基于GIS的阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統的設計與開發

馬 恒 談 紅 楊忠平

(1.浙江省環境保護科學設計研究院，浙江 杭州 310007；2.新疆阿克區地區環境保護政策研究與技術發展中心，新疆 阿克蘇 84300；3.浙江工業大學，浙江 杭州 310014)

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基于GIS的阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統的設計與開發

馬 恒1談 紅2楊忠平3

(1.浙江省環境保護科學設計研究院，浙江 杭州 310007；2.新疆阿克區地區環境保護政策研究與技術發展中心，新疆 阿克蘇 84300；3.浙江工業大學，浙江 杭州 310014)

在新疆跨越式發展時期，對工業污染源實施科學有效的監管是保障環境安全與改善環境質量的基礎，也是現階段環保工作的重點要點。目前新疆環境管理工作中存在污染源信息不銜接，現有環境管理信息系統空間分析功能薄弱，跟不上形勢發展需求等問題。本文以阿克蘇地區為例，研發基于GIS的重點工業污染源動態管理系統，實現對重點工業污染源全生命周期的綜合管理和動態監控，為地區環境管理提供空間分析和決策支持，促進新疆社會經濟與環境協調發展。

重點工業污染源；GIS；動態管理；設計；開發

近年來，隨著跨越式發展戰略的實施，新疆進入大建設、大開放、大發展時期。資源能源消費總量不斷上升，污染物產生量和排放量持續增加，環境風險與壓力進一步加大。在保護與改善環境質量的前提下，保障社會經濟跨越式發展，這成為新階段新疆的難點重點工作。在嚴峻的形勢下，如何科學合理有效地對重點工業源實施全生命周期監管是現階段環保工作的要點與基礎，更是新時期做好環保工作的必然要求。

工業源具有區域性、分散性、多源性等特點，污染因子多，數據量大[1]。目前，環境信息系統雖然在環保領域已有一定的應用[2-6]，但仍處于探索階段，空間統計分析功能薄弱、不健全，無法滿足當前環境管理業務的需求[7]，適應新形勢的迅猛發展。將地理信息系統(GIS)技術引入進來，把工業源信息與其空間位置有機的結合起來，且融入區域環境功能分區信息，建立了一個具有空間屬性的污染源信息數據庫。在此基礎上通過系統開發，對現有數據信息和實時動態更新數據進行統計分析與維護管理，為項目準入、綜合管理、實時預警、應急處理和輔助決策等方面提供有力的信息支撐。

本文以阿克蘇地區重點工業污染源為研究對象，基于GIS技術開發阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統，就總體設計與實際應用進行了相關探討。

1 系統總體設計

1.1 總體構架設計

系統總體構架設計以阿克蘇地區環境管理業務需求為導向，重點工業污染源信息與環境功能區信息集成整合，采用模塊方法進行構建。整體結構由數據庫、數據管理子系統和功能模塊所組成，如圖1所示。數據庫通過數據管理子系統實現對數據的動態更新、管理和維護。通過GIS軟件平臺，根據與功能模塊具體功能相對應的邏輯運算關系，對數據庫中的數據進行處理、加工分析，實現查詢、統計分析、圖表導出、動態監管等功能。

1.2 網絡結構設計

網絡結構設計依托政務網，通過構建虛擬專用網絡(Virtual Private Network，VPN)，阿克蘇地區八縣一市環保局作為VPN的一個數據端或客戶端，實現與所屬各成員單位的網絡連接[8]；同時，在各公共網絡區域之間加入防火墻，以確保內部網絡的安全性和相對獨立性。

1.3 系統平臺設計

系統采用ArcGIS作為基礎GIS平臺，由ArcIMS提供多層次的產品解決方案[9]。選用NETFramework和ASP.NET作為軟件基礎結構，Visual Studio.NET作為開發環境，Access作為數據庫管理軟件[10]。操作系統選擇Windows2007或Windows2008。本系統與環保局其他信息化管理產品之間，通過開放的、標準化的接口，實現多種方式的數據和業務融合。

2 數據庫設計

2.1 數據庫的構成

數據庫的構成包括阿克蘇地空間數據、重點工業污染源的相關信息屬性數據、以及阿克蘇地區環境功能分區地理信息數據。之間利用ArcMap和ArcCatalog應用程序模塊[11]，將獲取的空間數據和屬性數據進行數據轉換跟蹤，實現空間數據和屬性數據的有效整合，構成動態管理系統的數據庫。

圖1 阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統總體結構示意圖

2.2 空間數據庫的設計

空間數據庫主要包括阿克蘇地區境界線：國內部分(國界、地區界、縣/市界)國外部分(國界線)；交通：G3012高速公路、G314和G217國道線、S306、S207、S208、S215、S210、S211和S307省道、以及縣鄉級道路、南疆鐵路；水系：阿克蘇河、渭干河、塔里木河三大水系及多條泉流；駐地：地區、八縣一市、鄉鎮及村莊等。污染源的空間數據主要是企業代碼、經緯度信息等。環境功能分區信息：功能小區的邊界范圍。

3.3 屬性數據庫的設計

屬性數據庫包括污染源屬性數據庫和環境功能區屬性數據庫。污染源數據庫主要包含阿克蘇地區重點工業污染源信息：基本信息、產能信息、能源消耗信息、建設項目審批信息、廢水及污染物排放信息、廢水污染物監測信息、廢氣及污染物排放信息、廢氣污染物監測信息、固體廢物信息、污染源在線監控信息、環境監察執法信息、排污許可證信息、排污申報及收費信息、環境統計信息、污染源普查信息等[12]。環境功能小區屬性數據庫主要包含每個功能小區基本信息、環境功能基本概況、小區的環境保護目標、小區的管控措施等。

3 基本功能設計

3.1 數據動態更新管理

涉及數據輸入、數據轉換、自查校驗、數據編輯、數據處理、數據輸出、數據維護與備份等，下面就重點功能作介紹。

3.1.1 數據輸入和轉換

數據的采集包括兩種方式，即實時數據采集和批量數據采集。批量采集的數據采用人工錄入、excel或access數據表的直接導入和紙版數據的掃描識別導入等方式[13]導入系統。實時數據的采集分為兩部分，一部分是污染源在線監控系統數據的即時傳入；另一部分是辦公自動化模塊所產生的對應信息的及時導入與更新，如排污申報受理所產生的新增污染源信息等。采集的數據轉換為標準數據格式后，統一入庫。

3.1.2 數據自查校驗

根據數據類型、數據長度、該屬性是否允許空值、數據間的相互關系等屬性的設定，對數據做初步的自查校驗，對不符合數據屬性的信息，作直接提示。根據此功能可對相關數據的真實性作初步核查判斷。

3.2 雙向查詢

即從空間到屬性和從屬性到空間的雙向查詢[4]。從空間到屬性的查詢包括點擊查詢、畫圓查詢、拉框查詢，采用任意多邊形、按地理位置的條件查詢等。從屬性到空間的查詢，采取模糊查詢和精確查詢，對污染源按不同種類進行多種組合查詢，查詢條件包括污染要素、行業類型、行政區域、企業名稱、產品等。此外，能快速定位單個污染源，同時顯示此企業的相關信息。

3.3 統計分析

可按行業、流域、產品、區域等統計點污染源的排污量、原輔材料用量、能源消耗及排放強度等指標，實現三同時驗收等監管統計、排污費統計、總量特征及變化分析、超標排放統計、在線監測(日、月、年)統計、趨勢分析等。

3.4 結果顯示與輸出

主要包括查詢結果、統計分析結果及空間分析結果的顯示與輸出，具有可視化、多樣式特點。

使用不同的標志標示不同種類的污染源，直觀地表現各類污染源的地理分布特點。以柱狀圖、散點圖、餅圖、曲線圖、表等多種方式顯示統計分析結果。結合空間數據，實現可視化功能，具備窗口放大、縮小、漫游、復位、更新、清窗口等操作功能；可將地圖的各種部件組合成圖，繪制輸出專題地圖，包含視圖、統計圖、表格、圖片、以及圖例、指北針、比例尺、標題等要素[14]。

4 專題功能模塊設計

專題功能模塊是圍繞重點工業污染源的管理開發的功能模塊，從工業源前期審核落地到生命全周期的監督管理、統計分析，目的為政府決策提供科學有力的依據，確保環境安全。

4.1 環境功能區劃管理

環境功能區劃管理是系統融入了阿克蘇地區環境功能區劃中的功能分區的空間數據與功能小區的屬性數據。實現圖文一體化的生態環境信息展示、管理與分析，為科學決策提供輔助分析?？臻g分區數據主要包括自然生態保留區、生態功能保育區、食物環境安全保障區、聚居環境維護區和資源開發環境引導區五大分區范圍，功能小區屬性數據包括生態環境保護目標與具體管控措施，以及產業準入的要求。在本系統內融入環境功能區劃的信息，主要是針對工業項目落地設置，對工業污染源“預進入階段”就開始了監管，真正意義上實現了污染源的生命全周期監管，如圖2所示。

圖2 阿克蘇地區環境功能區劃管理專題功能模塊截圖

系統設置工業項目審批功能，工業項目審批通過傳遞項目的空間位置，系統自動定位項目位置，通過空間分析，判斷項目所在的功能區類型，是否在聚居環境維護區下設的環境控制區與環境治理區，如果是則繼續查看該區域內產業準入要求、污染源排放(主要是COD、NH3等)的總量控制目標和現狀排放量，結合減排政策判斷項目是否準入；如果項目所在的功能區類型是自然生態保留區、生態功能保育區和食物環境安全保障區，則不允許項目準入，維護該功能區的環境功能目標；如果項目所在功能區是資源開發環境引導區，則依據該區的礦產開發要求判斷項目是否能準入，如果能則依據管控措施進行管理。

系統對已建項目不合理的提出了限期整改或搬遷的要求，并實時監督執行的情況與進度。同時系統也設置了分析功能，用戶通過框選或者選擇功能區查看該范圍內的建設項目的項目列表和污染物排放信息，從側面為工業項目的準入提供決策分析支持。

4.2 污染源綜合管理

污染源綜合管理主要建設阿克蘇地區重點工業污染源的字典庫，是整個動態管理系統主要數據存儲、管理與維護中心，也是各級環保局業務工作的支撐。主要包括重點工業污染源基本信息管理與查詢和污染源數據維護等方面內容。

污染源基本信息管理貫穿從“環保建設項目管理”到污染源“死亡”的整個過程，管理企業的基本信息與污染方面的專題信息，包括企業名稱、地址、法人、行業類別、企業規模、污染物總類、污染物的排放量、污染物排放濃度等信息；同時污染源是環保管理中的一個主體，串聯阿克蘇地區環保局各個業務部門，作為環保核心業務的載體，因此，從污染源的產生、各類審批、排污申報與受理管理、排污費征收管理、環境信訪和污染源注銷全生命周期涉及到的所有信息進行統一“一廠一檔”式管理，建立污染源臺帳管理，企業概況管理、產品及輔材料管理、能源消耗管理、污染源排放、固體廢物、環境投訴、環境執法、建設項目情況管理、許可證情況管理、廢水監測管理、廢氣監測管理、污染源在線監控管理、行政處罰管理、危險化學品和危險源管理、放射源管理等各方面綜合信息統一管理和應用，如圖3所示。

污染源數據維護工作主要涉及當業務系統數據不完整、不統一，難以滿足業務管理需要時，可設置權限對重點工業污染源及時進行數據增加、修改、刪除操作。對工業污染源的各年度的控制級別的維護，系統提供快捷的維護界面；同時系統能夠提供直觀方便的污染源管理功能，以電子地圖顯示污染源位置及相對關系、以及污染源企業內的排口等設施的位置；并能對污染源企業及設施的相關信息進行維護，能夠通過污染源列表顯示污染源一覽；同時系統能夠提供豐富的、可方便維護的各類相關標準或規則，如污水綜合排放標準、行業排放標準、行業清潔生產標準、行業代碼等，以提高軟件的易用性，同時方便管理人員的日常工作。

圖3 阿克蘇地區重點工業污染源綜合管理專題功能模塊截圖

系統能夠對污染源數據進行自動或手動的備份，保證數據的完整性。當某一企業在數據庫中還沒有記錄，但又需要記錄該企業的信息時，可在各記錄的錄入時，作為首次錄入，直接增添該企業的記錄，并在GIS中臨時以點來表示；在今后數據整理時，可將臨時用點來表示的企業，完善到用面表示，也可將誤操作重復添加的兩個企業進行合并。

4.3 污染源動態監控

污染源動態監控與在線監測設備相連，其數據采集和傳輸的特點是實時獲取在線監控數據、以主動與被動方式傳輸數據。對于數據庫中的缺失數據，系統會自動掃描，并向監測儀器發出請求，自動補足數據。另外，也提供手動采集數據的界面，讓系統管理員或數據專家可以錄入需要采集的監測數據的參數，系統會根據用戶提供的參數，從相應的監測儀器中重新獲取相應的數據。監測因子的基本信息包括因子中文名稱、因子編碼、單位等信息，監測對象主要以廢水和廢氣為主，包括二氧化硫濃度、煙氣溫度、煙氣壓力、流速、煙氣含濕量(或輸入煙氣含濕量)、煙氣含氧量(或二氧化碳含量)、計算煙氣污染物排放率、排放量、污水瞬時流量、污水累積流量、COD濃度和排放總量、氨氮的濃度和排放總量等，如圖4所示。

圖4 阿克蘇地區重點工業污染源實時監控專題功能模塊截圖

實時數據是指企業監測點最近一條上傳的數據。在實時數據里可以清楚的看到兩類信息：監測設備在線情況和最新數據狀態。數據狀態包括國標中的各類數據狀態，如正常、告警、電源故障、填充值、校驗值等。實時告警是指監測數據正在告警并且到當前時間還沒有結束的告警記錄，該記錄顯示：數據產生的企業，排口，開始時間，監測因子及該監測因子的超標上限和下限，及超標這段時間的平均值。實時報警是污染源動態監控的重要部分，開發了實時預警模塊，實現總量超標預警、濃度超標預警及監測設備、采集傳輸設備、排污處理設備異常報警。系統將以蜂鳴或出現警示信息或通過短信提示等方式予以預警，使主管部門能及時采取相應管理措施。數據異常報警，設置某個監測因子，監測數據濃度與累計排放量或區域的總量達到、接近或超過上限時，及時發出告警，在數據列表頁面，以各種顏色數據表示各種數據的狀態，白色表示正常，橘黃色表示告警等。

實時數據定期分析功能，系統嵌合污染物排放標準(包括國家標準、行業標準及地方標準)，把污染源所對應的污染物排放標準中的具體指標的排放限值設為上限，進行某個污染源日、月、年超標頻次、超標污染因子統計分析，從中可以對企業的污染治理情況及超標原因作主觀分析，鎖定監管目標，對企業實施針對性的環境管理措施；全面掌握超標排放企業的分布、數量等信息，對比分析行業間、區域間企業超標情況，及時發現某一行業、某一區域存在的共性問題，制定針對性的措施，提高某個行業或某個區域內產業的污染治理水平和發展水平。

4.4 污染物統計分析

該功能模塊對污染源信息根據業務需求進行統計分析，為政府決策提供支撐。

污染物總量控制主要針對COD、BOD、SO2、NOX、NH3-N等污水與廢氣指標，在實現基本查詢功能上，系統還提供了多張數據表間關聯的條件查詢；自動生成“阿克蘇地區重點污染源排放污染物年(季)度匯總表”，并可就單位總量、地區總量和行業總量等匯總數據進行查詢，同時可按地區、行業、流域等類別統計年度數據，進一步分析總量削減情況。如圖5所示。

圖5 阿克蘇地區污染物統計分析專題功能模塊截圖

可計算排放總量和排放分擔率，分析企業排放污染物是否符合總量控制的要求，對接近、達到或超過允許排放總量的企業，按不同顏色在地圖中標示。也可按區域和行業分類匯總，分析出任一行政區域的排污狀況和收費潛力，為制定適合該地區發展的環境管理和排污收費政策提供基礎數據支撐。

污染物統計則根據用戶的需求，自動生成相應的環境統計專題報表，實現按各種環境要素的橫向對比、縱向對比，如同年份各行政區或各產業主要污染產生量、排放量對比分析，同一行政區或同一產業不同年份的各主要污染物產生量、排放量對比分析。同時，結合經濟數據分析核算各地區及各產業污染物產生排放狀況和變化趨勢。

此外，還設置了多種環境要素分析模型和輔助決策模型，如洛倫茲曲線分析、彈性系數分析、回歸分析層次分析、聚類分析法等，系統給出的區域內某年工業行業氨氮排放的洛倫茲曲線，清晰地顯示出阿克蘇地區各個重點污染工業行業污染物排放的貢獻率與工業產值貢獻率之間的關系，快速判斷某一行業的環境效率，為產業結構調整和產業升級提供科學的依據。

5 結 語

基于GIS的阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統通過空間分析與常規數據系統無縫結合，為環境管理和政府決策提供了一體化解決方案。與其它環境信息系統比較，具有以下創新與優勢：

(1)具備數據自查校驗功能，可對相關數據的真實性作初步的快速核查判斷，確保污染源數據的統一性。

(2)通過“一廠一檔”，建立健全了各類、各級重點工業污染源的檔案和數據庫，實現了對重點工業污染源全生命周期環境信息的綜合管理和統一管理，解決了環境管理過程中信息不銜接、不對稱的問題。

(3)結合在線監控設備，以污染物排放標準、總量控制標準為基準，實現濃度超標、排放總量超標、設備異常實時預警，使主管部門能及時采取相應管理措施。

(4)通過嵌合多種數學模型，綜合GIS的各種功能，將信息的整合應用揮發到最大程度，其應用范圍涵蓋了環境管理各個業務領域。

基于GIS的阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統掌握重點工業源全生命周期信息數據，實施高效、動態管理，實現排污現狀、污染防治和環境管理的量化評價，及時發現并解決環境管理中存在的問題。該系統的研發為環境管理提供空間分析和決策支持，增強管理決策的科學性、可靠性和預見性，進一步提高綜合管理能力、分析決策能力和執法監管水平，在新疆跨越式發展中具有廣闊的應用前景。

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Design and Development of Dynamic Management System for Major Industrial Pollution Sources in Aksu Area Based on GIS

MA Heng1TAN Hong2YANG Zhongping3

(1.Environmental Science Research and Design Institute of Zhejiang Province，Hangzhou Zhejiang China，310007；2.Environmental Policy Research and Technology Development Center of Akesu of Xinjiang Province，Akesu Zhejiang China，84300；3.Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang China，310032)

In the great leap development period of Xinjiang，the effective supervision on industrial pollution sources is the foundation to ensure the environmental safety and improve the quality of the environment. It is also the key point of the environmental protection work. Now there are some problems in Xinjiang environmental management work. For example，the pollution source information is not connected；the spatial analysis function of the existing environmental management information system is weak and can′t keep up with the demand for development. In this paper，Akesu area is taken as an example. The paper researches on the key industrial pollution source dynamic management system which is based on GIS and the paper realizes the whole life cycle′s comprehensive management and dynamic monitoring of the key industrial pollution sources. And this paper provides the spatial analysis and decision support for regional environment management and promotes social harmonious development of economy and environment in Xinjiang.

Key industrial pollution sources；GIS；Dynamic management；Design；Development

馬恒，環境工程碩士，援疆干部，主要從事環境管理與GIS在環境領域的應用等方面工作

X21

A

1673-288X(2016)06-0186-05

項目資助：阿克蘇地區科技興阿項目“基于GIS的新疆重點工業污染源動態管理系統研發”

引用文獻格式：馬 恒 等.基于GIS的阿克蘇地區重點工業污染源動態管理系統的設計與開發[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：186-190.