水質管理決策支持系統在太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺中的應用

李慎華　葉新輝　陳　文　趙　宏

（1浙江省環境信息中心浙江杭州3100122丹華水利環境技術（上海）有限公司上海200235）

水質管理決策支持系統在太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺中的應用

李慎華1葉新輝1陳文2趙宏1

（1浙江省環境信息中心浙江杭州3100122丹華水利環境技術（上海）有限公司上海200235）

太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺是基于DHI水質管理決策支持系統，進行的二次開發，主要實現了突發污染物事故管理和水質日常管理2個模型。該模型基于C/S客戶端和B/S瀏覽器相結合的方式進行開發。用戶可以在C/S客戶端設置模型的相關數據、對應模型參數等，通過B/S瀏覽器對事件進行預測與發布展示，為制定各類突發事件和防控措施提供決策支持信息。

太湖流域；水質管理；決策支持；信息化

太湖是我國第三大淡水湖，平均水深1.89m，屬大型淺水湖泊，實際面積2338km2，流域總面積2.69×104km2，總蓄水量47.6×108m3，年吞吐量52×108m3。浙江省太湖流域位于浙江省北部，流域面積12273km2，約占太湖流域面積的1/3。境內水系包括東苕溪、西苕溪、長興水系、京杭運河、嘉興河網和湖州河網6塊。區域內降水豐富，各地多年降水量1100mm～1500mm，但豐枯年際降水不均勻。杭嘉湖地區水資源總量為79.2×108m3（不含太湖補給水），占全省水資源總量的8.3%；人均水資源量為562.5m2，嚴重低于浙江省平均水平（1900m2）。2015年，全湖整體為輕度污染，主要污染指標為總磷。

近年來，隨著經濟、社會的發展，太湖流域浙江片區水質性缺水日益嚴重，水質也不容樂觀，不僅影響市民的日常生活，對該地區的經濟發展也形成了一定的制約。

根據實際的應用效果，現選取DHI的河流水質管理決策支持系統模型進行二次開發，應用于太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺，主要實現突發污染物事故管理和水質日常管理2個模型，模型結合了地理信息系統、數據庫系統和網絡技術。

1　水質管理決策支持系統模型設計思路

1.1兩級辦法

作為一個現在常見的經過檢驗的科學方法，水質的數值模型可以作為管理水質量體系的分析和預測工具。Soncini-sessa等提出的“兩級決策支持系統”的概念,可在模型開發者和最終用戶的管理上得到真正應用。模型開發者可以開發一些新的模型然后在決策支持系統（以下簡稱DSS）中整合，而最終用戶（管理者和利益相關者）可以通過一些簡單的操作獲得模擬結果。

DHI中國研制的水質DSS遵循這一理念并有如下自己的特色。（1）該DSS側重于管理人員的需求（特定領域、易于使用、易于理解）。在DSS的幫助下，管理者的唯一任務是收集數據，設置模型選項等。因此，管理者如果接受了培訓，可以很容易地使用集成/校準模式，獲得一個簡單的方法結果。（2）該DSS可以在類似的區域僅僅通過開發新模式中使用，而無需重寫代碼。（3）該DSS方便進行二次開發。這意味著該系統允許從科學到管理的知識傳送。

1.2流域水質的建模方法

水質模型是DSS的核心。隨著計算機技術的飛速發展，在時間和人力資源有限的情況下，利用建模和仿真軟件工具是適當和必要的。因此，以我們的經驗，平臺可以使用基于DHI開發的大量數值模型。該DHI模型可以耦合水動力和水質模擬，基于GIS污染負荷模型、水質評估和環境戰略評估。此外，一些傳統的模型或統計方法，應用戶管理的需要被集成在系統中。

日均水質模型可以模擬現狀，并預測在特定條件下的未來趨勢。針對流域，一維動態模型是最常見的，但二維或三維模型在必要的時候也可用于模擬湖泊和水庫。模型組件和日常水質模型的概念見圖1。

圖1　模型組件和日常水質模型概念

除了預測未來趨勢的日常水質模型，流域的水質管理、突發性水質污染的早期預警和應急響應預測都是特殊問題。通常認為，一維動態模型原則上在建模精度和有效性中能有一個良好的平衡，并適合應急響應。另外，為了提高預測的準確性，預測模型中很有必要顯示污染事件中污染流量和濃度的實時測量信息。也就是說，如果在污染事故下游位置的應急監測數據（濃度和/或放電）可獲取，實時數據將被使用在MIKE軟件數據同化設備的模型更新。緊急水質的模型組件和概念見圖2。

圖2　緊急水質的模型組件及概念

所有水質模型嵌入在CS應用程序中。CS應用程序為了建模操作和避免在建模結果前/后處理復雜的工程視圖提供了一個友好和易于使用的接口。這是基于MIKE模型軟件，數據庫和GIS技術的組件開發的。通過CS接口上的顯示地圖按鈕，GIS地圖彈出以及識別特定對象的空間位置（例如分支機構，水質監測和廢水出口）。主接口上的操作與GIS界面層的互動。CS應用的水質模型系統的功能性結構見圖3。

圖3　CS應用的水質模型系統功能性結構

日常水質管理和應急管理的兩個基準情景，與之前成立的相關模塊分別集成在CS應用中。集成的計算模塊可以自動從中提取所有相關數據。從不同場景的模擬結果，可以靈活提取并定制在表格或地圖中。

1.3系統的結構和功能

水質DSS分為四層：用戶界面層、應用系統層、GIS平臺層和數據庫層。各層之間的相互關系在圖4中進行說明。

圖4　水質DSS分層間的相互關系

用戶界面層包括對話框生成以及管理用戶和系統之間的接口。

應用系統層包括信息管理和水質模擬管理。

信息管理包括信息查詢、水質信息的評估、公共報表管理和系統管理等。該系統使用戶能夠檢索監測站和排污口等的相關信息和結果，這些結果可以基于GIS地圖進行可視化操作獲取。

如上所述，水質模型管理包括兩部分，即日常水質管理和應急管理。通過相關模塊的適當應用，對很多因素（包括不同水文，運行和污染負荷）進行評估。

上述功能的整合將形成污水控制、水環境安全監測和水質管理的綜合平臺。

GIS平臺層包括WebGIs服務器和數據庫引擎，其中WebGIs包括ArcIMS、ArcGISEngine和ESRI的ArcSDE應用三部分。

數據庫層提供了支持系統和MIKE模型的基本數據，包括水質、水文、氣象、操作、社會經濟和模型結果。

2　水質管理決策支持系統在太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺中的應用

太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺主要實現了突發污染物事故管理和水質日常管理2個模型。該模型基于C/S客戶端和B/S瀏覽器相結合的方式進行開發。下面具體描述下模型是如何實現的。

2.1突發污染事故管理模型

在發生天然或人為突發水污染事故時，用戶能夠在C/S客戶端基于相對專業的水質模型進行完整的事故預警與應急響應流程操作，在第一時間能夠對污染事故的發展態勢做出初步預測與評估，能對專家會商所提供的應急預案效果進行模擬。通過B/S瀏覽器對突發污染事故發展態勢進行預測與發布展示，為制定各類突發應急事件的應急預案和防控措施提供決策支持信息見圖5。

2.1.1突發水污染事故設置

突發水污染事故發生后，根據獲得的警情上報信息在C/S客戶端系統中設定污染事件的對應模型參數，指定污染事件數量，事件所包括的污染物組分，對于每個污染事件都能夠指定事件的名稱、位置、污染事件的開始和結束時間、流量。通過和GIS地圖的交互，事件發生的位置也能夠快速識別并記錄下來。針對可溶性污染物質能夠設置其降解系數及估計的排放總量，或給出恒定排放濃度及動態排放濃度。

圖5　突發污染事故管理模型

在進行突發水污染事故發生位置定位中，除了能進行任意河道任意點的位置定位外，還能自動讀取數據庫中已保存好的固定源排放企業信息，通過對企業名稱檢索能夠在地圖上快速定位排放位置，同時顯示排放企業的坐標信息。

2.1.2預測預警方案設置

預測預警方案用于模擬污染事故發生后污染團的實際運移狀況，該類型方案沒有任何假設的水工建筑物操作或邊界輸入限制，系統只是從外部數據庫或其他源讀取所有在線數據并寫入水污染事故風險預警模型中,在設置完相關水質模型參數和邊界條件后，系統就能驅動模型進行快速的事故模擬分析。計算得到事故發生后污染團在沒有任何應急措施下的運移情況，幫助決策者預先對事件作出快速準確的評估，為進一步的應急預案研究提供基礎信息。

預測預警方案設置除了能對模型模擬的時間段、模擬時間步長、是否引入在線監測數據等參數進行設置外，還能對模型水動力邊界、降雨邊界、水工構筑物進行相應的查看與編輯。

操作人員在系統中除了利用定制界面對模型邊界進行修改外，如需利用MIKE模型軟件對數學模型進行進一步修改，進入高級編輯界面能夠對河網布置、斷面設置、邊界設置、水動力參數、水質參數進行編輯。

方案編輯完成后，即可進入方案計算功能，通過界面驅動后臺MIKE模型進行突發污染預測預警模擬計算。系統界面中將實時刷新計算進度與計算過程日志信息供用戶查看。

2.1.3應急響應方案設置

應急響應方案設置用于輔助用戶制定污染事件的應急反應計劃。基于預測預警方案，通過修改水工構筑物操作、邊界條件或MIKE模型高級編輯生成一系列應急響應方案，用戶能通過方案比較分析選取更合適的措施來降低事件的影響，如增加水庫下泄流量、增加污染物降解率模擬吸附措施效果等。

2.1.4B/S客戶端效果展示

客戶端BS平臺根據服務器CS系統發布的模型結果，獲得各區域的預測預警數據集，結合GIS地圖進行展示，形成區域預測預警專題圖供用戶查看，給出報警信息，并在圖上按照不同顏色對應不同預警情況進行展示。

2.1.5方案對比

方案模擬完成后，系統能將預先設置好的項目重要點位的模擬信息進行提取和保存，通過方案對比功能能夠對比不同模擬方案中重要點位的模擬值濃度。例如未做任何措施的初步預測方案與進行了污染物吸附措施的模擬方案進行對比，就能很直觀的了解采用某種應急手段后對污染團移動及濃度分布的影響狀況，輔助用戶選取更合適的措施來降低事件的影響。

2.2水質日常管理

水質日常管理功能基于C/S客戶端和B/S瀏覽器相結合的方式實現，能夠針對水體中主要污染指標進行日常水質常規模擬，重現或預測各個不同時段水體的水質狀況。用戶可在C/S客戶端中編輯水質模型的輸入條件，包括降雨、工業源等水文數據，流域內點源和非點源污染負荷數據以及水工結構物調度數據等。

2.2.1人工模擬方案設置

系統提供人工手動編制方案功能，能實現日常累積性水質狀況的模擬并進行多種不同模擬方案的管理，方便用戶手動設置模擬時間并進行實時數據更新，能夠重新核算并編輯模型邊界條件數據，能對不同重要點位的模擬結果進行對比分析。

水質日常模擬方案設置除了能對模型模擬的時間段、模擬時間步長等參數進行設置外，還能對模型水動力邊界、降雨邊界、水工構筑物、水質邊界進行相應的查看與編輯。

操作人員在系統中除了利用定制界面對模型邊界進行修改外，如需利用MIKE模型軟件對數學模型進行進一步修改，進入高級編輯界面能夠對河網布置、斷面設置、邊界設置、水動力參數、水質參數進行編輯。

2.2.2負荷增減（污控方案）設置

在進行累積性水質模擬分析時，用戶可能會分析某一個或者幾個點源或者面源的負荷降低時水質風險變化（如污染負荷削減、土地利用方式和產業結構調整等），系統能夠輔助用戶生成各類日常水質指標的增減方案或水污染控制方案，提供簡單易操作的界面讓用戶在圖上選擇需要增減的點源或者面源來對各類日常水質指標進行增減，以對各種水環境污控方案的實施效果進行模擬與方案對比分析。

方案編輯完成后，即可進入方案計算功能，通過界面驅動后臺MIKE模型進行突發污染預測預警模擬計算。系統界面中將實時刷新計算進度與計算過程日志信息供用戶查看。

污控方案實施效果對比分析界面參見圖2.22，能夠直觀的看到針對流域水質改善進行20%污染負荷削減后對不同斷面的水質濃度影響情況。

2.2.3B/S客戶端效果展示

水質預警也是根據服務器CS程序發布日常模型結果，獲得各區域的預測預警數據集，結合GIS地圖進行展示，形成區域預測預警專題圖供用戶查看，給出報警信息，并在圖上按照不同顏色對應不同預警情況進行展示。

3　應用展望

選取DHI的河流水質管理決策支持系統模型進行二次開發，主要實現了突發污染物事故管理和水質日常管理2個模型，模型結合了地理信息系統、數據庫系統和網絡技術，應用于太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺，將能顯著提高太湖流域（浙江片區）水環境管理能力，輔助區域五水共治管理。

[1]ncini-Sessa R,Castelletti A,Weber E.A DSS for planning and managing water reservoir systems[J].Environmental Modelling&Software,2003,18:395-404.

[2]曹宇，顏晶.流域管理決策支持系統研究進展.應用生態學報, 2012,23（7）：2007-2014.

李慎華（1983—），男，漢，本科，工程師，工作方向：環境管理信息化。