中小型河流水質預警系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及水環境預警領域，具體是一種中小型河流水質預警系統。
【背景技術】
[0002] 水質預警模型方面：20世紀20年代中期一70年代初期是初級階段，這一階段為簡 單的一維穩態模型。20世紀70年代初期一80年代中期是迅速發展階段，這一階段水質模 型研究對象擴展到多環境介質，同時模型由一維穩態擴展到多維動態，水質模型更接近于 實際。20世紀80年代中期至今是深化發展階段，該階段水質模型與面源模型相對接，以使 面污染源可被連入初始輸入。總體來說，國外對水質模型的研究比國內的研究要早，已建立 了多種水質模型并將其軟件化，廣泛應用于水質規劃及環境治理。我國對河流水質模型的 研究尚處于初期階段，大多是只對水質的變化規律進行監測和趨勢研究。
[0003] 水質預警系統方面，國外關于水質預警技術的研究起步較早，也比較成熟。目前， 歐美主要河流上基本都已建成較完善的水質預警信息系統，并取得了較好的應用效果。在 我國大江大河以及大部分地市級集中式飲用水源地都已建成水質自動檢測系統，進行水質 監測預警。目前，國內的預警技術也出現了在區域上的應用。何強以三峽庫區流域為研究 對象，開發了一體化的水污染綜合管理信息系統，為三峽庫區突發性水污染事故的應急管 理提供了一種信息化的技術手段。張野等利用WASP水質模型構建了某市水廠地表水水質 預警模型系統，基于上游監測斷面和水廠取水口的水質監測數據，對各水廠在預警監測斷 面處的水質指標進行預測分析。在水質預警系統功能方面，目前的研究大多是基于水質指 標的監測數據，實現報警和應急處理。
[0004] 應急監測方面：應急監測主要針對突發水污染事故處置，目前各省市基本配備應 急監測隊伍和設備。
[0005] 綜上所述，目前水質預警模型、水質預警系統以及應急監測方面，國內外都有不同 程度的發展，但是能將三者有機結合，做到快捷、靈活、高效使用，還有一定距離。本次申報 的中小型河流水質預警系統集水質預警模型、水質在線監測體系、水質應急監測體系以及 水質預警處理系統為一體，可用于所有中小型河流，不僅靈活、快捷，而且適用范圍廣。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種中小型河流水質預警系統，以解決現有技術存在的問 題。
[0007] 為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：
[0008] 中小型河流水質預警系統，其特征在于：包括數據采集層、數據傳輸層、數據處理 層、數據存儲層、決策支持層、決策調度層，其中：
[0009] 數據采集層完成數據采集工作，數據采集層采集的數據源包括實時監測數據和非 實時常規數據，其中實時監測數據由自動監測站完成數據采集，非實時常規數據由人工采 集并以excel和記事本兩種格式儲存在數據庫中；
[0010] 數據傳輸層負責傳輸數據采集層采集的各類數據，數據傳輸層根據各類采集工作 的地理位置、網絡環境現狀、緊急程度和所采集數據類型的不同，采用有線或無線的通訊方 式傳輸數據；
[0011] 數據處理層又稱為預警分析層，一方面，數據處理層將采集的實時水質數據、水文 數據、非實時GIS數據、遙感數據、污染源數據進行加工處理，處理過程包括數據標準和格 式的統一、數據錄入、數據整理、數據導入及導出接口開發，數據處理層同時通過數據庫管 理系統實現數據維護與更新，另一方面數據處理層對非常規數據進行預警分析，并向預警 平臺發出預警信息；
[0012] 數據存儲層以此預警平臺為基礎，構建三種數據庫，包括：一、實時的水質數據庫、 水文數據庫；二、非實時的地理空間數據庫、工業企業風險源數據庫、污染源信息、專家知識 庫；三、模型計算成果數據庫；數據存儲層將水文信息、污染源信息、河道形狀信息、土地利 用信息、污染源風險信息錄入系統數據庫，以便查詢；
[0013] 決策支持層中構建業務分析子系統，業務分析子系統由若干功能服務模塊組成， 提供模型計算、知識推理，共同解決水污染事故預警及應急響應中的問題，包括水文預報預 警、水質預報預警以及水質預警處理，功能服務模塊包括數據庫的存儲和調取、模型預測計 算、知識推理、預警處理；其中模型包括水文模型、水流模型、水質模型；
[0014] 決策調度層基于決策支持層提供的各類決策信息，利用監控中心提供的硬件環 境，為領導、專家和業務管理人員提供決策調度的支撐平臺，實現水污染事故預警監控的工 作目標。
[0015] 本發明優點為：①軟件和硬件結合，數據可獲得性強；②適用范圍廣，能用于所有 中小型河流；③軟件平臺方便使用，可靈活運用，可操作性強。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明系統邏輯結構框圖。
[0017] 圖2為本發明【具體實施方式】中水文模型結構圖。
[0018] 圖3為本發明【具體實施方式】中Y形樹狀河網求解示意圖。
[0019] 圖4為本發明【具體實施方式】中樹狀河網水流計算框圖。
[0020] 圖5為本發明【具體實施方式】中第i河段物質輸運示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 如圖1所示，中小型河流水質預警系統，包括數據采集層、數據傳輸層、數據處理 層、數據存儲層、決策支持層、決策調度層，其中：
[0022] 數據采集層完成數據采集工作，數據采集層采集的數據源包括實時監測數據和非 實時常規數據，其中實時監測數據由自動監測站完成數據采集，非實時常規數據由人工采 集并以excel和記事本兩種格式儲存在數據庫中；
[0023] 數據傳輸層負責傳輸數據采集層采集的各類數據，數據傳輸層根據各類采集工作 的地理位置、網絡環境現狀、緊急程度和所采集數據類型的不同，采用有線或無線的通訊方 式傳輸數據；
[0024] 數據處理層又稱為預警分析層，一方面，數據處理層將采集的實時水質數據、水文 數據、非實時GIS數據、遙感數據、污染源數據進行加工處理，處理過程包括數據標準和格 式的統一、數據錄入、數據整理、數據導入及導出接口開發，數據處理層同時通過數據庫管 理系統實現數據維護與更新，另一方面數據處理層對非常規數據進行預警分析，并向預警 平臺發出預警信息；
[0025] 數據存儲層以此預警平臺為基礎，構建三種數據庫，包括：一、實時的水質數據庫、 水文數據庫；二、非實時的地理空間數據庫、工業企業風險源數據庫、污染源信息、專家知識 庫；三、模型計算成果數據庫；數據存儲層將水文信息、污染源信息、河道形狀信息、土地利 用信息、污染源風險信息錄入系統數據庫，以便查詢；
[0026] 決策支持層中構建業務分析子系統，業務分析子系統由若干功能服務模塊組成， 提供模型計算、知識推理，共同解決水污染事故預警及應急響應中的問題，包括水文預報預 警、水質預報預警以及水質預警處理，功能服務模塊包括數據庫的存儲和調取、模型預測計 算、知識推理、預警處理；其中模型包括水文模型、水流模型、水質模型；
[0027] 決策調度層基于決策支持層提供的各類決策信息，利用監控中心提供的硬件環 境，為領導、專家和業務管理人員提供決策調度的支撐平臺，實現水污染事故預警監控的工 作目標。
[0028] 決策支持層中：
[0029] 一、水文模型
[0030] 根據輸入的降雨過程，模擬出流域的產流過程，非點源污染負荷，模擬出流域的非 點源產污過程建立；
[0031] 水文模型原理：
[0032] 模型的主要結構見圖2,主要計算方法如下。
[0033] L產流部份
[0034] ①產流面積：將全流域面積分為不透水面積頂P和透水面積（1-頂P)兩部份。 在透水面積上根據地表下滲的特點設定變動滲漏面積AA，其余則為一般滲漏面積BB (= 1-IMP-AA)。AA隨土濕而變，變幅可自最濕時的0增至最干時的IA。當降水滿足上層土壤 的缺水量（主要指植物截留等表層缺水量）后，后續降雨在AA面積上全部滲漏補充地下。 在BB面積上可形成直接徑流Rd2,下滲部分補充土壤缺水量，形成地下徑流Rg2。
[0035] ②產流方式：既可模擬超滲產流，又可模擬蓄滿產流。土壤達田間持水量之前的產 流是超滲產流，降雨只產生直接地表徑流；達田間持水量后的產流是蓄滿產流，能產生直接 地表徑流和地下徑流。
[0036] 平原坡水區總體上是以蓄滿產流為主的地區，但由于平原地區蒸散發量較大，久 旱后的短歷時暴雨仍可能形成超滲產流，或一場降雨的前期是超滲產流而后期是蓄滿產 流，山區以超滲產流為主。變動產流方式與單一產流方式所形成的出流過程是不同的，模型 兼容了兩種產流方式。
[0037] ③蒸散發計算：按常見的三層蒸散發模型計算。主要計算公式為
[0038] EP = K*EW，EU = EP，EL = EP*WL/WLM，ED = OEP (I)
[0039] 式中EP、EW、EU、EL、ED分別為流域蒸散發能力、實測水面蒸發量、和上層、下層、深 層土壤蒸散發量;WL和WLM分別為下層土壤蓄水量和蓄水容量；K和C分別為流域蒸散發折 算系數和深層蒸散發折算系數。
[0040] 考慮到地下水位的變幅較大，久旱后地下水位的不斷下降會逐漸降低深根植物的 散發作用，上式中C值宜取作變量。計算中取C值隨下層土壤蓄水量WD和下層土壤蓄水容 量WDM的比值WD/WDM而變，其關系如下：
[0041] 當 WD/WDMX). 5 時，C = C0
[0042] 當 0· 5>WD/WDM>0. 2 時，C = 0· 5*C。
[0043] 當 0· 2>WD/WDM>0. 1 時，C = 0· 2*C0
[0044] 當 0· DWD/WDM 時，C = 0· 1*C。 (2)
[0045] ④滲漏面積：滲漏面積AA的計算公式為
[0046]
(3)
[0047] 式中IA為最大滲漏面積，WL和WD為下、深層土壤蓄水量，LD = WLM+WDM，WUM、WLM、 WDM分別為上、下、深層土壤蓄水容量，WM = WUM+WLM+WDM，XX為經驗指數，上式反映了 AA與 土濕的關系。
[0048] 下祓公才.
[0049] … 一 ⑷：
[0050] 式中FF為下滲率，FC為穩滲率，X，Y為經驗系數。
[0051] 2.匯流部分
[0052] 為考慮匯流的非線性影響，地下徑流和直接徑流的流域匯流均采用非線性水庫加 滯時（L)的演算方法，即聯解下列方程
[0053]
(5)：
[0054] 式中K、m為非線性水庫系數，直接徑流和地下徑流分別用K1J1、和K 2、m2表示。求 解時可用迭代法。
[0055] 3.非點源產污模型
[0056] 農村生活排放的生活污水、垃圾，農田施用的農藥和化肥等。這些污染物并不直接 排入河道，一般是通過降雨產流把污染負荷帶入河道的。通過分析流域的非點源污染負荷 平衡，采用如下的非點源產污模型。
[0057] ①非點源污染負荷Qin
[0058] 非點源污染負荷Qin表示單位時間全流域的污染物產出量，