CN104392100B - 基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，包括以下步骤，S01，水质在线监测系统对区域内各监测站点的水质现状进行实时监测；S02，对发生报警的污染源进行确认；S03，获取污染源所在的监测站点超标污染物的实时监测数据；S04，选择站点所在河流模拟终点；S05，输入待模拟河段相关参数；S06，一维稳态水质模型计算；S07，对模拟河段进行污染物浓度梯度渲染并进行预警信息研判；本发明运用到的一维稳态模型不依赖于具体的河道地理信息、地形参数，只涉及河道的水文条件流量、流速，可根据GIS信息自动建模，通用性强。

Description

基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法

技术领域

本发明涉及河流水质监测领域，尤其涉及一种基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法。

背景技术

2009年，环保部发布《先进的环境监测预警体系建设纲要(2010—2020年)》，文中提出要加快建立先进的环境监测预警体系，全面推进环境监测的历史性转型。污染源在线监控与预警系统是建设先进的环境预警体系的重要组成部分。预警系统的建设在我国是方兴未艾，迫切需要配套建设预警系统的各种软件设施。

基于应用目标的不同，我国水环境预警系统可以划分为三类(1)针对区域水环境和水质安全的宏观决策型预警系统(2)针对水环境或者水质污染事件的管理型预警系统(3)针对水处理生产设施的生产型预警系统。目前管理型预警系统存在的主要问题包括基层人员素质参差不齐，对仪器的使用和维护不到位，海量数据也不能得到及时处理等，影响了管理型预警系统的功能发挥。

污染源预警系统属于管理型预警系统的范畴。在污染源预警管理中，水质模型是分析污染扩散影响的重要技术手段之一。水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述，它既是水环境科学研究的内容之一，又是水环境研究的重要工具。水质模型涉及到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题。

水质在线监测系统是一个以在线分析仪表和实验室研究需求为服务目标，以提供具有代表性、及时性和可靠性的样品信息为核心任务，运用自动控制技术、计算机技术并配以专业软件，组成一个从取样、预处理、分析到数据处理及存贮的完整系统，从而实现对样品的在线自动监测。自动监测系统一般包括取样系统、预处理系统、数据采集与控制系统、在线监测分析仪表、数据处理与传输系统及远程数据管理中心，这些分系统既各成体系，又相互协作，以完成整个在线自动监测系统的连续可靠地运行。

网络地理信息系统(Web-GIS)：指基于Internet平台，客户端应用软件采用网络协议，运用在Internet上的地理信息系统。一般由多主机，多数据库和多个客户端以分布式连接在Internet上而组成。

现有技术中，基于地理信息系统(GIS)，将污染源在线监测数据信息与空间地理信息相结合，建立北京市重点锅炉烟气、污水处理厂两类主要污染源和水环境质量等大量在线监测数据的监控和综合分析系统。系统不仅实现了对重点污染源在线监测数据的实时监控、数据展示、统计分析、超标报警等常规业务功能，还在污染源扩散模拟展示、污染源与环境质量信息相互作用的空间综合分析等方面进行了初步研究，为进一步提高北京市的污染源监控管理和自动监测数据利用水平做出了创新性的技术尝试。但是，需要依赖与具体空间地理信息，不能够利用GIS系统自动建模，不能通用，有较大的局限性。

同样，在《基于水质模型的污染监控预警和应急管理研究》(.王成金等,北方环境，2013,29卷5期)公开了一种基于水质模型的污染监控预警方法，以建立水质污染扩散模型为基础，结合我国地表水环境管理现状提出了一套地表水污染监控预警和应急管理体系，仍旧需要依赖与具体空间地理信息，有较大的局限性。

发明内容

本发明提出了一种基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，本发明以建立水质污染扩散模型为基础，只涉及河道的水文条件流量、流速，可根据GIS信息自动建模，通用性强。

本发明技术方案如下：

一种基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，包括以下步骤，

S01，水质在线监测系统对区域内各监测站点的水质现状进行实时监测；

S02，对发生报警的污染源进行确认：接收水质在线监测系统发送的污染源报警消息，查看报警数据，确认发生报警的污染源站点的超标项目和超标倍数信息；

S03，获取污染源所在的监测站点超标污染物的实时监测数据，包括排污口废水排放量Q_E和站点污染物排放浓度C_E，作为一维稳态水质模型水质模型模拟计算的输入；

S04，选定发生报警的污染源所在的监测站点和所述污染源所在河流的模拟终点，作为待模拟河段的起点和终点，根据所述起点、终点经纬度信息、河流走向、河流平面形态、自动监测站分布情况的GIS信息进行流域河道与各监测点之间的拓扑关系构建，通过GIS空间分析计算得到待模拟河段长度及步长设置，结合一维稳态水质模型对水质模拟任务进行建模，将待模拟河段按照步长信息进行分段、编号；

将发生报警的污染源所在的监测站点作为起始点，选取污染源所在河流的模拟终点，能够模拟污染源的流向，不依赖于具体的河道地理信息、地形参数，可根据GIS信息自动建模，通用性强。

S05，输入待模拟河段相关参数，具体包括河流流量、河流污染物背景浓度以及河流的平均流速，为一维稳态水质模型的计算提供数据源，河流污染物背景浓度即为水质浓度C_p，河流流量和河流的平均流速用于计算上游来水设计水量Q_p；

S06，计算污染物综合衰减系数、待模拟河段初始断面污染物浓度，，基于一维稳态水质模型对模拟河段沿程各步长节点污染物浓度值进行模拟计算，所述步骤S04生成的编号、步长和所述污染物浓度值组成的数组，计算结果返回给GIS，同时该数组亦作为界面列表展示的数据源(即同时以GIS专题图和列表的方式对模拟结果进行展示)；

S07，在GIS地图上对模拟河段按照编号、步长进行污染物浓度梯度渲染，形成污染物扩散模拟专题图，将模拟结果进行GIS可视化展示，并根据预先预先定义的告警规则和策略，进行污染源预警信息研判。

步骤S02所述报警信息为根据预先定义的告警规则和策略进行分析判断，当监测参数发生越限情况，进行报警产生的报警，所述报警信息支持多种告警方式，包括上告警窗、推画面、语音报警、邮件报警、短信报警、电话报警。

告警规则和策略：根据站点所在河段区域的水质控制目标和污染程度，分别设置各监测参数报警等级的上下限值。

步骤S04所述GIS空间分析计算内容包括：待模拟河段起始点(发出报警的排污口监测点)和模拟终点(河流下游)地理经纬度坐标信息的获取；待模拟河段其他节点(除起始点和终点外的节点)GIS属性字段的获取；待模拟河段长度的拓扑计算；现实坐标与屏幕坐标的转换；实际距离与屏幕距离的转换等。

步骤S04一维稳态水质模型对水质模拟任务进行建模，包括以下步骤：

一维水质模型是水质模型中相对简单的一种，适用于河流平均流速U较小的小型河道，岸边排放的污染物能在较短的时间内达到对岸，且能与河流均匀混合；(S401)一维稳态水质模型微分方程式为式(1)：

方程的解为式(2)：

式中(以下括号内内容为物料量对应的单位)：C为排污口下游污染物浓度(mg/L)；x为输移距离(m)；U为河流平均流速(m/s)；K为污染物综合衰减系数(1/d)；Q_p、C_p为上游来水设计水量和水质浓度(m³/s，mg/L)；Q_E、C_E为排污口废水排放量和污染物排放浓度(m³/s，mg/L)；Q_p为上游来水设计水量，通过S05输入的河流流量、河流的平均流速计算获取，水质浓度C_p为步骤S05输入的河流污染物背景浓度，为待模拟河段初始断面污染物浓度；。

对于宽深比不大的河流，污染物在较短的时间内，基本上能在断面内均匀混合，污染物浓度在断面上横向变化不大，可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计算纳污能力。

(S402)确定污染物综合降解系数K：在实际工程运用时，根据具体河段的历史资料，可对K值进行率定，得到适应河道具体地理、水文环境的K值，提高模型的模拟准确率。

根据实际的情况，可以对参数进行率定，对模型进行标定。在通用计算中采用的是经验公式来计算污染物综合降解系数

步骤S07 GIS可视化展示具体包括以下步骤：

(701)将一维稳态水质模型计算得到的模拟结果作为离散点数据，经过差值算法得到污染物浓度的等值线图；

(702)将所述等值线图进行污染物浓度梯度及颜色渲染，形成渲染图层：参考水质类别规定的上下限值、污染物超标倍数以及用户需求，按业务规则对模拟结果进行渲染，按照浓度值由小到大，河流水体颜色由浅到深变化；

(703)处理渲染图层：采用预切割方式对地图进行切片，并将切好的地图图像存储在服务器上，将shape地图切割成不同级别的瓦片地图，用这些瓦片地图作为背景底图。通过GIS服务抽取地图文件的河流或区域的坐标地理信息和相关属性值，并且传给后台高级分析服务引擎进行分析计算，计算完成后根据返回水质模拟评价的数据类型，并创建分析专题河流图层，根据模拟计算分污染物浓度信息，按照步长，在河流专题图层上进行渲染，同时将专题图层叠加到地图上进行可视化展示。系统采用国际通用的GIS接口，基于通用的OGC国际规范。

污染源预警信息研判包括以下步骤：

将一维稳态水质模型计算返回的河段各步长节点污染物浓度值与模拟终点所在河段水质控制目标值进行对比，根据可能造成的突发性污染事故的严重性和紧急程度，确定警告级别，进行分级预警。

分级预警的展示界面通过不同的颜色展示，具体为：一般(iv级，蓝色)；较重(iii级、黄色)；严重(ii级、橙色)；特别严重(i级、红色)；以页面警告弹出框的方式发出预警消息。管理单位根据预警判断采取相应的应急管理措施。

与现有技术相比，本发明包括以下有益效果：

1)适用于自动监测工程实施：本发明提出基于水质实时在线监测系统的污染源扩散预警方法，实时对监测参数进行监控，参数一旦越限，软件及时发出报警，同时将报警信息进行动态计算和分析，增强环境监测的实时性及数据分析应用的及时性；预警分析方法基于河道GIS信息自动提取拓扑关系进行模型建模，通过模型接口等技术建立内嵌于污染源在线监测预警系统的水质模拟扩散模型，对下游河道污染物的扩散情况进行快速模拟；本发明运用到的一维稳态模型不依赖于具体的河道地理信息、地形参数，只涉及河道的水文条件流量、流速，可根据GIS信息自动建模，通用性强。

2)效率更高：本发明将一维水质模型和WebGIS进行集成，从河流特征信息的处理、河流沿程污染物浓度的计算、浓度梯度渲染均由系统依据设定的规则自动完成，使得整个过程效率和实用性高，预警分析结果采用WebGIS地理信息系统，对计算分析结果予以可视化动态展示，便于部署和系统维护更新，提高污染源预警系统的可用性和方便性。。

3)系统采用B/S架构，采用面向对象的开发技术、组件化技术将数据库技术、GIS技术、web技术汇聚到统一的平台进行管理，操作方便，实用性比较强。

4)局部水质模型，每次运算值选择一个预测断面，模型运算时间比较短，降低了对电脑配置的要求。

附图说明

图1为本发明一种基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，一种基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，包括以下步骤，

S01，水质在线监测系统对区域内各监测站点的水质现状进行实时监测；

S02，对发生报警的污染源进行确认：接收水质在线监测系统发送的污染源报警消息，查看报警数据，确认发生报警的污染源站点的超标项目和超标倍数信息；

S03，获取污染源所在的监测站点超标污染物的实时监测数据，包括包括排污口废水排放量Q_E和站点污染物排放浓度C_E，作为一维稳态水质模型水质模型模拟计算的输入；

S04，选定发生报警的污染源所在的监测站点和所述污染源所在河流的模拟终点，作为待模拟河段的起点和终点，根据所述起点、终点经纬度信息、河流走向、河流平面形态、自动监测站分布情况的GIS信息进行流域河道与各监测点之间的拓扑关系构建，通过GIS空间分析计算得到待模拟河段长度及步长设置，结合一维稳态水质模型对水质模拟任务进行建模，将待模拟河段按照步长信息进行分段、编号；

步骤S04一维稳态水质模型对水质模拟任务进行建模，包括以下步骤：

一维水质模型是水质模型中相对简单的一种，适用于河流平均流速U较小的小型河道，岸边排放的污染物能在较短的时间内达到对岸，且能与河流均匀混合；(S401)一维稳态水质模型微分方程式为式(1)：

方程的解为式(2)：

式中：C为排污口下游污染物浓度(mg/L)；x为输移距离(m)；U为河流平均流速(m/s)；K为污染物综合衰减系数(1/d)；Q_p、C_p为上游来水设计水量和水质浓度(m³/s，mg/L)；Q_E、C_E为排污口废水排放量和污染物排放浓度(m³/s，mg/L)；Q_p为上游来水设计水量，通过S05输入的河流流量、河流的平均流速计算获取，水质浓度C_p为步骤S05输入的河流污染物背景浓度，待模拟河段初始断面污染物浓度。

对于宽深比不大的河流，污染物在较短的时间内，基本上能在断面内均匀混合，污染物浓度在断面上横向变化不大，可用一维水质模型模拟污染物沿河流纵向的迁移问题来计算纳污能力。

(S402)确定污染物综合降解系数K：在实际工程运用时，根据具体河段的历史资料，可对K值进行率定，得到适应河道具体地理、水文环境的K值，提高模型的模拟准确率。在本实施例中COD的降解系数(污染物综合降解系数)采取经验公式为：K＝0.025+0.776U。

根据实际的情况，可以对参数进行率定，对模型进行标定。在通用计算中采用的是经验公式来计算污染物综合降解系数。

S05，输入待模拟河段相关参数，具体包括河流流量、河流污染物背景浓度以及河流的平均流速；

S06，计算污染物综合衰减系数K、待模拟河段初始断面污染物浓度，基于一维稳态水质模型对模拟河段沿程各步长节点污染物浓度值进行模拟计算，所述步骤S04生成的编号、步长和所述污染物浓度值组成的数组，计算结果返回给GIS，同时该数组亦作为界面列表展示的数据源(即同时以GIS专题图和列表的方式对模拟结果进行展示)；

S07，在GIS地图上对模拟河段按照编号、步长进行污染物浓度梯度渲染，形成污染物扩散模拟专题图，将模拟结果进行GIS可视化展示，并根据预先预先定义的告警规则和策略，进行污染源预警信息研判。

步骤S02所述报警信息为根据预先定义的告警规则和策略进行分析判断，当监测参数发生越限情况，进行报警产生的报警，所述报警信息支持多种告警方式，包括上告警窗、推画面、语音报警、邮件报警、短信报警、电话报警。

告警规则和策略：根据站点所在河段区域的水质控制目标和污染程度，分别设置各监测参数报警等级的上下限值。

步骤S04所述GIS空间分析计算内容包括：待模拟河段起始点(发出报警的排污口监测点)和模拟终点(河流下游)地理经纬度坐标信息的获取；待模拟河段其他节点GIS属性字段的获取；待模拟河段长度的拓扑计算；现实坐标与屏幕坐标的转换；实际距离与屏幕距离的转换。

步骤S07GIS可视化展示具体包括以下步骤：

(701)将一维稳态水质模型计算得到的模拟结果作为离散点数据，经过差值算法得到污染物浓度的等值线图；

(702)将所述等值线图进行污染物浓度梯度及颜色渲染，形成渲染图层：参考水质类别规定的上下限值、污染物超标倍数以及用户需求，按业务规则对模拟结果进行渲染，按照浓度值由小到大，河流水体颜色由浅到深变化；

(703)处理渲染图层：采用预切割方式对地图进行切片，并将切好的地图图像存储在服务器上，将shape地图切割成不同级别的瓦片地图，用这些瓦片地图作为背景底图。通过GIS服务抽取地图文件的河流或区域的坐标地理信息和相关属性值，并且传给后台高级分析服务引擎进行分析计算，计算完成后根据返回水质模拟评价的数据类型，并创建分析专题河流图层，根据模拟计算分污染物浓度信息，按照步长，在河流专题图层上进行渲染，同时将专题图层叠加到地图上进行可视化展示。系统采用国际通用的GIS接口，基于通用的OGC国际规范。

污染源预警信息研判包括以下步骤：

将一维稳态水质模型计算返回的河段各步长节点污染物浓度值与模拟终点所在河段水质控制目标值进行对比，根据可能造成的突发性污染事故的严重性和紧急程度，确定警告级别，进行分级预警。

分级预警的展示界面通过不同的颜色展示，具体为：一般(iv级，蓝色)；较重(iii级、黄色)；严重(ii级、橙色)；特别严重(i级、红色)；以页面警告弹出框的方式发出预警消息。管理单位根据预警判断采取相应的应急管理措施。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，其特征在于，包括以下步骤，

S01，水质在线监测系统对区域内各监测站点的水质现状进行实时监测；

S02，对发生报警的污染源进行确认：接收水质在线监测系统发送的污染源报警消息，查看报警数据，确认发生报警的污染源站点的超标项目和超标倍数信息；

S03，获取污染源所在的监测站点超标污染物的实时监测数据，包括排污口废水排放量Q_E和站点污染物排放浓度C_E；

S04，选定发生报警的污染源所在的监测站点和所述污染源所在河流的模拟终点，作为待模拟河段的起点和终点，根据所述起点、终点经纬度信息、河流走向、河流平面形态、监测站分布情况的GIS信息进行流域河道与各监测点之间的拓扑关系构建，通过GIS空间分析计算得到待模拟河段长度及步长设置，结合一维稳态水质模型对水质模拟任务进行建模，将待模拟河段按照步长信息进行分段、编号；

S05，输入待模拟河段相关参数，所述待模拟河段相关参数包括河流流量、河流污染物背景浓度和河流的平均流速；

S06，计算污染物综合衰减系数K、待模拟河段初始断面污染物浓度，基于一维稳态水质模型对模拟河段沿程各步长节点污染物浓度值C进行模拟计算，所述步骤S04生成的编号、步长和所述污染物浓度值组成的数组，计算结果返回给GIS；

S07，在GIS地图上对模拟河段按照编号、步长进行污染物浓度值梯度渲染，形成污染物扩散模拟专题图，将模拟结果进行GIS可视化展示，并根据预先定义的告警规则和策略，进行污染源预警信息研判；

所述步骤S04一维稳态水质模型对水质模拟任务进行建模，包括以下步骤：

(S401)一维稳态水质模型微分方程式为式(1)：

$\frac{\∂C}{\∂t}+U\frac{\∂C}{\∂x}=-KC---\left(1\right)$

方程的解为式(2)：

$C=\frac{Q_P{C}_P+Q_E{C}_E}{Q_P+Q_E}\exp \left(\frac{-Kx}{86400U}\right)---\left(2\right)$

式中：C为排污口下游污染物浓度；x为输移距离；U为河流平均流速；K为污染物综合衰减系数；Q_p、C_p为上游来水设计水量和水质浓度；Q_E、C_E为排污口废水排放量和污染物排放浓度；为待模拟河段初始断面污染物浓度；

(S402)根据具体河段的历史资料，对K值进行率定，得到适应河道具体地理、水文环境的K值；

所述步骤S07 GIS可视化展示具体包括以下步骤：

(701)将一维稳态水质模型计算得到的模拟结果作为离散点数据，经过差值算法得到污染物浓度的等值线图；

(702)将所述等值线图进行污染物浓度梯度及颜色渲染，形成渲染图层：参考水质类别规定的上下限值、污染物超标倍数以及用户需求，按业务规则对模拟结果进行渲染，按照浓度值由小到大，河流水体颜色由浅到深变化；

(703)处理渲染图层：采用预切割方式对地图进行切片，并将切好的地图图像存储在服务器上，将地图切割成不同级别的瓦片地图，用所述瓦片地图作为背景底图，通过GIS服务抽取地图文件的河流或区域的坐标地理信息和相关属性值，进行分析计算水质模拟评价，计算完成后根据返回水质模拟评价的数据类型，创建分析专题河流图层，根据模拟计算分污染物浓度信息，按照步长，在河流专题图层上进行渲染，将专题图层叠加到地图上进行可视化展示。

2.根据权利要求1所述的基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，其特征在于，步骤S02所述报警信息为根据预先定义的告警规则和策略进行分析判断，当监测参数发生越限情况，进行报警产生的报警，所述报警信息支持多种告警方式，包括上告警窗、推画面、语音报警、邮件报警、短信报警、电话报警；

所述告警规则和策略为根据站点所在河段区域的水质控制目标和污染程度，分别设置各监测参数报警等级的上下限值。

3.根据权利要求1所述的基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，其特征在于，步骤S04所述GIS空间分析计算内容包括：待模拟河段起始点和模拟终点地理经纬度坐标信息的获取；待模拟河段其他节点GIS属性字段的获取；待模拟河段长度的拓扑计算；现实坐标与屏幕坐标的转换；实际距离与屏幕距离的转换。

4.根据权利要求1所述的基于水质在线监测系统的污染源扩散预警方法，其特征在于，所述污染源预警信息研判包括以下步骤：

将一维稳态水质模型计算返回的河段各步长节点污染物浓度值与模拟终点所在河段水质控制目标值进行对比，根据可能造成的突发性污染事故的严重性和紧急程度，确定警告级别，进行分级预警。