可对湘江水质及饮水安全进行预测预警，为决策提供支持。但仍需不断改进和完善，比如系统中建立预测模型中的参数有待修正，系统信息的网络发布功能有待实现。

图3 数据分类和组织图

图4 模型预测E-R图

［1］吴建，郑潮，汪杰.UML基础与Rose建模案［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［2］萨师煊，王珊.数据库系统概论［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［3］祖兆研.基于插件技术的软件架构设计及应用［D］.南京：河海大学，2007.

陈军（1984—），男，湖南湘乡人，工程师，研究方向为环境监测。卢岚（1983—），女，湖南城步人，高级工程师，研究方向为地理信息系统。

“十一五”重大科技专项“国家水体污染控制与治理科技项目”中的“湘江水环境重金属污染整治关键技术研究与综合示范”课题的资助

2095－6835（2019）02－0132－03

X522

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.132

〔编辑：严丽琴〕