（二等奖）C200地表水污染监测及模拟与分析系统——以溧阳市为例

作品编号：C200（二等奖）

作品名称：地表水污染监测及模拟与分析系统——以溧阳市为例

作者单位：苏州科技大学环境科学与工程学院

小组成员：李虔，匡天琪，万根奕，庄瞿颖

指导老师：杜景龙，张志敏

一、需求分析
水是人类赖以生存和发展的物质基础，水环境污染和水资源短缺已成为当今世界各国面临的主要问题。党的十八大把生态文明建设纳入中国特色社会主义事业“五位一体”总体布局，首次把“美丽中国”作为生态文明建设的宏伟目标。水环境系统是一个复杂的动态系统，其内部机制和外部环境的影响和作用机理以及内部与外部之间的相互作用和耦合机制尚不十分清楚，因此需要科学的管理方法和先进的管理技术对流域环境进行综合研究。融合对地理数据处理的新兴学科地理信息系统（Geographic Information System, GIS），可以将环境管理和生态保护集成到一个统一的信息化平台，利用GIS高效的空间分析能力、强大的数据展示能力，为传统低效率、高耗费的环境保护工作注入了新的活力。当前，我国县市级智慧环保地理信息系统中关于水环境管理方面的需求主要集中在以下几个方面：
（1）统一的数据管理和存放
系统应集成各类水环境相关数据，包括河流湖泊水系、水质监测站点、排污口、重点污染源、污水处理厂等。应建立数据存储中心，并在数据存放时对数据来源、数据抽取事件等均应标识清楚。
（2）基于一张图的环境信息展示
系统能够对环保系统提供统一的GIS服务，包括地图查询服务、地图浏览服务、缓冲区查询与分析服务、制图综合服务等。
（3）数据的综合查询与分析
系统集成了海量的大环境数据、污染源数据与业务管理数据等，需要具有相应的数据综合查询与分析功能，即根据用户需要，以一定的查询条件对数据进行全局与局部范围的查询、统计，以列表或者图形等形式显示查询结果。
（4）决策支持服务
系统能够通过数学模型，建立一套标准的污染扩散体系，对污染物的扩散时间和浓度变化及影响范围进行模拟分析，为环境管理部门对污染的影响程度和危害性做出正确的估计，对环境突发事件做出快速反应，保障区域环境安全具有重要意义。
（5）安全性和稳定性
系统要具有较高的安全性与稳定性，以保证系统的可靠运行，保证用户的正常使用，其中安全性包括安全控制和身份验证两个方面。安全控制又包括人员安全、硬件安全和操作系统安全三个方面。
2. 系统总体设计
2.1 系统总体架构
本系统采用B/S体系结构，结合GIS、JavaWeb。从下至上分为数据库层、服务层、控制层及表现层。如图1所示。
（1）数据层
数据层是系统数据的基础，为系统的应用提供基础数据。数据层的数据既可以是数据库中的数据也可以是以文件形式保持的数据。系统的数据层包括用户信息、用户权限信息、监测数据信息、用户反馈信息、触发器生成的同比环比数据等。
（2）服务层
服务层通过ArcGIS Server服务器发布的地图服务、要素服务、几何服务、地理数据、网络分析等，实现空间数据的访问和地理处理的调用。系统能对所管理的信息进行各种类型的数据分析，以服务的方式提供给环保用户，具体包括数据查询、趋势预测，报表输出、图形显示、外部接口API等的调用。
（3）控制层
控制层集成了系统控制包，包括REST、SOAP等服务包，实现功能及数据的请求与代理、权限控制、页面跳转等。
（3）表现层
在浏览器端，将后台数据和地理服务调用到地图展现给用户，在服务层的基础上为客户提供具体与环保相关的应用，如污染源的统计、水环境质量监控、污染物模拟、趋势预测等。

图1 系统的总体架构
2.2系统功能设计
系统实现了环境基础信息的查询、显示，水质监测数据的分析及水污染扩散的模拟。根据操作界面的不同，分为客户端和后台管理两个基本模块，如图2所示。

                            图2 系统实现的主要功能
2.2.1客户端模块
（1）地图浏览与操作
包括地图浏览、图层控制、地图下载和数据导出四个部分，如放大、缩小、漫游、全图显示、视图回退、图层透明度控制、清空操作、量距与测算面积等。设计的目标是为用户提供好的交互体验。
（2）查询检索
实现对环境信息数据的多种查询，包括基于空间位置的查询（图查属性）、基于属性的查询（属性查图）、缓冲区查询、条件组合查询等。设计的目标是查询的灵活性、检索的高效性、查询信息表达的多样性。
（3）地图展示
提供多样化的信息展示，包括鹰眼图展示、热力图展示、核密度统计图展示和各类专题图的展示。设计的目标是通过多样化的数据展示，提供给用户更多的信息量。
 (4) 统计分析
系统基于Arc GIS Sever发布的图层，结合数据库中存储的各类监测数据，实现多种统计分析功能，如水质的年度变化分析、季节变化分析、基于空间统计单元的分析等，并实现了分析功能的多元可视化，如雷达图对比分析、折线图、条状图趋势分析等。
（5）水污染扩散模拟
系统集成了权威的水污染扩散模型，为用户提供了一维、二维的水污染扩散模拟，用户只需指定河流或者水库中污染源的位置（或污染事件发生的位置），通过设置不同的参数，如污染物浓度、弥散系数、污染物衰减系数等，系统能够自动模拟各种情况下不同污染物的扩散情况及影响范围，并以梯度颜色和形状渲染在地图中，动态模拟污染扩散的全过程。此外，该模型还可以折线图和数据表等方式，显示污染源浓度随时间变化的趋势与具体数值，定量的展现了污染物在水体中的扩散情况，对于环保部门进行监测与调控，对附近居民进行实时预警、实现科学的决策分析具有重大指导意义。
2.2.2后台管理模块
（1）数据的维护
通过管理员账户登陆后台系统，可以实现数据库的维护，即对后台数据库进行增加 、删除、修改和查询操作，操作的目的是为了保证数据的正确性和完整性，能够对数据库进行定期或实时的更新，保证数据的现势性。
(2)用户权限管理
用户可通过两种身份访问该系统、分别是普通用户、管理员与测试员，普通用户不能够进入后台查看数据，只能通过个人中心修改用户基本信息，管理员不仅能够通过后台进行数据的增删改查，还可对其他用户反馈的信息予以回复。
(3)信息审核
用户可以通过前端的信息反馈功能提交环保巡查时发现的问题及建议，系统将反馈的信息实时传入后台，管理员可以从后台接收到相应信息并予以处理，反馈信息的用户也能够获取到经过审核后的反馈记录，优化了人机交互，用户的体验更优。

2.3 数据库设计

 
 
 
 
2.3.1 空间数据库设计
  （1）图层设计
                表1 空间数据库图层一览表

  （2）使用Arcmap对原始shape矢量图层进行编辑、样式设计
（3）在Arcmap中将生成的图层发布到远程服务器（租）中的Arcgis Server中。
2.3.2 属性数据库设计
  （1）数据库
表2 属性数据库一览表

（2）表的结构
  介绍几个重点的表（见下面）

1. 使用的数据库

   MYSQL 5.7

3.关键技术

3.1主要技术简介
系统采用了多达12种的先进技术框架，前台采用了Bootstrap和Dojo实现页面的呈现；后端运用了Spring MVC、MyBatis进行业务处理，Arc Map、My SQL、ArcGIS Sever进行数据分析。值得一提的是，对于数据的可视化，本系统运用了Esri公司最新推出的Arc GIS API for Java Script技术实现地图渲染、缓冲区分析、水污染模型构建等功能，并结合Echarts进行分析结果的直观展示，如图5所示。

图5 系统技术框架
 
3.2 水质模拟技术
本系统的水质模拟主要针对于河流和水库中污染物随水流的扩散进行一维和二维的可视化模拟，首先，用户通过在地图上指定污染点源并设定初始污染状态,对模型因子进行量化赋值,结合API技术和GIS空间处理功能,直观可视化的实时动态地模拟水污染扩散的时空过程。
具体展示如图6（一维扩散模型）、图7（二维扩散模型）所示。

 
图6（一维水污染扩散模型）
图右侧高亮显示的部分则为用户选择的污染点源，左侧河流污染浓度分析窗口下方可以进行污染源浓度及水流流速等相关参数的设定，点击开始分析按钮，动态折线图中则会显示污染源浓度随时间的变化趋势，污染物浓度报表中同时显示出每个单位时间内浓度的具体数值并可供用户导出至Excel中，再次选择分析时间，点击draw按钮，河道中将会以梯度颜色更直观地渲染出水污染在指定时间内的扩散情况及影响范围，便于对污染作出分析与决策，对突发情况进行预警，及时有效地对污染进行调控‘。
同理，二维水污染扩散模型对于水库中的污染情况进行模拟，分析结果以二维图形的形式展现在地图中。

图7（二维水污染扩散模型）

4. 作品亮点

(1) 基于环保一张图，实现了溧阳市水环境信息可视化展示、环境信息的多种方式的查询统计、水污染扩散模拟预测，丰富了环境信息化建设内容。
（2）突出了web应用的优势，通过Ajax异步获取数据，页面显示流畅，完成了更好的交互体验。随着技术的不断发展，前端web应用复杂度的增加，特别是单页面应用的风靡，组件化，工程化，自动化成了前端发展的趋势。好的目录规范能让项目结构清晰，便于维护和扩展；好的编码规范能让团队人员的代码风格统一，便于代码的审查，此外，组件是资源独立的，在系统内部可进行复用，组件和组件之间可以嵌套，也便于实现组织代码模块化、页面组件化。Web应用使前端工程化、后端API通用化，减轻了服务器的压力，提高了系统运行效率。
 (3) 引入水污染扩散模型，实现了一维、二维的水污染扩散模拟。以适当的水质数学模型为基础，运用API技术，结合GIS空间分析的便捷性，对水污染扩散情况及其影响范围进行模拟与分析，实现了水质影响预测的直观化、可视化，将事故模拟的数值结果转换成为直观的图形图像信息,把计算结果中的物理现象或物理量随时间和空间的变化呈现在用户面前,使用户能够更加感性地观察到模拟的事故发展过程,便于对事故进行分析和评价，简化了工作量、节省了物力财力，为水污染事故灾害应急处置决策及有效控制污染提供依据。

5. 系统建设的意义

本系统采用B/S模式，结合了时下最流行的GIS、GPS等技术，以江苏省溧阳市为例，研制和开发了一款适用于县市级环保应用的地表水监测及水污染扩散分析与模拟系统，改变了传统环保工作头绪繁琐、耗时久、出错率高、反馈慢的工作模式。该系统覆盖面广，涉及到水环境监测和保护的各个方面，既是一个环保信息展示平台，也是一个协同办公工作平台；既可为环保工作者提供便捷的日常管理服务，也可为部门领导提供决策信息化支撑服务，同时还为广大公众提供环保信息发布平台和环保参与平台。
当今社会日新月异，“既要金山银山，也要绿水青山”，环境保护任重道远。传统的环保手段数据量大、处理繁琐、耗时久、易出错。本系统提供了一个适用于县市级环保工作的一套完整的“水环境监测分析系统”建设方案，借助GIS和互联网技术，即可让所有数据实时入网，进行实时监测，提高环保工作效率，同时，广大公众可以通过互联网了解环境信息,参与环境保护。