水环境信息系统的技术体系

2003年08月SHUILI XUEBAO第8期文章编号：0559-9350（2003）08-0011-06水环境信息系统的技术体系禹雪中1，李锦秀1，廖文根1(1.中国水利水电科学研究院水环境所，北京 100038)摘要：本文在实践的基础上，总结和分析了水环境信息系统的内容体系以及结构体系，将水污染经济损失评估模型引入到水环境信息系统中，结合水环境数据库，可进行区域水污染经济损失核算，从而丰富和发展了水环境信息系统的内容。

关键词：水环境；信息技术；内容体系；结构体系；水污染经济损失评估中图分类号：X143 文献标识码：A1 水环境信息系统概念水环境信息系统是应用性的发展领域，属于水信息学的学科范畴。

水信息学是研究与水环境相关数据的收集、处理、存储、分析和图形显示等的学科，它通过综合数学、计算机科学、传统水环境科学和工程学的方法，来揭示大量复杂的水环境规律，解决水环境问题。

水信息学出现于20世纪80年代初期，1989年出现了Hydroinformatics的名称。

1991年M.B.Abbott教授的专著《Hydroinformatics:Information Technology and the Aquatic Environment》的出版标志了水信息学的正式诞生[1]。

水环境信息系统是为管理服务的，在水环境监测和调查的基础上，利用计算机技术和通信技术，实现环境信息的采集、传递、存储、维护、分析的系统。

水环境信息系统作为水信息学的重要研究方向，由于几乎涵盖了水信息学研究和应用领域，包括数据的获取和分析、先进的数值分析方法和技术、控制技术和决策支持等，所以从其产生就受到重视，因此发展迅速、应用广泛。

2 水环境信息系统的意义2.1 水环境信息系统的应用意义水环境的管理涉及到对大量业务信息数据的存储、查询和分析，同时现代水环境管理模式必须应用相关自然地理、社会经济的信息，水环境信息系统的建设和应用可以实现对这些信息的有效利用。

同时水环境信息系统的应用意义还不仅表现在纯粹的技术环节，其更重要的意义在于通过采用现代化的技术手段，促进水环境管理方式的变革、提高工作效率、增强工作的有效性。

最近，我国几大流域机构相继提出并正在积极实施“数字黄河”、“数字长江”等工程，这些工程可以统一视为“数字流域”的概念。

“数字流域”作为“数字地球”概念的延伸，是中国水利现代化的一个重要组成部分。

作为解决水环境问题的重要技术手段，水环境信息系统是“数字流域”工程建设的关键技术内容。

通过内容与技术的整合，成功建设水环境信息系统，将把我国的河流管理提高到网络技术及仿真技术阶段，推进中国水利现代化进程[2]。

2.2 水环境信息系统的理论价值水环境信息系统的建立需要不同学科相关技术的交叉和有机融合，除了作为基础的环境、水文、化学等学科之外，还包括信息科学的最新进展，同时为了评估水污染的经济成本，经济学的理论方法也被引入进来。

收稿日期：2003-03-31作者简介：禹雪中(1971-)，男，河南开封人，高级工程师，主要研究方向：水环境模拟、水环境信息技术。

2003年08月SHUILI XUEBAO第8期水环境信息系统的理论价值体现在以下几个方面：(1)水环境信息系统可以提供一种综合的、互相联系、前后贯穿的解决方案，实际上也就是提供了一种模拟系统，对包括自然、社会因素的区域水环境进行综合模拟；(2)一个成功的水环境信息系统的建立需要选择适合其目标的理论方法，并且用现代信息技术进行整合和表达。

这种整合和表达不是简单的借用或者堆积，而是需要对照现实状况，进行模式和参数的选取、验证，并根据信息技术的新进展，不断调整和优化整合的技术方法；(3)水环境信息系统的需求和发展可以推动相关学科的发展。

比如，为了实现水环境动力学模型与数字高程模型的结合应用，必须对水环境动力学模型的算法以及编程方式进行发展和改造。

3 水环境信息系统的技术体系3.1 系统的内容体系一个完整的水环境信息管理系统的内容体系，具有连续性和全面性，能够为水环境管理提供全面的信息处理和服务。

其连续性体现为前后关联的信息处理过程完整表达水环境管理之中的业务链，最基础的信息通过这样一个信息处理过程，最终转化为直接支持管理决策的信息；其全面性体现为，在水环境管理的各个重要方面都提供子系统，全面实现水环境的评估和分析。

水环境信息系统的内容体系主要包括以下几个方面。

3.1.1 水质实验室整编实际工作中，在现场采样后，水环境监测的样品在水质实验室中通过各种仪器分析测试得出的数据，大多需要经过进一步的处理，才可以得到通常的污染物浓度指标，也就是成果数据，这个过程称为水质数据整编。

水质数据整编系统是整个水环境信息管理系统的基础部分，该子系统完成样品标定计算、吸光度校准曲线分析计算、水质分析基础数据的存储、水质整编计算、成果数据的存储等工作内容。

按照分析方法，将水质数据整编分为以下几类：容量法、分光光度法、其他可直接量测方法。

3.1.2 水环境信息维护在信息维护子系统中，能够实现对各类信息的录入、修改、删除等功能。

并且，在系统用户对数据进行这些操作时，系统能够辨别用户对数据的操作权限，对未被授权的用户拒绝其操作。

系统规划一定的权限，系统管理员通过对系统用户角色的分配，限定不同用户对系统数据的操作[3]。

信息维护的内容大致可分为以下三类：污染源信息、水体质量信息及与水环境有关的自然地理、社会经济概况。

主要包括测站信息、监测断面信息、水质信息、水质标准、污染源、区域经济信息和系统用户信息等。

水环境信息维护以采用Web结构为佳，维护的方式是在Web上对以上信息进行浏览、添加、编辑和删除，并由具有相应权限的用户负责这些信息的维护工作。

3.1.3 水环境信息查询根据用户的特定要求，形成查询语句，交由服务器端的DBMS执行，返回符合查询条件的数据，以文本、表格、图形的格式输出信息。

查询的内容除了基础数据信息以外，还包括水环境评价、统计等结果数据[3,4]。

信息查询以采用WebGIS技术为宜，其优势在于以地图的方式，实现空间分布信息的直观获取，同时Web 技术使得查询系统更加高效和便捷[5]。

3.1.4 水环境评价包括对水质和污染源进行现状评价。

通过不同时段、不同参数的水质评价，可以指出水体的污染程度、主要污染物质、污染时段、位置及发展趋势[3]。

污染源评价采用单项污染指数法，以确定评价区域内的主要污染源排放是否超标。

3.1.5 水环境统计为全面掌握水体污染在时间、空间上的变化规律，需要对水质监测数据进行统计，2003年08月 SHUILI XUEBAO 第8期 计算出特定的指标，如监测断面污染指标的测值范围反映水体污染的变动范围，检出率、超标率反映水 体污染的严重程度、最大值出现日期反映最劣水质出现的时段、平均值反映总体污染程度，这些统计项目集中反映在水质特征值统计中[3]。

按照专业规定，把调查和监测资料汇集成为各种报表，如监测断面表、水质成果表、底质成果 表等，也是水质统计工作的重要内容。

通过这些统计结果，可以反映区域水体的总体污染程度、污染最严重时的情况。

3.1.6 水污染损失评估 李锦秀等通过建立水质状况与各类实物型经济损失量的定量关系，进行水污染经济损失货币化定量评估，反映人类活动所造成的水环境价值减少量。

通过多种情景分析，定量评估水污染恢复费用以及水体恢复后所带来的经济效益，也即水环境价值增量[6]。

根据水污染经济损失的基本特征，采用平移-变形的双曲函数作为水污染经济损失函数，其表达式为：M e e K N Q a N Q a ++−=−−11)()(γ （1）式中：a 为水污染对各分项计算内容的价格影响系数，a 值越大，函数曲线越陡，表明计算内容对水质状况极为敏感，反之，a 值越小，函数曲线越平缓，表明经济行为对水质状况敏感性比较差；M 为双曲函数拐点处对应水污染损失影响系数，也即水质类别对经济损失影响的对称转折点。

建立了以上的水污染经济损失函数之后，结合系统数据库中存储的社会经济统计资料和水环境监测部门的水环境质量监测数据，就可以对水环境质量变化过程中的经济成本进行定量计算，从而也就为区域水污染控制决策提供了定量化、理论化的依据，图1为采用以上方法进行的全国各流域水污染经济损失评估的实例。

3.1.7 水污染控制辅助决策 从广义上讲，上述各项内容都是为了实现水污染控制的辅助决策。

本部分辅助决策功能重点强调通过水质数学模型、排污削减量规划模型等水环境模型的运用，为了解预设条件下的水质状况，为制定总量控制目标提供一个程序化的技术手段。

这种模型运用方法又不同于传统的水环境 模拟方法，其最大的特点是集成化以及模型数据处理的系统化。

(1)环境质量预测模型。

根据区域水体功能区的环境质量要求，建立污染源与环境质量之间的预测模型，为确定总量控制目标提供技术依据。

(2)污染源控制方案。

污染源首先要实现稳定达标排放，在此基础上根据总量控制的要求进一步削减排污量，为落实总量控制提供技术手段。

(3)总量控制优化方案。

要实现总量控制目标，有多种具有代表性的污染控制方案。

在实现区域可持续发展的前提下，进行多方案经济优化分析，筛选最优的总量控制方案，实现环境保护与经济发展的协同。

进行水污染控制辅助决策，主要包括运用水环境模型进行地面水污染物允许排放量计算、地面水水质预测、污染负荷削减量计算、不同削减方案的水体质量对比分析、水质预警预报、水污染控制方案的经济2003年08月SHUILI XUEBAO第8期成本评估等技术内容。

在水环境信息系统中，实现水污染控制辅助决策一个关键的技术环节是实现水环境模型(包括水流模型和水质模型)与数据库的数据集成、与系统的整体集成。

采用基于ActiveX的GIS技术与水环境数学模型相结合，是目前理想的解决方案[7,8]，图2为一个集成的实例。

3.1.8 水环境信息发布利用现代信息技术实现环境信息的公开，体现了社会发展的进步。

发达国家环境管理经历了行政手段、经济手段、公众参与三个发展时期，当前，促进公众了解周边环境质量状况、监督污染物治理、积极参与环境管理已经成为重要的管理手段。

因此，采用现代信息技术使公众及时准确了解水环境状况，成为水环境管理发展的新趋势。

国家环保局已经明确指出，作为中国环境政策和管理调整改革的重要内容，要积极推行信息公开化，加强公众对环境保护的监督[9]。

采用WebGIS技术，构建水环境信息发布的公共平台，是实现环境信息公开化的重要体现。

系统的主要业务内容是把水环境质量状况、水污染源状况、政府治理水污染的法规、措施等以直观的方式进行发布，使公众能够及时方便地了解水环境时空变化状况，监督污染治理成效。

更为重要的是，提高公众的环境意识，引导我国全民从关注身边环境卫生和绿化、发展到关注身边的污染、进而关注生态环境和政府决策[5,10]。