污水处理设施是控制水污染的主要手段, 对解决经济高速发展与快速城镇化带来的环境问题起到至关重要的作用^[1]。目前关于污水处理厂方面的研究主要集中在设备的处理技术、建厂选址等问题, 忽略了对污水处理厂的信息化管理。近年来, 数字信息化发展迅速, 国内外研发了许多GIS系统运用于相关流域管理, 国外研究成果有美国俄亥俄河水质监测系统^[2]、BASINS流域识别模拟系统^[3]和英国的泰晤士河流域决策支持系统^[4]等。国内出现较早的水质污染在线监测产品有西安交通大学的污染源在线监控与预警系统^[5]和大连理工大学的水库洪水调度信息查询系统^[6]等。这些系统在当地投入使用后都取得了较好的效果, 然而现有的各类流域信息系统中, 研究内容只涵盖流域水质监测、环境信息管理等方面, 并没有针对流域污水厂群信息管理。

在严峻的水污染形势下, 不仅需要通过改进污水处理技术逐渐改善水质, 更需要一个成熟稳定运行的污水处理厂群管理系统, 利用软件平台对全流域污水厂进行统一管理, 指导厂群对流域污染物进行集群调控, 在短时间内提升流域污水厂群的调控能力。因此, 建立一个厂群管理系统, 实现全流域的污水厂群互联互通, 合理分配污水处理任务, 对改善流域水质、缓解水污染问题都具有重要的指导意义。

系统选择我国松花江流域作为研究区。松花江流域流经黑龙江、吉林两省大部分地区和内蒙古自治区东部地区, 共25个地(市、州、盟)、105个县(旗、区、市)^{[7, 8]}。地理跨度为41°42′N~51°38′N、119°52′E~132°31′E, 东西长920 km, 南北宽1 070 km, 流域面积55.68万km^{2[9, 10]}。

截至2013年底, 沿江已建成城镇污水处理厂数量达93座, 其中, 已稳定运行81座, 污水年处理能力达7.19亿吨, 这些沿江建设的污水处理厂为松花江流域污染物削减和水环境改善提供了重要支持^[11]。然而, 目前松花江流域水环境管理中, 主要包括水质监测系统、流域数据统计系统和污水处理厂内部管理系统, 这些系统各自独立运行, 并没有实现全流域水环境专题信息的共享, 不利于进一步改善流域污水处理能力, 提升流域水质。本文收集了松花江流域水环境专题数据及各污水厂调控方案, 将其录入至系统数据库, 并根据监测断面创建厂群联动知识规则, 优化分配污水处理任务, 达到松花江流域污水处理厂集群优化管理的效果。

本文在集成流域信息管理技术与污水厂群调度模式基础上, 建立基于GIS的流域污水处理厂群模拟调度系统。系统程序在VS 2012(Microsoft Visual Stutio)平台环境中开发, 以C#为第一语言编写, 数据库管理系统选用SQL Server^[12], 通过ArcSDE连接系统数据库, 地理信息显示与空间数据分析等功能基于ArcGIS Engine组件实现, 水质动态模拟功能集成了EFDC(environmental fluid dynamics code)模型^[13]。

系统框架结构设计是在界面-功能-数据结构的基础上添加数据服务层与控制层(业务逻辑层), 总体框架为数据层-数据服务层-业务模型层-控制层-界面层结构。数据层指系统数据库中各项数据, 是系统最底层, 负责向数据服务提供数据; 数据服务层将系统数据库中各类数据以类的形式封装成数据接口, 为功能模块提供数据服务, 以此保障底层数据的安全性与稳定性; 业务模块层把系统各项功能需调用的具体代码程序打包, 在业务模块层实现系统操作时的各项事件代码; 控制层也称业务逻辑层, 将系统界面控制与功能业务模块按照具体工作流与其对应, 为系统实现提供清晰的逻辑, 达到高内聚、低耦合的作用; 表现层为系统最外层, 指系统各项功能窗体与对话框等界面。这种框架结构不仅可以保障底层数据的安全性, 还可以提高系统的稳定性, 控制层的合理利用增加了代码可读性与系统的可扩展性。系统框架结构设计如图 1所示。

图 1(Fig.1)

图 1 系统框架结构 Fig.1 Framework of System

系统数据库包含空间数据、属性数据、文件材料3种数据, 其数据类型多样且数据量大, 在数据管理时涉及属性信息与空间位置关联问题, 因而对数据库管理系统要求较高。系统数据库设计时采用分类管理模式, 将文件数据按其原有格式存放于系统运行目录的系统文件文件夹中, 将空间数据以GeoDatabase(.gdb)格式存放于系统运行目录的系统数据文件夹中, 并将系统属性数据存储于SQL Server数据库管理系统中, 在系统运行时通过数据库中各项数据接口调用相应内容。

在系统数据库中, 空间数据包括基础地理数据和水环境专题数据; 基础地理数据包括行政区划数据、道路交通数据、河流水域数据、地形地貌数据等构成地理信息系统的基本要素。在系统空间信息展示时用作底图渲染, 可以直观地描述地理位置。水环境专题数据包括污水处理厂数据、水文站数据、断面数据等包含空间位置点的流域相关数据, 这些数据为矢量格式, 以点要素的形式存储于数据库中, 为系统监测预警与模拟调度提供基础支撑。属性数据在系统数据库中以表的形式存储, 系统直接将各污水厂进出口数据、水质监测数据等信息录入至属性数据库, 通过与空间数据关联在地图上显示。文件材料数据在系统中存储于系统程序根目录下的数据文件夹中, 这类数据包括污水厂调控方案文档、系统工程文件、EFDC模型配置文件等数据, 为各功能模块提供相应的服务保障。系统数据库结构的设计流程如图 2所示。

图 2(Fig.2)

图 2 系统数据库结构 Fig.2 Structure of System Database

本系统包含基础数据管理、专题数据管理、断面水质监测、水质动态模拟、调控方案管理、厂群联动调度管理等6大功能模块。基础数据管理模块主要控制系统底图显示内容, 对底图数据、工程文件、系统图层进行管理; 专题数据管理模块对松花江流域范围内水文站、污水厂、监测断面进行操作, 将其相应属性信息与空间位置对应, 在系统空间数据库中进行存储与读写; 水质监测模块包括监测数据的导入、查询、统计、导出功能; 水质模拟模块包括原始数据输入、模型参数制定等, 可对松花江历史数据及调控方案进行模拟, 可将模拟结果导出; 调控方案管理模块对所有污水处理厂调控方案库进行管理, 可设置各类污染物超标预警阈值, 并对超标断面进行预警; 厂群联动调度管理模块对专家知识规则进行管理, 设置厂群间联动规则, 对松花江流域水污染进行污水厂集群调控, 生成调控方案。系统各项功能模块设计如图 3所示。

图 3(Fig.3)

图 3 系统功能模块 Fig.3 Modules of System Function

基础数据管理模块对基础地理数据进行添加、修改、删除等操作, 为其他模块提供基础数据支撑。作为系统底图管理模块, 实现了工程、数据、图层管理的相关操作。菜单栏中包含工程、数据、图层3大菜单, 各菜单的子菜单项分别处理相应的添加、修改、删除操作。在地图显示控件上方设置快捷工具栏, 包括指针、放大、缩小、漫游、全屏、选择要素、清空要素等地图交互工具, 方便用户对图层进行操作。

水环境专题数据管理模块为水质模拟模块与厂群调控模块提供专题数据保障。主要功能包括水文站信息管理、污水处理厂管理、断面信息管理, 菜单栏中包含站点管理、污水处理厂管理和断面管理。在站点管理中, 可对现有站点的属性信息进行查询、修改与删除, 同时支持新增水文站点的建立, 点击相应站点可连接至该站点监测信息进行查看; 在污水厂管理中, 可对流域范围污水厂群的属性信息进行查询、修改, 支持新建污水厂与删除污水厂, 通过点击某一污水厂可以查看该厂属性信息以及近期的污水进出口情况; 在断面管理中, 可添加、查询、修改、删除断面数据信息, 通过点击对应的断面可连接至对应的断面数据, 查看该断面监测的水环境相关的详细内容。所有站点、污水厂与断面位置都支持在地图上显示, 满足用户空间查询与地图交互需求。

断面水质监测功能主要是显示最新上报的监测数据, 并进行相应统计。具体包括监测数据导入与导出功能, 平台浏览监测数据功能, 分时间段、分污染源、分数据来源查询进行统计功能。在数据展示过程中, 系统根据预警系统中设置的不同阈值, 针对污染物超标情况选取不同颜色分级显示, 使用户能够更直观地了解各项数据的监测情况。系统支持用户自定义查询与统计, 可以指定时间段、区域、站点、污染源进行查询, 针对查询结果进行统计的结果以柱状图的形式显示, 其中, 查询统计的相关内容都可以以表格或图片的形式导出。

水质动态模拟模块中集成了环境流体动力学模型(environmental fluid dynamics code, EFDC), 将原始数据经过预处理, 通过模型运算来获取模拟结果, 并在系统中显示水质变化动态效果, 为调控方案的制定与调度管理提供支撑。具体功能包括数据输入、数据预处理、参数设置、动态模拟与模拟结果保存。用户操作流程顺序为:在水质模拟模块中, 选择需要模拟的原始数据, 按模型要求进行预处理操作, 设置模型各项参数, 点击动态模拟, 计算过程在地图控件中同步展示, 可观察到水质变化的动态过程。模拟结束后, 可保存模拟结果数据至本地文件夹。

调控方案管理模块控制系统污染物超标预警与调控方案信息, 根据更新的监测数据判断各个断面的水质污染情况, 针对各类污染源超标进行分析并分级预警, 同时生成链接至调控方案库。功能包括调控方案管理、预警管理、闪烁预警断面。在调控方案管理中, 用户可以导入各污水厂针对不同污染源超标制定的调控方案, 方案库支持用户进行查询、修改与删除操作。在预警管理中, 用户可以设置各项指标的超标阈值及其预警级别, 预警模式可由用户灵活选择, 支持用户自定义预警模式。通过闪烁预警断面功能, 用户可以在地图上查看正在预警的监测断面, 点击地图上的断面可查看预警的详细信息。

系统通过建立流域污水处理厂群间的联动规则, 在断面监测数据预警时, 针对超标的污染物进行厂群联合调度。具体功能包括厂群联动规则管理、专家知识修订、调度模拟与方案导出。在规则管理中, 用户可以在初始化时输入各个污水厂的削减能力, 设置各个断面的厂群联动规则, 系统支持用户对规则进行查询、修改、删除操作。通过专家知识修订进一步完善系统自动生成的厂群调度方案, 点击方案导出将调度方案以文档的形式保存至本地。在调控模拟功能中, 调用河流水质动态模拟功能模块, 输入监测数据和厂群调度方案数据, 经过参数调整, 对全流域水质变化进行模拟, 观察流域厂群调控模拟效果, 为用户提供决策支持。

系统各项功能模块界面如图 4所示。

图 4(Fig.4)

图 4 系统功能界面 Fig.4 Interfaces of System Function

本文介绍了松花江流域污水处理厂群模拟调度系统从设计到系统实现的详细过程, 包括前期系统相关数据收集、系统框架结构设计、开发工具选择、功能模块实现。通过本系统可以实现流域污水厂群的协同合作, 联动调控水污染, 利用平台统一管理污水厂, 减少经济投入, 增强污染物削减能力, 最终达到流域水质达标率提升的目的。

系统在解决水污染防治问题方面提出了新的思路, 不局限于污染源控制及污水厂工艺改进, 利用软件系统管理流域污水厂, 通过厂群协同合作处理污水来提升流域污水处理能力。系统在黑龙江省环境保护厅试运行, 对松花江流域污水处理厂进行统一调度管理, 取得非常理想的效果, 为松花江水污染防治工作提供了有力支持。