白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)研究

白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)研究

白洋淀位于北京、天津和石頭的中心，位于九河下游，在區(qū)域生態(tài)安全體系建設(shè)中發(fā)揮著非常重要的作用。如何正確認識白洋淀生態(tài)系統(tǒng)的水量/水位、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)健康的恢復(fù)技術(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系,進行水生態(tài)調(diào)控技術(shù)的科學(xué)決策,提高流域生態(tài)安全預(yù)警能力和應(yīng)急水平,是保障白洋淀水生態(tài)安全,亟需解決的關(guān)鍵問題。在這樣的背景下,建立一套切實可行的流域水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng),實現(xiàn)對流域生態(tài)系統(tǒng)健康的動態(tài)診斷,提高對生態(tài)風(fēng)險的預(yù)警防范能力,并為水量配置和污染控制提供科學(xué)的解決方案,對保障白洋淀流域水生態(tài)安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。決策支持系統(tǒng)是為改善對復(fù)雜模糊的戰(zhàn)略管理問題的認識及解決而建立的基于計算機的靈活可變的交互式信息系統(tǒng)。20世紀70年代起,國際上開始研究環(huán)境決策支持系統(tǒng)(EDSS)。近年來,隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的發(fā)展,基于GIS的EDSS得到了快速發(fā)展,GIS強大的空間數(shù)據(jù)存儲分析能力及其在地理信息可視化方面的優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮。國內(nèi)外EDSS在流域水環(huán)境綜合管理方面的實際應(yīng)用上都已取得一定成就,這些系統(tǒng)多以水質(zhì)目標(biāo)管理或者水資源優(yōu)化配置為出發(fā)點,以流域水生態(tài)系統(tǒng)健康和生態(tài)安全保障為目標(biāo)是目前流域水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢之一。白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng)建設(shè)是在充分挖掘白洋淀污染源控制、富營養(yǎng)化與沼澤化治理、長效生態(tài)節(jié)水及流域綜合管理協(xié)調(diào)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,基于水質(zhì)-水量-水生聯(lián)合監(jiān)測與模擬,設(shè)計的集水生態(tài)系統(tǒng)健康診斷、水生態(tài)安全預(yù)警與應(yīng)急、水量調(diào)控、污染物控制、淀區(qū)凈化、綜合調(diào)控、知識庫子系統(tǒng)于一體的白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng),為白洋淀流域的水生態(tài)安全保障提供分層次、可視化的決策方案。1系統(tǒng)的全球設(shè)計1.1友好-管理有效建立白洋淀“水量保證-水質(zhì)改善-生態(tài)健康-環(huán)境友好-管理有效”數(shù)字化管理技術(shù)平臺,實現(xiàn)監(jiān)測-模擬-評估-技術(shù)決策一體化的系統(tǒng)集成,為白洋淀流域的水環(huán)境和水生態(tài)綜合調(diào)控提供信息化技術(shù)保障。1.2生態(tài)風(fēng)險評估及預(yù)警動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ),系統(tǒng)通過水量-水質(zhì)-水生態(tài)聯(lián)合監(jiān)測、流域水環(huán)境污染在線源監(jiān)控,以及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)和知識庫的動態(tài)更新,為白洋淀流域水質(zhì)模擬、水生態(tài)系統(tǒng)健康診斷、生態(tài)風(fēng)險評估與預(yù)警,以及水量供需平衡分析提供數(shù)據(jù)支持。模型評估的結(jié)果可為綜合調(diào)控管理目標(biāo)的確定提供依據(jù),從而指導(dǎo)基于綜合指數(shù)法的技術(shù)評估,并最終基于技術(shù)評估結(jié)果生成綜合調(diào)控方案,見圖1。2系統(tǒng)功能設(shè)計2.1數(shù)據(jù)收集和錄入該子系統(tǒng)包括水量-水質(zhì)-水生態(tài)聯(lián)合監(jiān)測、水質(zhì)模擬和健康評價3個模塊。系統(tǒng)可實現(xiàn)對水位、常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、葉綠素指標(biāo)的在線連續(xù)監(jiān)測和水生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)的錄入。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)為水生態(tài)系統(tǒng)健康評價提供支撐見圖2。聯(lián)合在線監(jiān)測的結(jié)果也可作為水質(zhì)模擬(基于WASP)的依據(jù),水質(zhì)模擬結(jié)果(TN、TP濃度、葉綠素a濃度等)可作為水生態(tài)模擬(基于Stella)的輸入。水質(zhì)和水生態(tài)模擬結(jié)果(如浮游植物生物量)共同支撐水生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)測見圖3。2.2預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)模塊水生態(tài)安全預(yù)警與應(yīng)急子系統(tǒng)含生態(tài)風(fēng)險分區(qū)、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和事件后評估4個模塊。生態(tài)風(fēng)險分區(qū)模塊對生態(tài)風(fēng)險評估結(jié)果以專題圖的形式進行空間表達,支撐各類空間分析。預(yù)警模塊基于聯(lián)合監(jiān)測,用水供需平衡分析和水質(zhì)預(yù)測結(jié)果,提供社會經(jīng)濟供水短缺預(yù)警、生態(tài)用水短缺預(yù)警、洪水水位預(yù)警和水環(huán)境質(zhì)量惡化預(yù)警功能,見圖4。應(yīng)急響應(yīng)模塊提供各類案例和水環(huán)境事件處理處置方法信息,并實現(xiàn)這些案例、水環(huán)境事件處理處置方法與預(yù)警信息(類型、級別)之間的自動關(guān)聯(lián),從而為應(yīng)急響應(yīng)提供決策參考。后評估模塊提供事件等級確認、損益評估、責(zé)任認定、環(huán)境影響分析等功能。2.3水技術(shù)管理水量調(diào)控子系統(tǒng)包括節(jié)水技術(shù)管理和沖突協(xié)調(diào)兩個模塊。節(jié)水技術(shù)管理實現(xiàn)示范工程、工業(yè)節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水等相關(guān)技術(shù)的查詢維護功能。沖突協(xié)調(diào)模塊基于水資源供需平衡分析,對水量配置進行多目標(biāo)綜合優(yōu)化,并形成水庫生態(tài)調(diào)度方案。2.4點源控制模塊污染源控制子系統(tǒng)包括點源控制和非點源控制兩個模塊。點源控制模塊主要實現(xiàn)重點污染源在線監(jiān)控以及對點源污染控制技術(shù)的查詢和維護。非點源控制要實現(xiàn)非點源負荷計算以及對非點源污染控制技術(shù)的查詢和維護。2.5區(qū)域凈化該模塊主要實現(xiàn)對入淀河流污染控制技術(shù)和淀區(qū)水質(zhì)改善技術(shù)的查詢和維護功能。2.6綜合控制綜合調(diào)控子系統(tǒng)包括水質(zhì)對污染特征的判別模塊和技術(shù)評估模塊,實現(xiàn)對各類技術(shù)的綜合評估,并最終形成綜合調(diào)控方案。2.7克林知識庫提供相關(guān)的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的查詢維護功能。3關(guān)鍵技術(shù)3.1在線監(jiān)測與位置在線評價將生態(tài)系統(tǒng)健康評價與生態(tài)、環(huán)境要素在線監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合,在明確白洋淀水生態(tài)系統(tǒng)健康標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,通過豐富和完善對水文、環(huán)境過程影響響應(yīng)顯著的生物過程監(jiān)測指標(biāo)(如浮游生物葉綠素變化等指標(biāo)),特別是結(jié)合水量與水質(zhì)時空變異與水生態(tài)系統(tǒng)健康閾值量化關(guān)聯(lián)分析,提出基于水量-水位-水質(zhì)-葉綠素遠程智能在線監(jiān)測的水生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測、診斷及評價同步分析技術(shù),實現(xiàn)小時空尺度在線監(jiān)測與大時空尺度水生態(tài)系統(tǒng)健康評價技術(shù)的有機融合。3.2s之間的緊密集成近年來,為了提高環(huán)境模型的預(yù)測、模擬能力及易用性,出現(xiàn)了環(huán)境模型與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)集成的趨勢。模型與GIS之間的集成,按照集成的緊密程度一般可分為外聯(lián)式集成、半緊密內(nèi)嵌式集成和緊密內(nèi)嵌式集成三種方式。本系統(tǒng)采用外聯(lián)式和半緊密式內(nèi)嵌方法,實現(xiàn)了對水質(zhì)模型、水生態(tài)模型、健康評估模型等的綜合集成,在集成效率上還有較大的提升空間,緊密內(nèi)嵌式集成是需要進一步研究的問題之一。如何將這些模型合理地組織好,方便用戶交互和訪問也是本系統(tǒng)設(shè)計需要進一步完善的問題。4流域綜合決策支持系統(tǒng)建設(shè)在充分挖掘白洋淀污染源控制、富營養(yǎng)化與沼澤化治理、長效生態(tài)節(jié)水及流域綜合管理協(xié)調(diào)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計了集水環(huán)境健康診斷、水生態(tài)安全預(yù)警與應(yīng)急、水量調(diào)控、污染源控制、淀區(qū)凈化、綜合調(diào)控、知識庫子系統(tǒng)于一體的白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決