污染源监测分析设计

本文作者：徐文帅、石爱军、游智敏、王 瑶、邢 超 单位： 北京市环境保护监测中心、北京北江高科信息技术有限公司

随着《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》的，污染源在线监测数据已可以作为总量减排的首选依据，针对污染源企业的在线监控在环境监管中扮演着越来越重要的角色，深入开展污染源在线监测和充分利用污染源在线监测数据也逐渐成为环境保护工作的一项主要内容。北京市是我国率先开展污染源在线监测的城市之一，目前北京市的污染源在线监测系统已由当初以环境监测部门单一负责维护运行为主的模式转为多个部门分工协作的模式。新的运行模式需要多个用户在不同地点实时地获取和分析污染源在线监测信息，原有C/S结构面向单一客户端的软件系统已无法满足当前需求。另外，经过多年针对污染源在线监测工作的不断发展，北京市环境保护监测中心积累了包含各种空间信息的大量在线监测数据，一直缺少更直观的方法来综合展示和分析这些监测数据，需要建立一套包含地理信息、功能更强、效率更高的污染源在线监测监控和综合分析系统。本文根据北京重点污染源在线监测的新需求，基于地理信息系统技术，将北京市空间信息数据与环境信息数据相结合，建立北京市重点污染源的在线监测监控系统，实现了海量在线监测数据的管理、查询和分析与空间有关的环境信息，在GIS地图中对环境信息进行丰富的可视化展示、数据超标和仪器异常报警、环境信息空间化综合分析等功能。旨在探索将来在环境管理、规划工作中如何更加合理、有效地应用地理信息技术。

1系统的设计

1.1系统的结构系统的框架结构如图1所示，主要通过集合重点锅炉烟气、污水处理厂和地表水的在线监测系统，根据各排污单位和水系的空间数据信息，建立污染源的动态数据库，搭建基于GIS的软件平台，将区域属性和河流水系的空间数据库与环境信息数据相结合，实现了在地理信息系统中进行环境信息展示、统计、分析和数据报警等功能。为了提高系统的稳定性，方便多用户在不同地点更便捷、高效地获取和处理各类污染源信息，系统配置3台服务器分别用于监测数据库、空间数据库和软件平台部署。

1.2污染源数据库污染源数据库结构设计参考美国EPA的NIF3.0(NationalInventoryFormatVersion3.0)，并结合国内排污申报和收费软件系统的数据要求，根据污染源的空间特性进行设计。首先确定排放源地理位置，然后由其地理位置来关联点源的属性表，可以是一对一或一对多的关系。例如排放源的位置关联点源信息、点源装备信息等属性表。通过排放源的位置信息(如地理位置、位置名称、区县的位置名称、污染源类型等)就可以关联点源信息(单位法人代码、企业规模、生产日期等)以及点源装备信息(主要有排放装备类别代码、装备数量、设计生产量、设备状况、安装时间等)的属性信息表。地表水的数据结构与污染源的类似，也是根据水系的名称和空间属性信息进行关联，再录入相应的在线监测数据。污染源数据库目前主要收集北京市重点锅炉烟气、污水处理厂和地表水三大类的在线监测系统的数据，包含各类污染物的排放动态变化、物理参数和在线监测设备的运行状态等实时数据。其中北京市锅炉烟气在线监测系统主要监控北京市锅炉功率为20蒸吨/小时或烟囱高度大于等于45m的重点污染源，该系统监测的数据包括锅炉烟气的排放量参数(流速、温度、压力、含氧量)和污染物参数(烟尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、不透明度等)，锅炉烟气在线监测数据的时间分辨率为5min。污水处理厂在线监测系统针对北京市各污水处理厂出入水口进行在线监测，监测项目主要有pH、水温、CODcr、氨氮、TOC等水质参数以及自动监测仪器设备运转状态，由于水质仪器的自动分析和处理耗时较长，污水处理厂在线监测数据的频次为每4h一次。地表水环境在线监测系统的监测数据包括北京市主要水库、河流断面自动监测水站的数据，涵盖pH、水温、溶解氧、浊度、电导率、COD、氨氮、TOC等参数，地表水在线监测系统的监测频次与污水处理厂一样，为每4h一次。

1.3空间数据库空间数据库如表1所示，分为北京市的行政区划、水系、遥感影像、道路交通等5类。本文运用1∶50000的数字高程数据(DEM)与30m分辨率的遥感影像(TM)叠加，作为基础地形数据图层，实现了三维地形的展示。水系数据包括分辨率为1∶50000的北京市各大主要河流和水库数据。系统利用这些基础地理数据，根据锅炉烟气污水处理厂排污口的地理位置、地表水的水系经纬度信息制作污染源点位图层以及地表水系的空间分布图层，从而将空间信息数据库和污染源信息数据库有机地结合起来进行综合管理，为污染源管理提供有效的服务和支持。

1.4基于GIS的软件平台设计系统的软件平台基于B/S架构进行建设，即浏览器/服务器模式的WebGIS系统［1］，主要采用Java和JavaScript语言进行开发，数据库选取Oralce10，体系结构参照业界标准的3层体系结构，分为表示层、业务层、数据层(如图2)。

1.4.1表示层表示层是用户使用应用系统的接口，系统表示层的页面查询使用Ext类库中的Ajax组件［2］，地图上的信息绘制采用了VML语言，曲线图使用了flot组件，用户可以将鼠标移到图片上即可显示该点相对应的数值。通过这些技术，可以使用户在Internet浏览器端不需要安装任何插件的情况下更快速地使用系统的所有功能，而且大大减少了软件与数据库服务器间的交互操作，提升了服务器的运行效率。

1.4.2业务层业务层是实际业务规则的执行部分，数据的录入、查询、统计都通过业务层(数据访问层)完成。本系统在业务层地图访问部分选用ESRI公司的ArcSDE9.2及ArcIMS9.2。ArcIMS［3］是新一代的WebGIS软件，可以在服务器和浏览器或其他客户间建立“数据流”，使用户可以将本地数据与Internet上的数据结合起来，从而在万维网即可稳定地使用地理信息系统各项功能;ArcSDE则可以有效地对空间地形数据进行管理，能够实现各种GIS软件所具备的放大缩小等基本操作，还能快速实现各种复杂的空间信息查询功能。业务层中的数据库访问组件部分选用通过JDBC封装访问Oracle的数据，为数据访问提供统一的访问规则。

1.4.3数据层数据层是空间数据和污染源数据的存放地。污染源数据在Oracle数据库中存储，访问污染源数据通过JDBC来完成。而地理数据则通过ArcSDE存放在数据库中，供ArcGISServer进行访问。

2系统的主要功能和应用

2.1环境信息展示和超标报警功能北京市重点废气污染源具有明显的季节特性，除了常年生产运行的工业企业外，还有大量只在采暖季节运行的采暖锅炉。针对此特点，本系统增加了分组方式来控制展示的污染源数量，如锅炉烟气分为电厂、采暖锅炉、固废焚烧、工业锅炉等类别，这样可以在更便捷、直观地表征污染源的排放状况的同时有效地减少服务器的负荷。在系统的展示功能界面(如图3所示)上，用户可勾选分组面板的复选框控制地图上污染源显示的数量，当选中后，即可在页面上显示污染物的实时排放信息和地图信息，系统还在页面上将污染物浓度的实时数值用柱状图等形式在污染源点位上实时展示，同时根据国家和北京市的污染物排放标准，针对各类污染源企业排放的每一类污染物的排放标准进行设定，以不同颜色对污染物排放的级别进行区分，并将结果渲染到地图上。当监测数值超过排放标准或通信异常时，系统将通过短信的方式向相关负责人进行报警。

2.2查询和统计分析功能系统提供了两种查询方式:一种是在地图上直接框选一个或多个污染源，另一种方式是输入污染源企业名称查询。以地图查询为例，当用户选中某一污染源企业后，地图上自动弹出包含该污染源单位属性和污染物即时监测数据等常用基本信息的小窗口(如图4所示)，单位属性信息主要包括监测企业名称和企业负责监测设备运行的联系人信息，即时监测数据主要是各类污染物和物理参数的监测数据，系统对超过标准限值的数据以较明显的颜色进行区分。当基本信息无法满足用户需求或者用户欲查询污染源企业相关的统计报表时，用户可点击基本信息页面中的详细信息，即可获得污染源在线监测数据的统计分析信息，系统可提供各类污染物排放变化曲线图、当日排放情况统计表以及日、周、月排放的统计信息(见图5)。

2.3扩散模型模拟展示在系统中加入高架点源高斯扩展模型，根据气象条件的变化，模拟计算锅炉烟气污染源排放的污染物在大气中的扩散情况，按照指定的污染物和时间，在地图上将模拟结果绘制出污染扩散信息的效果，模拟结果可以随着时间的变化在空间上进行动态展示(如图6)。根据污染扩散模型，可以评估污染源对不同区域空气质量的影响，为制定重点锅炉烟气的控制措施提供科学的依据。

2.4GIS空间分析功能本系统还提供了在web页面下的空间分析功能。用户可以在GIS地图上通过以污染源或空气自动监测站点为中心，查询周边3km、5km范围内的空气质量监测站或污染源企业的状况(如图7)。在地图上标注站点和查询范围的同时，也会在左侧列出3km、5km范围内站点信息列表，通过这个GIS的空间分析功能，可以了解空气质量监测站点周边的污染源分布状况，为空气质量自动监测站的位置选取提供帮助。2.5基于GIS的水环境综合分析和管理功能北京市地处我国华北平原西北边缘，北靠军都山，西有西山，东南部为平原，外来河流流入较少，这样的地势特点决定了北京市的水环境质量主要受本地污染源影响，因此污水处理厂对水环境质量具有举足轻重的作用。本系统将重点污水处理厂和水环境质量的在线监测系统集成在GIS中(见图8)，实现空间信息和水环境信息相结合。业务人员通过基于GIS的综合分析功能，可以在地图上快速有效地分析水环境质量和污水处理厂排放之间的关系，如当水环境质量出现异常时，可以通过GIS系统对其上游的污水处理厂的排放数据进行查询和分析。反之亦然，当污水处理厂排放的污染物超标时，可以快速地分析其对下游河流水环境质量的影响状况。这一功能进一步提升了决策部门对污染源的监管水平，并为业务人员了解水环境质量与污染源之间的相互影响关系提供了更好的分析手段。

3结论与展望

建立基于GIS技术的北京市重点污染源在线监测系统，将环境信息和空间地理信息相结合，实现了对重点锅炉、污水处理厂、地表水等点状和线状环境在线监测信息的展示、统计分析、超标报警等功能，提升和丰富了环境管理的手段和方式。在系统中实现了污染模型的图形化展示以及结合污染源信息的空间分析功能，为污染源的控制以及监测点位的选取等环境管理决策提供了新的技术帮助。同时使用了互联网比较先进的Ajax技术等，进一步提高了系统的稳定性和效率。本系统只对重点锅炉烟气、污水处理厂和地表水环境质量的信息进行了管理和研究，还需进一步引入大气环境质量信息等信息，不断加强对重点锅炉烟气污染源和大气环境质量之间的研究，从而更科学、更便捷地为环境管理提供帮助。