许静1王永桂1杨寅
(1中国地质大学(武汉)地球科学学院，湖北武汉430074；
2.长江水利委员会长江水资源保护科学研究所，湖北武汉430051)
摘要突发性水污染风险评估与预警系统已成为辅助环境管理和应急决策的重要支撑工具，是水环境领域的研究热点#综述了中国突发性水污染风险评估与预警系统的现状及发展趋势。归纳出突发性水污染风险评估与预警系统应具备污染源管理、水环境质量管理、风险评估、风险监控预警以及应急决策响应等一套完整的核心功能模块#通过融合遥感遥测技术、计算机技术、网络技术、地理信息系统(GIS)技术、环境信息技术和云智能等现代技术，中国构建了适用于不同水体、不同资料条件和具有不同功能的突发性水污染风险评估与预警系统，相关技术和系统的应用处于世界先进水平。未来的突发性水污染风险评估与预警系统将进一步拓展风险溯源功能，并全面实现实时化、自动化、智能化和业务化#
关键词突发性水污染风险评估预警系统研究进展
DOI：10.15985/jki.1001-3865.2019.04.020
Research progress of risk a ssessment and warning system for sudden water pollution in China XU Jng'WANG Yonggui,YANG Yinqun2.(1.School of Earth Science■,China University of Geosciences■>Wuhan Hubei430074& 2.Changjiang Water Resources Protection Institution,Changjiang Water Resources Commission,Wuhan Hubei 430051)
Abstract:Risk assessment and warning system for sudden water pollution(RSEWS)has become an important toolforsupportenvironmentalmanagementandemergencydecision-making whichisaresearchhotspotinthefieldof water environment.This paper reviewed the current situation of the systems，construction and research progress in China.A complete core set of RSEWS should include several modules:po l ution source management water environmentalquality management risk assessment environmentalrisk monitoring and warning and emergency response decision-making.Combined with remote sensing telemetry technology computer technology network technology geographic information system(GIS)technology environmentalinformation technology and cloud inte l igence RSEWS with di f erent funtions for di f erent water bodies and di f erent data conditions had constructed in China.Therelatedtechnologiesandsystems wereattheadvancedlevela l overthe world.Therisktraceability function would be improved in the future RSEWS whosetendency wouldfu l yorientedtowardstothedirectionof real-timeworking automationinte l igentizationandoperation.
Keywords:sudden water pollution；risk assessment&warning system&research progress
突发性水污染是由人为或者自然灾害引起的，瞬时或短时间内大量的污染物排放，造成水体水质迅速恶化的水污染现象[1]0突发性水污染风险具有形式多样、污染速度快和破坏程度大等特点，其防范和应急处置较为困难#自20世纪90年代以来，中国已发生了3万多起突发性环境事件，其中重、特大突发性环境事件有1000多起，约53%造成突发性水污染事故⑵，对生态环境安全、社会稳定、人体健康及国家财产安全造成了极大的损害。突发性水污染风险是当前国内外广泛关注的问题，在风险源识别与评估[34]、风险监控模拟[5]148'[6]，风险预测预警以及系统构建[7]7778'归等领域，产生了一系列的研究成果和产品#其中突发性水污染风险评估与预警
系统作为突发性水污染风险管理相关技术的集成产品，在突发性水污染事故的自动化预测、风险事故影响范围和程度的综合展示以及风险事故的应急处置决策支持等方面发挥了重要的作用，是当前水环境应急管理的主要手段和重点内容。
联合国国际减灾办公室(UNISDR)将预警系统定义为“产生和传播及时和有意义的警告信息，使受
第一作者：许静，女，1993年生，硕士研究生，主要从事水环境污染防控研究」通讯作者#
*国家自然科学基金资助项目(No.41807471)；环境保护部流域水环境质量目标管理项目(No.2018A038)# -474-
到危害威胁的个人、社区和组织能够做好准备，并在充分时间内采取应对行动，以减少伤害或损失的可能性所需的一系列能力”；有效的预警系统包括了4个关键要素：风险知识、监测和预警服务、传播沟通以及应对能力）9*。美国环境保护署（USEPA）提出理想的预警系统应该具备以下特点：快速检测多种潜在污染物、足够的精度和灵活性、自动化采样与监测、易于操作和维护、成本实惠且坚固耐用、可远程操作和验证、全年运作［10］#通过将水环境评估、水环境分析和水环境数据可视化等技术和方法融合到预警系统构建统一的技术平台，形成水环境预警系统，是实现水环境事故前风险评估、事故中模拟预测、事故后决策处置的完整的风险管理工具#对水环境预警系统的研究早期主要以综合性和流域性管理系统为主，多采用客户端（C）/服务端（S）模式，突发性水污染风险评估与预警系统只是相关系统中的子模块［1112］，这些系统基于对水质监测数据的分析，评估水质的状况，更多地以水质数据展现和风险评估为主#随着突发性水污染事故受到关注程度的增加，近年来出现了专门的突发性水污染风险评估与预警系统，如美国米德湖的水质污染预警系统［7］7778#我国开展突发性水污染风险评估与预警系统的研究实践也已有20多年，诸多单位和学者在系统建设与应用等方面开展了大量研究，现今构建的系统已经达到国际先进水平#然而，尚缺乏对我国的突发性水污染风险评估与预警系统建设成果的梳理总结#本研究对国内突发性水污染风险评估与预警系统的研究进展进行总结，在此基础上梳理归纳一套完整的突发性水污染风险评估与预警系统的核心框架，并展望了该领域的发展方向。
1我国突发性水污染风险评估与预警系统
1.1研究与建设现状
我国从20世纪90年代后期开始对突发性水环境风险评估与预警系统进行研究［13］，14］52，15］，在桂江）14］5253、长江（江苏段）16*、汉江等流域建设了最早一批的水质预警系统，这些系统在水质信息管理、实时预报水质变化、污染快速预警、事故应急响应等方面发挥了很好的作用，但是在风险应急评估、应急监测模拟、应急决策系统组织、信息获取与发布等方面还存在一些不完善的问题，如风险评估方法单一、未涉及风险分级、监测技术体系不能完全反映流域层面的水质状况、缺少本土化的水环境模拟模型、应急决策系统机制不健全、综合信息服务功能薄弱等#进入21世纪，尤其是2006年国家出台《国家突发环境事件应急预案》和2008年实施水体污染控制与治理科技重大专项后，建立完善的突发性水污染风险评估与预警系统受到越来越多的关注#遥感遥测技术、计算机技术、网络技术、数字化技术、地理信息系统（GIS）技术和云智能等现代技术的迅速发展，更促进了智能型、交互式、集成化突发性水污染风险评估与预警系统的大量开发与应用#集成多元风险识别与评估方法、先进的监测监控技术、环境复合模型算法库、应急决策支持系统和智能通讯媒介等技术，解决了早期系统功能不全、效率有限和效果不佳的问题，可高效地完成大量复杂的操作，实现多种功能，为突发性水污染事故的快速处置提供有用的信息支持#国内近年典型的突发性水污染风险评估与预警系统总结于表1中#
从表1可以看出，我国构建了针对不同水体的突发性水污染风险评估与预警系统#我国首创了针对资料
详实地区曲和资料缺乏地区［3031］不同的突发性水污染风险评估与预警系统#此外，我国在数据采集上应用了水质实时在线监测技术；在水质评估预测上集成了多类型的水环境数值模型技术和多算法的优化技术；在系统的可视化、数据库构建以及架构上采用了最新的虚拟仿真、大数据以及云智能等技术成果；在系统的功能上包含了污染源管理、风险评估、质量管理、监控预警、模拟预测、应急决策和信息发布等模块#整体来看，无论是功能还是技术，我国构建的突发性水污染风险评估与预警系统都表现出相当的先进性，如太湖、三峡库区和辽河等重点示范流域建设的系统具有了USEPA提出的理想预警系统应满足的自动化采样与监测、快速检测多种潜在污染物、可远程操作和验证、全年运作和坚固耐用等特点，得到了业务化的应用#
1.2发展趋势
在突发性水污染事故的预警和处置中，快速准确地搜索风险源也是当前研究的热点，但目前这些系统还鲜有相关功能，通过增加溯源模块以寻风险源，用以应对有害污染物泄露、安全生产事故、交通事故等环境污染风险，辅助应急决策，将成为未来突发性水污染风险评估与预警系统的重要内容#随着我国实时监测技术、水环境应急处置技术、人工智能技术等的发展，突发性水污染风险评估与预警系统的研发将进一步改进，其实时化、智能化、业务化应用性和流域适应性也将更强、更有针对性#
-475-
表1近年国内主要突发性水污染风险评估与预警系统
Table1Major risk assessment and warning system for sudden water pollution in China in recent years
系统名称功能架构关键技术参考文献
黄浦江水源水质监控与预警系统信息查询、水质评估、监控预警分层模式
“在线监测-移动快速监测-实验室检测/三
级联动监测体系)
8*
浑河流域水环境风险预警平台污染源管理、风险评估、预警、
应急响应
面向服务体系
(SOA)模式
模型算法库与GIS服务耦合技术、动态数
据交换技术等)
9*
太湖流域水环境风险评估与预警平台信息查询、风险评估、监控预
警、应急响应
浏览器(B)/S与
C/S混合模式
多元风险识别、评估和风险等级划分及预
警阈值确定技术、水环境模拟技术等)
0*
长江口突发水污染事故应急响应系统地图操作、数据查询与分析、
泄漏模拟、应急决策支持
B/S模式网络GIS技术、突发污染模拟技术、决策支
持技术)
1*
城市饮用水水质预警与控制系统监测分析、模拟预测、风险评
估、预警、应急响应、信息发布
网页服务模式
水质模拟预测技术、水质事件检测技术、水
质模型动态编译技术等)
2]
广西西江(佛山段)流域监控预警与应急系统监控与模拟预测、污染溯源、
预警、应急响应
B/S模式
LINQ to SQL技术Google Maps地图编程
技术等)
3]
辽河流域水环境风险评估与预警平台污染源管理、风险评估、预警、
应急响应、信息服务
SOA模式风险监测网络与信息采集技术)4]
龙江河流域水环境突发事件监控预警系统监控预警、可视化展示、应急
决策指挥、信息发布
分层模式
多维数据融合技术、物联网、云计算、移动
互联网等技术)
5]
三峡库区水环境风险评估与预警平台风险评估、监控预警、模拟预
测、应急指挥、信息发布
SOA模式物联感知、数值模型、云计算等技术)6]
三峡库区及上游流域水环境风险评估与预警智能云平台质量管理、监测评价、风险评
估、预警、应急决策支持
SOA与软件即
服务混合模式
强时空变异面源污染模拟技术、模型集成
技术、高效能计算技术、云计算技术等)
27]
滇池流域水环境综合管理技术平台监测分析、水质预测预报、应
急决策支持
B/S模式水环境多元数据采集传输技术、融合共享
及动态表征技术、模型一体化集成技术)
28]
上海水源地风险预警信息平台风险源识别、风险评估、预警、
信息发布
分层模式在线监测技术、船舶自动识别系统技术等)29]
2突发性水污染风险评估与预警系统的核心框架从我国构建的突发性水污染风险评估与预警系
统可以看出，系统的结构形式多样，常用的有C/S、B/S、SOA和分层模式，从早期的C/S模式向B/S 模式以及B/S与C/S混合模式发展#系统的应用模式也从早期的面向对象型，逐渐发展成面向用户和服务型#在突发性水污染风险评估与预警系统中，涉及到数据集成与共享、环境模型集成与管理、应用系统集成和应用表示等功能需求，系统通过借助GIS、信息通信、物联网、地理空间传感器网络和网络服务等技术，以实现污染源管理、水环境质量管理、风险评估、风险监控预警以及应急决策响应等功能#
综合分析国内的突发性水污染风险评估与预警
系统，虽因需求不同各有差别，但一个完整的突发性
水污染风险评估与预警系统，其所需要包含的核心框架如图1所示。
(1)污染源管理模块。该模块主要实现流域污
染源管理、现状评价和通量核算的功能，为辅助系统
决策提供基础数据支撑#利用污染源管理模块，可以对流域内污染源基本信息、监测信息、排污信息和治理情况等信息进行采集、编辑、浏览、统计分析和导入导出；可以全面、直观地展现区域污染源的分布现状，实现污染源的管理，实时监控污染源的排污情况)2；通过不同时段污染源排放评价，可以
water pollution知道水体的污染位置、主要污染物、污染负荷及发展趋势；实现重点区污染源通量核算及总量控制示范。
(2)水环境质量管理模块。该模块为流域水环境质量管理、风险评估与预警响应提供基础数据及评价依据，满足水环境日常管理与统计评价的功能性需求#水环境质量管理要求对所属地区的国控、省控、市控和县控监测点、入河排污口等进行定期和不定期的水环境质量监测，并能在突发情况下，对污染事故地点相关水域实施加密实时监测。该模块针对不同类别水系的特点需要进行水系基础信息、断面信息、河段信息、纳污单位和功能区划信息等的集成与维护，通过自动监测、手工监测和移动巡测进行数据采集，实现水环境监测数据查询统计、动态评价及水环境质量(包括水体、沉积物和水生生物)的综合评价，了解不同水域水质的差别及各时期水质的动态变化趋势[5]144145')4]#
(3)风险评估模块#基于污染源管理模块和水环境质量管理模块，完成风险评估工作，开展流域水
-476-
突
发
性
水
环
境
风
险
评
估
与
预
警
系
统
图1完整的突发性水污染风险评估与预警系统的核心框架
Fig.1Thecoreframeworkofacompleteriskassessmentand warning system for sudden water po l ution
污染潜在影响及危害模拟#首先，综合水生态功能分区的风险源特征、风险传播途径和敏感受体等建立源项分析体系#然后，根据系统建立的源项分析体系，利用风险评估模型对监测数据模拟不同条件下污染源对流域同一地区不同区段的影响范围，评价污染源潜在风险造成的损失，包括生态影响、环境健康和其他损失，划分风险等级和风险区，根据需求输出不同形式的评估结果及效果图，实现基于流域生态功能分区的风险评估及信息化管理[35]110')6]#
(4)风险监控预警模块。该模块集实现水环境日常监测、应急监测、模拟预测预警及应急评估等管理需求，为突发性水污染事件应急决策响应提供信息支持#环境监测作为了解和掌握流域水环境质量及污染源排放的主要途径和手段，其结果是水体污染控制和环境管理决策的重要依据，主要凭借集成监测断面优化、监控网络布点优化、监控项目优化以及监控频率优化技术完成日常监控和应急监«[5]148')7]#日常监控主要包括地表水质自动监测、饮用水源自动监测及国控污染源在线监测#事故发生后，通过现场快速监测和实验室精准检测结合的方式，判断和测定污染物的种类、浓度，完成应急监
测#根据预警指标体系，应用水环境预警方法对事故跟踪监测、实时模拟和预报预警，对污染来源、风险范围、持续时间、可能污染后果和危害程度等发展态势进行应急评估，发出相应级别的预警警报#
(5)应急决策响应模块#基于前4个模块，集成应急预案、危险化学品应急处置技术库、应急资源(部门机构、物资、人员、车辆、通信、案例库)和应急专家知识库等资源，满足流域水环境综合管理和突发性污染事故应急决策等功能需求#事故突发时，可根据事故污染物类型、风险等级、位置和影响范围检索历史类似案例，制定应急方案，为决策提供科学依据#在事故处置结束后，对事故等级进行评定，总
结经验教训，同时发布应急处置的有关情况)5*9,[38]
3结语
总结回顾了我国突发性水污染风险评估与预警系统的现状和发展趋势归纳出了一套完整系统的核心框架#当前的突发性水污染风险评估与预警系
・477
・
统以基于实测水质数据的环境评价、基于数值模型
的预测预警和应急处置为主，在分析精度上仍需继 续优化#对于管理部门而言，追踪突发性水污染事 故的源头是进行风险处置和追责的重大需求，在目
前的研究基础上，应加强风险溯源模块的研发，这是
未来突发性水污染风险评估与预警系统发展的重要 方向#另一方面，随着水质在线监测技术、数值模拟
技术、遥感技术、通信技术和人工智能技术等的发
展，也将全面推进风险评估与预警系统向实时化、自 动化、智能化和业务化的方向发展#在突发性水污
染风险高发区域，尤其需要加强系统的建设，提高系 统主动发现风险并进行预警的能力，将以往被动的
水环境风险应急提升到主动的积极的防控上来#
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编辑：陈锡超 (收稿日期= 2018-07-02)
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