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(rèn)識(shí)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(jìn)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(wèn)題。在這樣的背景下,建立一套切實(shí)可行的流域水生態(tài)綜合調(diào)控決策支持系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)健康的動(dòng)態(tài)診斷,提高對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(duì)復(fù)雜模糊的戰(zhàn)略管理問(wèn)題的認(rèn)識(shí)及解決而建立的基于計(jì)算機(jī)的靈活可變的交互式信息系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代起,國(guó)際上開(kāi)始研究環(huán)境決策支持系統(tǒng)(EDSS)。近年來(lái),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(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析能力及其在地理信息可視化方面的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮。國(guó)內(nèi)外EDSS在流域水環(huán)境綜合管理方面的實(shí)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(diǎn),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(shì)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(yíng)養(yǎng)化與沼澤化治理、長(zhǎng)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(cè)與模擬,設(shè)計(jì)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(shí)庫(kù)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(jì)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(tái),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)-模擬-評(píng)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(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ),系統(tǒng)通過(guò)水量-水質(zhì)-水生態(tài)聯(lián)合監(jiān)測(cè)、流域水環(huán)境污染在線(xiàn)源監(jiān)控,以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)和知識(shí)庫(kù)的動(dòng)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(xiǎn)評(píng)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(píng)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(píng)估,并最終基于技術(shù)評(píng)估結(jié)果生成綜合調(diào)控方案,見(jiàn)圖1。2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)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(cè)、水質(zhì)模擬和健康評(píng)價(jià)3個(gè)模塊。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水位、常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)、葉綠素指標(biāo)的在線(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)和水生態(tài)指標(biāo)數(shù)據(jù)的錄入。這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)提供支撐見(jiàn)圖2。聯(lián)合在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)見(jiàn)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(xiǎn)分區(qū)、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和事件后評(píng)估4個(gè)模塊。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)模塊對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果以專(zhuān)題圖的形式進(jìn)行空間表達(dá),支撐各類(lèi)空間分析。預(yù)警模塊基于聯(lián)合監(jiān)測(cè),用水供需平衡分析和水質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果,提供社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jiàn)圖4。應(yīng)急響應(yīng)模塊提供各類(lèi)案例和水環(huán)境事件處理處置方法信息,并實(shí)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(lèi)型、級(jí)別)之間的自動(dòng)關(guān)聯(lián),從而為應(yīng)急響應(yīng)提供決策參考。后評(píng)估模塊提供事件等級(jí)確認(rèn)、損益評(píng)估、責(zé)任認(rèn)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(gè)模塊。節(jié)水技術(shù)管理實(shí)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(xún)維護(hù)功能。沖突協(xié)調(diào)模塊基于水資源供需平衡分析,對(duì)水量配置進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化,并形成水庫(kù)生態(tài)調(diào)度方案。2.4點(diǎn)源控制模塊污染源控制子系統(tǒng)包括點(diǎn)源控制和非點(diǎn)源控制兩個(gè)模塊。點(diǎn)源控制模塊主要實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)污染源在線(xiàn)監(jiān)控以及對(duì)點(diǎn)源污染控制技術(shù)的查詢(xún)和維護(hù)。非點(diǎn)源控制要實(shí)現(xiàn)非點(diǎn)源負(fù)荷計(jì)算以及對(duì)非點(diǎn)源污染控制技術(shù)的查詢(xún)和維護(hù)。2.5區(qū)域凈化該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xún)和維護(hù)功能。2.6綜合控制綜合調(diào)控子系統(tǒng)包括水質(zhì)對(duì)污染特征的判別模塊和技術(shù)評(píng)估模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)技術(shù)的綜合評(píng)估,并最終形成綜合調(diào)控方案。2.7克林知識(shí)庫(kù)提供相關(guān)的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的查詢(xún)維護(hù)功能。3關(guān)鍵技術(shù)3.1在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與位置在線(xiàn)評(píng)價(jià)將生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)與生態(tài)、環(huán)境要素在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(guò)豐富和完善對(duì)水文、環(huán)境過(guò)程影響響應(yīng)顯著的生物過(guò)程監(jiān)測(cè)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(shí)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(yuǎn)程智能在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的水生態(tài)系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)、診斷及評(píng)價(jià)同步分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)小時(shí)空尺度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與大時(shí)空尺度水生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)技術(shù)的有機(jī)融合。3.2s之間的緊密集成近年來(lái),為了提高環(huán)境模型的預(yù)測(cè)、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(shì)。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(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)模型、水生態(tài)模型、健康評(píng)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(jìn)一步研究的問(wèn)題之一。如何將這些模型合理地組織好,方便用戶(hù)交互和訪(fǎng)問(wèn)也是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步完善的問(wèn)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(yíng)養(yǎng)化與沼澤化治理、長(zhǎng)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(jì)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(shí)庫(kù)子系統(tǒng)于一體的白洋淀水生態(tài)綜合調(diào)控決