基于ArcEngine的納污控制及水質管理系統開發

許子乾 ， 楊 玨， 馮 巧， 曹 林

（1.南京林業大學 教務處，江蘇 南京210000；2.北京中水新華國際工程咨詢有限公司， 北京 100044）

合理地利用環境資源，控制和減少環境污染是各國經濟發展所考慮的主要問題之一[1]。迅速有效地控制水環境污染，對保護水資源質量，以水資源的可持續開發利用支持社會經濟的可持續發展，具有極其重要的意義[2,3]。

黃河中游龍門至三門峽干流區間是三省交界的水質敏感河段，處在控制黃河水質的關鍵部位。此區間黃河干流河段長約240 km，河段不足黃河總河長的5%，但目前河段內有20余個入黃排污口和渭河、汾河等污染嚴重入黃支流的匯入，接納的污染物占到整個黃河的1/3，黃河潼關斷面水質常年處于Ⅴ類和劣Ⅴ類，河流生態系統已受到不同程度的危害，制約了區域的可持續發展。同時，水質的持續惡化，也對下游城市供水以及工農業生產的用水安全構成威脅。利用GIS空間分析技術，建立基于ArcEngine的納污控制及水質管理應用系統，能夠從空間層面進行水質目標的定量管理，有效提高水功能區管理的可操作性、可考核性和可應用性，對黃河水功能區水質管理、納污控制管理、水質水量聯合調度等工作起到重要技術支持作用。

1 納污控制與水質管理模型

污染物進人水體后，在水體的平流輸移、縱向離散和橫向混合作用下，發生物理、化學和生物作用，使水體中污染物濃度逐漸降低，這是一個動態的過程，對納污量的分析計算也要采用動態的方法。本系統采用一維穩態條件下計算水域納污量的2種模型，即段首控制模型、標準模型對不同設計水文條件下的納污量進行估算。

1）納污量計算的標準模型。

根據SL348-2006《水域納污量計算規程》[4]，一維穩態條件下的標準模型適用于污染物在橫斷面上均勻混合的中、小型河段。污染物濃度按式（1）計算：

式中，Cx為流經x距離后的污染物濃度（mg/L）；x為沿河段的縱向距離（m）；u為設計流量下河道斷面的平均流速（m/s）；K為污染物綜合衰減系數（1/s）；C0為初始斷面的污染物濃度（mg/L）。

相應的水域納污量按式（2）計算：

式中，Qp為廢污水排放流量（m3/s）；Q為初始斷面的入流流量（m3/s）。

若將計算河段內的多個排污口概化為一個集中的排污口，概化排污口位于河段中點處，相當于一個集中點源，該集中點源的實際自凈長度為河段長的一半（x=L/2）。因此，概化后的排污口入流斷面污染物濃度按式（3）計算：

式中，m為污染物入河速率（g/s）；Cx-L為水功能區下斷面污染物濃度（mg/L）； 其余符號意義同前。

相應的水域納污量按式（4）計算：

式中，Qp為廢污水排放流量（m3/s）；Q為初始斷面的入流流量（m3/s）。

2）納污量計算的段首控制模型。

段首控制[2-3,5]中的“段”是指沿河任何2個排污口斷面之間的河段，而段首則是指各段的上游第一個排污口斷面。段首控制法進行水環境容量計算,即根據某一功能區內各段的劃分情況，控制上游斷面(也即段首)的水質,使其達到功能區段的要求。因有機物的降解，故在該段內的水質達到或高于功能區段的控制指標。段首嚴格控制功能區段的水質不超標。

在功能區的段首，由于來水的COD濃度與功能區段水質標準存在差別，因此為來水提供的稀釋容量為：

式中，W0為功能區段段首的稀釋容量（t/d）；Cs為功能區段水質標準（mg/L）；Q0為來水流量（m3/s）；C0為來水的COD濃度（mg/L）。

功能區段內任意一段的容量計算（如圖1）。由于控制各段段首為水質標準，那么經過一段降解(如圖1中A、B所示) 后，到達段末時的降解量即為該斷面處的環境容量(如圖1中C、D所示)。

第i個斷面處的納污量為：

式中，Wi為第i個斷面處的納污量（t/d）；qi為第i個斷面處的排污流量（m3/s)；Qi為混合后干流流量；其余各符號意義同上。則功能區段內所具有的總納污量為：

根據一維穩態水質模型簡化得：

2 系統開發與設計

2.1 系統結構設計

納污控制及水質管理系統開發遵循國際標準化組織ISO9000－2 000 質量保證體系，采用統一的系統接口標準，開發平臺要求支持與第3方軟件產品的接口。軟件開發框架平臺采用C/S結構，多層化應用為不同的服務提供一個獨立的處理空間。系統采取三層體系架構設計，分為用戶層、業務層和數據層（圖2）。數據層采用采用ArcSDE+Oracle存儲引擎，實現空間地理數據與屬性數據一體化，建立空間地理數據與屬性數據的關聯，實現空間地理數據與屬性的互查和互訪。業務層的底層為ArcEngine組件和數據庫應用組件，在此基礎之上，開發并構建系統個性化GIS應用組件和數據建庫組件，針對系統特殊要求定制。以上組件通過數據庫管理系統對數據庫中的數據進行操作。最上層的是用戶層，由數據管理、模型計算、系統配置等多個子系統組成，用戶通過這些系統對數據進行各種透明化的操作。

圖2 系統三層結構

2.2 系統功能設計

系統分為地圖管理、數據管理、允許納污量、限排總量、水質評價、水功能區達標、紅線考核和系統配置8個模塊，如圖3所示。

圖3 系統功能結構圖

1）地圖管理和數據管理模塊負責控制整個系統的數據走向，包括各監測站位（水質站、水文站、取水口和排污口）地理位置和屬性數據，歷次水質、水文和排污數據，實現數據的增加、刪除、修改和查詢。

2）允許納污量和限排總量模塊根據排污、水質、水文、河流及功能區等信息實時計算各功能區、行政區在某一時段內的允許納污量和限排總量，通過不同方案的比選最終確定允許納污量和限排量。

3）水質評價模塊用于不同功能區、不同水質要素的水質情況評定，根據各水功能區水質目標，結合《中華人民共和國地表水環境質量標準》對不同時段、不同要素、不同區域的水功能區進行水質判定，通過GIS的空間制圖功能進行地理制圖。

4）水功能區達標模塊通過定標的方式對功能區各水質指標進行水質標定，并結合排污數據和限排量進行區域超排判別。

5）紅線考核模塊針對省、功能區、排污口三級區域設置不同的考核指標，結合水質達標及超排數據在實際使用中調用不同的指標體系進行紅線考核，達到從整體到局部的納污能力的考核判定。

6）系統配置模塊負責系統數據庫的配置和提供外部數據的導入更新接口，用戶通過將更新數據整理為既定格式導入系統中，實現數據的實時更新，保證數據的實時性。

2.3 數據庫設計

納污控制及水質管理應用系統涉及的數據對象可分為圖形數據、屬性數據2大類，其中圖形數據主要用于數據展示、數據制圖、地圖定位和系統美化。屬性數據主要用于數據提取、數據分析等業務性系統，是系統的基礎和核心。圖形數據和屬性數據可按照數據自身的業務性質分為不同類型，如圖4所示。

圖4 數據庫設計

3 系統實現和主要功能

系統采用Microsoft Visual studio 2010 C#為開發工具，采用客戶端 / 服務器（ Client/Server ）架構實現客戶端與服務器之間的數據通信。系統界面采用Windows界面風格，圍繞納污能力預測、水質達標判定2個核心功能對研究區水質和納污能力進行圖形化管理。

3.1 納污能力預測

通過集成的納污控制模型，可以獲取不同計算模型、不同時間、不同站位、不同水質要素的多維度的水功能區納污能力的預測，通過GIS空間分析的手段將預測結果以專題圖的形式進行展現，如圖5所示。

圖5 水功能區納污能力預測

3.2 水質達標判定

利用系統估測的納污能力結合水功能區已有的水質目標和水質數據，進行功能區的水質判定，實現多因子多時間段的不同緯度的水質達標判定，實現空間、時間、要素指標3個維度的橫向比較，效果圖如圖6所示。

圖6 水功能區水質達標率專題圖

4 結 語

構建基于ArcEngine的黃河重點水功能區納污控制及水質管理系統，結合污染源、取排水口、水功能區、主要省界及控制斷面、水功能區劃等多種水質管理信息，集成納污控制與水質管理控制數學模型，利用GIS空間數據管理功能和分析能力，建立項目區納污控制及水質管理應用系統，為實施最嚴格的水資源管理制度及實現水功能水質目標提供技術支持。相比傳統的納污控制與水質管理手段，有以下優點：

1）內嵌納污能力計算和限排總量分配模型，實現動態預測，提供決策依據。

2）建立納污控制標準化數據庫，提供數據更新接口，實現數據動態化管理。

3）系統化實現水質判定、達標評價和紅線考核等納污控制及水質管理關鍵技術，為水質管理科學化、有序化提供科技手段。

[1]Hughes R M, Larsen D P. Ecoregions: An Approach to Surface Water Protection [J]. Journal of the Water Pollution Control Federation, 1988(60):486-493

[2]Barnwell J T O, Brown L C, Whittemore R C. Importance of Field Data in Stream Water Quality Modeling Using QUAL2EUNCAS [J].Journal of Environmental Engineering, 2004,103(6):643-647

[3]Padgett W J, Rao A N V. Estimation of BOD and DO Probability Distribution [J]. Journal of Environmental Engineering, ASCE, 1979, 105(2): 525-530

[4]梁博，王曉燕. 我國水環境污染物總量控制研究的現狀與展望[J].首都師范大學學報，2005,26(1)：93-98

[5]張永良，洪繼華，夏青，等. 我國水環境研究與展望[J]. 環境科學研究，1988,1(1)：73-81