河湖水环境治理支撑系统设计及应用构想

孙道林，刘玉含，马 文

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

《关于全面推行河长制的意见》的出台，标志着我国水治理体制取得了重大突破，揭开了新时代治水的序幕[1]。《关于全面推行河长制的意见》将加强水环境治理列为六大主要任务之一，针对治水实践中信息化支撑不足的矛盾，提出“推进水环境治理信息化建设”。因此，将新一代信息技术与水环境治理业务紧密融合，建立基于先进理念和技术的水环境治理支撑系统，为水环境治理规划、设计、建设、管理提供数据和决策支撑，成为水环境治理领域的迫切需求。

适应水环境管理工作的需要，水环境信息系统经历了从无到有，从简单到复杂的发展历程[2]，水环境监测、污染源监控及环境应急管理等一批业务应用系统相继被开发出来[3]。随着水环境管理的日益深入，具备综合管理功能的水环境信息系统在提升水环境管理效率方面扮演着重要角色[4]。近年来，建立适合各流域和典型区域环境的决策系统得到广泛关注，如海河流域多目标综合管理决策支持系统[5]、清潩河流域水资源综合管理和决策系统[6]和河口水环境决策支持系统[7]等。在构建水环境信息系统时，如何处理庞大的环境空间数据成为系统构建的关键，地理信息系统（GIS）凭借着强大的空间数据组织与管理能力，日益成为环境信息系统的基础平台[8]。GIS 已经成功应用于我国水环境信息系统的构建中，水利部门相继开发出具有水资源管理和水污染防治功能的信息系统[9–10]。现阶段水环境信息系统多数基于解决某一问题而设计，主要应用于区域环境管理、环境评价与规划、环境模拟、非点源污染控制及环境应急预警预报等方面[11–12]。随着水环境治理的大力推进，有关水环境治理项目的管理信息系统逐步得到发展，如相关部门开发了全国中小河流治理项目信息管理系统，为及时、准确地掌握全国中小河流治理进展情况提供了一个良好的平台[13]6–7。目前现有的水环境信息系统偏向于管理，存在一些局限性，如尚不具备对水环境治理全流程进行服务和技术支撑的能力，不能满足新形势下水环境治理的需要。构建覆盖规划、设计、建设、工程评估等内容的信息平台，是提升水环境治理信息化水平的重要举措。

本研究阐述正在建设中的水环境治理支撑系统设计和应用构想。系统以需求为导向，以 GIS 与计算机、数据库、环境等融合为技术手段，以建设涵盖水环境治理各阶段支撑系统为目标，以期为提高水环境治理的精细化水平、促进水环境质量改善、提升水生态文明建设质量提供服务和支撑。

1 水环境治理支撑系统总体设计

1.1 系统开发目标

针对当前水环境治理的现状，在分析系统需求基础上，致力于为水环境治理全过程提供服务，开发一个基于 GIS 的集技术检索与查询、区域水环境信息管理、治理辅助决策、工程绩效评估和可视化呈现等五大功能为一体的专业性应用支撑系统，为水环境治理提供信息化支撑。

1.2 系统功能

按照系统实现的主要功能，进一步将系统分成5 个子系统，每个子系统实现特定的功能，各个子系统相互配合，实现整体功能，系统各部分如图1所示。

图1 水环境治理支撑系统功能

各子系统介绍如下：

1）区域水环境信息管理子系统。提供对区域空间和属性数据库进行添加、查询、编辑输出的功能。

2）水环境治理技术检索与查询子系统。为用户提供治理技术的查询、浏览服务，支撑用户进行技术评价和筛选。

3）治理辅助决策子系统。基于数学模型和区域水环境信息，实现不同治理方案情境下的水环境变化趋势预测，判断不同方案的水质达标情况，为决策者提供支撑服务。

4）水环境治理工程绩效评估子系统。通过工程绩效评估指标和方法的构建，对工程项目开展绩效评估，综合评价治理项目绩效。

5）可视化呈现子系统。运用 GIS 的空间显示功能，解决水环境数据抽象、不易理解的问题，实现对结果的二三维可视化呈现。

GIS 是基础平台。通过 GIS 技术的数据采集、分析、处理、储存及可视化功能，构建水环境治理数据库，数据库将目标区域内的河流水系、水质状况、污染源、工程位置等不同要素集成管理，以供水环境信息管理、治理辅助决策和可视化等系统调用。在数据的支持下，结合水环境模型，可以实现区域内水环境的模拟和预测，为决策提供有价值的信息；利用图像处理功能，可以直观显示水环境时空特征、治理效果等，提升各类信息的可视化水平。

1.3 总体架构

系统在结构上采用分层的架构模式，每层之间采用组件模式，保障各个子系统相互可独立运行[14]。系统总体架构模式如图2 所示。

图2 水环境治理支撑系统总体架构

具体分为以下几层：

1）基础设施层。包括服务器、网络、基础软件、应用软件、计算机终端等设备设施，可以采用集中和分布式部署相结合的方式，为系统可靠稳定运行提供软硬件环境支持。

2）数据层。存储区域水系、污染源、水质监测（包括实时和历史数据）及其它相关数据，相关数学模型的输入输出数据，主要包括基础、矢量、栅格、专题、模型标准数据库、输出结果等数据。

3）模型层。提供数学模型的运行环境，保障模型的顺利运行。模型库包括水质评价、污染物计算和预测、水文与水动力、水质模拟和水生态等应用成熟的模型。

4）显示层。提供各系统的地图、专题图、统计图、报表和报告等的二三维展示；整合水质自动监测系统，提供监测断面数据的实时显示；提供污染源位置及排放情况的查询和显示等。

2 关键技术

2.1 水环境治理比选技术

目前水环境治理尚缺乏统一的、较为完善的技术比选依据和原则，缺乏全面的技术整理和总结，缺乏适用技术指南[13]18–21。因此有必要系统整梳理国内外水环境治理的技术及实践，分析比较技术和经济特征，形成适合水环境治理需求的技术体系，指导水环境治理工作。

根据水环境治理的不同阶段，筛选出污染源控制与治理类、水体修复与改善类、水生态系统恢复与重构类等三大类适用于水环境治理的技术，技术分类情况如图3 所示。污染源控制与治理类注重减源，水体修复与改善类和水生态系统修复与重构类侧重于“扩容”，以增大水环境容量和恢复水生态系统为目的。

图3 水环境治理技术分类图

在水环境治理支撑系统中，将提供技术查询和检索服务。每项技术均包括原理、流程、指标、经济特征、适用范围及相关案例等内容。用户在可视化窗口下，查看各项信息，选择适宜的技术。

2.2 水环境模型技术

2.2.1 水质评价模型

水质评价模型的建立思路是：整理各断面或点位的监测数据，选择单因子评价法和综合水质标识指数法[15]进行水质评价，识别某时段水体或者分段水体所处的水质类别。

2.2.2 污染负荷模型

水污染负荷模型由农业、工业和生活 3 个部分模块组成，各部分均包括用水量、废水产生量和排放量、水污染排放量等计算及预测模块[16]。

水污染负荷模型建立的思路是：根据行业增加值和人口及城市化程度，模拟计算废水及水污染物产生与行业增加值的关系，城市生活污水及污染物产生与城市人口增长的关系；进行一系列技术参数的预测，包括用水系数、废水和污染物产生系数等技术参数；以废水处理率或污染物削减率为控制变量，得到未来废水及污染物排放量。

2.2.3 水质预测模型

水环境治理的出发点是改善水环境质量，需要确定污染物排放量、排放源与受纳水体之间的输入输出响应关系[17–18]。

水质预测模型建立的思路是：充分考虑点源、面源污染物排放对水体水质的影响，结合水文水动力模拟，选择国内外水环境治理实践中应用广泛的模型，兼顾模型运算效率和模拟精度，建立水文水质耦合模型，用于水质模拟预测。以河流水环境治理为例，其技术示意图如图4 所示。

图4 水质模拟耦合模型技术示意图

2.2.4 GIS 与水环境模型集成

系统采用水环境模型与 GIS 紧密集成的方式，二者使用共同的界面以便于提高数据传输的效率。利用 GIS 集成软件，建立水环境模型库；在 VB 的集成界面上，通过控件 MapX 数据对象、数据访问对象和开发数据库连接技术与水环境专题数据库的集成，采用调用动态数据库的方式实现数据的传递和共享。

2.3 绩效评估技术

实施绩效评估是水环境治理全过程的重要环节，随着环境治理和保护的重视程度逐步提高，治理项目的评价考核机制正在完善，因此建立水环境治理技术评估体系，加强工程实施的绩效评估，对水环境治理的工程和目标控制非常重要。

鉴于现阶段水环境治理工程缺乏有效评价体系，本研究通过建立水环境治理工程绩效评估体系，评价在污染治理过程中或工程实施后，其水环境质量的改变在推动周边区域经济发展中的作用，以及对生态和居住环境的改善程度，为今后的水环境治理和管理提供决策依据。主要内容包括：1）从经济、水环境和社会民生效益 3 个方面提出并建立工程绩效评估指标体系；2）建立工程绩效评估模型，利用层次分析法（AHP）确定各项指标的权重值；3）建立各指标的分级和评价标准，对工程绩效做出评价和分级[13]。

3 水环境治理支撑系统应用探讨

依托水环境治理支撑系统，可为水环境治理工作提供全过程全方位技术服务支持，提升水环境治理标准化、数字化、可视化和智能化水平。以某河流水环境治理为例，探讨该系统的应用情景。

3.1 在水环境综合信息管理中的应用

水环境治理需要海量数据为基础。系统的数据库将整合该河流域的基本地理、水环境质量、污染源及排污口、水文及经济社会等数据。通过流域水环境信息管理子系统，用户可方便地进行流域信息的查询、统计分析及可视化浏览。对流域基本、污染源、监测断面、模拟预测结果等信息，用户可通过选择时间、断面、指标等进行综合或分类查询；用户根据需要，可对污染源、污染负荷、断面水质时空变化规律及沿河水质变化趋势等进行分析；用户可对各类信息数据进行增删和修改等操作。

3.2 在水环境治理规划和决策中的应用

应用水环境治理辅助决策子系统，可辅助进行治理规划与决策，提高工作效率。

1）在水质评价方面，可对水污染程度进行可视化呈现，不同水质级别的水域，在数字地图上用不同颜色表示，如将超标严重的区段设置成红色，结果一目了然。在污染负荷计算方面，应用模型库中的污染负荷计算模型，只需要输入相关参数便可自动计算出流域相应年份的污染负荷；可以进行不同年份污染负荷查询，并可生成直观的图形。

2）在水质预测方面，模型库存有适用该河的水量水质耦合模型，只需输入相应的参数，便可以得到不同年份、情境下特定断面的水质状况，并自动呈现结果。

3）在方案制定和比选方面，应用技术查询子系统，可选择适用于该流域的治理技术。在已确定的方案中，只需输入规划方案的污水排放量标准、处理率等参数，可以自动计算出规划方案的污染负荷，运行水质模型，自动计算出规划方案实施后的水质状况，水质类别用不同颜色表示，超出规划水质目标的河段显示为红色，提示该方案不能满足规划水质要求，规划方案的比选从而简便而快捷，同时可根据有关部门和专家的意见，对方案进行及时的修改，最终获得技术可行经济合理的治理方案。在最优方案确定后，对方案所涉及的问题进行详细研究，充实属性数据库，例如可以将涉及的征地、搬迁等属性列入数据库，以便决策者对规划方案实施后的流域状况有完整且直观的了解。

3.3 在水环境治理工程绩效评估中的应用

应用工程绩效评估子系统，可定量评价水环境治理工程的生态环境、经济和社会效益，对工程绩效做出评分和分级，分析工程的经验和不足，为后续治理工程提供参考和借鉴。

4 结语

针对现阶段水环境治理的现状和需求，探讨了构建适用于水环境治理的支撑系统。本研究结合建设中的水环境治理支撑系统，提出基于 GIS 的系统构建思路，该系统是集水环境信息管理、治理技术检索与查询、治理辅助决策、工程绩效评估和可视化呈现等功能为一体的专业性应用服务信息系统，可为水环境治理提供全方位服务。

水环境治理技术比选、水环境模型和工程绩效评估等技术是系统所需的关键环境技术，也是本系统的核心服务内容。

水环境治理支撑系统可为水环境治理规划、设计、管理及评估提供全过程咨询和服务，有利于提升水环境治理的信息化、数字化和智能化水平，为水环境治理能力现代化提供支撑。