流域水污染事故预警及应急响应系统整体框架设计

赖晓珍 贾 利陈炼钢 施 勇

流域水污染事故预警及应急响应系统整体框架设计

赖晓珍1贾 利1陈炼钢2施 勇2

1 引言

我国近年发生的环境事故中，水污染事故占52%～60%，列居首位。水污染事故具有不确定性、流域性、处理的艰巨性和危害的长期性，直接影响居民饮用水安全，易对区域经济、社会稳定构成威胁和损害，是典型的公共安全问题。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中的重点领域“公共安全”明确提出“加强对突发公共事件快速反应和应急处置的技术支持，形成科学预测、有效防控与高效应急的公共安全技术体系，构建国家公共安全早期监测、快速预警与高效处置一体化应急决策指挥平台”。《水利发展“十二五”规划》指出，当前水污染事件时有发生，严重威胁公共安全，而水利应急处理能力不足，需要健全应对严重自然灾害和突发事件的能力。《水利科技发展“十二五”规划》指出水利信息化和防灾减灾领域需要重点突破和解决“极端水事件预警预报信息支撑技术”、“重大突发水事件的应急管理机制及对策”，为建立突发水资源事件应急调度与管理技术体系提供技术支撑。因此，以3S技术为支持、水质预警预报模型为核心、信息采集为基础、网络通讯为保障，建设面向管理和服务于决策的可视化动态应用型流域水污染事故预警及应急响应系统是非常必要的。

2 系统逻辑架构

依据决策指挥流程（情报活动—决策分析—决策实施），流域水污染事故预警及应急响应系统的逻辑架构应包括以下6层：数据采集层、数据传输层、数据处理层、数据存储层、决策支持层和决策调度层，如图1所示。

2.1 数据采集层

作为整个系统基础，数据采集层主要完成整个系统的数据采集工作。采集的数据源主要由实时监测数据和非实时的常规数据两种数据形式构成。

2.2 数据传输层

数据传输是整个系统的神经中枢，负责各类采集数据的有效传输。根据各类采集工作的地理位置、网络环境现状、紧急程度和所采集数据类型的不同，将视具体情况采用GPRS/GSM、北斗卫星、水利专网和Internet网等多种方式互为备用，同时使用数据压缩和加密技术，确保各类信息及时、有效、准确传输。

2.3 数据处理层

数据处理是将采集的信息进行加工处理,内容包括数据标准和格式的统一、数据录入、数据整理和数据导入及导出接口开发等项工作。按照数据性质的不同又进一步分为实时数据处理、GIS数据处理、遥感数据处理，同时通过数据库管理系统实现数据维护与更新等。

2.4 数据存储层

数据存储层基于大型商业数据库管理系统，负责各类业务相关数据的存储管理。根据流域水污染事故预警及应急响应的需要，按照数据性质以及服务对象的不同进行分类组织，设计10种类型的数据库：地理空间数据库、危险化学品数据库、水文信息数据库、水质信息数据库、工情数据库、应急资源信息数据库、模型参数库、文档及多媒体数据库、模型计算成果数据库和专家知识库。

2.5 决策支持层

决策支持层主要针对水污染事故预警及应急响应的业务需求，开发业务分析子系统。系统由若干功能服务模块组成，提供模型计算、知识推理，共同解决水污染事故预警及应急响应中的结构化与非结构化问题，同时通过GIS可视化技术将模拟计算成果直观展示。

2.6 决策调度层

决策调度层基于决策支持层提供的各类决策信息，利用监控中心提供的硬件环境，为领导、专家和业务管理人员提供决策调度的支撑平台，实现水污染事故应急管理的工作目标：水资源保护基础信息的数字化管理、重大危险源辨识与预警、水质实时监控与预警、事故源快速准确定位、污染物扩散快速预报预警、信息快速上报下达、应急监测与处置方案快速制定、应急监测与处置资源快速调配、事故后果科学评估、多元决策支持（定量模型计算与定性专家知识高度整合）。

3 系统物理架构

根据系统的逻辑架构，流域水污染事故预警及应急响应系统应由以下5个子系统组成：信息采集子系统、网络通讯子系统、数据库子系统、业务分析子系统和监控中心，同时在多个方面采用安全设计来保障系统的安全运行。系统物理架构如图2所示。

3.1 信息采集子系统

信息采集子系统通过建设移动监测与常规监测体系，实时监测水质的动态变化。其中，移动监测通过配备应急指挥车、应急监测船和相应的监测设备，一方面能在水污染事件发生时，第一时间赶赴事发地点，跟踪监测污染物的推移变化，为水质预警预报提供更全面的实时信息；另一方面能对所管辖河段排污进行监督巡查。常规监测通过建设水质自动/人工监测站，实时监控主要断面的水质变化，在未及时发现污染事件时通过分析水质变化趋势进行预警。

3.2 网络通讯子系统

网络通讯子系统主要负责信息的传输与交换，一方面将信息采集子系统采集到的水质信息、GPS定位信息以及视频图像等传输到监控中心经过处理进入系统数据库；另一方面将决策会商确定的人员与设备的调度指令下达或传达到对应的责任部门和责任人员，同时负责将事件的相关信息在有关部门之间进行通报以协调应急工作的展开。

3.3 数据库子系统

数据库子系统主要负责存储各类信息，一方面存储系统业务分析所需的各类基础数据；另一方面存储系统业务分析成果。水污染事故影响的范围大、涉及的专业领域广，所需信息量相当庞大。根据水污染事故应急管理的需要，采用Oracle商业数据库管理系统作为系统运行过程中各类数据存储和管理的平台。

3.4 业务分析子系统

从服务应急管理工作需求出发，水污染事故应急管理业务分析子系统采用B/S与C/S混合结构，采用J2EE的SSH框架开发6个功能服务模块：信息管理模块、应急预防模块、应急预警模块、应急决策模块、应急调度模块、系统帮助模块。

3.5 监控中心

监控中心为水资源保护的信息管理和水污染事故的应急管理提供一个集数据汇集、处理、查询、分析、显示等多功能于一体的信息中心。中心主要建设内容包括信息收发及处理系统，大屏幕信息监控系统，中心局域网及相关配套设施建设三大部分，实时监控水质变化，同时在水污染事故期间作为应急响应的决策调度指挥中心。

3.6 安全保障

水污染事故应急响应管理工作对系统安全性有很高的要求，系统应能长时间持续稳定运行，在出现故障的情况下能快速恢复。为此，系统将采用物理安全设计、系统安全防护设计和数据备份与恢复多重措施来充分保障系统的安全运行。

4 系统业务流程

在应对水污染事故时，系统需要完成污情、水情、工情等与事故应急响应相关信息的收集、整理；完成污染物推移扩散的预测预报、灾情预测，依据决策目标和可使用的减污手段设计出一组实现决策目标的可行方案，分析每个可行方案的风险及后果；在认清事故形势的基础上，以损失最小等为目标，通过会商进行方案补充调整，定出满意方案予以实施。系统业务流程如图3所示。

5 结语

根据流域水污染事故预警及应急响应工作的需求，系统架构在逻辑上分为6层：数据采集层、数据传输层、数据处理层、数据存储层、决策支持层和决策调度层；在物理架构上由5个子系统组成：信息采集子系统、网络通讯子系统、数据库子系统、业务分析子系统和监控中心。系统在应对突发水污染事故时，按照信息采集、信息传输、决策支持业务分析、决策会商和决策实施5个流程，调用相应的子系统和功能模块，实现水污染事故应急管理的10个目标：水资源保护基础信息的数字化管理、重大危险源辨识与预警、水质实时监控与预警、事故源快速准确定位、污染物扩散快速预报预警、信息快速上报下达、应急监测与处置方案快速制定、应急监测与处置资源快速调配、事故后果科学评估、多元决策支持

1.淮河流域水资源保护局 233001 2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室 210029）