1.7.2　GIS支持下的水质预警系统研究进展

自20世纪60年代以来，随着突发性水污染事故的增加，水质监控预警方法的研究得到了广泛的重视，许多发达国家开发了具有针对性的水质监控预警系统，并在水环境保护与治理中发挥了重要作用。早在20世纪五六十年代，一些污染严重的河流，如莱茵河、鲁尔河、密西西比河、多瑙河等，就已经通过利用水质监控预警系统结合GIS数据库技术、制图技术和可视化定位展示技术，开展了流域水质保护工作并取得了良好的效果。

为保护莱茵河水环境，预防突发性水污染事故，莱茵河国际委员会（ICPR）于1986年安装了水质监控预警系统，对污染事故进行预警的同时还兼具调查由工业排污或者船泊泄漏引起的水污染事件功能。由于该系统实现了对水质状况的连续监测，那些未报告的污染泄漏事故可以通过水质模型或者其他相关的方法推导追踪溯源。该系统将9个国家紧密地联系在一起，共同管理保护莱茵河水质安全。同时该系统也有效结合了GIS数据管理、空间查询和互动地图技术，世界各国的人们都可以从其网站上获取水质监测和污染事件相关的数据和研究报告信息。

2000年12月，欧盟各成员国实施了《欧盟水框架指令》，旨在为欧洲提供一个水环境保护框架，欧盟各国主要的河流包括莱茵河、塞纳河、多瑙河等都在该框架下开展了广泛的水质保护研究，其中就包括对水质预警技术的研发和应用。在该框架之下，2009年成立了一个专门的GIS工作组（GIS-WG），目的在于更好地使用GIS为水环境保护提供服务。该工作组开展了一系列的研究工作，包括空间基础数据、水质监测网络、数据模型及管理系统研发等。

20世纪90年代末，美国俄亥俄河开发了水质预警系统。该系统由三部分组成：①用于确定河流中污染物现状的分析模块；②用于计算污染物在水体中传播路径及污染物浓度分布的分析模块；③污染泄漏在河流中扩散时的信息传播机制功能模块。该系统运用了WASP模型对水污染进行模拟分析，同时运用ArcView相关的功能对水质监测站和水污染相关的数据进行处理和可视化分析。

美国自“9·11”事件后，因担心饮用水水源地成为恐怖犯罪的袭击目标，檀香山市供水协会委托夏威夷大学自2002年底开始，开展建立和实施针对恐怖分子袭击、犯罪分子恶意投毒或事故性饮用水污染的监测预警系统的研究计划。美国对全国8000多个水源供水系统进行易损性评价并制订了对策计划，加入了突发性污染事故风险管理方面的内容。沿河各州政府、环保局及海事部门等联合制订了可操作性强、内容翔实的突发性水污染事故应急计划。美国水源地的早期预警系统（EWS）能够提供监测数据反馈、实时数据导向以及反应和保障决策，为供水部门及应急人员构建了掌握突发水污染事故信息的决策平台。其中GIS的功能在数据采集、数据处理、空间信息查询和地图可视化方面都提供了强有力的支持。Peng等于2010年研究了GIS技术和WASP模型进行集成的方法，构建了水动力-水质分析系统，并且应用到美国马萨诸塞州查尔斯河流域的水质分析以演示集成过程，详细讨论了GIS在与WASP和EFDC模型耦合支持下各个层面的作用和结合方法，但是该模型与GIS集成后的运行是独立模式的，不能很好地利用分布式资源。

总体上国外利用GIS技术研究水质预警系统起步较早，也相对比较成熟。目前欧美国家主要的河流，涉及排污口和风险源管理的都建设有监测预警信息系统，结合GIS的数据管理能力、制图能力和可视化展示能力，取得了较好的应用效果，但在GIS和分布式系统结合构建综合预警系统方面，仍然有待进一步研究。

我国的环境监测预警系统研究与应用始于20世纪90年代中期，比较有代表性的是陈国阶等对环境预警的研究与应用，并提出了状态预警和趋势预警的概念。此后水质预警预报系统得到了迅速发展和大量使用，2000年以后已经成为水环境管理和控制的重要组成部分。

丁贤荣等根据水污染事故发生、发展具有诸多时空和污染源类型不确定性的特点，以及污染事故控制与处理的时效性和最大限度减少损失的原则，采用弹性组织出事现场信息的方法，分析污染事故的基本状况，实现河流水污染突发事故影响状况的高效模拟。将GIS与水污染模型技术相结合，开发了适合长江三峡水环境决策管理的水污染事故模拟子系统，系统可反映污染事件造成的水污染状况及其时空变化过程。

2005年松花江特大水污染事件发生之后，国内学者开始纷纷投入对预警系统的研究。

辽河流域研制开发的水质预警预报系统由水质信息采集模块、水环境信息查询模块、信息传输及网络系统模块、运行管理决策支持模块组成。

李佳等开展了钱塘江水质预警预报系统研究。基于流场和水质模型及GIS理论，在Visual Studio.Net 2005环境下，采用Mapinfor控件、MapX和C#.net进行二次开发。该水质预警预报系统可实现污染物迁移扩散的常规预报和污染物突发事件的模拟，实现了模拟结果在系统中的实时动态可视化。王剑利等从水质模型的应用现状和存在的问题出发，总结了GIS与水质预测模型的几种不同的集成方式，并基于客户端/服务器模式构建了三峡库区水环境安全预警决策系统，实现了GIS与水质预测模型之间的半紧密式集成，最终实现了水质模拟运算结果在GIS上的可视化，使水质预测模型的计算结果得到更形象的表达。吴迪军等提出了一种适用于河流突发性水污染应急处理的工程化模型，采用四点隐式差分格式进行模型的数值求解，并在ArcGIS平台上实现了污染计算结果的实时动态可视化。最后，通过实例验证了该模型在公共安全应急平台中应用的有效性和合理性，但是水质模型与GIS没有一体化集成。陈蓓青等采用组件式GIS技术，基于ArcEngine开发包，结合突发性水污染事件应急管理体系对水质模型的业务需求，探讨了在空间数据库的支持下，构建基于GIS技术的突发性水污染应急响应系统的主要内容及方法。为GIS技术更好地应用于水资源管理，最大程度地减少水污染造成的危害，提供技术支持。

侯嵩基于GIS建立了跨界重大污染事件预警系统。系统的整体设计分为三个部分：预警地图制作、地图操作控制、数据管理维护。使用ArcMap完成预警专题地图的制作，为后期地图的网络发布提供了便利。利用ArcIMS网络发布组件的工具定制功能，按照系统自身特点和特殊需求，自行定制了地图操作控制的工具，设计并实现了跨界重大水污染事故地理空间数据库，利用ArcSDE作为中间件，实现矢量数据在ORACLE数据库中的传输。黄瑞等以东北某大型水库入库河流苏子河为例，围绕基础环境信息管理、污染源追溯、事故预警模拟、事故应急处理等展开关键技术研究，根据苏子河流域特征构建了水动力、水质数学模型库，研究建立了污染源信息反演技术，采Microsoft Visual basic（VB）结合MapX技术、动态演示技术实现水污染事故水质变化的时间域与空间域的可视化展示。系统可为苏子河流域突发水污染事故的应急处理提供技术支撑。Rui等利用GIS技术耦合水动力模型和水质模型，采用C#语言将Fortran语言的水动力-水质模型和GIS以动态链接库的方式进行链接，构建了水污染预警应急系统，实现了水环境数据的空间数据库存储、空间查询和三维可视化等功能，并且成功应用到长江流域的向家坝区域。

从上述研究成果来看，这些系统中的模型计算都是单服务器运行模式，不能动态扩展服务器，不能实现分布式的服务器资源调用，以增强模型的并行多模型模拟方案运行能力，实现水质模型模拟预测的分布式计算。