飲用水突發性移動型風險源應急系統平臺的構建

陳旭源

(上海市自來水市北有限公司，上海 310000)

1 引言

近年來我國頻繁發生飲用水源污染事件，對飲用水質安全保障提出了嚴峻挑戰，并得到社會各界高度關注。2003年8月在黃浦江準水源保護區發生的特大船舶污染事件，泄漏燃油85 t，造成油污帶長約10 km的大范圍污染，對取水口形成直接威脅。2005年11月，中石油吉林化學工業公司雙苯廠發生爆炸，約100 t化學品泄漏進松花江，導致沿江居民用水發生困難，引起了社會極大關注。2006年1月，約600 t紫紅色硫酸廢水排入綦江河，在河面形成一條長達300 m的污染帶，導致沿岸3萬居民停水2 d。2007年7月，江蘇省沭陽縣地面水廠取水口遭受新沂河上游不明污染源污染，城區供水系統被迫關閉，城區20萬人斷水約40 h。據不完全統計，2001年～2004年，全國共發生具有災害特征的水污染事故3 988起，平均每年近1 000起。另一方面，我國大多數城市缺乏水源水質在線監測與預警系統，供水廠現行處理技術與工藝難以有效應對突發性污染事件。同時，我國不少地區地震、泥石流等自然災害頻發，給供水系統和供水水質安全帶來挑戰。更為重要的是，對于各種突發性風險污染源和污染物，缺乏系統的污染物快速診斷、快速處理處置關鍵技術和應急預案。在當前突發性水污染事件難以根本避免與有效遏制的前提下，以水源地水質監測與預警、水源地污染削減、凈水廠強化凈化等關鍵技術為基礎，構建保障飲用水安全的多級屏障技術系統，強化應對不同污染特征的突發事件能力，這對于保障供水安全具有重要意義。

移動型風險源是突發性污染事件中重要的風險源之一，而以河流等開放水體為飲用水源的供水廠均存在不同風險水平的移動型風險源。以黃浦江飲用水源為例，調查分析顯示，企業事故性泄漏排放產生的工業污染源和船舶事故性溢油或化學品泄漏是最主要的風險源;而船舶的移動型風險源不僅影響程度嚴重，而且在發生位置、時間、泄漏物質、泄漏量等上具有諸多不確定性，這給供水廠在技術與管理上應對此類風險源帶來重大挑戰。國際上自20世紀60年代起開始重視水污染突發事件預警與應急處置，并通過立法、執法、管理等不同層面提高供水系統對突發事件的應對能力，而移動型風險源是關注重點。例如，美國、加拿大等國建立了溢油應急計劃系統(SPEARS)用于對地中海的石油泄漏等事故的預警。

如何快速有效、經濟適度地應對移動型風險源，這是供水企業、政府等相關部門亟須解決的重要難題。由于突發性污染事件往往存在發生不確定、污染高負荷等特點，這就需要從水源地污染負荷削減、長距離輸水過程污染控制、水廠強化凈化等不同過程建立相應的應對技術策略;進一步地，還需要構建飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺，這對于積極有效地應對上述污染問題具有重要意義。本文以污染負荷削減與控制、水廠強化凈化等應對技術為基礎，以快速有效、經濟適度地應對移動型風險源為目標，開發了飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺，詳細介紹了系統功能模塊、總體邏輯關系、業務處理邏輯關系、業務流程等，并對基于飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺的工作模式進行了探討。

2 飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺功能框架設計

在應對飲用水突發性移動型風險源時，首先需要確定突發污染事件等級劃分標準，對不同污染強度的突發性污染事件進行等級劃分;之后需要針對不同響應級別建立不同事件級別下的應急處置與指揮系統人員方案及職責，確保應急工作有序進行;此外，需要從污染物的快速削減技術、取水口污染控制技術、供水調度等技術角度建立不同級別污染事故的應急技術預案，為應急決策管理平臺預案數據庫提供依據。因為，確定啟用實施預案的評判依據是科學有效應對的前提，這既確保對需要啟動預案的污染事件快速有效啟動應急預案，又能有效避免對影響面小無需啟動預案的污染事件頻繁啟動預案。

因此，在飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺設計時，考慮在現有信息系統的基礎上接收原水水質預警信息，針對預警信息檢索方法數據中的處理方法以及檢索獲得的評估處理能力，生成并反饋處理方案。其中，針對不同污染物的處理方法可調用根據中試結果方法庫而生成的工藝技術工具包。將應急預案的編制和應急救援預案優化管理流程納入平臺資料庫，將應急工藝包編入水廠決策指揮智能平臺，工藝包的工藝參數標準、適用范圍、處理強度范圍和出水效果，納入指揮平臺數據庫并可視化編程以滿足用戶管理和分析決策的需要。該系統平臺的功能框架如圖1所示。

在系統設計時，不僅充分考慮系統的整體性與子系統之間的耦合，還考慮了本系統與相關技術、管理、決策部門的信息交流與互動支持。例如，本系統可實現與原水水質與毒性在線監測預警系統無縫鏈接，而原水監測系統輸出的數據是本系統的輸入數據;同樣，本系統輸出的評估結果和應對方案，成為下一級部門采取的應對策略的重要依據。因此，本系統并非孤立的系統，而是有效地整合了水源地、水務局、供水廠、調度中心、應急辦等不同職能部門，并形成了以現有的各相關單位和部門信息系統為基礎、以業務流程為指導、以應急決策指揮為目標的綜合系統。飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺業務流程圖如圖2所示。

3 飲用水突發性移動型風險源應急系統平臺開發環境

表1給出了飲用水突發性移動型風險源應急系統平臺的基本開發環境。為了完成系統業務邏輯與數據庫服務功能，設計了應用服務器和數據庫服務器等2臺服務器。應用服務器的功能是完成系統業務邏輯及WEB應用;數據庫服務器的功能是完成技術方法數據庫、應急決策數據庫、應急物資數據庫、預警信息以及特征污染物數據的設計與開發。數據庫在微軟SQLSERVER平臺上實現。

圖1 飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺功能框架圖Fig．1 Functional Framework of the System Platform for Dealing with Emergent Pollution Incidents in Drinking Water Sources

圖2 飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺業務流程圖Fig．2 Business Flow Chart of the System Platform for Dealing with Emergent Pollution Incidents in Drinking Water Sources

接口設計是軟件系統設計的重要組成部分。接口描述的是允許一個層次和另一個層次之間交換請求和響應的一組特性。對數據層與系統邏輯層而言，接口包括對原始數據的存儲和抽取;對交互邏輯層與系統邏輯層，接口包括對特定類型數據源的修改。接口僅僅定義一個層次如何向另一個層次發出請求，要求它執行一個任務，而不管這個任務如何執行。在飲用水突發性移動型風險源應急系統平臺設計時，接口設計主要包括:選擇相關信息系統的數據;選擇哪個系統模塊的哪些數據;進行字段對應，并可數據清洗;按條件抽取數據和反饋信息;選擇由業務系統數據變化觸發，還是數據中心定時掃描;所涉及的信息系統包括凈水廠信息系統、水源地信息系統、水源調度中心指揮系統、供水監測中心信息系統等。

表1 飲用水突發性移動型風險源應急系統平臺開發環境Tab．1 Development Environment of the System Platform for Dealing with Emergent Pollution Incidents in Drinking Water Sources

具體就B/S結構的突發污染快速處理處置技術工具包而言，以GeoServer為平臺，通過Drools規則推理，在Struts+Spring+Hibernate的框架下，采用Tomcat的WEB服務器和eclispe+MyEclipse的開發環境進行開發。該工具包平臺針對突發性水質污染事故可實現事故前方案生成和演練、事故中方案評價與優化、事故后方案改進和完善。此外，針對用戶可實現有預案的進行預案完善和優化、無預案的生成預案和演練和對應急人員進行應急處置培訓。該成果滿足不同類型污染物、不同突發場景、不同污染階段下的快速處理處置技術要求，為應急處理處置突發污染事件提供技術支持。

4 飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺功能模塊

飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺框架下，具有不同主要功能模塊，具體如圖3所示。

系統平臺的各個不同的功能模塊彼此相對獨立又具有不同的內在邏輯關系，并與水質在線監測預警設備、水廠應急調度中心等具有實時的數據信息傳輸與處置，為供水企業全面應對污染事件提供良好的平臺。模型充分考慮到了計算的靈活性，均采用無結構化網格，具有很強的通用性。模型功能包括前處理的空間網格生成、模擬計算和后處理的數據可視化功能。模型系統基于B/S結構開發，實現參數設置、模擬運算、結果輸出的網絡化，借助于瀏覽器，客戶端可實現零安裝、零維護。

各個功能模塊設計了強大的數據接收、存儲與管理功能。例如，信息匯集模塊涉及的數據包括污染源水質監測數據、污染物信息和預警信息等。污染源水質數據不僅包括在線或離線監測的水質理化指標數據，而且包括實時生物監測的水質綜合毒性數據。實時生物監測數據庫具有監測時間、生物監測指標、是否發生突發污染等數據項，可實時動態監測生物實時監測數據，也可保存生物監測站的歷史監測數據，作為后續在線分析的基礎。水質理化指標與綜合毒性數據作為突發性污染等級評估和應急預案制定的依據。此外，通過與現有的水質監測點取水口附近GIS地理信息系統進行集成，可在信息化平臺上能夠進行污染源初步定位;通過和GPRS無線通信數據庫進行連接獲取現場監控數據，采用C++可視化計算機語言可對已經接收的數據進行曲線、表格形式的動態顯示和更新，并在電子液晶寬屏上進行展示。特征污染物基礎信息庫主要作用是提供特征污染在突發污染時的查詢功能，以利于及時采取合適的檢測手段進行定量分析。特征污染物基礎信息庫主要包括污染物的名稱、化學式、物理化學性質、毒性及危害、檢測及識別方法等5項數據項。

圖3 飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺的系統功能模塊Fig．3 Function Modules of the System Platform for Dealing with Emergent Pollution Incidents in Drinking Water Sources

各個功能模塊采取了開放式設計理念，可根據需要對數據庫進行即時更新和增刪改插等功能。例如，針對以水污染事故源快速處理處置、污染物遷移擴散過程控制、污染物就地快速消減、敏感目標保護、人員安全防護、應急供水等為主體的應急流程單元的實際需要，構建了基于應急流程單元的水體污染快速處理處置技術數據庫。技術工具包提供針對各種特定污染物的應急處理措施和技術參數，主要包括的數據項有以下六項:特征污染物名稱、啟動的應急處理技術名稱、所需設備、所需藥劑、應急處理技術參數、人員配置。如果某一污染物具有新的應急處理技術，或出現了新的污染物種類，則可方便地編輯相關數據項信息以進一步豐富完善數據庫信息。

就一個完善的數據庫專家系統而言，需要有完整、科學、有效且快速的應急方案進行支撐，這對于快速、有效應對污染事件具有重要意義。例如，俄羅斯、美國和德國經過15年的研究，認為消除突發事故下較高濃度的二惡英和氯代二惡英吸附過濾是最有效的方法，美國環保局認為活性炭是去除水中有機污染物最安全有效的材料。對突發性水污染應急處置相關技術特性及其協同作用屬性進行系統分析和歸類，針對突發水污染應急處置單元技術，構建了一套評價指標體系和方法，能相對準確評價各種技術的適用條件、成熟度、處理處置效能和效果、經濟成本等，實現了對單一技術綜合評價以及對眾多技術進行橫向比較與優化篩選，并且利用此評價結果作為選擇、衡量技術的依據，并實現對各應急單元的技術進行模塊化系統集成。

5 飲用水突發性移動型風險源應急應對系統演示舉例

系統首頁展示某水廠全景圖，如發生污染物事件會展示當前污染物事件信息。信息包括污染物名稱，系統預判濃度，國標值，到廠時間，進廠實際濃度和出廠實際濃度。顯示信息每分鐘刷新一次。其中，系統預判濃度有報警閃爍功能，進廠實際濃度和出廠實際濃度需要水質檢測人員填寫后顯示。

以污染物事件處理為例。

污染物事件發生后，系統提供滿足生產調度需求并迎合用戶操作習慣的半自動式處理方式。用戶只需點擊信息欄中閃爍的預判濃度值，系統就會提示如何操作，具體流程如下:

(1)通知相關人員

系統展示各級部門負責人的姓名，電話。通知完成點擊下一步繼續操作。

(2)選擇處理預案

系統通過技術工具包的算法結合水廠生產線信息提供預案選擇列表，羅列能處理污染物事件的所有處理預案，并標明是否可用。系統會根據優先級選擇一個處理預案，同時說明理由。同樣的不可用的處理預案，系統也會說明理由。選擇預案后將進入下一步操作。

另外，系統為決策者提供了人工干預的功能。當決策者發現系統提供的預案有所偏差可以選擇點擊手動選擇按鈕。此時，系統會要求輸入決策者的用戶名密碼驗證身份，驗證完成后預案列表將開放選擇功能。

(3)生產工藝操作步驟

系統可展示生產工藝步驟，包括使用設備名稱，投加藥劑名稱，投加藥劑劑量，以及藥品持續時間。同時，系統會彈出操作窗口，提示用戶一步一步地完成生產工藝。操作窗口的顯示信息包括設備狀態，藥劑名稱，投加劑量，以及藥品持續時間。用戶按照顯示的信息操作完成后，點擊下一步可進入下一個步驟的操作。操作完成后，頁面上展示圖片會有所變化。當所有步驟都操作完成后，操作窗口將不再出現，點擊返回退回系統首頁。

(4)水廠其他信息

在完成生產工藝的同時，系統也提供水廠的其他圖文信息給用戶參考。如系統提供的水廠生產高程流程圖如圖4所示。

圖4 供水廠生產高程流程圖Fig．4 Elevation Flow Chart of Drinking Water Treatment Plant

此外，由于突發性污染事件的處理方案中，凈水材料或藥劑的投量相對較大，可能對沉淀、過濾等過程產生影響，系統還可以出縮短排泥周期、增大濾池反沖洗頻率、增加濾池反沖洗強度等操作建議。

6 結論與展望

我國過去十年來進入突發性水環境污染事件的高發期，并對供水安全提出了重要挑戰。如何積極應對突發性飲用水水源污染、保障飲用水安全成為我國面臨的重大科技問題。圍繞飲用水突發性移動型風險源，設計開發了飲用水突發性移動型風險源應急應對系統平臺，并以此為基礎，系統整合了水質監測預警、污染負荷削減、水廠強化凈化等關鍵技術與典型污染事件的應急預案，并通過不同職能部門之間的分工協作，形成了以現有的各相關單位和部門信息系統為基礎、以業務流程為指導、以應急決策指揮為目標的綜合系統。

需要指出的是，本系統在應急處理處置方案的量化方面存在較大的改進空間。例如，工具包系統能夠根據場景、應急能力(設備、物資、人力)和風險狀況，篩選和優化組合出從源頭封堵、過程控制、敏感目標保護的全過程應急技術方案，但不能給出具體的技術參數(封堵物資用量、過程控制加藥量等)。今后應進一步結合生產實際與工程需求，進一步更新完善風險污染物去除關鍵技術并優化工藝參數，進一步整合不同部門之間的信息與數據資源，進一步加強生產、研發、管理、調度等不同職能的融合，逐漸形成科學、有效、快速的飲用水突發性污染事件應對系統平臺。