流域水环境监测管理系统设计与应用

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更多发布于：2008-05-03 22:49

0 前言
 
我国环境信息系统的建设可以归纳为由单机到网络，由低级到高级，由电子数据处理到管理信息系统再到决策支持系统，有数据处理到只能处理的过程。环境决策支持系统是在人机交互的过程中帮助环境管理决策者探索可能的方案，为环境管理者提供决策所需的信息，被认为是环境管理信息系统发展的新阶段。GIS 技术经过多年的发展，能够综合地图学、遥感、CPS 技术、Interne/Intranet 技术、多媒体技术及虚拟现实技术等多种现代技术，为专业领域提供了丰富多样的应用工具，同样在环境信息化建设领域发挥了重要的作用。目前有国内外众多实践将CIS 技术广泛用于污染源管理、环境监测、环境评价、灾害评估、区域环境规划等众多领域，已成为环境管理的有效决策支持工具。”
 
松华坝流域作为饮用水源地一级保护区，由于近年来保护区内人口增加以及社会经济活动强度增大，农业生产粗放、产业布局不合理，污染物向周围环境大量排放（如农药化肥），使松华坝水库水质呈现逐年变差的趋势，在某些指标上存在不达标的问题，需要进行地区水环境监测与评价、污染源排放管理、污染物总量控制与分配等方面工作，建立流域水环境监测管理系统能够提高工作效率，是辅助分析决策的一种有效手段。
 
1 水环境信息监测 
 
1 . 1 数据来源
 
松华坝流域的水环境管理数据来源是异地异构、多维、多层的，包括监测站、水库管理部门、水利水电部门、环境地质与工程部门、水质监测与治理公司，范围包括乡镇、（相邻）市县、整个区域和流域，形式包括关系数据（如不同频率时间日、月、季、年数据）、空间数据、影像数据、文本、HTML文件、音频、视频数据等。数据收集的内容主要包括：基础地理信息、水资源水环境数据、监测数据、生态环境数据、污染源数据、社会经济（具体见表1 ) ，除基础地理信息基本不变化，其余几类数据随时间动态变化，需要获取动态数据。对于水文和水质动态监测数据，通过在流域各监测点和监测断面安装自动监测设备（如翻斗式雨量计、浮子或压力式水位计、地下水位自动监测仪、水质自动监测仪）进行自动监测得到，或人工观测和现场采集经过分析化验得到。对于生态环境动态变化信息，可通过遥感影像提取，并结合非遥感的专题数据、专题图件复合分析得到。 

<a href="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2008maginformatization/xinxihua200802/200804/W020080430520992248333.jpg" target="_blank" ><IMG src="http://www.lrn.cn/bookscollection/magazines/maginformatization/2008maginformatization/xinxihua200802/200804/W020080430520987559618.jpg" border=0></A>
1 . 2 信息传输
 
目前该地区数据的收集靠人工整理上报，未达到网络化管理水平，存在现有的数据存在不易收集、分散、数据缺失的问题。利用现代通讯和网络技术，可实现水质水量在线监测数据实时传输，各级部门间数据的快速传输。流域各监测点上的自动监测仪获得的数据，通过公共电话网络、GSM 移动通信网络，将按照某种应答机制传输到控制不同区域的遥测站，遥测站将数据初步整理后，再通过政府计算机网络传输到流域管理部门。涉及其他部门已有的现成数据可通过政府计算机网络传输获得。这种信息传输方式需要配备各种硬件基础设施，如水质自动监测装置、水量自动监测装置、数据记录仪、GSM 数传仪、防雷设施、水位自记井、数据传输管线等。 
 
2 水环境监测管理系统 
 
2 . 1 地表水与地下水统一管理松华坝地区地貌条件和水文系统独特，根据内外地质营力作用，可划分为流水地貌、溶岩地貌及构成地貌三个类型，前两者为主要类型。东北部大量的地质漏斗和溶蚀洼地，使水土通过灌人或渗人形成地下河，是地下泉水的主要来源。由于区内岩溶发育，构造纵横，地形起伏等有利条件，丰富的岩溶泉水暗河－龙潭一地表河流并存，致使河流源头和河道两岸与地下水之间存在着明显的水量交换，构成了当地独特的综合水文系统（云南省环境科学研究院中国昆明高原湖泊国际研究中心《松华坝水源保护区管理和保护总体规划研究》2006）。该地区农业面源污染占比重较大，易灌易渗的地质条件，使地下水容易受到污染。显然，地表水与地下水构成一个完整的体系，适合于将进行水资源联合利用和管理，然而由于管理部门的划分，地表河流与地下水源的利用管理分散，需要增加长期固定的河流源头泉水、河道主要龙潭、地下水监测井，获取监测数据，应用专用传输网络，使数据能够在部门之问方便的数据共享，用于地表水和地下水综合分析研究和管理。 
 
2 . 2 基于GIS 的水质模型
 
模拟水质模型能够模拟和预测污染物在水环境中的运移转化，并根据河流预定的基本功能要求的水质及河流的自净能力来确定允许排人河流的污染物量。模型与GIS 之间的集成，按照集成程度的不同一般可分为3 种形式：独立集成、紧密集成和完全集成。一般采取紧密集成形式，这种方式需要一定的编程工作，通过宏语言或其他编程语言编制各个部分之间的接口程序，用于保存模型计算的相应配置信息，具有统一的用户界面。模拟结果的可视化表达的过程包括以下步骤：对一维河流和二维水库进行概化，取步长大小100m 左右的河段对河流进行概化，利用有限元方法对水库进行网格划分，形成水体空间分布矢量图层，将模型程序计算的结果以属性值的形式赋予空间图层，浓度值的大小以颜色的深浅显示（浓度越高颜色越深），得到浓度变化分布图。实现方法有用Fortran、visual Basic，等编写代码完成水质模型的计算，系统通过接口程序调用计算结果，将结果以直观栅格图像、矢量图形、统计图的形式表达。 
 
2 . 3 流域水环境综合数据库
 
将松华坝流域水环境管理看成若干子业务系统，环境监测、环境统计、污染源管理、总量控制与分配、规划治理措施实施等。随着各级部门的各子业务系统历史数据的逐渐累积，需要建立基础数据库、模型库、知识库和文本库，形成松华坝流域环境综合数据库。主要存储和管理的数据内容见表1 。 
 
2 . 4 系统总体结构设计
 
经过数据采集与传输，系统对数据进行组织加一、存贮、抽取，建立水环境综合数据库，为用户和应用系统之间的信息交互提供基础。软件结构采用C/S 结构实现水环境信息输人、管理、统计分析、模型计算等的信息管理和辅助决策功能。
 
按照数据流的方向，系统层次结构自上而下可分为表示层、数据层和数据获取层共3个层次。表示层包含系统管理和辅助决策总界面和信息查询子界面，结果以可视化形式展示和返回给用户，完成对基础地理信息、水质水量监测信息、水环境标准、污染源信息、多媒体信息等和计算结果的查询和输出。服务层包含数据服务和GIS 服务，负责响应客户端发出的查询分析和计算请求，将所需要的数据从数据库中提取出来，进行分析计算再将结果发送给表示层。数据层对数据进行组织、管理和维护，存放基础数据、模型、专家知识和文本。数据获取层对系统所需各种信息进行采集和处理，生成系统支持的通用数据格式，为数据人库做准备。如图1 所示。 

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2 . 5 系统主要功能 
 
2 . 5 . 1数据输入和参数维护
 
为统计查询水质水量变化、进行污染负荷汇总计算、水环境容量计算提供数据支持。可输人、更新、删除、查询随时间变化的社会经济，污染源排放，水质水量监测数据，水资源评价方法，专家知识，水资源预测预报模型，导人并维护空间数据和监测数据，维护污染负荷计算参数、水质标准、水环境容量计算参数，添加影音资料等多媒体数据等。例如包括：国民经济情况表、人口统计表、水文站监测数据表、监测断面水质监测表、水环境质量标准表、水土流失分区图、各污染源污染负荷参数表等。 
 
2 . 5 . 2信息管理
 
主要包括社会经济信息管理、水环境相关监测信息和文本信息管理。社会经济的发展会间接地影响环境，社会经济信息主要包括社会经济基础数据及其统计数据，如国民经济情况、人口、主要农作物生产情况、养殖业情况、农村能源情况、农用化肥施用量统计信息、农村垃圾污水统计信息、林业现状统计信息。分4 层管理：水源保护规划区级（流域级）、区县级、乡镇级、村委会级，村委会级数据自动向上统计汇总，每一级与相应级别空间数据图层相关联，通过人口字段与污染负荷功能模块建立关联。能够实现图表互查、生成统计图表和专题图、多表查询。
 
统一管理流域内的水资源水环境、生态环境信息，主要包括降雨量、蒸发量、流量、流速、水位、河宽、水质监测项目浓度值，土地利用、植被、土壤、水土流失动态变化监测信息等，实现属性数据输人、更新、删除、查询、统计，图表互查，结果以报表、统计图、统计表、专题图形式输出。
 
管理数据库中以各种格式（HTML、WORD、PDF、cHM、Avl 等）的规划文本、行业和当地的法规标准、评价方法等。数据以编译的电子文本、专题图以及多媒体的形式检索和显示。 
 
2 . 5 . 3污染负荷统计分析
 
对流域内污染源分布、基本信息、主要污染物因子排放的统计汇总，以图表、专题图、报表的形式显示和打印输出结果，作为水环境容量控制与总量分配的依据。流域污染源分为9 类：集镇生活污水、集镇生活垃圾、水土流失、农药化肥流失、农田废弃物、农村生活污水、农村生活垃圾、人畜粪便污染、水产养殖。应用相关经验参数，按污染源类别、所属乡镇、保护区级别、影响河流计算主要污染物因子的排放量，计算主要污染物因子分别占各类流域污染源排放量的比重，进行污染物因子的排放量数据汇总。 
 
2 . 5 . 4水质模拟与容量计算
 
通过对流域的河流和水库的概化，例如选择一维水质模型（l ）作为河流水质模型，水库模型选择湖泊富营养化数学模型 ― 迪隆（Dillion ）模型( 2 ) ，输人设计流量（20％、50％、90％保证率最枯月平均流量）、平均流速、输移距离、上游来水设计浓度、综合降解系数等计算参数，然后通过调节流量、综合降解系数、水质目标这些参数值，对二条主要人库河流（牧羊河、冷水河）各河段主要水污染控制因子（松华坝水库以TP 、TN ，牧羊河以TN 、TP 、CODcr ，冷水河以TN 、TP 、氨氮）浓度进行预测计算，结果以GIS 专题图形、属性表的形式显示。另外，系统还可以对松华坝水库、各河段的水环境容量进行计算，输人相应污染物负荷量数值，来推算污染物允许排放量以及针对基准年的削减目标，结果以固定报表和专题图形式输出。

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3 系统实现
 
目前阶段，为了满足投资较小、投人使用快、具有个性化界面的要求，本系统采用GIS 技术、以S 组件技术、Mls 技术，采用vc 、Delphi 语言，集成Aoces 、数据库，在GIS 专业功能控件gisocx . ocx 基础上进行二次开发。开发工具选用visual c6 . 0 和Delphi6 . 0平台，GlS 与水质模型计算的集成采用紧密集成方式开发。采用文件管理和关系数据库相结合的方式管理数据，用文件管理的形式来存储空间数据，关系数据库来管理属性数据。属性数据分别建立各自的空间索引与空间数据连接，采用一个工程文件（.nrj）形式管理。这种开发简单、方便，开发周期短，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有良好的外观界面，具有可靠性好、易于移植和维护的优点。 
 
4 结论
 
应用现代通讯和网络技术对水环境数据进行实时采集和传输，基于以S技术建立流域水环境监测管理系统，进行水环境信息管理、水质模拟预测、污染物总量控制与分配等工作，帮助管理人员完成水环境监测、分析和评价，将对当地水环境信息化建设、环境问题治理、业务部门工作效率提高起到促进作用，为水环境管理与保护决策提供必要依据。系统开发简单快速，经过系统集成测试和用户测试，可视化效果好、操作响应速度满足实际应用的要求。
 
 
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