基于数字流域的水质综合管理决策支持系统_以深圳石岩水.pdf

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1、第 33 卷基于数字流域的水质综合管理决策支持系统以深圳石岩水库流域为例韩龙1,2,秦华鹏1,2*,鲁南3,胡嘉东3(1.北京大学深圳研究生院,城市人居环境科学与技术重点实验室,广东深圳518055;2.深港产学研基地,深圳环境模拟与污染控制重点实验室,广东深圳518057;3.深圳市水污染治理指挥部办公室,广东深圳518036)摘要:鉴于城市化地区水环境问题的时空复杂性,单一的水环境管理措施已不能满足实际管理的需要,为改善水环境有必要采取综合管理措施。文章以数字流域为基础,将流域内水系数据、地形数据、土地利用数据、社会经济及人口数据等进行融合,构建了水质综合管理决策支持系统,着重探讨了综合模

2、型集成、动态空间数据与模型及管理之间的耦合关系问题;以深圳市石岩水库流域为例进行实证研究,构建了石岩水库流域管理决策支持系统,评价了旱季截污、产业结构调整、雨季截流等单个及组合措施的水质改善效果。结果表明该系统可以模拟多种措施的综合作用、动态的更新数据与模拟结果、并提供可视化的空间决策信息,是复杂流域水质动态综合管理与空间决策支持的有效工具。关键词:数字流域;水质管理;决策支持系统中图分类号:X321文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.1003-6504.2010.05.046文章编号:1003-6504(2010)05-0196-06Decision Support Syst

3、em for Water Quality IntegratedManagement Based on Digital Watershed Technology:A CaseStudy of Shiyan Reservoir in ShenzhenHAN Long1,2,QIN Hua-peng1,2*,LU Nan3,HU Jia-dong3(1.Key Laboratory for Environmental and Urban Science,Shenzhen Graduate School,Peking University,Shenzhen518055,China;2.Shenzhen

4、 Key Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control,Shenzhen 518057,China;3.Shenzhen Water Pollution Control Headquarter Office,Shenzhen 518036,China)Abstract:Integrated management measures are necessary for improving water quality in a rapid urbanization catchment withtemporal-spatial

5、 complexity in water environment.A framework of decision support system(DSS)for water quality integratedmanagement was developed based on digital watershed technology.Coupling relationship among spatial data,modeling andmanagement as well as model integration were discussed.In a case study of Shiyan

6、 Reservoir,Shenzhen,the effects ofproposed individual and integrated measures were evaluated.Results indicated that DSS has capacity of simulatingcomprehensive effects of various management measures,dynamically updating data and simulating results,and providingvisualized information for spatial deci

7、sion making.The system would be an effective tool for dynamic management of waterquality and spatial decision support.Key words:digital watershed;water quality management;decision support system(DSS)决策支持系统(DSS)是为改善对复杂模糊的战略管理问题的认识及解决而建立的基于计算机的灵活可变的交互式信息系统1。DSS 诞生之初就受到环境领域的重视,环境决策支持系统(EDSS)很快被建立起来,并在水

8、质管理等方面得到广泛应用2-3。EDSS是环境模型、数据库、评估工具等模块的综合集成。其后,借助地理信息系统(GIS)强大的空间数据存储分析能力及其在地理信息可视化方面的优势4,EDSS 逐步向空间决策支持系统(SDSS)方向发展,SDSS 解决了流域水环境决策数据量大、参数多、信息表现不直观5等问题。而在此基础上诞生的数字流域技术,更使水质动态综合管理与空间决策成为可能。数字流域最早由张勇传院士提出6,其实质是对流域过去、现在、未来空间及属性信息的多维描述7。目前,数字流域工程的建设主要针对我国的大江大河,如“数字黄河”、“数字长江”、“数字海河”8-9等,主收稿日期:2009-03-10;

9、修回 20090622基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目资助(2005CB724202);深圳市科技计划与深圳市水务科技计划项目联合资助作者简介:韩龙(1983-),男,硕士研究生,研究方向为环境规划与管理,(手机)13725525632(电子信箱);*通讯作者,副教授,博士,(电话)0755-26035291(电子信箱)。Environmental Science&Technology第 33 卷第 5 期2010 年 5 月Vol.33No.5May2010第 5 期要的应用包括水文水质模型研究、洪水预报、水土保持、雨量站分布设计等方面。将数字流域技术应用于 DSS,不仅能实

10、现 GIS 与流域空间数据库、模型库、专家系统的集成,而且能实现环境数据的动态采集、实时传输以及处理与展示,并将动态的空间数据与专业的流域模型相融合,完成对流域环境的动态模拟,进而进行流域的动态综合管理。本文试在数字流域的基础之上,构建面向水质综合管理的决策支持系统框架,并以深圳市石岩水库流域为例,进行实证研究。1水质综合管理的数字流域系统框架数字流域一般包括三个大的子系统:可视化基础信息平台(基础层)、专业应用系统(专题层)以及综合管理与决策系统(综合层)10;而决策支持系统是基于环境与非环境信息,通过模型对环境及可能方案进行模拟,以模拟结果为最终的管理与决策提供支持。结合二者特点构建的水质

11、综合管理决策支持系统框架如图 1 所示,主要内容包括数据动态采集系统,空间数据库,模型库,GIS 平台以及综合管理与决策系统等。1.1动态数据采集系统在流域管理尤其是快速城市化流域的综合管理中,由于环境数据更新较快,所建立的环境模型需要不断修正,管理方案也需进行反复的调整与评估,这离不开长期数据支持,因此有必要建立动态数据采集系统。例如通过建立在线监测站,实时获取流域的水文、水质、气象等环境数据;利用 3S 技术可以获取更多的空间信息,及时将流域地形,河网以及土地利用的变化反映到空间数据库中。1.2空间数据库空间数据主要包括地形、河网、水文、气象、土地利用、污水管网等环境数据,还包括社会经济信

12、息如GDP、产业结构、人口等。对于快速城市化地区的决策支持系统,其数据来源有两部分:一是历史监测与统计数据;二是数据采集系统所动态传递的数据,主要包括河流水库的在线水文水质监测数据(变化速度快)以及地形地貌变化数据(变化速度慢,以年记)。空间数据库的更新除了包括在线监测系统的数据之外,还应包括数据库中数据类型的增减,数据精确性的提高等,以便提高决策支持系统的可靠性。1.3模型库模型库主要包含坡面产流模型、河道汇流模型、非点源模型、管网模型、水质模型等,在进行城市化流域的综合管理时,还应增加社会经济模型以考虑人口与经济快速变化及与之相关的措施对水质的影响。与传统的模型不同,数字流域中的模型与时空

13、关系较为密切,多为基于子流域单元的分布式模型,并且需要反映流域的动态变化。因此在模型应用之前,应根据数字高程模型(DEM)、土地利用、雨污管网设置等因素,将流域划分为不同的子流域,这不仅有利于准确的把握污染的来源及产生,还有助于了解污染负荷的空间分布特征。此外,模型的选择至关重要。模型的规模和复杂程度取决于描述问题的需要,并非越复杂越好。实际中应结合管理目标和流域现状而定,并考虑数据来源以及其它方面的限制。1.4方案库在水质管理的过程中,涉及大量的管理方案,不仅包括工程上的截污处理11等,还可能包括一些社会经济措施,如产业结构调整、排污收费,可转让排污许可证制度,水质交易政策等。为了有效的进行

14、综合管理,有必要建立专门的方案库。随着水环境问题的日益复杂,单一的管理方案已不能满足需求,因此方案库的研究重点在多种方案的组合与优化上。1.5GIS 平台GIS 在空间数据的存储、分析、显示方面具有显著优势,因此通常被用来完成空间数据的前期处理与分析,以及后期模拟结果的可视化。在数字流域中,以数据库为纽带,GIS 的多个功能模块能够与不同环境模型进行集成,既发挥了 GIS 的空间分析优势,又利用了模型强大的预测功能。在流域水质综合管理中,GIS 能够提取不同时空流域信息的属性数据,作为模型选择的初步依据,还能将方案库转化为模型可识别的决策变量,便于模型进行模拟;此外,GIS 平台与各个子系统均

15、有交互,直接或间接控制着子系统之间的韩龙,等基于数字流域的水质综合管理决策支持系统以深圳石岩水库流域为例197第 33 卷信息传递。值得指出的是,无论是数据的采集、模型的选定、还是备选方案的生成,都需要根据流域水环境的变化(时间的和空间的)动态的进行调整,而这一切都依靠 GIS 管理平台来完成。1.6综合管理与决策水质综合管理决策支持系统可以广泛应用于水污染总量控制、水质与富营养化评估、点源与非点源评估、单一措施评估与综合方案筛选等方面。由于水环境变化具有时空差异,在进行综合管理与决策时,应从空间与时间两方面考虑。例如,在进行污染评估时,不仅要分析流域内点源与非点源污染负荷分布的空间差异,还要

16、分析环境要素随时间(如旱季和雨季)发生变化时的污染排放特征,进而对评估方案及时进行调整,以达到动态管理与决策的目的。在基于数字流域的水质综合管理框架中,模型库是连接输入端(空间数据库)与输出端(管理与决策)的纽带,而综合模型的集成又是模型库的关键。在进行模型集成时需特别注意,不同模型适用的时空范围不同,因此在不同时间条件下(如旱季与雨季)应有针对性的选择不同的模型,而模型的空间匹配则可根据子流域的不同选取不同的模型参数或输入条件。在水环境数据缺乏的城市化流域,模型的不确定性往往较大。为了提高模型的可靠性,亟需建立动态数据采集系统,利用新采集的监测数据对模型进行反复率定,进而完成对流域水环境的动

17、态模拟。同时,考虑到水质综合管理的长期性和复杂性,还应依据更新的环境数据评估现有方案的有效性,并及时调整管理方案,以实现流域水质的动态管理。2深圳石岩水库数字流域系统2.1石岩水库流域简介石岩水库(图 2)位于深圳市宝安区,是深圳市的四大水库之一,也是宝安区重要的饮用水源地。石岩水库流域集水面积 44.77km2,总体地形东高西低,流域内有 6 条主要入库支流,分别是东岸的石岩河、白坑窝、深坑坜、王家庄溪和西岸的运牛坑、麻布水。水库南部建有铁岗水库-石岩水库供水渠(简称铁石连通渠),每年从东江经铁岗水库、铁石连通渠向石岩水库输水约 80 万吨。随着深圳城市化进程的加快,人口逐年增加,流域内工业

18、用地和城镇用地面积不断扩展,不透水地面面积已达 40%,各子流域内点源与非点源污染都很严重。各入库支流水质均低于地表水 V 类标准,尤其在旱季向雨季更替的 34 月份,降雨过程径流污染平均浓度一般是旱季的 24 倍以上12。2.2系统构建该流域动态数据采集系统的监测站点如图 2 所示。在监测断面利用 SonTek 声学多普勒测流仪(SW3000),实时监测河流主要断面的水深、流速、流量等水文数据;采用光学法 COD 分析(OPSA-150)仪与YSI 多参数水质监测仪(6600V2),实时监测河水的COD、pH、电导率、温度、溶解氧、氨氮、叶绿素 a、浊度等水质数据;采用气象监测仪(WXT51

19、0)监测流域内气温、湿度、风向、风速、雨量、气压等气象数据。在线数据通过 GPRS/CDMA 等无线通讯网络进行实时远距离传输,通过 internet 网络,在系统客户端可提供下载,并能显示数据的动态变化。石岩河上的在线监测站已经调试完成并投入运行,其他支流目前按一定频率进行常规监测。流域数据库的主要内容包括:石岩流域 DEM、河网、子流域(细分为 24 个)、土地利用、经济人口数据、雨污管网以及污水处理设施等。目前污水收集与处理措施包括:石岩河截污系统,污水收集能力达 8104m3/d;王家庄溪下游的石岩人工湿地,处理污水 1.5104m3/d。由于各子流域范围、石岩镇的行政边界以及污水收集

20、范围并不完全一致,所以流域内的经济、人口数据根据建成区面积及类型进行了重新分配,污水收集范围进行适当细分后与子流域进行匹配。流域模型库提供了模拟或计算流域内经济与人口增长、点源污染产生与截污处理、雨季非点源污染产生与截流以及河流和水库水质变化的方法。本研究中对各种模型和方法选择如下:(1)流域内经济与人口增长模型。经济发展以GDP为指标,根据历史数据拟合的指数模型预测 GDP 增长,结合该流域发展规划,确定 GDP 增长率。流域内198第 5 期人口的变化除了考虑自然增长率,还考虑 GDP 增长和产业结构调整造成的外来劳动人口增加。不同产业的劳均 GDP 根据历史数据统计得到。由于石岩镇历史的

21、社会经济数据较详细,本研究首先计算该镇的GDP 与人口,然后在根据工业区和居民区面积,分别将 GDP 与人口划分到各子流域。(2)点源污染产生与截污处理。根据历史数据统计不同产业的万元 GDP 用水量、产污量以及单位人口用水量、产污量,结合各子流域的 GDP 与人口,可以估算各子流域的污水量。工业与生活污水的混合污水浓度参考现状旱季河道水质的监测值。由于不同产业的劳均 GDP、万元 GDP 产污量差异较大,因此调整产业结构对人口、用水和产污的影响较大。本研究中,点源污水收集与处理工程通过收集率和处理效率这两个参数来反映。(3)雨季非点源污染产生与截流。根据 2007 年雨季首三场降雨过程中各河

22、流径流量及污染物浓度的动态监测结果12,计算出各子流域雨季(初期降雨)径流平均污染浓度与非点源产生强度;选择典型降雨,绘制降雨径流与非点源污染冲刷量的关系曲线,若采取初期降雨径流的截流措施来治理非点源污染,可以根据该关系曲线估算不同截流率下非点源污染负荷的去除率。(4)河流与水库水质模型。根据石岩水库流域的现状和特点,采用 COD 浓度作为衡量水质的指标,并将模拟重点放在石岩河干流和石岩水库上。石岩河根据其水文特征划分为 23 条河段,采用一维多河段水质模型13;石岩水库则按照其水文特征和水质现状分为 3 段,采用狭长湖库移流衰减模型14。鉴于石岩河各河段水文、污染物浓度及组成变化不大,各段的

23、降解系数 K 可统一取值。石岩水库被分为 3 段,其降解系数为 K1,K2,K3。设定合适的河流/水库降解系数后,利用 2007 年 3 月 2 日5 日(旱季)的监测结果平均值对模型进行初步验证(表 1),结果表明,实测值与模拟值的误差在 10%左右,说明模型具有良好的可靠性。(5)各类模型的集成。以子流域为最小的响应单元,利用经济、人口增长模型模拟各子流域历年的经济水平和人口数量,将其作为流域产污模型的主要输入,结合单位 GDP 和单位人口的用水量和产污水平,即可模拟出流域内点源污染负荷。雨季时则需加入降雨径流模型以及非点源模型,结合土地利用与地形数据,模拟出流域面源的产流与产污。各子流域

24、污水直接或间接汇入河库,借助水质模型即可模拟出水体水质。结合石岩水库流域的水环境现状,现有方案库中的治理方案如下:(1)点源污水收集与处理。据 2007年度深圳市水资源公报的数据,人均污水排放量约为224.72L/(人 d)。农业、工业、服务业万元 GDP 耗水量分别为 242.99m3/万元,24.81m3/万元,16.16m3/万元。工业与生活污水的混合污水 COD 浓度实际监测为140mg/L。考虑深圳市污水处理现状,合理的污水收集与处理效率在 70%90%之间。(2)产业结构调整。石岩水库流域的水环境压力主要来自于社会经济的发展和人口的快速增长。据 2007 年深圳市统计年鉴,流域内三

25、产百分比构成为 0.366.333.4,产业结构逐步由以高能耗,高污染的劳动密集型工业为主转向以低能耗,低污染的资本技术密集型服务业为主,可以在同样经济规模的情况下,有效的减少区域内的总用水量和排污量。(3)雨季污水截流。根据 2007 年雨季初期降雨径流与非点源污染冲刷量的关系曲线,得到雨季径流截流率与 COD 去除率之间的关系为:截流率为0.30.4,相应可去除的面源 COD 负荷为 68%78%。(4)综合措施。鉴于水环境问题的复杂性,实际的水环境管理中一般倾向于采取综合治理措施15,此处主要指前面几个单项措施的组合。本系统依靠 ArcGIS9.2 建立 GIS 平台,利用其内置的 VB

26、A 编程环境,实现在线监测系统、数据库、模型库与方案库的集成,对数据进行存储、分析与更新,对单个及综合方案进行设计、模拟、结果可视化与动态调整,并在此基础上,对流域水质进行综合管理与决策。3应用结果与讨论综合考虑石岩水库流域的发展规划要求和现实可行性,设定水质管理目标如下:到 2015 年,石岩河(最大的入库支流)达到类水水质(COD30mg/L),水库达类水水质(COD15mg/L)。在基准模式下,即流域内社会与经济维持目前的发展趋势,同时水污染治理措施维持现状(2007 年)的强度,至 2015 年,流域的水体水质与污染分布预测如图 3 所示,石岩水库第 2、3 段由于有铁石连通渠原水的注

27、入,水质较好,但第 1 段水质不能达标,石岩河旱季、雨季水质均不表 1水质模型参数设置及验证Table 1Parameters and model validation河段名称降解系数 K(1/d)COD 实测值(mg/L)COD 模拟值(mg/L)相对误差(%)石岩河(在线站点)0.200104.00109.56-5.07石岩水库(第 1 段)0.0536.687.65-12.68石岩水库(第 2 段)0.0806.326.77-6.65石岩水库(第 3 段)0.0834.805.17-7.16韩龙,等基于数字流域的水质综合管理决策支持系统以深圳石岩水库流域为例199第 33 卷200第 5

28、 期能达标。图 4(af)表示单个措施下的模拟结果。其中图 4(ab)表示污水收集与处理措施下旱季及雨季初期降雨时的效果,污水处理效率设定为 85%;图 4(c)表示产业结构由 2007 年的 0.366.333.4 调整为 2015 年的 0.24059.8 后旱季的水质及污染负荷分布;图 4(d)表示雨季污水截流率为 0.4(COD 去除率 78%)时雨季初期降雨的模拟结果;图 4(ef)表示的是综合措施,即污水收集和处理效率为 85%,产业结构比例为0.24059.8,雨季污水截留率为 0.4 时的模拟结果。(1)由图 3、4 可知,在所有的单项治理措施中,提高点源污水的收集与处理效率效

29、果最为明显,可使旱季水库达到类水水质,石岩河达类水水质,但雨季石岩水库第 1 段水质为类,石岩河水质为劣类,这主要是因为石岩水库东岸多为建成区,雨季面源污染(尤其是子流域 10)较为严重。产业结构调整中,随着第三产业比例的加大,流域总污染负荷有所下降,但对水体水质的提高效果不明显。同样,单靠雨季污水截流也难以达到预期的效果。(2)石岩水库流域的污染负荷分布具有明显的空间差异性。由于经济水平、人口密度以及土地利用类型不同,东岸污染普遍重于西岸。以石岩河流域(子流域 110)为例,污染负荷由大到小依次为:10(3,4,5)(7,8,9)(1,2)。针对这种空间差异性,流域水质管理应该重点放在污染较

30、重的几个子流域。(3)随季节不同,流域内的污染也表现出较大差异。无论是现状年,还是目标年,雨季初期降雨时的水体污染程度均重于旱季(图 4(ab,ef)。由此可知,旱季通过截污和产业结构调整后,水质较容易改善;但是,在雨季,特别是雨季的初期降雨,由于非点源污染严重,虽然采取了截流措施,水质改善程度仍不如旱季。因此,为了进一步改善流域水质,需加大对雨季非点源的控制力度,如垃圾管理、建成区路面净化与降雨径流减量化等。作为一个研究实例,石岩水库流域水质综合管理决策支持系统完整体现了图 1 框架中的各部分内容。系统对多种模型进行了集成,实现了流域综合管理的模拟。由于引入了实时数据采集系统,使得数字流域技

31、术相比于传统的在 GIS 基础上建立水质管理决策支持系统的方法,具有更强的灵活性和可靠性。基于数字流域的水质综合管理决策支持系统,不仅能够为决策者提供动态的流域污染空间变化信息,而且在此基础上,借助于环境模型,还能够对治理措施进行动态的模拟,使决策者真正做到“动态决策”。4结论将数字流域技术应用于水质综合管理决策支持系统,吸纳了动态数据及多模型耦合在水质管理中的优势,克服了以往决策支持系统中数据不足,模型不完善,以及静态管理等缺点,真正实现了水质综合以及动态管理,为流域决策提供了更为科学的依据。本文重点研究了数字流域中不同模型之间的集成以及动态空间数据与模型及管理的耦合。随着 GIS与环境模型

32、的深入发展,空间数据的来源越来越广泛,模型也更加复杂,如何更有效的将数字流域应用于水质综合管理,以适应目前水环境日益复杂的趋势,将是未来水质管理领域的一个研究热点。作为一种方法上的探索,本文尝试性的将数字流域技术应用于水质综合管理决策支持系统中,并成功应用于石岩水库流域。该方法较之以往,不仅实现了空间上的决策分析,而且完成了决策变量随时间变化情况下的水环境污染模拟,为决策者提供了更为可靠的决策依据,对其他流域的水质综合管理与决策,也具有一定的指导和借鉴意义。参考文献1 Turban E,Aronson J E.Decision Support System and Intelligent Sy

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42、0.49 标准人当量,主要的环境影响为大气颗粒物污染、光化学臭氧合成、酸化和全球变暖,即对全球、区域和局地均有一定的影响,其中对全球的影响最大。根据表 5 还可得知,在 PVC 生产过程中,电能生产过程所产生的环境负荷最大,其次为蒸汽生产过程和工艺过程。其中能源生产过程的环境排放主要引起全球变暖、酸化、富营养化、大气颗粒物污染,环境影响潜值为 EILenergy=0.10+0.102+0.041+0.122=0.365 标准人当量;PVC 生产工艺过程中的环境排放主要引起光化学臭氧合成、固体废物和危险废物,环境影响潜值为 EILprocess=0.106+0.012+0.0068=0.125

43、标准人当量。5结论及建议(1)聚氯乙烯生产的总能耗为6102.24MJ/t,其中氯乙烯聚合产聚氯乙烯阶段的能耗最大,占总能耗的 82.7%。可以通过提高设备水平,节约此阶段的能源消耗。(2)聚氯乙烯生产生命周期的环境排放,废气排放主要来自电能生产过程,其中 CO2占 99.6%,粉尘占 93.6%,SO2占 59.8%;水污染物的排放主要是 COD和 SS,主要来源是聚氯乙烯生产工艺过程,此外此过程也是固体废物的主要来源。因此减少对环境排放的关键在于生产工艺的改进,提高资源和能源的利用率;同时提倡清洁生产,降低聚氯乙烯生产生命周期中污染物的排放。(3)PVC 生产生命周期的环境影响负荷为 0.

44、49 标准人当量,其中能源生产过程的环境影响负荷为 0.365标准人当量,生产工艺过程的环境影响负荷为 0.125标准人当量。PVC 生产的主要环境影响为烟尘和灰尘、光化学臭氧合成、酸化和全球变暖。参考文献1 刘岭梅.全球 PVC 产业发展概况J.国际化工信息,2003,(9):12-13.2 王宣同,唐孝炎,胡建信.中国杀虫剂类 POPs 生命周期评价方法框架研究J.环境科学与技术,2005,28(3):78-80.3ISO14041-1998,Environmental Management-Life CycleAssessment-Goal,Scope Definition-inventory AnalysisS.4 杨建新,徐成,王如松.产品生命周期评价方法及应用M.北京:气象出版社,2002.5 烧碱/聚氯乙烯行业清洁生产评价指标体系(试行)R.国家发展和改革委员会.6 国家环保局科技标准司.工业污染物产生和排放系数手册K.北京:中国环境科学出版社,2003:66-255.伍跃辉,等聚氯乙烯生产过程生命周期评价205

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