北海區陸源入海排污口數據分析評價系統的設計和實現*

溫婷婷，卜志國，趙玉慧，尹維翰，曾小霖，李海濤

(1.國家海洋局北海環境監測中心，山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室 青島 266033； 2.青島科技大學 青島 266061)

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北海區陸源入海排污口數據分析評價系統的設計和實現*

溫婷婷1，卜志國1，趙玉慧1，尹維翰1，曾小霖1，李海濤2

(1.國家海洋局北海環境監測中心，山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室 青島 266033； 2.青島科技大學 青島 266061)

以ArcGIS Engine技術為核心，以.net為開發平臺，采用SQL Server數據庫和C/S關系的多機系統，設計研發了“北海區陸源入海排污口數據分析評價系統”。系統包括數據導入模塊、評價分析模塊、公式管理模塊和標準管理模塊。系統通過監測數據質量控制功能，實現對監測數據的質量檢驗、評價和處置。對評價分析部分采取開放性設置，為后續評價方法的研發提供接口。系統集成的空間分析技術，實現了一鍵導出評價結果的功能，極大地方便和簡化了復雜繁瑣的制圖工作，提高了海洋環境評價工作的效率。

ArcGIS Engine技術； 排污口； 數據分析評價

近年來，在建設海洋強國的戰略部署下，尤其是2014年國務院提出建設21世紀海上絲綢之路以來，海洋產業轉型進一步加快，海洋經濟保持著平穩的發展態勢。多年來，北海區尤其是環渤海地區作為我國海洋經濟發展的重要區域，海洋生產總值與長江三角洲地區和珠江三角洲地區相比始終占據優勢，2014年，占到了全國海洋生產總值的37.0%[1]。隨著海洋產業轉型和海洋經濟的飛速發展，大量的營養鹽和有機碳、重金屬等化學物質通過河流以及入海排污口進入海洋，造成海水水質和地質環境的污染甚至破壞，給海洋環境帶來諸多難以解決和恢復的嚴峻問題。渤海近岸海域污染主要由陸源污染物貢獻，約占入海污染物總量的75%[2]。2014年，渤海實施監測的陸源排污口中，有82%的重點排污口鄰近海域環境質量不能滿足周邊海洋功能區環境質量要求，35%的重點排污口對其鄰近海域環境質量造成較重或嚴重影響[3]。因此，及時、全面、深入了解陸源排污口的排污狀況，鄰近海域的海洋環境質量及其時空變化情況，并對其做出科學、合理的評價一直是海洋行政主管部門的管理目標和工作需求。

以往對排污口的評價工作全部依賴人工進行，評價人員需要對數百個排污口、千余個excel文件、數萬個數據進行分類、整理、計算、統計，工作量之大直接制約著評價工作的時效性，且排污口數據處理過程較為復雜，對人工評價的每一個環節要求很高，稍有疏忽就會影響評價結果的準確性。這一現狀導致管理部門不能及時獲得所轄海區陸源入海排污狀況，在一定程度上制約了海洋管理工作的開展。

GIS技術由于其優秀的基礎空間數據處理功能，在海洋環境信息可視化及海洋環境監測評價工作已有諸多應用[4-6]。而排污口評價工作的兩個特點，即排污口監測數據格式一致、排污口評價的計算公式相對確定，為評價分析模型化提供了便利條件?；谝陨锨闆r，為提高排污口數據評價的時效性和準確性，便于海洋行政主管部門及時準確地了解所轄海區陸源入海排污狀況，設計研發了“北海區陸源入海排污口數據分析評價系統”。系統采用ArcGIS Engine技術，以.net為開發環境，采用SQL Server 2008進行數據管理，基于C/S模式的多機系統。

1 系統設計目標與模塊功能

1.1 設計目標與功能

系統設計目標為增強陸源入海排污口監測數據評價工作的快速反應能力，更加系統和科學地對排污口監測數據進行存儲、整合和管理，提高排污口環境監測評價產品服務的效率，增加海洋環境監測評價工作的信息化程度。

系統可對已有的陸源入海排污口及其鄰近海域監測數據進行存儲檢索調用共享，對監測數據進行入庫審核，可根據需要對評價方法進行錄入編輯和保存，對數據進行時空分布分析，實現評價結果實時顯示和評價產品一鍵生成等功能。

系統設計基于GIS的基本功能，對監測站點信息、實時評價結果等屬性進行整合，在GIS的地圖模式下，能夠根據用戶需求查看不同空間范圍和時間序列內入海排污口的監測評價結果。

系統投入應用，將大大解放人力，以往需要使用多種軟件、多名技術人員、花費較長時間才能完成的工作，將實現系統后臺運行為主，人工介入為輔的工作模式，對于日常的業務化監測和評價實現一鍵導出評價報告的目標，為海洋行政主管部門隨時掌握海洋環境動態變化情況提供技術支持。

1.2 系統模塊設計

根據北海區陸源入海排污口監測評價工作的特點，通過對陸源入海排污口監測與評價的業務需求分析，將系統分為數據管理模塊、評價分析模塊、公式管理模塊和標準管理模塊(圖1)。

圖1 北海區陸源入海排污口數據分析評價系統模塊結構

本系統作為“北海區海洋環境監測數據分析評價系統”的子系統進行開發。子系統中使用的基礎地理信息數據、海洋功能區數據、地圖操作、系統管理等功能全部依托主系統來實現。

2 系統開發環境

本系統研發采用ArcGIS Engine技術完成，以.net為開發環境，系統選用與ArcGIS Engine兼容性較好的C#作為系統研發語言。同時選擇 Microsoft Visual Studio 2008作為軟件開發平臺，PowerDesigner 15.1作為數據庫設計工具，IBM Rational Rose 2003、Microsoft Visio 2005作為系統設計工具，Microsoft Visual SourceSafe 2005作為版本控制工具，界面美化工具采用WPF和DotNetBar 8.2，使用LoadRunner 9.5進行軟件測試。

通過編寫代碼實現DeskTop的SpatialAnalystTools中的分析工具，代替了DeskTop中復雜的操作過程。在DeskTop中，從數據制成評價圖要經過一系列復雜的過程，比如插值，拆分、合并、擦除、相交、融合、渲染等，但是通過本系統的空間分析技術，就實現了一鍵導出評價結果的功能，極大地方便和簡化了復雜繁瑣的制圖工作，非常具有現實意義。

3 系統模塊功能設計實現

3.1 數據管理模塊

數據管理模塊可以對數據進行查詢、搜索、同步、報告和分析等操作，實現排污口監測任務數據的存儲與管理，為海洋環境專題數據庫提供數據來源與分析評價數據支持。模塊主要有數據導入、數據質量控制兩大部分構成(圖2)。

圖2 模塊功能結構

數據導入部分主要基于排污口監測上報的excel文件，包括排污口調查數據、排污口狀況數據、鄰近海域水質數據、沉積物數據、生物質量數據。導入功能能夠實現這些數據的單個文件導入、多文件批量導入以及文件夾直接導入。

監測數據導入后，在正式入庫之前需要通過系統的數據質量控制檢驗，這一過程由數據管理模塊的質量控制部分實現。該部分內置閾值檢驗、離群數據檢驗、空間位置檢驗等功能，可對預入庫的數據質量進行預警。通過分析每種要素的歷史均值、檢出限值，設置該要素的可能閾值，對可疑數據進行篩選。篩選后不符合條件的數據將在質量控制日志中通過高亮、文字等方式進行提示，用戶可根據報告提示對數據可靠性進行人工判定和處置，處置結束后，數據入庫成功。

該模塊可實時檢測監測數據與歷史數據的差異，使監測數據的時間尺度異常、空間尺度異?；驁笏托畔惓Ｔ跀祿霂熘暗靡约皶r發現和處理[7]。

3.2 評價分析模塊

評價分析模塊是系統的核心模塊，可通過用戶指定的評價條件和評價范圍對所查詢選取的數據進行評價操作，如某一排污口多年監測數據評價、某一行政區所有排污口年度評價、或某污染事件周邊規定范圍內排污口評價等，并以圖片或報告的形式給出評價結果。該模塊結構按照功能分為數據查詢以及評價分析兩部分(圖3)。

圖3 評價分析模塊功能結構

在排污口的日常評價工作中，常要求對不同海區、省市、功能區、年度、季節等條件下的排污口監測數據進行分析評價和結果統計，由于排污口的屬性信息較多，常給評價人員帶來非常大的工作量。本模塊的數據查詢功能即針對這一需求設置。系統中的數據查詢可設置一個或多個查詢屬性，如海區、省市、監測類別、功能區、監測時間、監測經緯度范圍等進行數據選取，還可以在地圖中進行矩形或不規則形狀的范圍選擇，從不同角度滿足評價工作的需求。數據選取成功后可直接進入評價分析程序，或按需導出。

評價分析部分作為本系統的核心組成，其中整合了排污口和鄰近海域環境質量評價的常用方法模型，系統現已內置的方法基于《陸源入海排污口及鄰近海域環境監測與評價技術規程(試行)》[7]，主要包括排污口評價部分的單因子評價、等標污染負荷評價、超標率評價和排污口綜合評價等以及鄰近海域環境評價中的單因子評價和綜合指數評價。用戶可對數據查詢部分已選取的數據按需選擇評價方法或直接一鍵實現綜合評價，給出排污口的綜合評價等級結果?？紤]到排污口評價方法一直處于改進階段[8]，目前系統內置的方法也存在一定的缺陷[9]，未滿足評價方法的發展需求，本系統對評價方法的設置是開放的，用戶可按需對評價方法進行編輯、修改、刪除、新建等操作。

另外，本模塊還可以對所選取的數據和得出的評價結果進行統計分析，按照用戶要求將統計結果以文字、餅圖或柱狀圖的形式給出，并將文字和圖形按照系統內置模板形成評價報告，直接以word格式導出，便于用戶編輯或提交。

3.3 公式管理模塊

公式管理模塊是評價分析模塊的基礎支持。評價分析模塊中所集成的評價方法模型均由簡單的計算公式組合而成，公式管理模塊就是對這些計算公式進行新建、編輯、刪除、管理等方面進行操作的模塊。本模塊主要是為評價分析模型的開放化而設置的，用戶可以根據評價方法的變化自己設置評價模型，增強了系統工作的靈活性和主觀能動性。

本套公式編輯器目前包含33種邏輯運算，不僅包含加減乘除等基本運算，而且還包含IF， And等復雜的邏輯運算函數。選擇相應的運算，組合成需要的公式，進行語法分析，算術邏輯分析，結果校驗，指定公示名稱，公式分類之后進行保存，在指定評價方法時就可以直接調用公式。

3.4 標準管理模塊

標準管理模塊作為評價分析模塊的支持模塊，主要對評價分析中用到的不同評價標準進行管理。目前，排污口評價用到的標準包括《污水綜合排放標準》[10]《城鎮污水處理廠污染物排放標準》[11]《海水水質標準》[12]《海洋沉積物質量》[13]和《海洋生物質量》[14]。模塊內可以實現標準查詢、新建、修改和刪除。當評價標準改變時，用戶可自行對評價標準進行編輯，在最短的時間內解決評價標準變化帶來的問題。

4 結束語

北海區陸源入海排污口數據分析評價系統采用ArcGIS Engine技術，以.net為開發環境，采用SQL Server 2008進行數據管理。系統通過數據導入模塊，實現對監測數據的管理、質量檢驗和異常數據處置。對評價分析模塊的開放性設置，為后續評價方法的研發提供接口。系統集成的空間分析技術，實現了一鍵導出統計評價結果的功能，極大地方便和簡化了復雜繁瑣的制圖工作，提高了海洋環境評價工作的效率。

實際應用表明，系統設計的數據管理、評價分析、公式管理、標準管理四大模塊能夠滿足日常分析評價工作的需求，使排污口監測數據評價工作實現自動化或人工半介入。系統后續開發將進一步優化后臺計算過程，豐富評價產品的表現形式，為提升海洋行政主管部門的快速應對能力和科學管理能力提供技術保障。

[1] 國家海洋局.2014年中國海洋經濟統計公報[R].2014.

[2] 王修林， 李克強.渤海主要化學污染物海洋環境容量[M].北京: 科學出版社， 2006: 45-47.

[3] 國家海洋局北海分局.2014年北海區海洋環境公報 [R].2014.

[4] 徐波， 翁煥新， 董成松.基于GIS的海洋環境信息數據庫在海洋環境信息可視化分析中的應用[J].浙江大學學報:理學版，2004， 31(4): 471-475.

[5] 卜志國， 高曉慧， 李忠強.基于GIS的海洋生態環境監測數據分析評價系統研究[J].中國海洋大學學報，2012， 42(1-2):36-040.

[6] 尹維翰， 卜志國， 孫培艷，等.基于ArcGIS Engine和.NET的海水環境數據分析評價系統的設計與實現[J].山東科學，2014， 27(2): 13-18.

[7] 國家海洋局.陸源入海排污口及鄰近海域環境監測與評價技術規程(試行)[Z].2015.

[8] 貝竹園， 周曉燕， 祝翔宇，等.陸源入海排污口環境監測評價模式的探討[J].海洋開發與管理，2009， 26(2): 85-88.

[9] 于麗敏， 張志鋒， 林忠勝，等.綜合因子評判法評價陸源入海排污口排污狀況[J].海洋環境科學， 2013， 32(6): 944-947.

[10] 國家環境保護總局.GB8978-1996污水綜合排放標準[S].1996.

[11] 國家環境保護總局.GB18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準[S].2002.

[12] 國家環境保護總局.GB3097-1997海水水質標準[S].1997.

[13] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB18668-2002海洋沉積物質量[S].2002.

[14] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB18421-2001海洋生物質量[S].2001.

山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室開放基金項目(2012004);海洋公益性行業科研專項(201205012).

X55；P7

A

1005-9857(2015)12-0090-04