基于云計算的整體水源安全機制

龔代華

摘要：水流產生了物流、信息流和資金流，它們將流域的各水務公司緊密聯系在一起，可以在此基礎上組建水供應鏈。以水供應鏈為基礎，從最下游開始設置水源質量目標，然后倒推上游水源質量目標，由此形成了覆蓋整個水源流域的目標體系。應用供應鏈協同管理方法研究水供應鏈信息管理和風險管理。在此基礎上建立基于GIS的水資源管理信息系統和基于云計算的水源安全預警系統。

Abstract： Water flow that forms logistics flow， information flow and cash flow closely linked each water company. The supply chain can be formed on this basis. Supply chain is applied to set water quality objectives from the most downstream and then push down the upstream water quality objectives， thus forming a target system to cover the entire water basin. Application of supply chain collaborative management methods to establish： the water supply chain information management and risk management. GIS-based water resources management information system and water security warning system based on cloud computing will be established.

關鍵詞：云計算；GIS；安全；供應鏈

Key words： cloud computing；GIS；security；supply chain

中圖分類號：[TU991.15] 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）32-0102-02

1 嚴峻的現實

水是生命之源。水源安全關系到經濟的發展，社會的和諧和國家的穩定。盡管有各級政府的高度重視，但我國正面臨越來越嚴重的水源污染問題。根據環境保護部2016年頒布的《中國水資源公報》[1]，Ⅰ～Ⅲ類水河長占76.9%，劣V類水河長占9.8%。2016年，對118個湖泊共3.1萬km2水面進行了水質評價。全年總體水質為Ⅰ～Ⅲ類的湖泊有28個，Ⅳ～Ⅴ類湖泊69個，劣Ⅴ類湖泊21個，分別占評價湖泊總數的23.7%、58.5%和17.8%。

國家環保總局的調查顯示，2005年以來，我國平均每兩三天便發生一起與水有關的污染事故。其中，工廠爆炸引起的大量有害物質泄漏，山洪地震引發的企業污水池工業廢水泄漏，有害物質運輸途中泄漏和企業偷排污水等對水源安全的危害特別大。

2 整體水源安全的概念

水是流動的，這意味著污染物會隨水流而擴散。根據水的自然屬性，必須以整個流域為保護對象，以提高整體水質為目標。這就是整體水源安全的概念。英國的泰晤士水務公司負責整個泰晤士河流域的水資源利用與保護，便于建立整體水源安全機制[2]。

在水源安全日益嚴峻的形勢下，必須從局部的、事后的、被動的和遲緩的水源安全保障轉變到整體的、事前的、主動的和敏捷的水源安全保障，建立整體水源安全機制已迫在眉睫。由于江河往往流經多個行政區域，流域內企業數量眾多，污染物分布復雜，建立整體水源安全機制是一項非常復雜的工作，有大量的問題需要探索。

第一項重要工作就是要將整體水質目標進行分解，科學合理地確定上下游各節點企業的水質目標。根據水源流域的實際情況，確定關鍵污染物。按季節統計各節點企業的關鍵污染物數量，研究各關鍵污染物從上游到下游的變化規律，不同季節的變化規律。在此基礎上，研究水源質量變化規律。根據《地表水環境質量標準》和《國家生態保護紅線技術指南》確定最下游節點企業的水源質量目標。從最下游節點企業開始，根據水源質量變化規律，層層倒推出上游節點企業的質量標準。由此形成覆蓋整個水源流域的質量目標體系。這些質量目標一環扣一環，只有所有節點企業都完成目標，才能確保供應鏈整體目標的實現。

3 水供應鏈的設計

有效的水資源信息管理是建立整體水源安全機制的基礎。供應鏈管理可以實現信息流、物流和資金流的統一。可以借鑒供應鏈管理的理論和方法對水資源信息進行有效管理。水是聯系流域各水務公司的紐帶。水是流動的，這就產生了物流。水中包含了大量信息，如水質、污染物種類、濃度、分布等。這就產生了信息流。水是寶貴的資源，能為水務公司創造價值，這就產生了資金流。水流產生了物流、信息流和資金流，它們將流域的各水務公司緊密聯系在一起，以水源流域的所有水務公司為核心企業組成供應鏈可以對物流、信息流和資金流進行有效管理，將此供應鏈直觀地稱為水供應鏈。王光謙（2010）認為未來10年將要迎來水聯網時代[3]。

自來水將水源流域的所有企業、居民與水供應鏈聯系在一起，由此可獲得居民用水量、企業民用水量、企業排放的污水成分等信息。因此，可以將水源供應鏈擴展到水源流域的所有居民和企業。從而將水源源頭和污染物源頭都納入供應鏈中。以供應鏈為基礎，集成水質監測信息，建立全程實時的水質監測系統，建立基于GIS的水源信息系統。在充分掌握信息的基礎上進一步建立污染物控制機制，有效控制污染物總量。建立供應商協同管理方法，激勵企業強化隔離設施，有針對性建立預案，從源頭上預防非常規突發性水源危機的發生。建立水源危機預測預警系統，分布式決策系統和水源危機快速響應系統，減少非常規突發性水源危機的危害，有效保護水源。

水供應鏈是一個非常特殊的供應鏈，其主要特征有：

①供應商數量巨大。

水供應鏈除了自來水供應商——水務企業之外，還有3類污染物供應商，即流域的企業、居民和農民，分別稱為企業供應商、居民供應商和農民供應商。這三類供應商數量巨大。長江流域總人口超過4億人，僅化工企業就超過40萬家。

②信息收集難。

污染物供應商強行供應一種不受歡迎的原材料——污染物；同時，極力阻礙信息流的形成，避免與核心企業進行信息交流，使物流與信息流脫節。每個企業排放的污染物種類、總量、濃度千差萬別。因此，很難全面、正確和完整地收集整個流域的污染物信息。

③地理跨度大。

河流短則幾百公里，長則幾千公里，流經多個市，乃至幾個省。如長江全長6211.31公里。

水供應鏈的特征對管理模式選擇有重要影響，如何有效管理這個特殊供應鏈對現有的供應鏈管理理論和方法提出了挑戰。

4 基于GIS的水資源信息管理系統

這是建立整體水源安全機制的重要基礎。重點研究追蹤污染物的流程，實現物流與信息流的統一。

居民污水成分大致相同，而且集中由水供應鏈的核心企業處理，收集居民排放的污染物信息比較容易。

流域企業通過自來水與水供應鏈進行聯接，也以水為載體把污染物排放到江河中。通過研究污染物計算模型，把企業的基本參數和用水量輸入模型就可以計算企業排放污染物的種類和數量，建立企業的污染物庫存，為有效控制企業排污打下基礎。企業逃脫控制的手段只有從水供應鏈之外取水，我們稱之為外部性用水（如偷采地下水等），必須研究識別企業外部性用水的方法。研究企業用電量和用水量之間的關系，由企業用電量推算企業的合理用水量，用合理用水量來監測企業外部性用水的情況。采用以上方法可以收集比較完整的企業污染物信息。

根據水源流域的水文情況，研究污染物擴散模型，建立動態污染物庫存管理和動態水源安全級別管理方法。以動態信息管理為目標，集成所有水務公司的信息。在此基礎上，可以建立基于地理信息系統（GIS）的飲水安全決策系統，實時監測企業污染物庫存，動態監測全流域水源安全級別的變化情況，及時發布水源危機預警，選擇和啟動應急預案。該信息系統可以大大提高決策效率，全面保護水源。

5 基于云計算的水源危機預測預警系統

水源危機預測預警系統需要以下列工作為基礎。

5.1 污染物擴散模型

根據水源流域的水文情況，研究污染物擴散模型，用以計算污染物擴散的速度、范圍以及污染物濃度變化。

5.2 污染物庫存動態管理模型

選擇水源流域若干重要斷面（如市界、省界）進行污染物庫存監測。監測各斷面污染物總量、污染物濃度，特別是及時發現新污染物的出現。利用監測數據建立污染物庫存動態管理模型，利用該模型計算從上游到下游污染物總量、污染物濃度的變化情況和變化速度。

5.3 水源安全級別動態管理模型

利用該模型可以實時計算指定區域的水源安全級別，指定時間段水源安全級別的變化。并預測未來指定時間的水源安全級別，并給出置信度。

由于污染物庫存動態管理模型和水源安全級別動態管理模型極其復雜，需要大型計算機才能完成計算任務。根據水源流域的特點，宜采用分散監測和集成處理的原則。以大型計算機群為核心，建立水源安全云計算平臺。以云計算平臺為依托，以污染物擴散模型、污染物庫存動態管理模型和水源安全級別動態管理模型為基礎，建立基于云計算的水源危機預測預警系統。實現實時、動態和全程監測流域水源安全級別的變化情況。預測危機形成時間、危機發生的節點和界面、危機的強度、危害性、影響范圍等。

根據水源流域具體情況，確定預警級別和計算相應的臨界值。如果預測水源安全級別將在一定時間內達到某臨界值，可發布對應級別的水源危機預警。

一旦上游發生水源危機，該系統可以計算危機擴散速度、擴散范圍、強度變化等，給下游發布水源危機預警，并用可視化的方式顯示，便于指揮部決策和指揮。

我國的水源生態危機是一個系統問題，只有采取系統的措施才能有效應對。整體水源安全機制堵住了大量危機的源頭，可以大幅度減少常規水源危機。基于云計算的水源危機預警系統可以有效應對爆發性的水源危機，從而大幅度提高水源安全級別。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.2016年中國水資源公報.

[2]鄧涌涌，江瑩.英國水管理狀況與啟示[J].人民長江，2006，37（8）.

[3]王光謙.未來10年將要迎來水聯網時代.價值中國網，2011.