陳軍，盧嵐

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湘江重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

陳軍1，盧嵐2

（1.長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長(zhǎng)沙 410001；2.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

湘江流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來了一系列的環(huán)境問題，部分江段的重金屬污染物較為嚴(yán)重，因此建立湘江重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。從系統(tǒng)構(gòu)架、功能和數(shù)據(jù)庫(kù)等方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

重金屬污染；水質(zhì)模擬；地理信息系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)

1 引言

隨著國(guó)家“促進(jìn)中部地區(qū)崛起”戰(zhàn)略的實(shí)施，湘江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，而流域環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)薄弱、工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理造成的水環(huán)境問題將更加突出。湘江上游是湖南省有色金屬礦山集中地，株洲是有色金屬冶煉的集中地，如此工業(yè)布局使湘江流域突發(fā)性重金屬污染事故頻繁發(fā)生，這不僅對(duì)湘江流域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境造成了不可估量的損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響了湘江流域的水環(huán)境質(zhì)量。

湘江是主要飲用水源地，又是沿江城市的重要納污水體，水質(zhì)直接影響人民飲水安全。面對(duì)如此嚴(yán)峻的水環(huán)境問題，如何在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)控制污染、預(yù)測(cè)水質(zhì)變化、提出預(yù)警，以保障用水安全、將損失降至最低程度是我們應(yīng)該思考的問題。因此建立湘江重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。

本課題的研究目的在于結(jié)合“湘江水環(huán)境重金屬污染整治關(guān)鍵技術(shù)研究與綜合示范”項(xiàng)目，對(duì)重金屬污染物在湘江水環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)、遷移規(guī)律進(jìn)行研究，建立數(shù)學(xué)模型，探索實(shí)現(xiàn)重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)的可能，在此基礎(chǔ)上通過GIS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等建立湘江重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其主要功能在于對(duì)發(fā)生污染事件后進(jìn)行水質(zhì)模擬，反映出水污染狀況及其隨時(shí)間的變化過程，直觀地表達(dá)事發(fā)地點(diǎn)及其污染水體在時(shí)間與空間上的變化情況，尤其是受害對(duì)象與污染事故的時(shí)空關(guān)系。

系統(tǒng)可將模擬的結(jié)果以直觀圖形圖像信息進(jìn)行隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)表達(dá)，使人們感性地觀察到重金屬突發(fā)污染事件發(fā)展的模擬變化過程，以便對(duì)事件進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)湘江水質(zhì)及飲水安全進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，為決策提供支持。本系統(tǒng)的技術(shù)方案對(duì)于非重金屬污染事件的水質(zhì)模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也有積極的借鑒意義。本文著重談?wù)勏娼亟饘偻话l(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的選擇

本系統(tǒng)采用Client/Server（簡(jiǎn)稱“C/S模式”）體系結(jié)構(gòu)和Browser/Server體系結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱“B/S模式”）相結(jié)合的復(fù)合模式，對(duì)于人機(jī)交互界面復(fù)雜、保密性、安全性要求高，以數(shù)據(jù)庫(kù)操作和輸入輸出為主，要求復(fù)雜的表格輸入、輸出和需要復(fù)雜的預(yù)測(cè)模型計(jì)算以及模型結(jié)果的動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)的部分，采用C/S模式，對(duì)于那些以信息共享、信息通訊、信息檢索查詢?yōu)橹鞯牟糠?，則采用B/S結(jié)構(gòu)。即B/S模式主要用于信息發(fā)布，C/S模式主要用于數(shù)據(jù)維護(hù)、各種重金屬水質(zhì)模型的預(yù)測(cè)和結(jié)果的可視化表達(dá)。

2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

根據(jù)環(huán)境管理部門的工作特點(diǎn)，采用C/S和B/S結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)模式，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)各種信息數(shù)據(jù)及其他系統(tǒng)信息資源的共享。B/S模式由路由器與Internet網(wǎng)相連接，C/S模式采用環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站各部門間的內(nèi)部局域連接。

2.3 系統(tǒng)軟件構(gòu)架

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效管理、提高數(shù)據(jù)訪問速度以及系統(tǒng)開發(fā)的并行性，本系統(tǒng)的軟件構(gòu)架分為四個(gè)邏輯層次，即表示層、邏輯業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖1所示。

表示層指用戶在客戶端看到的界面。該層需要以適當(dāng)?shù)男问斤@示由其他層動(dòng)態(tài)傳送的數(shù)據(jù)信息，比如預(yù)測(cè)結(jié)果信息的可視化表達(dá)，這個(gè)功能要通過使用相應(yīng)的Windows Form、Web Form以及各種控件來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，這一層還負(fù)責(zé)對(duì)用戶錄入的數(shù)據(jù)完成校驗(yàn)，并將錄入的數(shù)據(jù)傳送給其他層。業(yè)務(wù)層主要用于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則和邏輯。它是一些組件和一些類，這些組件和類包含了所有應(yīng)用邏輯如模型的計(jì)算等，這一層向表示層提供功能的調(diào)用，同時(shí)它通過調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層所提供的數(shù)據(jù)訪問功能來訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)訪問層為邏輯業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。根據(jù)邏輯業(yè)務(wù)層的要求從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索數(shù)據(jù)或修改數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。它封裝了ADO.NET和ArcGIS Engine數(shù)據(jù)庫(kù)訪問對(duì)象，提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。數(shù)據(jù)層是指數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)本身。它主要用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，其中包括各類數(shù)據(jù)表、各種視圖和存儲(chǔ)過程等，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

圖1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于GIS的湘江流域重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)采用組件技術(shù)和插件技術(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)由一個(gè)系統(tǒng)主程序（EXE）、多個(gè)組件（DLL）和插件（DLL）組成。系統(tǒng)功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組件功能圖

各組件、插件的功能描述如下：①HPSGIS.EXE（系統(tǒng)主框架）實(shí)現(xiàn)地圖的漫游、縮放等地圖操作以及系統(tǒng)其他功能模塊的集成。②Query.dll（查詢組件）實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)（比如突發(fā)事件基本信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模型、預(yù)測(cè)結(jié)果等）的查詢功能。③Statistic.dll（統(tǒng)計(jì)組件）實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功能。④DataManager.dll（數(shù)據(jù)管理組件）實(shí)現(xiàn)對(duì)各類數(shù)據(jù)的輸入、刪除、修改、導(dǎo)入、導(dǎo)出等功能。⑤UserRight.dll（用戶權(quán)限管理組件）實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶及其權(quán)限（分功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限）的管理。⑥Model.dll（模型插件）實(shí)現(xiàn)模型的運(yùn)算及結(jié)果的可視化表達(dá)功能。⑦AEArcSDEProvider.dll（空間數(shù)據(jù)訪問組件）基于AE和ArcSDE提供空間數(shù)據(jù)庫(kù)訪問的底層公共組件。⑧OracleProvider.dll（Oracle數(shù)據(jù)訪問組件）基于ADO.NET提供屬性數(shù)據(jù)訪問的底層公共組件。⑨ExcelProvider.dll（Excel數(shù)據(jù)訪問組件）直接調(diào)用Excel對(duì)象方式對(duì)Excel格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)存放的一個(gè)集合，建立數(shù)據(jù)庫(kù)不僅僅是為了保存數(shù)據(jù)，更主要的是幫助管理和控制這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是指對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求[1]（信息要求和處理要求）。本系各種數(shù)據(jù)的分類和組織如圖3所示，該圖包括的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)分別由另外的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，本文不對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型

數(shù)據(jù)庫(kù)概念模型的設(shè)計(jì)通常有自頂向下、自底向上、逐步擴(kuò)張和混合策略[2]四種方法。本文采用自底向上法，首先構(gòu)建各局部的概念模型，并用E-R圖表示，然后合并各個(gè)局部模型，最終得到數(shù)據(jù)庫(kù)的總體概念模型。本文采用PowerDesign12.5來設(shè)計(jì)其概念模型。因篇幅有限，只介紹預(yù)測(cè)的E-R圖，污染事故的E-R圖和用戶管理的E-R圖不予介紹。預(yù)測(cè)的E-R圖如圖4所示。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)中，表與表之間的關(guān)系是優(yōu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)性能的核心。因此，在數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，遵循3NF規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理組合，使數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)合理，避免數(shù)據(jù)的冗余。本課題利用PowerDesigner軟件進(jìn)行完概念設(shè)計(jì)后，通過PowerDesigner的報(bào)表功能直接生成數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)表，同時(shí)用PowerDesigner的Generate Physical Data Model命令可將概念模型直接轉(zhuǎn)化成物理模型，在軟件里連接指定的數(shù)據(jù)庫(kù)后，用Generate Database命令即可創(chuàng)建各類數(shù)據(jù)表，這樣省去了創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)煩瑣的工作，提高了建庫(kù)效率。本系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)表有三角網(wǎng)三角形信息表、三角網(wǎng)三角形頂點(diǎn)信息表、曲線離散表、湘江功能區(qū)分段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表、湘江水文參數(shù)表、重金屬突發(fā)事件水環(huán)境變化預(yù)測(cè)結(jié)果表、地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表、模型庫(kù)、水廠出水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表、污染事故表、污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表、重金屬變化預(yù)測(cè)管理表、權(quán)限表、監(jiān)測(cè)部門信息表和用戶表。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于C/S模式的湘江重金屬突發(fā)污染事件水質(zhì)模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架、功能和數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可對(duì)湘江水質(zhì)及飲水安全進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，為決策提供支持。但仍需不斷改進(jìn)和完善，比如系統(tǒng)中建立預(yù)測(cè)模型中的參數(shù)有待修正，系統(tǒng)信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能有待實(shí)現(xiàn)。

圖3 數(shù)據(jù)分類和組織圖

圖4 模型預(yù)測(cè)E-R圖

［1］吳建，鄭潮，汪杰.UML基礎(chǔ)與Rose建模案［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［2］薩師煊，王珊.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［3］祖兆研.基于插件技術(shù)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

陳軍（1984—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)。盧嵐（1983—），女，湖南城步人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。

“十一五”重大科技專項(xiàng)“國(guó)家水體污染控制與治理科技項(xiàng)目”中的“湘江水環(huán)境重金屬污染整治關(guān)鍵技術(shù)研究與綜合示范”課題的資助

2095－6835（2019）02－0132－03

X522

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.132

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕