陳蓓青，譚德寶，宋 麗

GIS技術(shù)在突發(fā)性水污染事件應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳蓓青，譚德寶，宋 麗

（長江科學(xué)院空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010）

在介紹組件式GIS技術(shù)、ArcGISEngine及GIS空間分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合突發(fā)性水污染事件應(yīng)急管理體系的業(yè)務(wù)要求，探討了在本底空間數(shù)據(jù)庫的支持下，構(gòu)建基于GIS技術(shù)的突發(fā)性水污染應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的主要內(nèi)容及方法。為GIS技術(shù)更好地應(yīng)用于水資源管理，最大程度地減少水污染造成的危害，提供先進(jìn)可靠的技術(shù)支持。該研究的成果已在長江三峽庫區(qū)萬州段獲得了實際應(yīng)用。

GIS技術(shù)；突發(fā)性水污染；應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)

1 概 述

近年來，我國突發(fā)性水污染事件頻繁發(fā)生，已引起社會的廣泛關(guān)注和各級政府的高度重視。突發(fā)性水污染事件頻發(fā)的主要原因是企業(yè)違法（超標(biāo)）排污和企業(yè)安全生產(chǎn)事故、海損事故、陸路交通事故和碼頭泄漏事故等增多。長江流域突發(fā)性水污染事件也有逐年增加的趨勢，影響重大的水污染事件有：葛洲壩庫區(qū)黃柏河黃磷污染事件、萬州航空油泄漏事件、沱江污染事件、重慶墊江縣英特化工有限公司爆炸事故等。與此同時，長江船舶與陸域運輸交通事故所引發(fā)的水污染事件也呈上升趨勢。

根據(jù)突發(fā)性水污染事件應(yīng)急管理的特點，一方面，水資源保護(hù)管理需要大量的社會經(jīng)濟(jì)、水文、水質(zhì)、河道、水功能區(qū)、取水、排水、水利工程、水生態(tài)環(huán)境等信息支持；另一方面，突發(fā)性水污染事件具有突發(fā)性、很強的不確定性（發(fā)生時間、事故地點、污染強度、污染物類型、水文條件等）和階段性（突發(fā)性水污染事件僅在一段時間內(nèi)存在，隨水流逐漸擴散、衰減）等特點。因此，利用現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)通信、計算機、信息管理等技術(shù)，借助地理信息系統(tǒng)（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）等手段，研究建立實用有效的應(yīng)對突發(fā)性水污染事件的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，對提高應(yīng)急指揮的快速性、有效性、準(zhǔn)確性和科學(xué)決策水平，具有極大的實用性，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保證供水安全等方面具有重大的現(xiàn)實意義。

2 組件式GIS及ArcGISEngine技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計算機軟硬件平臺支撐下的采集、存儲、管理、分析描述與空間地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)［1］。作為一個強大的空間數(shù)據(jù)管理工具，它強調(diào)的是空間實體及其關(guān)系，不僅有空間分布位置信息，還同時具有屬性信息和拓?fù)淇臻g關(guān)系信息。GIS的優(yōu)勢在于它的數(shù)據(jù)綜合、地理模擬、區(qū)域空間分析、多要素綜合分析和動態(tài)預(yù)測能力，在于它集空間數(shù)據(jù)的獲取、管理、處理、分析和模擬顯示于一體的數(shù)據(jù)流程。

組件式GIS可通過標(biāo)準(zhǔn)通信接口實現(xiàn)交互，嵌入通用的開發(fā)環(huán)境（如VB，VC等），實現(xiàn)GIS功能及開發(fā)GIS應(yīng)用系統(tǒng)。ArcGIS Engine是美國ESRI公司推出的由一組核心ArcObject包組成并用于構(gòu)建定制應(yīng)用的完整GIS組件庫，可幫助用戶實現(xiàn)地圖制作、地圖編輯、地理編碼、查詢與分析等功能。

本文中突發(fā)性水污染事件應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)是以長江三峽水庫萬州區(qū)約60 km江段為示范區(qū)，采用ArcGIS組件技術(shù)，利用其在空間分析、多要素的綜合管理、開放性等方面的優(yōu)勢，構(gòu)建的一個實用有效應(yīng)對突發(fā)性水污染事件的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。

3 GIS技術(shù)在應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 突發(fā)性水污染事件緊急處置查詢系統(tǒng)的建立

在本系統(tǒng)中，GIS查詢和分析模塊采用基于COM技術(shù)的組件式GIS開發(fā)技術(shù)，在Visual Basic 6.0中利用ArcEngine9.2來實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的存儲、管理、查詢和分析功能。

系統(tǒng)查詢包括對水文站點水文數(shù)據(jù)的查詢、水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、排水口基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢以及水功能區(qū)的查詢等。如圖1所示。用戶通過點擊地圖上的水文站點，可連接相應(yīng)的水文數(shù)據(jù)庫，獲取水位、流量等數(shù)據(jù)作為水污染模型計算的初始條件。

圖1 水文站水文數(shù)據(jù)查詢Fig.1 The data query of a hydrologic station

將水質(zhì)數(shù)據(jù)取樣后，如何選擇最近的水質(zhì)監(jiān)測站點，這就需要用到GIS中的最短路徑分析功能。最短路徑是指在一個非負(fù)權(quán)值圖中找出兩個指定節(jié)點間的一條權(quán)值和最小的路徑。我們首先獲取兩類信息：結(jié)點最大編號和每一條路徑的權(quán)值。并將數(shù)據(jù)存儲在圖形的屬性表中。通過遍歷路徑圖形要素，將路徑的權(quán)值賦值給鄰接矩陣的每個要素，不存在連通的路徑可用一個大值表示（如99999）。然后根據(jù)弗洛伊德試探法，得到每2個結(jié)點之間的最短路徑值和經(jīng)過的結(jié)點編號。這樣通過2個二維數(shù)組就可最終得到最短路徑值和最短路徑經(jīng)過的結(jié)點集。最后調(diào)用DrawShape方法和FlashShape方法實現(xiàn)繪圖和閃爍。如圖2所示，點1代表取水樣點，點2代表附近的水質(zhì)監(jiān)測站，白線即為系統(tǒng)確定的到達(dá)最近的水質(zhì)監(jiān)測站的路徑。

3.2 水質(zhì)模型計算使用的DEM網(wǎng)格

為了與突發(fā)性水污染應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的三維仿真場景等模塊兼容，并考慮到可移植性、實用性，水質(zhì)模型開發(fā)采用了DEM（數(shù)字高程模型）網(wǎng)格作為模型計算的基礎(chǔ)網(wǎng)格。DEM是GIS技術(shù)中常見的地形標(biāo)準(zhǔn)，其網(wǎng)格一般為正方形網(wǎng)格。為了保證水質(zhì)模型的計算精度，DEM還需要進(jìn)行加殼變換或蛻皮變換等處理［2］。

加殼變換定義為

圖2 水質(zhì)監(jiān)測站最短路徑查詢Fig.2 Shortest path reference of a water quality monitoring station

其中，所謂殼指實體外表鄰近厚度均為L的外殼。

蛻皮變換定義為

其中XB1（L）為皮。

在使用DEM格網(wǎng)的萬州段水質(zhì)模型中，皮或殼代表邊界，均為過水區(qū)域。蛻皮雖然會將外表面寬度不大于2L的凸部蝕去，但是由于其蝕去的區(qū)域仍然為邊界，可以過水，故對計算精度影響不大。而加殼卻有可能將外表面寬度不大于2L的凹部粘連起來，使原來不連通的水流相互連通，造成較大的計算誤差。因此在萬州示范段中，水質(zhì)模型在處理DEM時主要采用蛻皮算法，保證了計算的精度，使水質(zhì)模型能夠適應(yīng)不同地形以及水文條件變化造成的計算區(qū)域變化；同時，由于模型直接利用了DEM網(wǎng)格節(jié)點布設(shè)計算、求解變量，其計算網(wǎng)格與仿真系統(tǒng)采用的網(wǎng)格完全一致，因此可以與三維場景下的應(yīng)急系統(tǒng)完美耦合。

3.3 開發(fā)應(yīng)急響應(yīng)專家決策支持系統(tǒng)

根據(jù)應(yīng)急響應(yīng)的特點，在突發(fā)性緊急事件發(fā)生時，相關(guān)部門將根據(jù)事先安排好的處置流程（即預(yù)案），結(jié)合實際情況進(jìn)行決策、指揮、調(diào)度。這個過程實際涉及3方面的內(nèi)容：預(yù)案、案事件相關(guān)信息的快速準(zhǔn)確獲取、指揮調(diào)度的上通下達(dá)［3］。因此，系統(tǒng)的GIS專業(yè)模塊開發(fā)內(nèi)容包括以下兩方面內(nèi)容。

3.3.1 預(yù)案處置模式化

根據(jù)突發(fā)性水污染事件報告和處置程序，分別建立相應(yīng)的預(yù)案處置模式庫。通過分析各種預(yù)案的處置模式，把已有的預(yù)案資料處理成主題詞索引及處置方式描述的固定文檔結(jié)構(gòu)，將原來的純文字描述性的預(yù)案文檔處理成可查詢、可組合的具有計算機語義的信息，從而快速提取出事件發(fā)生地點、性質(zhì)、案情簡要描述等關(guān)鍵信息，供輔助決策系統(tǒng)進(jìn)行快速查詢及調(diào)用。同時，也可將已發(fā)生過，處理完畢的歷史事件存檔，以供將來處理類似事件時參考。如圖3所示。

圖3 相關(guān)信息查詢Fig.3 Relative information reference

3.3.2 水污染事件影響評估

建立災(zāi)害預(yù)估系統(tǒng)，對發(fā)生水污染事件后的決策有重要的支持作用。災(zāi)害損失的影響因素很多，而作為水污染事件的災(zāi)害預(yù)估，其中最重要的一個因素就是取水量。我們根據(jù)水污染源的類型、污染物質(zhì)的種類、濃度和數(shù)量以及對人畜等的危害性等，在污染團(tuán)擴散模擬（速度和范圍）基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)多邊形截選功能獲得從污染源開始到擴散完成所影響的所有取水口信息，如圖4所示。根據(jù)濃度的變化，結(jié)合水功能區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)計算出影響每個取水口的時間和程度，從而獲得對取水量的損失影響大小。以此輔助人口統(tǒng)計資料、土地利用狀況資料等來評估突發(fā)性水污染所造成的災(zāi)害損失大小。

3.4 污染擴散應(yīng)用實例

以萬州江段發(fā)生溢油事故為例，溢油量10 m3，在無風(fēng)情況下，首先以FAY模式模擬溢油的前期擴散，以油粒子模式模擬油膜的運動和后期擴散、分散等過程。其分析模擬結(jié)果如圖5至圖7所示。通過以長江三峽水庫萬州區(qū)約60 km江段模擬突發(fā)性水污染事件的發(fā)生，用建立的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)來進(jìn)行相應(yīng)的運作，可以達(dá)到高速的反映和決策系統(tǒng)的起動。

圖4 取水口報警查詢Fig.4 W ater intake alarm reference

4 結(jié) 語

圖5 突發(fā)溢油位置圖Fig.5 Position of sudden oil-overflow

圖6 溢油后3 h模擬Fig.6 Sim lulation of an oil-overflow accident after 3 hours

圖7 溢油后4 h模擬Fig.7 Simulation of an oil-overflow accident after 4 hours

將GIS技術(shù)運用到突發(fā)性水污染事件應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中，利用其強大的空間數(shù)據(jù)組織能力，空間分析能力、多要素綜合分析和動態(tài)預(yù)測等能力，按照水污染事件應(yīng)急管理體系的業(yè)務(wù)要求，可將基礎(chǔ)地理、水文、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)等各類本底信息有機整合，在本底數(shù)據(jù)庫的支持下，通過水污染擴散模型的計算分析，進(jìn)行災(zāi)情評估和應(yīng)急預(yù)案的分析，為突發(fā)性水污染事故預(yù)警預(yù)報及應(yīng)急決策等提供一個高精度、現(xiàn)勢性強、可共享的數(shù)字化輔助決策系統(tǒng)［4］。同時，突發(fā)性水污染事件應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)是一項涉及面廣、影響因素多，機理復(fù)雜的應(yīng)用型研究項目，除了GIS技術(shù)外，還涉及到三維虛擬仿真技術(shù)、水動力學(xué)、污染擴散模型建立和率定等不同的專業(yè)領(lǐng)域。我們在長江三峽水庫萬州段開發(fā)的系統(tǒng)僅僅是對突發(fā)性水污染應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的一個探索和試驗，但它所展示的豐富的研究內(nèi)容和廣闊的應(yīng)用前景，為我們更好地保護(hù)和利用水資源，將起到十分關(guān)鍵的作用。

［1］ 陳述彭，魯學(xué)軍，周成虎.地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2000.（CHEN Shu-peng，LU Xue-jun，ZHOU Cheng-hu.Introduction to GIS［M］.Beijing：Sci-ence Press，2000.（in Chinese））

［2］ 葉 閩.三峽水庫水污染控制對策研究［J］.人民長江，2001，（7）：44－46.（YEMin.On countermeasures of water pollution control of TGP reservoir［J］.Yangtze Riv-er，2001，（7）：44－46.（in Chinese））

［3］ 錢 江，楊 偉.江蘇省突發(fā)性環(huán)境污染事故應(yīng)急監(jiān)測支持系統(tǒng)建設(shè)框架［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2001，13（5）：1－3.（QIAN Jiang，YANGWei.Frame-work of emergency monitoring support system of sudden environmental pollution accident in Jiangsu［J］.The Ad-ministration and Technique of Environmental Monitoring，2001，13（5）：1－3.（in Chinese））

［4］ 陳蓓青，譚德寶，程學(xué)軍，等.三峽水庫突發(fā)性水污染事件應(yīng)急系統(tǒng)的開發(fā)與研究［J］.人民長江，2006，（5）：89－91.（CHEN Bei-qing，TAN De-bao，CHENG Xue-jun，et al.Emergency system development for sud-denly-happened water pollution event in TGP reservoir ar-ea［J］.Yangtze River，2006，（5）：89－91.（in Chi-nese））

（編輯：羅玉蘭）

Application Research of GIS Technology in Suddenly-Happened Water Pollution Accident Emergency Response System

CHEN Bei-qing，TAN De-bao，SONG Li
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

On the basis of the technique and theory of Embedded-GIS，ArcGIS Engine and GIS spatial analysis，and by combining the requirements of suddenly happened water pollution accident emergency responsemanagement system，we study themain content and method on suddenly happened water pollution accident emergency response system based on GIS technology，supported by the spatial database.This study can use the GIS technology for the water resourcemanagement so as to reduce the damage ofwater pollution influence.The study result has been used in Wanzhou stretch of the Three Gorges Reservior.

GIS technology；suddenly happened water pollution accident； emergency response system

P35

A

1001－5485（2010）01－0029－04

2009-07-06

科技部社會公益研究專項“三峽水庫突發(fā)性水污染事件應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)研究”項目資助

陳蓓青（1971-），女，浙江慈溪人，高級工程師，碩士，主要從事資源環(huán)境遙感監(jiān)測與評價、空間信息技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用研究等工作，（電話）027-82926551（電子信箱）chenbq＠m(xù)ail.crsri.cn。