孔 猛

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 南寧 530023）

0 引言

另外，我國目前正處于經(jīng)濟的快速發(fā)展時期，突發(fā)性水污染事故時有發(fā)生，直接威脅著人民的生命安全和國家財產(chǎn)。相關(guān)研究表明：近 20 a 來（1991—2010 年），影響環(huán)境污染與破壞事故發(fā)生次數(shù)的外部因素數(shù)量在減少，且影響力度也有所減弱，但地區(qū)生產(chǎn)總值和工業(yè)企業(yè)數(shù)仍與環(huán)境事故數(shù)呈顯著的正相關(guān)[2]。根據(jù)國家環(huán)?？偩职l(fā)布的信息表明，2001—2013 年共發(fā)生各類環(huán)境污染與破壞事故 5 606 次，其中水污染事故 3 235 次，占全部事故的 57.7%，每年污染事故造成數(shù)以千萬計的經(jīng)濟損失[3]。2005 年發(fā)生的松花江水污染事件更是造成了國際影響。重大突發(fā)性水污染事件一般具有不確定的突發(fā)性，影響范圍的廣泛性和危害的嚴重性等特點，如果人們?nèi)狈λ枷霚蕚?，不能及時采取防御措施，則對生態(tài)環(huán)境和人民生命財產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅[4]。因此，加強突發(fā)性水污染事故的防范工作及應急處理工作顯得尤為重要和非常必要。應急監(jiān)測作為應急處理工作的排頭兵，可為應急決策提供依據(jù)，對判斷污染源、污染范圍及發(fā)展趨勢具有重要的作用。而目前我國水環(huán)境監(jiān)測水平與經(jīng)濟社會發(fā)展對水環(huán)境的要求相差較遠，污染源情況底數(shù)不清，應急監(jiān)測硬件設(shè)施有待提高，缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，應急監(jiān)測技術(shù)儲備不足，缺乏統(tǒng)一布局的區(qū)域環(huán)境應急監(jiān)測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)[5]等，迫切需要建設(shè)集采集、傳輸、分析、預報、決策支持、應急指揮于一體的應急監(jiān)測系統(tǒng)，提高突發(fā)性水污染事件應急監(jiān)測能力。

1 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息

1.1 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測業(yè)務(wù)流程

水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程主要為完成河長制管理體制下的水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測及突發(fā)性水污染事件的應急監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析工作，能夠應對各種條件下的動態(tài)監(jiān)測及各類突發(fā)性水污染事件的應急預警、監(jiān)測、預報是水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)的總?cè)蝿?wù)。圍繞上述總?cè)蝿?wù)，需開展的主要業(yè)務(wù)工作包括信息的采集、報送、接收和處理，數(shù)據(jù)深加工，預報分析、服務(wù)、預警和預防工作。上述業(yè)務(wù)工作（配備相應的硬件設(shè)備和軟件）和通信、計算機網(wǎng)絡(luò)等應急指揮平臺構(gòu)成了水質(zhì)動態(tài)和突發(fā)水污染事件應急監(jiān)測的系統(tǒng)體系，其中，信息采集是基礎(chǔ)，通信和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是技術(shù)支持和保障，數(shù)據(jù)處理、加工和預報應用則是應急監(jiān)測系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖 1 所示。

圖 1 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

1.2 信息和數(shù)據(jù)流程

水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)的信息主要來源于 2 個方面：1）通過系統(tǒng)現(xiàn)場采集的水質(zhì)動態(tài)和應急監(jiān)測信息（可稱為內(nèi)部信息）；2）從其它信息系統(tǒng)和水利行業(yè)外獲取的信息，即外部系統(tǒng)接入信息（可稱為外部信息）。信息的傳輸與處理遵循標準化的協(xié)議，以保證信息的相對完整性與一致性[6]。信息和數(shù)據(jù)流程為采集—傳輸—匯集—分析—展示—應用—管理，具體如圖 2 所示。

2 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

圖 2 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)流程圖

2.1 系統(tǒng)框架層次結(jié)構(gòu)

水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)通過對水質(zhì)（水污染）信息的采集、傳輸、分析、預處理達到控制事件發(fā)展，消除危害，降低影響的目的，水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)應是一個既能掌握河流動態(tài)水質(zhì)變化又能對突發(fā)性水污染事件全過程追蹤的整體系統(tǒng)，包括對河流不固定斷面不定期實施水質(zhì)信息監(jiān)測及針對突發(fā)性水污染事件的污染信息的采集、傳輸、分析預報、信息發(fā)布、專家決策、應急指揮，以及系統(tǒng)運行的管理維護和應急保障輔助。其總體框架可劃分為 8 個層次和 2 個體系，8 個層次分別是采集傳輸層、計算機網(wǎng)絡(luò)層、硬件設(shè)備層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、應急指揮層、業(yè)務(wù)應用層面和用戶層；2 個體系分別是安全保障和標準規(guī)范體系。層次結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.2 系統(tǒng)組成

通過分析水質(zhì)動態(tài)和應急監(jiān)測的信息流程和構(gòu)建系統(tǒng)所需的層次結(jié)構(gòu)和保障體系，水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)應由信息采集及傳輸、決策支持、水污染分析預報、綜合信息服務(wù)、應急指揮（應急指揮平臺）、工作及安全保障共 6 個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)之間通過標準化的協(xié)議與接口相互結(jié)合，各子系統(tǒng)完成對某一過程的處理工作，子系統(tǒng)之間以信息為載體互為輸入，形成信息流動通暢的雙向運行系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

3 各子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 信息采集及傳輸系統(tǒng)

圖 3 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)框架層次結(jié)構(gòu)

圖 4 水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)總體框架示意圖

水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測信息一般有水質(zhì)、水量、斷面環(huán)境、污染物動態(tài)信息等信息。采集系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)包括 3 個部分：測站（點）、通信網(wǎng)及系統(tǒng)中心，如圖 5 所示。信息采集系統(tǒng)的水量水質(zhì)監(jiān)測一般通過水位儀、流速儀、流量計、水質(zhì)監(jiān)測儀、水質(zhì)分析設(shè)備等監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)，其信息采集方式包括水質(zhì)自動監(jiān)測站自動、固定斷面人工和移動動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集終端或人工處理，充分利用公網(wǎng)和已建的水文通信網(wǎng)組建水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，利用衛(wèi)星通信技術(shù)，在應急監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)置衛(wèi)星平臺，組建應急監(jiān)測通訊衛(wèi)星網(wǎng)，為應急監(jiān)測提供衛(wèi)星傳輸信道。

水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測設(shè)備應體現(xiàn)動態(tài)和應急監(jiān)測的特點，設(shè)備配置要針對轄區(qū)內(nèi)或河段內(nèi)發(fā)生概率大的重點污然物及國家排放標準規(guī)定的項目情況，進行儀器的合理配置。對于水質(zhì)污染，應優(yōu)先考慮選用檢測管、化學比色法及綜合水質(zhì)監(jiān)測儀器法[7]。對于重金屬污染區(qū)應重點配置能監(jiān)測砷、銅、汞、鋅、鎘、鉛、鉻、鎳、鐵等重金屬的設(shè)備，重金屬污染等無機污染應優(yōu)先考慮選用檢測管法、綜合監(jiān)測儀器法、離子計法及 IC 法等[8]；對于有機物污染區(qū)應重點配置能監(jiān)測硝基苯類、甲醛、苯胺類、氯苯類、多環(huán)芳烴類等有機物的設(shè)備，應優(yōu)先考慮選用檢測管法、袖珍式檢測管法、袖珍式監(jiān)測器及便攜式氣相色譜法[7]。此外監(jiān)測設(shè)備應最大限度適應野外或室外條件，采樣方便準確，抗干擾能力強，受環(huán)境影響小，監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定可靠，具備模塊化、自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化程度高的特點，部分設(shè)備應能達到無人值守自動監(jiān)測，能實現(xiàn)長期連續(xù)在線監(jiān)測。設(shè)備配置應以《水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標準》[9]的規(guī)定為參考進行配置，能夠進行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[10]中規(guī)定的基本和補充項目的分析與監(jiān)測，根據(jù)河湖水域范圍內(nèi)常發(fā)生的主要污染物情況，選擇性監(jiān)測《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中規(guī)定的特定項目。

圖 5 采集層次基本框架示意圖

3.2 決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)由應用支撐平臺、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)匯集平臺及應急資源管理系統(tǒng)組成，為動態(tài)和突發(fā)性水污染事件應急監(jiān)測及處置提供決策支持。

程序模塊，按下倒計時啟動按鍵，利用單片機內(nèi)部時鐘進行60s倒計時，無線電能開始傳送能量。當計時結(jié)束，主控板外圍的繼電器1導通，信號發(fā)送端停止發(fā)送。在該系統(tǒng)中，繼電器1就相當于一個自動開關(guān)。

1）應用支撐平臺。應用支撐系統(tǒng)是連接基礎(chǔ)設(shè)施和應用系統(tǒng)的橋梁，是以應用服務(wù)器、中間件技術(shù)為核心的基礎(chǔ)軟件技術(shù)支撐平臺，為應急監(jiān)測業(yè)務(wù)應用提供統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和運行環(huán)境，為上層應用建設(shè)提供基礎(chǔ)框架和底層通用服務(wù)，為數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)集成提供運行平臺。應用支撐系統(tǒng)主要由各類商用和開發(fā)類通用支撐軟件共同組成。結(jié)構(gòu)組成如圖 6 所示。

圖 6 應用支撐平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2）數(shù)據(jù)庫。監(jiān)測數(shù)據(jù)庫由綜合和元數(shù)據(jù)庫組成，綜合數(shù)據(jù)庫包括實時水質(zhì)、水量、外部交換實時動態(tài)（包括工情、氣象、水環(huán)境、水文、水資源等數(shù)據(jù)）、水質(zhì)應急管理基礎(chǔ)（包括水質(zhì)監(jiān)測專家、應急人員、監(jiān)測方法、典型水污染應急監(jiān)測案例、危險源、危險品、應急物資等數(shù)據(jù)庫）、基本信息（包括水功能區(qū)和水利工程基本數(shù)據(jù)庫、水源地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、排水行業(yè)數(shù)據(jù)等）、空間（主要控制斷面到達路線、基礎(chǔ)地理信息、水利專題要素及各類遙感影像和 DEM 等數(shù)據(jù)）和多媒體（影像、音、視頻，以及政策法規(guī)、標準規(guī)范數(shù)據(jù)）等多個邏輯子數(shù)據(jù)庫。元數(shù)據(jù)庫將綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分類及抽取，形成數(shù)據(jù)集、數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)匯集平臺。數(shù)據(jù)匯集平臺主要是實現(xiàn)水質(zhì)、水量、斷面環(huán)境等采集信息，以及其他水污染和綜合管理信息接入，實現(xiàn)所有監(jiān)測信息從監(jiān)測現(xiàn)場和監(jiān)測點向系統(tǒng)匯集的目標。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集平臺建設(shè)主要是匯集功能的建設(shè)和匯集范圍的確定。主要包括實時水質(zhì)、水量、水污染相關(guān)基本信息（主要有固定實驗室水質(zhì)、水污染相關(guān)基本、現(xiàn)場動態(tài)、其他系統(tǒng)等監(jiān)測，綜合管理的信息）上報功能的統(tǒng)一開發(fā)和匯集功能的完善。

4）應急資源管理系統(tǒng)。應急資源管理包括應急預案、實驗室、應急物資、基礎(chǔ)研究及信息的收集整理等管理。應急預案管理主要以區(qū)域主要大江大河和易發(fā)生突發(fā)性水污染事件的其他河流及主要飲用水水源地為單元，建立應急監(jiān)測預案。接入?yún)^(qū)域范圍內(nèi)的水環(huán)境監(jiān)測中心實驗室管理系統(tǒng)，將實驗室管理納入應急監(jiān)測系統(tǒng)，在突發(fā)性水污染事件發(fā)生后由應急監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配。

3.3 水污染分析預報系統(tǒng)

水污染分析預報系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)匯集平臺、水污染預報軟件平臺、綜合數(shù)據(jù)庫、應用預報 4 個模塊。以采集的基本信息為基礎(chǔ)，以基本模型為計算平臺，設(shè)計有計算機預報、實時預報追蹤。建設(shè)包括常用水污染預測模型，以及水質(zhì)評價和水環(huán)境容量計算模型和通用方法的模型庫，根據(jù)預測河段的特性選擇預測模型；建立主要河流控制斷面預報方案庫；開發(fā)人工試錯和自動優(yōu)選相結(jié)合的模型參數(shù)率定系統(tǒng)；開發(fā)人機圖形界面的實時作業(yè)和自動預報系統(tǒng)。在突發(fā)性水污染事件發(fā)生后能夠快速預報排污口或河道內(nèi)任意地點污染物向下游的擴散時間、擴散面積、確定污染范圍、污染程度及對下游取水口等所造成的污染影響等，并提供污染事故的風險分析和控制措施[11]。

水污染分析預報系統(tǒng)的核心是預報方案的編制，可分為預報模型選擇、方案編制和參數(shù)率定 3 個階段，3 個階段主要工作內(nèi)容如圖 7 所示。

圖 7 預報方案編制業(yè)務(wù)流程圖

3.4 綜合信息服務(wù)系統(tǒng)

基于應用支撐平臺和門戶技術(shù)，開發(fā)集各類水質(zhì)、水情、氣象、工情、災情等信息于一體的水質(zhì)監(jiān)測綜合信息服務(wù)系統(tǒng)。綜合信息服務(wù)系統(tǒng)可在統(tǒng)一組織開發(fā)綜合信息服務(wù)原型系統(tǒng)、統(tǒng)一定制的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測服務(wù)區(qū)域需要擴展部署到不同行政區(qū)或河段。綜合信息服務(wù)系統(tǒng)可為各級水行政主管、環(huán)境管理部門，其他有關(guān)單位、用水戶等用戶提供各類信息服務(wù)。

通過整合水污染分析預報系統(tǒng)的信息服務(wù)功能，提供水質(zhì)應急監(jiān)測綜合信息查詢服務(wù)，實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測信息的統(tǒng)一管理和導航，實現(xiàn)統(tǒng)一登錄、應急監(jiān)測信息的統(tǒng)一發(fā)布和水污染預報成果的內(nèi)容匯聚。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)集成、整合查詢、綜合服務(wù)和門戶應用 4 個部分，具體如圖 8 所示。

圖 8 綜合信息服務(wù)系統(tǒng)總體框架示意圖

3.5 應急指揮系統(tǒng)（平臺）

移動應急指揮平臺利用移動通信系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸、語音、視頻等功能集成在一起為動態(tài)和應急監(jiān)測現(xiàn)場指揮和信息傳輸提供技術(shù)保障。應急指揮系統(tǒng)主要由 2 個部分組成：應急指揮移動站和固定站，總體架構(gòu)如圖 9 所示。

圖 9 動態(tài)/應急監(jiān)測指揮系統(tǒng)總體架構(gòu)

應急指揮移動站由移動通信和現(xiàn)場應用信息平臺 2 個部分組成。共同完成現(xiàn)場應急通信、指揮調(diào)度的任務(wù)。移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場信息的上傳和上級指揮調(diào)度指令的下達，保證各種業(yè)務(wù)的通信暢通?，F(xiàn)場應用信息平臺是現(xiàn)場應急指揮的基礎(chǔ)，應急方案的制定是基于豐富的、實時的、準確的信息資源的基礎(chǔ)上進行的。應急現(xiàn)場通信指揮車以機動車為載體，通過車載設(shè)備使用各種有線、無線方式獲取聲音，圖像和數(shù)據(jù)，為車內(nèi)或遠程的領(lǐng)導和專家提供現(xiàn)場綜合信息；利用 4G 移動通信手段與信息中心建立聯(lián)系，實現(xiàn)話音、視頻通信功能；實現(xiàn)信息中心數(shù)據(jù)共享和通信，可接入互聯(lián)網(wǎng)。

3.6 工作及安全保障系統(tǒng)

包括系統(tǒng)的日常維護、人員培訓和安全保障以保證各系統(tǒng)的正常運行。

4 結(jié)語

1）為完成水質(zhì)信息的采集、傳輸、預報分析和處理，水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)應包含信息采集及傳輸、水污染分析預報、決策支持、綜合信息服務(wù)、應急指揮、工作及安全保障系統(tǒng)等 6 個子系統(tǒng)，以及所需的儀器設(shè)備（移動實驗室儀器設(shè)備、交通工具等）和應急通信儀器配置等。

2）水污染預測數(shù)學模型作為水污染分析預報系統(tǒng)的應用決策工具，對污染負荷的準確預報至關(guān)重要，模型選擇受流域特點和資料采集情況影響較大，選擇時需既注重理論也要準確實用。

3）水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)是河湖水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測工作的系統(tǒng)保障，能為突發(fā)性水污染防治提供決策依據(jù)，是新形勢下應對河長制目標考核及應對突發(fā)性水污染事件處置的有效手段。

4）建議在今后的研究中，需充分運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，提高水質(zhì)動態(tài)/應急監(jiān)測系統(tǒng)的智能水平。