張 曉，羅軍剛，杜金龍，景 楠，崔子豪

（西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

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水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算主題模式研究及應用

張 曉，羅軍剛，杜金龍，景 楠，崔子豪

（西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048）

摘 要：從納污能力的動態(tài)性出發(fā)，以河流水功能區(qū)納污能力計算為主題，提出納污能力動態(tài)計算模式，該模式基于水利信息化綜合集成平臺，采用知識圖可視化技術將河流以水功能區(qū)為單元概化為節(jié)點予以展現，將設計流量、納污能力的求解算法封裝成組件，建立納污能力計算模型及參數率定組件庫，通過組件和知識圖，動態(tài)搭建水功能區(qū)動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)，并將其應用于渭河干流陜西段的納污能力求解。應用結果表明：水功能區(qū)動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)能將河流納污能力計算過程可視化、組件化、動態(tài)化，同時可實現“人際交互”的應用模式。

關鍵詞：水功能區(qū)；納污能力；主題；動態(tài)計算；系統(tǒng)仿真

0 引言

2011 年中央一號文件明確提出，實行最嚴格的水資源管理制度，其中“明確水功能區(qū)限制納污紅線，嚴格控制入河排污總量”是 3 條“紅線”之一[1]。水域納污能力是指在設計水文條件下，滿足計算水域的水質目標要求時，該水域所能容納的某種污染物的最大數量[2]，是劃定水功能區(qū)限制納污紅線的基礎。縱觀納污能力計算方面的相關文獻[3-6]，不難發(fā)現以下幾點：

1）大多數學者在計算納污能力時往往采用某一特定水文條件下或一些確定性的模型；

2）眾多學者將計算納污能力的參數定性為不變的，然而不同的水體，不同的污染物納污參數是不同的；

3）傳統(tǒng)的計算河流納污能力大多在 Excel 中進行，這樣不僅效率低下且動態(tài)改變計算條件也相對較難；

4）目前出現了一些用于計算納污能力的系統(tǒng)，但都是針對某一特定研究流域的，采用確定性的模型及參數，當流域、模型或參數發(fā)生改變時，現有系統(tǒng)很難去適應。

河流的水體水文特征和其他自然因子顯現出的動態(tài)特征決定了納污能力是一個動態(tài)變化的量[7]，所以對河流納污能力的研究應采用動態(tài)的方法?；诖耍谒畔⒒C合集成平臺的基礎上，以河流水功能區(qū)納污能力計算為主題，將納污能力計算模型及參數率定方法組件化，運用知識圖和組件技術搭建動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)，通過動態(tài)調整時間尺度、模型方法、設計保證率和模型參數方式，實現動態(tài)地計算河流納污能力，并將其應用于渭河流域陜西段。

1 納污能力動態(tài)計算主題模式的研究思路

納污能力動態(tài)計算主題模式是在傳統(tǒng)納污能力計算模式的基礎上，以實現納污能力動態(tài)計算為目標，建立納污能力動態(tài)計算框架，構建納污能力動態(tài)計算主題模式，開發(fā)水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)，為變化條件下的水納污能力計算提供技術支撐。具體包括以下 3 方面：

1）在分析需求、環(huán)境和條件等不同因素對納污能力計算影響的基礎上，基于納污能力傳統(tǒng)計算模式，研究構建納污能力動態(tài)計算模式框架，進而實現應對動態(tài)變化條件下的納污能力計算。

2）通過時間尺度、模型方法、保證率和納污參數 4 種動態(tài)實現納污能力的計算動態(tài)，基于綜合集成平臺的水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)實現應用動態(tài)。計算動態(tài)與應用動態(tài)結合最終形成以水功能區(qū)納污能力計算為主題的納污能力動態(tài)計算模式。

3）基于綜合集成的方法，利用現代化信息、組件及可視化等技術，開發(fā)搭建水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)，為納污能力動態(tài)計算提供一個平臺，將納污能力動態(tài)計算的思想和方法落到實處。

納污能力動態(tài)計算主題模式的研究思路如圖 1所示。

圖 1 納污能力動態(tài)計算模式研究思路

實現納污能力計算動態(tài)的 4 種方式如下：

1）時間尺度動態(tài)。由于目前河流污染趨于嚴重化，單一的以年納污能力為依據進行年終考核，時間橫跨尺度較大，不利于河流污染物的控制管理。因此，在數據量允許的條件下，計算年、水期、月尺度下的河流納污能力。

2）模型方法動態(tài)。目前計算河流納污能力的模型有很多，在理論上相對而言，己比較完善。關鍵問題是，如何針對不同河流的具體情況，科學地選取恰當的計算模型，避免過分夸大或縮小水域納污能力?；诖耍狙芯坎捎枚嗄Ｐ投喾椒ňC合對比，為決策者提供決策空間。

3）設計保證率動態(tài)。設計流量一般采用河流功能區(qū) 90% 保證率或最近 10 年最枯月的平均流量，然而 90% 設計保證率下的水文條件過于苛刻，因此需要開展不同保證率下的納污能力計算，本研究中設計水文條件考慮了 75% 及 50% 保證率。

4）納污參數動態(tài)。由于河流的水文變化過程呈現出較明顯的動態(tài)特性，污染源也具有時間上變化的規(guī)律，同時水文要素和污染源對綜合衰減系數和流速變化有著直接的影響。所以，不同河段及水文條件下的污染物的綜合衰減系數及流速也應是動態(tài)的，不同的。

2 納污能力動態(tài)計算主題模式的實現

納污能力動態(tài)計算主題模式是基于綜合集成平臺，以河流水功能區(qū)納污能力計算為主題，運用組件、Web Service 及面向服務的體系結構（SOA）架構等技術，搭建納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)的。

2.1 技術支撐

2.1.1 綜合集成平臺

綜合集成平臺[9-10]由支撐層、資源層、應用層和用戶層組成，包括數據庫資源、組件、P2P 技術、知識圖等核心設計。該平臺的體系框架是在面向服務的體系架構的基礎上設計的，所有的水利業(yè)務應用都是通過知識圖和組件的方式實現，以 Web 服務的形成提供服務，通過知識圖的方式，利用組件快速搭建業(yè)務應用系統(tǒng)的，這使得搭建水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)時具有靈活性，是實現納污能力動態(tài)計算的基礎。

2.1.2 組件開發(fā)技術

1）組件技術。組件具備復用、封裝、組裝、定制、集成和契約性接口[11]等特征。組件的這些特征，使得系統(tǒng)方便實現組件的集成，提高了系統(tǒng)的可維護性，減少了系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高了開發(fā)效率。

2）Web Service 技術。Web Service[12]是一種組件技術，對數據封裝時采用 XML 格式，對自身功能進行描述時采用 WSDL（網絡服務描述語言），同時，要想使用 Web Service 提供的各種服務，需要使用 UDDI（通用描述、發(fā)現與集成服務）對其進行注冊，組件之間數據的傳輸是通過 SOAP 協議進行的。

3）SOA 架構。SOA 是一個組件模型，將應用程序的不同功能單元通過這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來[13]。

2.1.3 動態(tài)納污能力計算仿真系統(tǒng)

在綜合集成平臺基礎上，以河流水功能區(qū)納污能力計算為主題，將河流按水功能區(qū)為控制單元進行概化，并以可視化技術展現，采用組件、Web Service 和 SOA 架構等技術將計算模型和參數率定方法組件化，在平臺上快速搭建水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)，此系統(tǒng)上可實現水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算的應用。

2.2 實現方法

2.2.1 知識圖的可視化技術

知識圖是將非結構化和半結構化信息轉變?yōu)榻Y構化信息的一種知識管理方式，通過鏈接、節(jié)點及相關文字標注描述異構信息源概念和聯系之間的層次邏輯關系，從而構建一種知識之間的關系網。本

2.2.2 組件的劃分與開發(fā)

2.2.2.1 組件劃分

組件劃分通常按邏輯結構和計算過程劃分，基于研究對象數據之間的相互流通關系，本研究采用計算過程的方法劃分組件。依據現有數據及組件劃分原則，把河流納污能力的計算過程分割為一個個組件，劃分的組件可獨立運算。核心組件有設計流量計算、納污能力計算統(tǒng)計、模型參數、納污能力統(tǒng)計及圖形展示等組件。

2.2.2.2 組件開發(fā)

河流納污能力的計算是一個連續(xù)過程，是逐個計算河流中的水功能區(qū)，最后將各水功能區(qū)的納污能力求和，即為河流的納污能力。組件組織計算邏輯結構如下：組件的輸入包括流量 Q0、保證率 P 及納污參數（污染物初始濃度 C0，綜合衰減系數 k，水功能區(qū)目標濃度 Cs等），其中，流量、保證率數據作為設計流量計算組件的輸入，水功能區(qū)的設計流量 Qd和 排污量 Qp作為輸出，同時作為另一組件——納污能力計算組件的輸入；納污能力計算組件的輸入還包括納污參數及上一個水功能區(qū)的出流量Q 組件的輸出，當前水功能區(qū)的納污能力 M 及出流量 Q。計算組件邏輯結構圖如圖 3 所示。

2.2.2.3 組件庫建立

組件劃分完成后，采用 Java 語言對劃分好的組件代碼進行編寫，然后將代碼進行打包，完成組件的封裝，組件的封裝是標準化處理組件的過程，規(guī)定 1 個組件僅有輸入和輸出 2 個接口的原則。將納研究將河流以水功能區(qū)為單元概化為節(jié)點，節(jié)點劃分的原則如下：1）考慮將水功能區(qū)的起始和終止斷面視為控制節(jié)點；2）重大水利工程作為節(jié)點；3）將省界和行政區(qū)界作為節(jié)點；4）重要水文水質監(jiān)測斷面作為控制節(jié)點。

圖 2 渭河干流陜西段節(jié)點概化圖

圖 3 組件組織計算邏輯圖

根據節(jié)點劃分原則，將渭河干流陜西段劃分為14 個節(jié)點，節(jié)點概化圖如圖 2 所示。污能力計算模型和參數率定方法代碼進行組件封裝后，將打包好的服務文件注冊到 UDDI 中心形成服務，從而建立納污能力計算模型及參數率定方法組件庫。

3 納污能力動態(tài)計算主題模式的實例應用

本研究選擇渭河干流陜西段作為仿真系統(tǒng)的應用對象。渭河[14]作為黃河的最大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣鳥鼠山，流經甘肅、寧夏、陜西 3 省，全長 818 km 。渭河干流在陜西段長 502 km，流經寶雞、楊凌、咸陽、西安、渭南 5 市。渭河干流陜西段水功能區(qū)動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)是通過不同的時間尺度、模型方法、設計保證率及納污參數之間的互相組合實現納污能力動態(tài)計算的，系統(tǒng)的主界面如圖 4 所示。

圖 4 中每個方框或者圖標代表 1 個業(yè)務節(jié)點，并對應有相關的組件，點擊知識圖上的節(jié)點，可以查看該節(jié)點的相關信息。系統(tǒng)中的納污能力從顏家河開始，依次計算沿河各水功能區(qū)的納污能力，到華陰緩沖區(qū)截止，各水功能區(qū)的納污能力相加即為河流的納污能力。在計算過程中，點擊圖中的模型選擇節(jié)點可進行計算模型（國標、斷首控制及歐盟等模型）的選擇，同時可以選擇污染物類型（COD 或 NH3-N），時間尺度（年、月、水期）及設計保證率（90%，75%，50%），同時計算結果可通過表格或圖形方式展現。每種組合都對應 1 組納污能力，可為決策者提供多種方案，方便決策者決策。

圖 4 水功能區(qū)動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)主界面

圖 5 是水功能區(qū)動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)主界面、計算結果展示界面。圖中右邊第 1 個結果是單個功能區(qū)的納污能力，中間的表是納污能力統(tǒng)計結果，最下面是水功能區(qū)納污能力的柱狀圖展示。點擊“水文條件”節(jié)點，出現如圖 5 正中的選擇框，可以選擇排頻方法及計算的時間尺度，同樣點擊“模型選擇”、“污染物類型”、“保證率選擇”節(jié)點可選擇對應的內容，從而實現動態(tài)的納污能力計算。

實例仿真結果表明，與傳統(tǒng)的納污能力仿真系統(tǒng)比較，在綜合集成平臺上搭建的水功能區(qū)動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)，可以很容易地實現動態(tài)的計算水功能區(qū)納污能力，而且，以組件方式搭建而成的系統(tǒng)具有很強的擴展性和移植性，針對不同的研究流域，以知識圖和組件的形式，可以快速在平臺上搭建適合該研究流域的動態(tài)納污能力仿真系統(tǒng)，提高應用效率。

4 結語

納污能力是一個隨時間動態(tài)變化的量，對其計算也應該采用動態(tài)的方法，因此基于綜合集成平臺，以河流水功能區(qū)納污能力計算為主題，通過時間尺度、模型方法、保證率和模型參數 4 種動態(tài)滿足不同的納污能力計算需求。運用組件技術將計算模型及參數率定方法組件化，采用組件和知識圖快速搭建水功能區(qū)納污能力動態(tài)計算仿真系統(tǒng)，只需對知識圖進行修改，再定制相應的組件便可應對應用環(huán)境的變化。

以河流水功能區(qū)納污能力為主題的動態(tài)計算仿真系統(tǒng)采用了先進的信息化技術，是對傳統(tǒng)納污能力計算模式的革新。系統(tǒng)具有可擴展性、可移植性，及代碼重用性高等特點，既提高了開發(fā)和計算效率也充分利用了資源；系統(tǒng)同時實現了“人機交互”，用戶可根據需求動態(tài)選擇納污能力計算方案。

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Implementation and Application of Dynamic Computing Subject Model of Water Environment Assimilative Capacity

ZHANG Xiao, LUO Jungang, DU Jinlong, JING Nan, CUI Zihao
(Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

Abstract:Starting from the dynamics of water environment assimilative capacity, with river water environmental assimilative capacity as the theme, it puts forward dynamic pollutant assimilative capacity calculation model which based on the integrated platform of water resources information. The river is taken into node using water function area as a unit, which visualization showed by knowledge graph technology. The design discharge, water environment capacity model and its algorithm can be encapsulated into components, which are used to establish component gallery of water environment capacity model and parameter rate method. The function of dynamic simulation system for water environment capacity is set up by component and knowledge graph, which is used to calculate assimilative capacity of Shanxi section of Wei River. The result shows that simulation system can componentization, visualized and dynamic development for the process of river water environment capacity calculation. At the same time, man-computer interaction is also realized.

Key words:water function area; water environment assimilative capacity; theme; dynamic calculation; system simulation

中圖分類號：TV39

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9405(2016)02-0024-05

收稿日期：2015-11-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51209170）；陜西省科技攻關項目（2012-16）

作者簡介：張 曉（1989-），男，陜西咸陽人，博士研究生，主要從事水文水資源及水利信息化方面的研究。