（环境科学专业论文）河网水环境预警技术体系研究——以嘉善县为例.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t m e t a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ei s s u eo fw a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o nh a sb e c o m eam a i nf a c t o r h i n d e r i n gt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fo u rr e g i o n a ls o c i e t ya n de c o n o m y i ti sa l l i m p o r t a n tm e t h o da n da ne f f e c t i v es u p p o r tf o rt h er e g i o n a lw a t e re n v i r o n m e n t a l r e a l i g n m e n ta n dm a n a g e m e n tt oe s t a b l i s ht h ee a r l y - w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mo ft h e w a t e re n v i r o n m e n t , t oc r e a t ec e r t a i nt e c h n o l o g i e sa n dm e a s u r e st oe v a l u a t ea n d f o r e c a s tt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n do ft h ew 栅e n v i r o n m e n t ，t of o r e c a s tt h e t i m ea n dh a r ml e v e lo ft h ea b n o r m a ls i t u a t i o n , t om a s t e rt h ew a t e re n v i r o n m e n t a l s i t u a t i o nt i m e l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y , 硒w e l la st op r o t e c tt h ew a t e re n v i r o n m e n t a l s y s t e m t h e r e f o r e ，t h i ss m d b a s e do ne s t a b l i s h i n gt h ew a t e re a r l y - w a r n i n gs y s t e m ， h a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo ne n r i c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h em a n a g e m e n ta n dp r a c t i c e so f t h er e g i o n a lw a t e re n v i r o n m e n t a tp r e s e n t , r e s e a r c ho nb u i l d i n gt h ee a r l y - w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mf o rt h er i v e r n e t w o r ki nd o m e s t i ci sr e l a t i v e l yl e s s t h er e l a t e dt h e o r i e sa n dm e t h o d sa r en o t m a t u r ea sw e l l s o ，a s p a r t so ft h es u b j e c t “t h er e s e a r c ha n dc o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o no nt h ew a t e re n v i r o n m e n t a le a r l y - w a r n i n ga n dm o n i t o r i n gi nt h ef i v e r a r e ao f “h a n g j i a - h up l a i n ，t h i sr e s e a r c h ，t a k et h ec o u n t yo f “j i a - s h a n f o ra n e x a m p l e ，a n dh a se s t a b l i s h e dt h ee a r l y w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mf o rt h ew a t e r e n v i r o n m e n to f t h er i v e rn e t w o r ki n i t i a l l y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h e e x i s t i n ge a r l y - w a r n i n gt h e o r i e s ，t e c h n i c a l m e t h o d sa n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no ft h ew a t e re n v i r o n m e n ta th o m ea n d a b r o a da r es u m m a r i z e d ；t h e e m p h a s i sa n dd i r e c t i o no nt h ew a t e re n v i r o n m e n te a r l y - w a r n i n ga r ea l s op o i n t e do u t , i n c l u d i n gt h eb u i l d i n go ft h ee a r l y - w a r n i n gi n d e x ，t h ee a r l y - w a r n i n gt h r e s h o l da n dt h e d e v e l o p m e n to ft h ep r e d i c t i o nm o d e l so nt h ew a t e rq u a l i t y f i n a l l y , t h e o r ya n d p r a c t i c es u p p o r tf o rt h ee s t a b l i s h m e n to nt h ee a r l y w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mm a d ef o r t h ew a t e re n v i r o n m e n to ft h er i v e rn e t w o r ka r ep r o v i d e d 2 t h ep r e s e n tb a s i ct h e o r i e sa n dm e t h o d so ft h ew a t e re n v i r o n m e n t e a r l y - w a r n i n ga r es t u d i e d ；t h r e ea s p e c t sa r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e do nt h eb a s i c m e t h o d so ft h ee a r l y - w a r n i n g ，t h em e t h o d so fi n d e n t i f y i n gt h er i s ka n dt h em e t h o d so f 丌i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n f i r m i n gt h ee a r l y w a r n i n gt h r e s h o l d a l s o ，t h ee a r l y w a r n i n gm e t h o d o l o g ys y s t e m o ft h ew a t e re n v i r o n m e n ta b o u tr i v e rn e t w o r ki sp r o p o s e db yc o n t r a s t i n gav a r i e t yo f m e t h o d sa n dc o m b i n i n gt h er e a l i t i e so ft h es t u d ya r e a 3 b u i l d i n gt h ee a r l y - w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n to ft h e f i v e rn e t w o r ki ss t u d i e d , i n c l u d i n gt h ec h o i c eo ft h ee a r l y - w a r n i n gi n d e x ，t h ed i v i d i n g o ft h e e a r l y - w a r n i n gc l a s s ，t h ec o n f i r m i n go ft h ee a r l y - w a r n i n gt h r e s h o l d ，t h e a s s e s s i n go ft h ew a t e rq u a l i t y , t h ef o r e c a s t i n go fw a t e rq u a l i t y , a n dt h ej u d g r n e n to f t h er i s k ，e s p e c i a l l yo nt h ea s s e s s i n ga n df o r e c a s t i n go ft h ew a t e rq u a l i t y t h e r e b y , t h e e a r l y w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n to ft h er i v e rn e t w o r kw a s c o n f i r m e d 4 a c c o r d i n gt o t h ep r e s e n ts i t u a t i o no fj i a - s h a nc o u n t y , t h ee s t a b l i s h e d e a r l y w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n to f t h ef i v e rn e t w o r ki su s e d t ob u i l dt h ee a r l y - w a r n i n gt e c h n i c a ls y s t e mf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n to fj i a - s h a n c o u n t y o no n eh a n d ，t h et e c h n i c a lm e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa b o u tt h ee a r l y 。w a r n i n g t e c h n i c a ls y s t e mf o rt h ew a t e re n v i r o n m e n to ft h er i v e rn e t w o r ka r e t e s t e d a n d e n r i c h e df u r t h e r , o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e c h n i c a ls u p p o r ta b o u tt h ed e v e l o p m e n to ft h e w a t e re n v i r o n m e n te a r l y w a r n i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mi n t h ef i v e ra r e ao f h a n g - j i a - h up l a i na r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：r i v e rn e t w o r k ；t h ew a t e re n v i r o n m e n te a r l y - w a r n i n g ；t h ew a t e r q u a l i t ya s s e s s m e n t ；w a t e rq u a l i t ym o d e l s ；j i a - s h a nc o u n t y 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在即将毕业之际，我首先要衷心感谢悉心栽培我的老师傅柳松导师，他正直 谦逊的人品、求真务实的精神、一丝不苟的作风和豁达超凡的人生态度给我留下 了深刻印象，使我深受启迪和熏陶。在浙大两年半的硕士生活中，导师无论在学 习还是生活方面都给了我无微不至的关怀和指导，他不仅是我科研道路上的领路 人，更是我感悟人生的指引人。在此特向导师表示最衷心的感谢和最崇高的敬意! 感谢环资学院的刘维屏老师、郑平老师、王飞儿老师，田光明老师、胡勤 海老师、吴东雷老师和浙江省环境科学研究院的刘健老师等老师们在我论文完成 过程中所给予的无私帮助和指导。 特别感谢浙江省环境监测站的汪小泉站长和田旭东老师，本论文是在他们 的细心帮助和指导下完成的。从最初的资料收集、撰写初稿到后来反复的修改， 他们都一次次严格把关、认真对待，正是他们的无私关怀和谆谆教导，才使论文 顺利完成，在此谨向他们表示最诚挚的谢意! 感谢课题组的合作单位河海大学、嘉兴监测站以及浙江省环境科学研究院等 在论文资料收集中提供的热心帮助和大力支持，感谢浙江省环境监测站的薛秀 秀、魏铮和周柯谨在实习生活中给予的关心和照顾，在此向他们致以深深的谢意! 感谢臧丽丽师姐、孔庆娜师姐、姚俊师兄、管益东师兄、王丹师姐、武丽 丽师姐；感谢陶萍萍师妹、唐梦龄师妹、徐丽丽师妹；感谢我的室友丁炜、陈婷 婷和王何灵；感谢罗彦章、孟媛媛、朱建航、何细军、王静、单立楠、潘依依、 陈晓燕、瞿珊珊、陈慧、熊明瑜、郭亚楠、宋淑芳等很多朋友们，在这两年半的 生活中一直有你们陪伴左右，你们给我的生活增添了很多乐趣和温馨，使我的浙 大生活变得丰富多彩，感谢你们在生活中、学业上给予我的许许多多关爱和鼓励， 和你们在一起的点点滴滴将成为我一生最美好的回忆! 感谢我最亲爱的父母，感谢你们二十多年来对我的培养和悉心教诲；感谢 我的男友陈占锋几年来对我各方面的支持、理解和关心；你们永远是我努力奋斗 的动力! 最后，感谢所有关心和帮助过我的人们! 王丹 2 0 1 1 年3 月于浙大紫金港 浙江大学硕士学位论文绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 水是生命的源泉，是人类赖以生存和生产的最基本的物质资源之一，不论是 生活或是生产活动都离不开水这一宝贵的自然资源，工业生产、农田灌溉、城市 生活都需要消耗大量的水。但是随着人口和经济活动的加剧，全球的水循环已经 大大偏离了它的自然状态，水的流动已发生了显著的变化。人口迅速增长，加快 了对水资源的消耗，工农业生产发展严重污染了水体，森林破坏改变了蒸发和径 流方向等，这些人类活动造成了水资源的严重破坏，使世界面临着水危机，水环 境污染已经成为当今世界面临的一个重大环境问题，引起世界各国的关注。 我国是一个水资源短缺的国家，人均占有量少，约为全世界人均量的1 4 ， 并且水资源时空分布很不均匀，北方水资源严重不足，水资源的可利用程度很低， 而且容易造成旱涝灾害n 1 。而随着我国社会、经济的高速发展，水资源消耗量大， 加上用水浪费、水资源利用效率低，各种工业废水和生活污水大量排入河网，致 使水环境质量日益恶化，水环境污染问题也愈来愈严重。 进入“九五”以来，我国大规模水污染防治在淮河、太湖、巢湖、滇池、海 河、辽河等重点流域全面展开，经过几年的努力，已经取得了阶段性成果，部分 河段水质有所改善。但是，由于历史的原因，我国水环境问题比较复杂，在现有 经济技术条件下，解决水环境问题还需要经过一个漫长的过程。2 0 0 9 年的中 国环境状况公报中指出旺1 ：我国地表水污染依然较重，湖泊富营养化问题突出。 因此，在今后相当长的时期内，重点流域的水污染问题仍将十分严重。 “十五”期间，浙江省太湖流域投入了大量的资金进行水污染防治工作， 取得了一定的成效。但由于流域社会经济的快速发展，工业化和城市化进程进一 步深化，加上流域水环境容量偏小等原因，流域总体水质仍然较差，以v 和劣v 类为主。在流域各水系中，东部平原河网区的杭州河网、嘉兴河网和运河干流水 质很差，以v 和劣v 类为主，区域内饮用水源地水质均不满足饮用水水质标准， 有机有毒有害污染水平不明，水环境累计风险较高。 浙江大学硕士学位论文绪论 杭嘉湖平原河网跨湖州市、嘉兴市、杭州市主城区、余杭区及临安市( 不含 钱塘江流域部分) ，是浙江省经济最发达的地区之一这一地区河网密布，相当 一部分位于太湖上游地区，其水环境质量对太湖影响巨大。 基于上述情况，在国家水体污染控制与治理科技重大专项监控预警主题下， 流域水环境风险评估与预警技术项目第五课题一太湖流域水环境风险评估与预警 技术示范课题的第3 子课题杭嘉湖平原河网地区水环境监控预警系统研发与综 合应用示范的支持下，本文通过参考国内外文献资料，分析现有的水环境预警 理论方法，并结合课题研究的实际需要，对河网水环境预警技术体系进行构建， 并以嘉善县为例，通过对该区域内污染物来源和水环境质量现状的调查分析，结 合一定的水质评价方法和水质预测数学模型，对构建的河网水环境预警技术体系 进行实例验证，从而为杭嘉湖平原河网地区水环境监控预警系统提供技术支持。 1 1 2 研究意义 加快治理太湖水污染，保护太湖水环境，不仅是环太湖地区共同面临的极为 紧迫的艰巨任务，更是浙江省自身发展的需要。加快推进杭嘉湖地区的水环境综 合治理，不仅是污染减排、污染治理的硬任务，更是保护水环境安全、饮用水安 全的必由之路；不仅是一个水环境保护问题，更是一个事关这一地区长远可持续 发展的战略问题；不仅事关杭嘉湖地区本身，而且事关全省、整个环太湖地区、 整个长三角地区的长远发展。 通过建立河网水环境预警技术体系，能在河网水环境系统面临危害和威胁之 前就对流域社会经济发展过程是否会对浙江省太湖流域水环境系统造成不良影 响，以及影响程度、系统的演化趋势、方向、速度等做出预见性的判断，对水污 染事故进行及时、全面的预警，为相关流域水资源管理部门查明警源，消除警患 并有针对的采取应急措施提供理论依据和技术支持，从而切实有效保障浙江省太 湖流域社会经济及生态环境可持续发展。 2 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 国内外研究现状 水环境污染是当今世界面临的一个重大环境问题，随着水环境污染事故的频 发，严峻的水环境问题已经成为各国政府和学术界关注的焦点之一，与此同时， 国内外大量的专家和学者开始从不同的角度对水环境问题展开了研究，并取得大 量的研究成果口。1 。本文针对水环境预警相关方面的一些国内外研究现状，进行 简单总结和介绍 ( 1 ) 水环境预警理论和方法研究现状 预警是对危机或危险状态的一种预前信息警报或警告捕1 预警系统起源于军 事领域，最早应用于军事领域的雷达技术及导弹防御系统，近年来其理论在洪水 预报、农业经济、气象、环境灾害等方面得到了更为广泛的应用如国外怀特 ( w h i t e ) 在2 0 世纪7 0 年代建立的洪水泛滥预警体系，在洪水泛滥的风险决策中发 展了单项预警体系，取得了显著的经济效益和生态效益n 1 ，还有人们熟知的地震 预报预警和气象预报预警等，这些都是成功的范例。 水环境预警技术是近几十年来才迅速发展的，但目前各方面研究还不成熟， 尚处于发展探索阶段。从水环境预警理论和技术方法来看，国内外研究的重点主 要集中在预警指标体系的构建、预警方法的选取以及预警阐值确定等方面。 预警指标体系研究 水环境预警指标体系是一个十分庞杂的系统，涉及到的指标类型非常多，指 标的选择不仅要考虑指标体系的完备性，还要考虑各指标间的独立性，它是整个 预警工作的核心，建立得科学合理与否在很大程度上直接决定了预警能否实现和 成功。因此，国内很多学者和专家对如何科学合理建立预警指标体系展开了深入 研究，并取得一定的成果，如颜卫忠等建立了环境预警的指标体系与方法n 町；张 颖、刘凌等提出了水环境安全评价指标体系d ”；黄晓容等对重庆三峡库区水环境 污染事故预警指标体系进行了研究n 2 1 ；刘恒等建立了区域水资源可持续利用评价 指标体系n 3 1 ；曾畅云等运用“压力一状态一响应”概念模型，建立了水环境安全 指标体系n 町；邓绍云、文俊等对建立区域水资源可持续利用预警指标体系进行了 初步的探讨，设计了目标层、准则层和指标层3 个层次的区域水资源预警指标体 系的框架等n 5 1 浙江大学硕士学位论文 绪论 预警原理和方法研究 在预警原理方面，国内很多学者也展开了一定的研究。如董志颖等对水质预 警理论进行了探讨，对水质预警的涵义、分类、特点作了准确的阐述n 6 1 ；李淑韦 等从水环境安全预警系统相关概念出发，对水质预警系统的结构进行了研究n 7 1 ； 傅伯杰等对区域环境预警的基本原理进行了深入的剖析n 引；陈国阶等对环境预 警进行研究，分析了环境预警的判别与类型，并阐述了生态环境预警及与环境有 关的概念等等n 钔。 在预警方法方面，国内外的研究主要集中在预警模型方法的建立和计算机辅 助系统应用等方面其中，国外的研究主要有：美国麻省理工学院j a yw f o r r e s t e r 等创立了系统动力学( s d ) ；s h i e n - t s u n gc h e n 等应用改进的s v m 模 型对洪水预警方面进行了研究，结果证明了改进的s v m 模型有很强的数据的处理 和统计能力，可以用来对洪水进行预警n 们；j u lj a ng o r m a n 等应用g i s 技术对 澳大利亚可持续性资源的利用和消耗情况进行了研究，通过g i s 技术的使用， 他们得到了澳大利亚资源的分布情况，并对未来的消耗情况进行了预测等等n 国内的研究主要有：宋巧娜等对社会经济系统、防洪系统以及二者之间的相互联 系进行了定量研究，构建了防洪系统与社会经济系统和谐预警的系统动力学模 型，给出了此模型的一般表达式和预警信号设置，并以抚顺地区为例作实证分 析旺2 1 ；李正最等在对复杂的荆江一洞庭湖河网水系概化和洞庭湖区水沙特性分析 的基础上，建立洞庭湖区水沙支持向量机模型n 3 1 ；朱灿等建立了基于g i s 的数 字西江水质预警预报系统乜盯；陈蓓青等构建基于g i s 技术的突发性水污染应急响 应系统的主要内容及方法，该研究的成果已在长江三峡库区万州段获得了实际应 用n 胡。这些方法的提出和应用成功的推动了预警研究的发展。 预警阈值的研究 在对阈值进行研究时，警度划分为几个等级并不是确定警度的关键，警限的 确定才是问题的关键拉司。对于各级警度界限和阈值的确定方法目前研究并不是很 充分，是预警研究中的一个难点。一般常用的确定警限的方法有既定标准法、系 统化法、对比判断法、专家确定法、突变论法、综合评判法、控制图法等几种， 其中具体的应用研究有：邓绍云等人利用对比判断法对云南省的水资源可持续利 用进行初步研究n 力；吴延熊等运用突变论方法，从区域森林资源系统稳定性的角 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 度，引入熵模型，在稳定性数理解析的基础上，给出相应的警度划分区间乜8 1 ；陈 云峰等应用尖点突变建立了水华爆发模型，初步识别了水华爆发的日期乜 ；刘 邵权等以水环境质量标准作为警戒线对水环境安全进行预警等b 们。 但是由这些方法确定的警限都有一定的主观性，往往并不能很好的反应复杂 水环境临界值的情况，所以如何更为客观合理的确定警限的值，也是目前预警系 统研究的重点之一。 ( 2 ) 水质预测模型研究现状 水质模型的实际应用是过去二十几年才迅速开展的，经过不断完善到现在， 数学模型已相当成熟。本文在参考国内外文献报道的基础上，对水质模型的研究 进展作如下总结： 国外方面b 1 删 2 0 世纪2 0 年代中期，美国为公共卫生工程进行的河流溶解氧沿程变化的 估算，是现代水环境质量预测历史的开端。到2 0 世纪7 0 年代，水环境质量数学 模型有了较大的发展，美国、联邦德国、日本等国家开发了一系列河流、湖库的 水质数学模型，多数是模拟点污染源对水环境质量的影响过程，对建立数学模型 的相关参数及其机理的研究也十分活跃，并取得很大进展。 目前国外河流水质预测模型的研究已较为成熟。以美国为代表，1 9 2 5 年美国 工程9 i l i s t e e t e r 和p h e l p s 提出的s p 是第一个b o d - c o d 水质模型，之后又出现了一 些s - p 模型的修正形式，包括t h o m a s 修正式、d o b b i n s - c a m p 修正式、0 c o n n o r 修正式等，1 9 7 0 年美国环保局( u s e p a ) 开始推出q u a l 系列模型，之后又提出多 参数综合水质模型( w a s p ) 、b a s i n s 模型体系等。总得来说，目前应用广泛的模 型有：华盛顿特区美国环境保护局的自动性水质模型( a u t o q u a l ) 和河口生态 模型( e c o m o d ) ；加利福尼亚水资源工程咨询公司的河流水质模型( q u a l 一1 1 ) ； 德克萨斯州德克萨斯水开发部的溶解氧衰减模型( d o s a g i ) 和河流水质模型 ( q u a l i ) ；加利福尼亚州系统控制公司的s c i 溶解氧衰减修改模型( c o s c l ) ； 纽约州曼哈顿学院土木工程系的浮游植物模型( l a k e 一1 ) ；俄勒冈州美国环境 保护太平洋西北实验室外的下落羽流模型( p l u m e ) ；丹麦水动力研究所( d h i ) 开 发了的m i k e 模型系列，包括m i k e l l 、m i k e 2 1 、m i k e 3 和m i k e s h e 等等。 国内方面 浙江大学硕士学位论文绪论 我国对河流水质变化的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，经过近几十年的发展， 在水质预测预报方面也已取得显著发展。目前在水质模拟预测上主要应用的数学 模型有：s t r e e t e r p h e l p s ( s - p ) 模型体系、q u a l 模型体系、w a s p 模型体系、 b a s i n s 模型体系、0 t i s 模型体系、m i k e 模型体系、c e q u a l w 2 模型体系，e f d c 模型体系等。具体应用研究如廖振良等人对w a s p 模型进行了二次开发，建立苏 州河水质模型d 帕；杨家宽等人运用w a s p 6 预测南水北调后襄樊段的水质d 钉；张智 等人运用q u a l 2 e 模型对长江重庆段水质进行模拟和预测等等b 6 1 。 此外，国内一些相关科研单位在水环境预警模型方面也取得一定进展，如 环境保护部南京环境科学研究所在国内最早自主开发了“潮汐河网水质数学模 型”，引进了荷兰等国家的湖泊生态动力学模型0 m a s s ，对太湖的水质和藻华开 展的模拟和预警研究，取得了一批成果；河海大学开发了平原河网水质数学模型； 北京水科院、中科院南京地理湖泊研究所等单位也研发了相关湖泊水质数学模 型；上海市环科院开发了适用于感潮河网的苏州河水动力和水质模型，完成了“黄 浦江突发性污染事故预警预报模型系统研究”，建立了一套包含模型参数数据库、 风险评价工具、数值模拟系统和应急处理建议方案的黄浦江突发性水污染事故风 险控制和预警预报决策支持系统；江苏省水利厅组织开展了太湖流域河网水量、 水质模型研制，初步建立了太湖流域河网水环境数学模型。这些水环境预警模型 的应用大大推动了水环境预警工作，提高了水环境管理的科学决策水平。 ( 3 ) 在实际应用上 水质预警系统研究方面 国外对水质预报预警系统的研究较早，在2 0 世纪7 0 年代，水质预警系统开发 和应用就得到广泛重视。其中比较典型的研究实践：德国和奥地利联合研究开发 的多瑙河流域水污染预警系统；美国在密西西比河流域、德国在莱茵河流域开发 的水污染预测系统；法国水务集团在塞纳河及其支流上建起的原水水质监测预警 系统以及英国在特伦特河的新建水厂进水口建设的水质监测预警系统等b 卜4 。1 。 目前，国内在水质预警系统方面的应用研究也取得很大进展，已成功建立的 水质预警系统有：陈慧君等人开发了广西桂江污染水质预警预报信息系统应用软 件，并于1 9 9 6 年在广西水文水资源局桂江水质预警预报系统安装运用【4 1 1 ；李秉文 等人提出了辽河流域水质预警预报系统“；窦明等人开发了汉江水质预警系统h 3 1 ； 6 浙江大学硕士学位论文绪论 刘念林等人采用g i s 、数据挖掘技术以及面向对象的程序设计理论开发了嘉陵江 水污染预警与控制系统等等h 4 1 这些水质预警系统的成功运用在我国的水污染防 治方面发挥了重要作用，促进了区域污染控制规划的进一步发展。 水环境生态安全预警系统研究方面 目前国内很多学者对水环境生态安全方面的研究，主要以流域范围的宏观尺 度为主。其中，邹长新等以西北地区黑河流域为研究区域，根据p s r 框架与层次 分析思想建立起黑河流域的生态安全评价指标体系，运用层次分析一综合模式法 进行黑河流域生态安全评价，在评价结果基础上利用生态安全预警模型得出黑河 流域生态安全警情、警源、警度卯；苏维词等就乌江流域生态环境预警的方法和 技术进行的探讨h 1 ；仇蕾等尝试建立流域生态系统预警管理框架h ；张大任等对 洞庭湖生态环境预警进行了初步的分析n 胡；邵东国等研究了干旱内陆河流域生态 环境预警的方法等等h 9 1 。 总体来说，目前国内对水环境预警研究及其应用还处于探索发展阶段，虽然 已经取得很多成果，但是由于区域水环境系统受到社会、经济发展和各种因素的 相互影响，使得其涉及的研究领域十分广泛，加上区域水环境本身存在的不确定 性、动态多变性和复杂性等多种原因，导致许多预警方法、模型较多的停留于理 论研究阶段，可操作性不强，满足不了发展的需要。因此，在今后的工作中，还 需要在许多基本理论方面作进一步研究，同时对其应用的深度和广度也需要进一 步开拓和发展。 1 3 研究目标及内容 1 3 1 研究目标 本文在课题总目标一建立河网区的水环境监控和预警系统平台的指导下， 结合现有的工作基础和技术条件，确定以下两个方面的研究目标： ( 1 ) 对水环境预警技术体系进行研究，在此基础上，对国内外有关水环境 预警的技术理论、方法进行分析，总结现有的水环境预警体系存在的不足之处， 进而提出具有科学性和可操作性的河网水环境预警技术体系。 ( 2 ) 在已建立的河网水环境预警技术体系的基础上，选取嘉善县作为典型 7 浙江大学硕士学位论文 绪论 区域，结合当前嘉善河网地区水环境管理的需要，以满足水体使用功能和保障水 生态系统健康为目标，研究构建嘉善县水环境预警技术体系，同时对河网水环境 预警体系进行实例验证。 1 3 2 研究内容 本文对河网水环境预警技术体系的研究主要是全面分析现有水环境预警技 术理论方法和实际应用情况，在此基础上，根据水环境预警的原理和逻辑过程， 结合河网水环境的特征，构建河网水环境预警技术体系，并以嘉善县为例，对其 进行实例应用和验证。具体研究内容主要包括以下四个方面： ( 1 ) 对国内外水环境预警研究现状进行分析总结。在大量收集、查阅相关 文献和资料研究的基础上，从预警指标体系、预警原理和方法、预警阈值、水质 预测模型和实际应用等五个方面总结国内外研究现状和进展，并指出现阶段水环 境预警研究的重点和发展方向，从而为构建河网水环境预警技术体系提供理论和 实践依据。 ( 2 ) 对水环境预警基本理论和方法进行研究通过对预警基本方法、警情 的识别方法、警度与警限确定方法等三个方面理论方法的分析总结，提出适合河 网区的水环境预警方法体系。 ( 3 ) 对河网水环境预警技术体系构建进行研究。根据水环境预警的原理和 逻辑过程，从预警指标选择、预警等级划分和警限确定、水质评价、水质预测和 警情判断等五个方面，重点是在水质评价与预测方法选取方面，研究设计河网水 环境预警技术体系。 ( 4 ) 对嘉善县水环境预警实例应用进行研究。对嘉善县水环境现状进行全 面调查，明确其污染物来源和主要污染物，进而建立预警指标体系；结合所研究 区域水环境功能区划和管理要求，对其划分预警等级和确定警限；利用水环境数 学模型对所研究区域进行水质预测，并结合相应的预警方法判断警情，从而对构 建的河网水环境预警技术体系进行实例验证。 浙江大学硕士学位论文绪论 i 4 技术路线 本论文研究工作是在国家水体污染控制与治理科技重大专项监控预警主题 下的流域水环境风险评估与预警技术项目的第五课题太湖流域水环境风险评估 与预警技术示范课题的第三子课题平原河网区水环境监控预警系统研发与综合 应用示范项目的支持下展开的，结合课题总目标和研究内容，制定了本研究的技 术路线，具体见图i - i 图1 1 河网水环境预警技术体系研究一以嘉善县为例技术路线图 9 浙江大学硕士学位论文水环境预警基本理论与研究方法 第二章水环境预警基本理论与研究方法 2 1 水环境预警的基本概念 2 1 1 水环境预警定义 “警”是事物发展过程中出现的偏离正常状况的情况，也称警情预警即是 对危机或危险状态的一种预前信息警报或警告，是度量某种状态偏离预警线的强 弱程度并发出预警信号的过程b 们。 水环境预警是将预警的理论和方法应用到水环境领域中去，结合现代水环境 管理理论，以信息技术为基础，利用各种技术措施和科技手段对与水环境有关的 警情、警源的现状进行分析与评价，对其发生及其未来发展状况进行预测，同时 采用定性定量相结合的预警模型或方法确定其变化的趋势、速度及质量状态变化 的动态过程，预报不正常状况时空范围和危害程度，以形成对突发性或长期性警 情的预报。 水环境预警从其逻辑过程来讲，主要包括明确警义、寻找警源、分析警兆和 预报警度等四个部分。其中，明确警义主要从警素和警度两个方面来考察，它是 水资源预警的基础和前提；寻找警源即是对警情产生原因的分析，它是分析警兆 的基础；分析警兆是关联因素的分析，它是预报警度的基础和预警管理的关键环 节；预报警度则是整个水环境预警的主要目的b 们。 2 1 2 水环境预警分类 水环境预警是一个具有多层次、多标准、多意义的理论体系，可以根据不同 的依据划分为多种类型。其中，按警情的发生状态分为渐变型预警和突发型预警； 按预警的时空范围分为空间预警和时间预警；按预警的方式分为指标预警、统计 预警和模型预警；按预警的目的分为生态环境预警、生命健康预警和经济预警； 按预警区域范围分为流域预警和区域预警；按预警的时间尺度分为短期预警和中 长期预警；按评价对象的状态及恶化趋势情况分为不良状态预警( 包括较差状态 预警和恶劣状态预警) 、恶化趋势预警和恶化速度预警等n 钉。 1 0 浙江大学硕士学位论文水环境预警基本理论与研究方法 2 1 3 水环境预警的特点 水环境预警不同于一般的预警，它的特点主要表现在n 司： ( 1 ) 警情的累积性和突发性 其中警情的突发性是由水环境系统自身性质所决定的，开发利用水环境会打 破系统平衡，如果控制不当，会造成这些系统的逆向演替。因此警情突发性要求 其重在警情的预报及尽早发现警兆并提供切实可行措施化解警情。 ( 2 ) 警兆的滞后性 由于警情的累积性特征，对自然资源开发产生的后果显露要相对滞后一段时 间，所以等警兆表现出来以后，警情的危害性就已经相当深了 ( 3 ) 警源的复杂性 警源的复杂性首先从水环境自身来讲，其内部存在的替代、共生、此消彼长 等复杂的关系决定了对其预警分析的复杂性，然后从预警指标来讲，对其进行预 警不仅要考虑经济核算指标，还要考虑生态经济效益、环境成本与效益、社会成 本与效益等部分难以量化的指标，最后从发展管理角度讲，对其预警要考虑代际 平等，协调处理好与其他部门之间的关系等等。 ( 4 ) 预警的集中性 预警主要是对负向环境影响及危害的预测上，并且集中在恶化过程、严重质 量突变和恶化状态分析上，突出对其可能的危害做出警示。 ( 5 ) 预警的动态性和深刻性 预警动态性体现在对水环境进行预测时所具有的动态性以及预警取值的多 维性，而预警的深刻性主要表现为预警主要是对环境的监督和管理发挥作用，其 目的性和针对性集中。 2 1 4 水环境预警的内容 目前在国内外有关水环境预警的研究成果相对较少，尚处于探索发展阶段， 水环境预警的研究内容也尚无统一界定，往往根据水环境利用者的目的而确定 但从区域发展的角度来讲，水环境预警至少应该包括以下几个方面内容b 1 1 ： ( 1 ) 水量变化； ( 2 ) 水质变化； 1 1 浙江大学硕士学位论文水环境预警基本理论与研究方法 ( 3 ) 经济因素变化对水资源的影响； ( 4 ) 社会因素变化对水资源的影响。 2 2 水环境预警的基本方法 2 2 1 预警的基本方法 在对河网区域水环境进行预警时，应结合实际情况采用一定的预警方法。目 前预警的方法从其机制来说，一般分为黑色预警、黄色预警、红色预警、绿色预 警和白色预警等5 类方法b 羽。每种方法中都包含着一套基本完整的预警程序，只 是在具体应用于不同方面的预警时有所区别，见表2 - 1 。 表2 - 1 各种预警方法及其比较 方法 内容 黑色黄色红色绿色白色 定性或定量定量定量定性定量定量 纵向或横向纵向纵向与横向纵向与横向 纵向纵向 指标确定关键指标多种指标 综合指标 成长指标警因指标 分析方法波动分析统计分析经验分析趋势分析因素分析 在实际应用中，主要是运用黑色、黄色和红色的预警方法。但由于红色预警 偏重于定性研究，而黑色预警方法主要针对具有循环波动规律特性的事物进行预 警b 扣，因此，在对河网区域水环境的预警管理中主要以黄色预警方法为主。 黄色预警法是一种由因到果的分析方法，具体操作又可进一步分为指标预 警、统计预警、模型预警三种形式。其中指标预警方法是首先分析确定一些反映 警情的指标，然后采用合成指数法和扩散指数法对指标综合，最后利用指标的指 数进行预警；统计预警方法是把一系列反映警情的指标与警情之间的相关关系进 行统计处理，然后根据计算得到的分数判断警情程度；而模型预警是在统计预警 方式的基础上，对预警进行进一步分析，其实质是建立滞后模型进行回归预测分 析5 4 1 。 应用黄色预警法对区域水环境进行预警，首先设计指标体系，然后进行分析 统计，最后建立模拟预警系统。在这过程中，应以指标预警为基础，统计预警为 1 2 浙江大学硕士学位论文 水环境预警基本理论与研究方法 重点，模型预警为补充，重视质的研究和专家的经验等难以量化的定性指标，以 便更加科学准确地进行预警拍钉 2 2 2 警情的识别方法 目前，警情识别的主要方法主要有：指标对比法、专家分析法、现场调查法、 统计分析法和故障树分析法等5 种方法。下面就常用的方法作以简单介绍聆胡： ( 1 ) 指标对比法 指标对比法又称比较法，它是通过相互关联的区域水资源预警指标的监测值 和标准值的对比来确定数量差异的一种方法，在实际工作中应用最广泛。 ( 2 ) 专家分析法 专家分析法主要是利用相关领域专家丰富的专业知识对水环境可能面临的 各种不确定因素和可能出现的警情进行专业分析和辩识。 ( 3 ) 现场调查法 现场调查法是亲自到实地调查获取第一手资料，然后通过分析这些资料辩识 警情，是一种最直接的识别方法。 ( 4 ) 统计分析法 统计分析法又称为经验分析法。许多结构和功能相似并且所处条件和环境也 大致相同的水环境系统可能面临着相同或近似的水环境警情，而且导致这些警情 发生的警源也大致相同。在这种情况下可以借助统计分析以往的关于同类水环境 系统中关于警情和警源的资料，进行辩识。 ( 5 ) 故障树分析法 故障树分析法首先要绘制出水环境系统或有可能对水环境系统构成破坏的 相关系统的组织结构图，用以描述系统的各个组成结构及其相应活动。然后通过 组织结构图对系统各个环境及其相应活动进行分析研究，从而识别出有可能发生 水环境问题的环境及具体警情。 在识别河网水环境系统存在的警情时，由于其本身是个开放的系统，流域内 河流纵横交错，四通八达，水环境状况十分复杂，导致其警情具有一定的不确定 性和隐蔽性，对其辨识的难度较大。目前，在实际工作中，要结合区域具体情况， 综合以上几种方法，尽可能全面分析系统面临的警情，然后根据这些警情对系统 浙江大学硕士学位论文 水环境预警基本理论与研究方法 的影响程度找出主要风险因子，忽略一些次要因子，以便简化警情识别。 2 2 3 警度与警限确定方法 2 2 3 1 警度划分方法 在进行水环境预警时，我们通常把警度划分为5 个等级即无警、轻警、中警、 重警和巨警，也可以划分为4 个等级即无警、轻警、中警和重警，还可以采用类 似交通管制的信号灯比如绿灯、蓝灯、橙灯、黄灯和红灯等的标志来表示不同等 级的警度，并根据信号指示采取相应的对策。 2 2 3 2 警限阈值的确定方法 ( 1 ) 警限阈值的影响因素 水环境系统随时都在承受着各种压力，在一定压力内，系统具有自我维持和 自我调节的