基于MIKE11模型的水環境管理平臺建設與應用展望

周柯錦　蔣彩萍　江　藍　金　宇　王江飛　霍　靜　薛秀秀

（1浙江省環境監測中心浙江杭州3100152中國石油集團工程設計有限公司西南分公司四川成都610041）

基于MIKE11模型的水環境管理平臺建設與應用展望

周柯錦1*蔣彩萍1江藍1金宇1王江飛1霍靜2薛秀秀1

（1浙江省環境監測中心浙江杭州3100152中國石油集團工程設計有限公司西南分公司四川成都610041）

利用模型構建水環境管理平臺，開展環境污染實時管理及預測應用是今后發展的趨勢。本文闡述了利用MIKE11模型構建太湖流域（浙江片區）水環境管理平臺，其架構設計、集成的數據庫類別、主要功能模塊、管理權限設置及聯網需求，對其他環境平臺設計有借鑒意義。

水環境；模型；平臺；應用

1　引言

2　水環境管理平臺設計

2.1平臺設計背景

該平臺以當前較為主流的丹麥水利所MIKE11模型為計算核心，利用先進的計算機科學、地理信息系統（GIS）、網絡通信以及數據庫等技術，以流域水質保障與水生態安全為目標，以區域經濟社會－污染負荷－水資源－水環境質量－生態系統大尺度非穩態多因子水環境數值模擬系統為支撐，以預測預警預報技術體系為手段，綜合集成課題研發的各種模型、監測網絡、管理決策功能模塊，運用三層架構，以縣級行政區為基本單位，實現水環境管理各項功能，實現業務化運行，全面提升太湖流域（浙江片區）水環境污染的控制與管理決策支持能力[2]。課題研究區域為太湖流域（浙江片區），具體研究區為杭州市（太湖流域）、湖州市、嘉興市3個地市及所轄13個縣區。

2.2平臺功能設計

平臺內容圍繞水專項研究成果開發，主要包括“基礎數據”“監測監控體系”“功能分區”“容量總量及排污許可證管理”“預警預報”“系統管理”6大部分，16個功能模塊，系統邏輯結構圖見圖1。

圖1　系統邏輯結構圖

2.2.1流域水環境動態管理數據庫構建

數據庫不但要實現從不同的外部數據來源在線抓取、過濾、存儲等功能，還需要解決各子系統間與數據庫平臺間的數據上傳下載，并實現數據同步共享，涉及到的數據流復雜，共享對象多，主要包含兩大塊工作[3]，即構建流域水環境動態管理數據庫和實現在GIS系統的基礎上的查詢統計功能。對于行業內已有的數據庫標準，按其規范建設；對于尚無統一標準的內容，進行合理的結構設計和必要的實驗與論證。數據庫設計時考慮到滿足實際工作中多類型信息來源、非規范化信息來源的存儲、調用的要求[4]。數據庫建設要求與數學模型系統和GIS系統集成。

根據設計要求，本項目需要集成的數據有：基礎地理數據庫中的計算小流域、土地利用、概化河網、在線監控的工業點源、規模化畜禽養殖場、污水處理廠、飲用水源地在線監控站點、氣象站點、水文站點等數據，以及市縣行政區劃、數字地圖、鄉鎮行政區劃、水環境功能區劃、地形、水系、現狀工業點源、市縣鄉鎮村點位、控制單元、水生態功能分區、常規水質監測斷面、出入境斷面點位、地表水在線監控站點等數據。

2.2.2“監測監控體系”功能

由于時間及精力有限，僅對第八版醫學微生物某些章節內容進行了題目的設計和問卷星試卷的制作，目前已經編寫的習題包括：細菌的遺傳與變異、細菌的耐藥性、細菌的感染與抗細菌免疫、細菌感染的檢查方法與防治原則及病毒總論等內容。今后將持續完善其他章節內容。

具備實時監控、通量模擬、出入太湖通量結果等功能，根據用戶自定義或指定的實測斷面類型，自動加載在線水質水量數據，并計算在線通量后自動保存及展示。

2.2.3“分區管理”功能

該功能模塊具備水生態功能分區、水生態保護目標、重點源分布及水環境功能區劃等。在GIS地圖上以水生態功能分區為核心，直觀研究其與現有相關區劃體系耦合情況，在保護水生態的同時，充分發揮現有相關區劃在水質保護目標設定方面的優勢、在區域開發方面較強的宏觀指導和約束作用以及在區域生態保護方面的作用等，形成可視化操作的流域水生態功能分區應用管理功能。

2.2.4“容量總量及排污許可證管理”功能

根據控制單元劃分成果，在平臺地圖上展示，并根據污染源狀況，核定控制單元容量總量，分配到點源上。系統集成總量減排績效評估體系和決策支持系統，能夠及時跟蹤新老污染增減動態變化情況，對流域、區域行業準入、企業技術進步、重大治理工程環境效益，進行跟蹤監測和總量績效評估[5]；為制訂流域、區域和控制單元新建項目的總量控制指標核定和準入政策，流域污染物減排目標的實現提供有效的技術支撐。總量核定的主要污染來源數據有：（1）工業點源、污水處理廠：靜態污普工業點源及動態在線監測數據。（2）農業面源：根據不同行政區、控制單元對應的畜禽養殖數量、農田種植類型面積、農村人口數、污水納管率、處理方式等信息，由產排污系數估算。（3）城市暴雨徑流污染：不同行政區、控制單元對應的建成區面積等信息估算。（4）城鎮生活直排：不同行政區、控制單元對應的城鎮污染直排的人口數等信息估算。（5）大氣干濕沉降、河道底泥釋放污染：由控制單元進行系數估算。（6）出入境污染：按不同行政區出入境河道斷面位置、水質水量數據計算。（7）調水、排水：提供計算方法和數據及其所屬區域。

在總量核定及分配基礎上，集成污染源排放總量智能控制系統，實現污染源允許排放量以IC卡形式發放等控制管理功能，構建排污許可證管理決策支持系統。

2.2.5“預警預報”功能

綜合集成流域累計風險評估技術體系、水環境風險監控系統、預警技術體系和風險管理體系，實現流域累積風險動態評估，水環境質量和敏感水體實時預測預警、流域風險控制管理。具備實時預警預報及模擬溯源功能：（1）飲用水源地、地表水自動站、污染源、通量：實時在線監測預警。（2）風險評估：根據風險指標體系、權重及數據來源，展示評價區域、指標體系、權重及方法；讀取數據，評價風險。（3）預測預警：系統在方案模擬運算完成之后，調用模擬結果，結合水質在線監測和水質模擬數據，根據用戶提供風險預警、水質預警、通量預警的方法、報警閾值及需求，嵌入MIKE模型，結合閾值判斷，給出報警信息。（4）溯源：整合控制單元各類污染源的貢獻率計算方法，由預警情況和污染排放的不同情況，進行溯源。根據溯源方法，讀取數據，做邏輯判斷，給出溯源結果。

3　水環境管理平臺特點、聯網要求和應用前景

3.1平臺特點

具備較為齊全的、動態的綜合數據庫。充分利用在線實時水質水量數據，運用數據同化技術，對數學模型的計算結果進行校正，有效降低模型系統的計算誤差。平臺適應平原河網水流復雜性和非穩態特征，具備基于河網實時水文條件，進行水環境容量的實時動態評估，分析區域水環境容量的時空變化特征。

3.2系統架構及聯網要求

太湖流域（浙江片區）水環境綜合管理平臺在整體設計上考慮到用戶網上辦公以及移動辦公的應用需求，系統整體架構采用CS與BS相結合的部署方式[6-7]。考慮到專業數學模型的數據復雜性以及系統載荷，以及系統中需要處理的大量數據同步交換的工作，與MIKE模型軟件相關的技術操作采用CS方式進行部署，方便專業技術人員對數學模型進行更全面的解讀與修正，同時大量的數據維護與系統配置工作也將在CS方式下進行操作，以便于提高系統運行速度。而與數據查詢、數據分析、結果展示相關的內容采用BS方式進行部署，用戶能夠使用網頁瀏覽器或移動客戶端進行訪問，實現了基于Web的完整應用體驗，有效地滿足用戶的網上辦公訴求。

平臺體系龐大，應用節點多，數據流復雜，為了確保系統的安全穩定，設計了多用戶體系以及相應的權限策略，省、市、縣環保部門有不同的權限，從而保證合理的角色分工與信息安全。

3.3應用前景展望

太湖流域（浙江片區）水環境管理平臺集成了海量的數據，依托數字地圖及水環境模型，省市縣三級共享平臺、分權限管理，可以實現環境污染整治、排污許可、總量控制、預警應急、執法管理一站式服務，具備環境管理政策和工作的連續性、一致性和準確性，符合環境管理大數據發展的趨勢，隨著數據積累及各部門間數據共享機制的完善，平臺必將在今后環境管理中發揮越來越重要的作用。

[1]太湖流域（浙江片區）水環境管理技術集成及綜合示范實施方案,2012.

[2]國家發改委,環保部,住建部,等.太湖流域水環境綜合治理總體方案,2008.

[3]劉俊勇,張云.MIKE軟件在珠江流域水資源管理與規劃中的應用[J].人民珠江,2012,1:56-59.

[4]高坤宇，趙研,等.基于模擬軟件及Petri網模擬仿真的水環境評估與監控預警新技術[J].科學技術與工程,2013,23:6964-6968.

[5]朱茂森.基于MIKE11的遼河流域一維水質模型研究[c].遼寧省水利學會學術年會,2014.

[6]武亞菊,崔樹彬,劉俊勇,等.MIKE11 AD模型在平原感潮河網水環境治理研究中的應用[J].人民珠江,2012.6:68-70.

[7]徐祖信.平原感潮河網水動力水質模型研究.水動力學研究與進展,2003,18（02）182-187.

水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07506-006）。

周柯錦(1978—)，男，浙江嵊州人，浙江省環境監測中心，碩士，高級工程師，研究方向：環境規劃與科研。