白洋淀水生態綜合調控決策支持系統研究

白洋淀位于北京、天津和石頭的中心，位于九河下游，在區域生態安全體系建設中發揮著非常重要的作用。如何正確認識白洋淀生態系統的水量/水位、水質和水生態系統健康的恢復技術之間的內在關系,進行水生態調控技術的科學決策,提高流域生態安全預警能力和應急水平,是保障白洋淀水生態安全,亟需解決的關鍵問題。在這樣的背景下,建立一套切實可行的流域水生態綜合調控決策支持系統,實現對流域生態系統健康的動態診斷,提高對生態風險的預警防范能力,并為水量配置和污染控制提供科學的解決方案,對保障白洋淀流域水生態安全具有十分重要的戰略意義。決策支持系統是為改善對復雜模糊的戰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。20世紀70年代起,國際上開始研究環境決策支持系統(EDSS)。近年來,隨著地理信息系統(GIS)技術的發展,基于GIS的EDSS得到了快速發展,GIS強大的空間數據存儲分析能力及其在地理信息可視化方面的優勢得到了充分發揮。國內外EDSS在流域水環境綜合管理方面的實際應用上都已取得一定成就,這些系統多以水質目標管理或者水資源優化配置為出發點,以流域水生態系統健康和生態安全保障為目標是目前流域水生態綜合調控決策支持系統發展的重要趨勢之一。白洋淀水生態綜合調控決策支持系統建設是在充分挖掘白洋淀污染源控制、富營養化與沼澤化治理、長效生態節水及流域綜合管理協調相關研究成果的基礎上,基于水質-水量-水生聯合監測與模擬,設計的集水生態系統健康診斷、水生態安全預警與應急、水量調控、污染物控制、淀區凈化、綜合調控、知識庫子系統于一體的白洋淀水生態綜合調控決策支持系統,為白洋淀流域的水生態安全保障提供分層次、可視化的決策方案。1系統的全球設計1.1友好-管理有效建立白洋淀“水量保證-水質改善-生態健康-環境友好-管理有效”數字化管理技術平臺,實現監測-模擬-評估-技術決策一體化的系統集成,為白洋淀流域的水環境和水生態綜合調控提供信息化技術保障。1.2生態風險評估及預警動態數據采集模塊是整個系統構建的基礎,系統通過水量-水質-水生態聯合監測、流域水環境污染在線源監控,以及社會經濟數據和知識庫的動態更新,為白洋淀流域水質模擬、水生態系統健康診斷、生態風險評估與預警,以及水量供需平衡分析提供數據支持。模型評估的結果可為綜合調控管理目標的確定提供依據,從而指導基于綜合指數法的技術評估,并最終基于技術評估結果生成綜合調控方案,見圖1。2系統功能設計2.1數據收集和錄入該子系統包括水量-水質-水生態聯合監測、水質模擬和健康評價3個模塊。系統可實現對水位、常規水質指標、葉綠素指標的在線連續監測和水生態指標數據的錄入。這些監測數據為水生態系統健康評價提供支撐見圖2。聯合在線監測的結果也可作為水質模擬(基于WASP)的依據,水質模擬結果(TN、TP濃度、葉綠素a濃度等)可作為水生態模擬(基于Stella)的輸入。水質和水生態模擬結果(如浮游植物生物量)共同支撐水生態系統健康預測見圖3。2.2預警和應急響應模塊水生態安全預警與應急子系統含生態風險分區、預警、應急響應和事件后評估4個模塊。生態風險分區模塊對生態風險評估結果以專題圖的形式進行空間表達,支撐各類空間分析。預警模塊基于聯合監測,用水供需平衡分析和水質預測結果,提供社會經濟供水短缺預警、生態用水短缺預警、洪水水位預警和水環境質量惡化預警功能,見圖4。應急響應模塊提供各類案例和水環境事件處理處置方法信息,并實現這些案例、水環境事件處理處置方法與預警信息(類型、級別)之間的自動關聯,從而為應急響應提供決策參考。后評估模塊提供事件等級確認、損益評估、責任認定、環境影響分析等功能。2.3水技術管理水量調控子系統包括節水技術管理和沖突協調兩個模塊。節水技術管理實現示范工程、工業節水、農業節水等相關技術的查詢維護功能。沖突協調模塊基于水資源供需平衡分析,對水量配置進行多目標綜合優化,并形成水庫生態調度方案。2.4點源控制模塊污染源控制子系統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重點污染源在線監控以及對點源污染控制技術的查詢和維護。非點源控制要實現非點源負荷計算以及對非點源污染控制技術的查詢和維護。2.5區域凈化該模塊主要實現對入淀河流污染控制技術和淀區水質改善技術的查詢和維護功能。2.6綜合控制綜合調控子系統包括水質對污染特征的判別模塊和技術評估模塊,實現對各類技術的綜合評估,并最終形成綜合調控方案。2.7克林知識庫提供相關的法律法規、技術標準的查詢維護功能。3關鍵技術3.1在線監測與位置在線評價將生態系統健康評價與生態、環境要素在線監測技術相結合,在明確白洋淀水生態系統健康標準的基礎上,通過豐富和完善對水文、環境過程影響響應顯著的生物過程監測指標(如浮游生物葉綠素變化等指標),特別是結合水量與水質時空變異與水生態系統健康閾值量化關聯分析,提出基于水量-水位-水質-葉綠素遠程智能在線監測的水生態系統健康監測、診斷及評價同步分析技術,實現小時空尺度在線監測與大時空尺度水生態系統健康評價技術的有機融合。3.2s之間的緊密集成近年來,為了提高環境模型的預測、模擬能力及易用性,出現了環境模型與地理信息系統(GIS)技術集成的趨勢。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式集成、半緊密內嵌式集成和緊密內嵌式集成三種方式。本系統采用外聯式和半緊密式內嵌方法,實現了對水質模型、水生態模型、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設計需要進一步完善的問題。4流域綜合決策支持系統建設在充分挖掘白洋淀污染源控制、富營養化與沼澤化治理、長效生態節水及流域綜合管理協調相關研究成果的基礎上,設計了集水環境健康診斷、水生態安全預警與應急、水量調控、污染源控制、淀區凈化、綜合調控、知識庫子系統于一體的白洋淀水生態綜合調控決