辽河流域水污染突发事件应急处置系统平台构建

苑 鹏

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 抚顺 113000)

目前，我国水污染突发事件出现频繁，危害日益严重，对水污染突发事件出现时的应急管理、处理关键技术体系和信息可视化管理平台的研究较多，但仍存在一些不足，如缺乏水污染应急预测模型，水力调度管控决策与实施效果评价脱离，缺少应急预案等[1- 8]。辽河流域水污染严重现象实有发生，水资源短缺持续，没有水污染突发事件应急预案[9- 10]，因此将水污染应急预测模型、应急水利工程调度、综合数据库、信息化系统和应急方案等核心技术为基础与支撑，形成了适用于辽河流域的水污染突发事件应急处置关键技术体系，搭建了信息化决策管理平台，为辽河流域水污染应急处置提供了强有力的技术支撑。

1 系统总体框架

根据水污染突发事件的特点，建立水质预测的水动力水质综合模型，给定模型参数，以水质模型为基础，采用数据库与GIS等技术，构建了流域水污染应急处置系统。该系统由3个子系统组成，即基础数据库子系统、水质模型库子系统和效果展示三维虚拟子系统。当发生流域水污染突发事件，决策者根据基础数据库子系统将发生的水污染事件录入该系统，采用水质模型库子系统进行水污染预测与模拟计算，然后将计算结果录入到基础数据库子系统，最后将结果通过效果展示三维虚拟子系统表现出各种信息数据。水污染应急响应决策支持系统的总体框架如图1所示。

图1 水污染应急响应决策支持系统总体框架

2 决策支持系统关键技术

2.1 数据库管理系统

数据库系统是水污染突发应急处置平台建设的基础，通过地理信息系统、数据库管理等技术，构建综合数据库系统，该系统包括水污染基础数据、流域信息基础数据、水资源水质基础数据、综合模型、应急处理方案等内容，数据库系统具有数据提取、信息维护等功能，将上述大量信息数据综合集成组建到信息系统平台，为水污染处置提供基础数据支撑与决策。水污染突发应急处置数据库搭建，采用Arcgis、数据库管理系统和计算机网络技术，建立的数据库包含流域水文信息、水资源量、水质状况、水利工程状况、社会经济信息等内容要素。通过综合数据库信息系统，将数据查询、统计分析、模拟计算、数据显示、数据整合处理等内容应用到水污染应急预测和处置方案中，为数据的应用、集成、管理、共享、维护及访问提供信息化系统平台，为决策系统平台的运行与咨询提供支撑。

根据辽河流域水污染风险源、河流水系与水利工程的实际与特征，以及满足流域水污染应急水力调节相关技术要求，构建了辽河流域水污染应急水力调度的多层次多领域数据库，主要包括流域基本信息数据库和应急处置信息数据库等两类信息数据库。综合数据库的构建过程中采用了瓦片金字塔方法，对系统的运行提供了效率，将空间与属性两个领域的数据实现了有效衔接，对提高水污染应急处置提供了基础数据支撑。

数据库管理系统能够对数据进行更新，对基础数据进行整理、处理及查询，对数据库的构建进行维护，功能主要有数据的输入、代码维护、安全维护、查询与输出、备份与恢复、维护与管理、外部接口等7项内容。数据库外部系统的外部数据接口在综合数据库管理系统运行完成后执行。对于用户，数据库管理系统功能设计全部统一。数据库管理系统的功能逻辑结构如图2所示。

图2 数据库管理系统的功能逻辑结构

2.2 模型库子系统

结合水污染预测模型和水力调节模型的特征，系统对模型开展分类与管理，构建成模型数据库，与系统进行融合，通过系统将模型的计算结果与数据分析过程以可视化的形式展现出来，从而构建了模型数据库为基础的模型管理信息系统。该系统主要功能就是对模型库中模型进行组织、存储及运行。用户可以随着调用模型管理信息系统中已有数据库模型，同时可以将新的模型导入到模型数据库中，不影响对现有数据库中模型进行维护。模型数据库与数据库管理系统存在着相似的地方，但是也不完全的一样，模型数据库储存着不同的计算模型和模型相关参数，包括模型的名称表、参数表等。

结合流域内河流的特点，采用非恒定流水动力模型对河流的水流运动进行模拟，通过构建水质模型，模拟污染物的迁移转化过程，分析其变化规律。构建水动力和水质模型，模拟流域水动力和水质的时空变化过程，分析其变化规律，为水污染的预测和水力调度决策提供技术支撑。如图3所示。

图3 模型厍管理系统功能结构

2.3 基于KML技术的空间数据管理技术

以数据库为基础构建的流域数据库子系统主要由三维空间数据构成，该系统采用基于KML的标记语言技术，从而实现对三维空间与属性的数据管理，并为决策支持管理系统对数据的集成提供数据模块。

利用混合数据存储方式，也就是以文件形式将空间数据进行存储，属性数据由关系数据库进行管理。空间数据文件与属性数据库通过关键字段关联，对属性数据管理具有操作简单，对空间数据具有描述准确、维护方便等优势。根据空间数据的独特属性，将空间数据分为地形图像数据、KML/KMZ层数据、三维模型、矢量层、WMS服务、粒子系统等。空间层次的划分主要是基于空间数据结构、数据数量、显示、查询、模拟分析等方面，从而对数据进行有效的处理和维护管理。例如，为了满足地形图像数据快速浏览和简单维护的要求，采用瓦片金字塔技术建立空间数据金字塔数据库，从而确保地形图像数据的浏览速度；对于矢量数据，需要查询定位、设置样式、设置比例、集成和共享属性数据，因此矢量数据以国际标准数据KMZ/KML形式存储。如图4所示。

图4 基于KML技术的空间数据管理技术构架

2.4 三维虚拟现实子系统

由于水污染预测模型模拟污水量演变过程中表现出来的是数值或者符号，因此有必要借助可视化形式表达直观地再现模型计算结果，从而才能对各种方案进行更好的分析与比较。因此，水污染应急处置三维虚拟系统是水污染应急处置系统的关键组成部分，通过水污染预测、应急处置方案等内容，对研究的流域区域开展三维效果模拟、河道水污染演进过程与计算结果展示、各种应急处置方案结果模拟展示等。

基于GIS的三维模拟系统是通过与决策者的交互协商，查询流域重要信息，并提供辅助水污染应急处置决策的系统。系统利用投影方法、视频与音频处理、信息可视化等技术，构建高质量的视听虚拟咨询决策环境；以实时监测数据、水污染预测模型为基础的计算结果信息，通过结合高科技综合开发，形成具有较强的实用性和咨询决策的综合信息化系统。为用户或者决策者能够通过系统平台提供三维虚拟可视化信息和空间模拟环境信息。通过三维模拟系统能够清楚的将水污染突发事件的各种信息直观展现出来，采用决策者商榷方式，对水污染应急处置、关键问题、方案优选等信息内容进行咨询决策。如图5所示。

图5 三维虚拟现实子系统结构

3 决策支持系统平台实现

3.1 系统平台

在数据库子系统、模型库子系统和三维虚拟现实子系统的基础上，对3个子系统进行综合集成，开发了水污染突发事件应急处置决策支持信息化系统，该系统对水污染突发事件应急预测预警与水力合理调度提供技术支撑。

基于GIS的水污染监测和应急处置模拟、研究区三维漫游、河流水量和水质三维空间信息、水质计算结果与模拟结果的信息查询，污染源信息显示和查询等内容。该系统通过三维虚拟系统，将运行结果数据和环境及时与决策者进行交互，能够展现流域、水利工程、污染演进、水力调度等信息的模拟结果，并通过系统平台展现，能够使用户或者决策者有直观的体验，为水污染应急处置提供三维环境，更好地开展水污染预测预报和应急处置。如图6所示。

图6 水污染突发事件应急处置决策支持系统平台

3.2 系统功能实现

3.2.1水文、水质、污染源与排污口监测信息

实现水文、水质、污染源、排污口监测信息的查询。查询功能可实现两种查询：一种是通过菜单进行查询，也就是通过系统中“业务信息查询”菜单栏中“水文信息查询”、“水质信息查询”、“污染源信息查询”、“排污口信息查询”来实现；另一种是通过图形来查询，也就是在三维流域系统界面，选择水文站、水质站、排污口、污染源以此来查询流量、水质、排污口、污染源状况，实现图形或曲线来查询。以太子河辽阳市汤河温泉排污口为例，点击菜单或排污口元素，弹出排污口属性数据信息，主要包括排污口名称、排放方式、排放流向、排放水质浓度及排污口现场照片等信息。如图7所示。

图7 水文水质、污染源及排污口信息

3.2.2方案结果的可视化显示

通过系统平台，对辽河流域水污染预测预报和水力应急调度模型的计算结果将保存到基础数据库中。通过系统平台中方案显示模块提供各种水污染应急处置方案，对各种方案设定参数，可以对具体分配方案的论证结果进行可视化分析，提高水污染应急处置决策的效率和可视化效果。辽河流域水污染应急处置设计场景可视化展示，如图8所示。

图8 方案成果的可视化展示

4 结语

本文研发的水污染突发事件应急处置决策支持系统平台，实现了对流域水环境信息管理、风险源的空间信息管理、突发污染事件模型演算、污染预报、应急水力调度效果计算等多种功能。系统内集成了多个水污染突发模拟事件，在柴河水库安装并进行了情景模拟，同时在辽河流域台安、新民、铁岭、盘山等省内多家水利部门进行了安装和情景模拟，系统平台成果在辽河流域的广泛应用效果显著。