第1章城市水环境管理平台概述
1.1城市水环境管理现状
水环境管理是指人类基于长期可持续发展的需要而对水环境采取的保护行为，尤其侧重于水质保护、水生态保护，具体表现为水污染防治、水土保持、水污染事故和纠纷处理等活动。水环境管理体制建设是一项复杂的系统工程，即使在发达国家，水环境管理模式也随着认识水平的提高与需求的不断变化处于逐步完善的过程。在国家层面，各国水环境管理模式存在很大差异，归纳起来，包括5种模式：环保部门管理下的集成管理模式（法国和德国）、分散管理模式（英国、中国、加拿大和日本）、水利部门管理下的集成管理模式（俄罗斯和荷兰）、低级别的集成分散管理模式（以色列）、高级别的集成分散管理模式（澳大利亚和印度）。
根据环境保护机构和流域管理机构发展演变，新中国成立后我国流域水环境管理体制变迁可以划分为四个阶段，即起步阶段（1949～1978年）、转变阶段（1979～1994年）、深化阶段（1995～2005年）、强化阶段（2006年至今）。我国水资源管理与水污染控制分属不同部门管理（图1-1），水量与水能由水利水电部门管理，城市供水与排水则由市政部门管理。生态环境部虽然全面负责水环境保护与管理，但是与其他很多机构存在责权交叉。另外，由于缺乏统一的、更高一级的协调部门，各部门各自为政，较难实现“统一规划、合理布局”。
1.2城市水环境管理平台发展现状
环境问题一般是指由于人类活动作用于周围的环境引起环境质量下降或生态失调，以及这种变化反过来对人类的生产和生活产生不利影响的现象，通常具有明显的地理分布特征。解决水环境问题的前提和基础是获得所需的水环境信息，其相对于其他环境要素来讲往往时间序列较长、空间范围广泛、空间和地域特征明显，且这些信息数据量大、关系复杂更新快。建立水环境管理平台，将地理信息系统（geographic information system，GIS）与传统数据库相结合，运用现代信息技术管理水环境的各类信息，同时将水环境模型与信息管理、决策支持系统相结合，将系统论、信息论和计算机技术应用于水环境管理，充分发挥现代信息技术优势，运用各种数学方法和水环境模型对水环境进行分析、预测、评价，为管理水环境、掌握和解决水环境问题提供较为有效的支撑。
近年来，已有一些机构或研究人员利用GIS等技术开展水环境管理平台的研究，并取得了一定的成果。如肖青等开展了基于GIS的苏州河环境综合整治管理信息系统的研究，充分利用GIS的空间分析功能为部门规划、管理与分析水环境信息提供支持；朱杰等建立了沱江流域成都段的水环境预警系统；上海市环境管理部门建立了黄浦江流域水环境GIS，为上海市水环境的管理与改善提供了便捷的信息支持。张慧霞等基于现代信息技术搭建生态环境监测和管理平台，实现数据录入、数据查询、数据统计和用户管理功能，实现对惠州西湖水环境高效管理。安若兰将GIS与水质评价模型相结合，依托C#.Net开发环境，搭建渭河流域管理系统框架，实现了渭河流域水资源管理信息化及水质评价自动生成。徐文帅等基于在线监测需求整合空间数据与监测数据，应用GIS与Oracle数据库等技术构建污染源自动监测数据综合分析系统，从而实现在线监测数据的实时监控、统计分析、超标预警与数据展示等功能。陈家模等使用ArcGISEngine和Java技术开发与设计水环境管理信息平台，通过动态监控水质变化情况获取实时监测数据并完善数据库建设，以解决水环境保护过程中复杂的综合治理问题，为环境部门提供决策支持。
1.3 城市水环境承载力发展现状
随着人口、资源和环境问题日趋严重，环境承载力得到了较多的研究和探讨，承载力成了一个探讨可持续发展问题所不可回避的概念。水资源承载力（water resource carrying capacity，WRCC）和水环境承载力（water environmental carrying capacity，WECC）是承载力概念与水资源和水环境领域的自然结合，目前有关研究主要集中在我国，国外专门的研究较少，一般仅在可持续发展文献中简单涉及。
1.3.1 国外现状
水环境承载力的理论雏形为水环境容量，1968年首先由日本学者提出。日本为改善水和大气环境质量状况，提出污染排放总量控制。欧美的学者较少使用环境容量这一术语，而是用同化容量、*大容许纳污量和水体容许排污水平等概念。20世纪60年代以后，北美湖泊协会曾对湖泊承载力进行定义；美国的URS公司对佛罗里达Keys流域的承载能力进行了研究，内容包括承载力的概念、研究方法和模型量化手段等方面。此外，Falkenmark等[10]的一些研究也涉及水资源的承载限度。
1.3.2 国内现状
近年来，我国学者在水环境承载力的理论和实践等方面都进行了积极的探索，并取得了重大进展。其中，贾振邦等在分析水环境承载力概念的基础上，综合考虑选取了与本溪市水环境有密切关系的6项具体指标，用于评定水环境承载力大小，为社会经济与水环境协调发展提供决策依据。郭怀成等分析了城市水环境系统的特点，提出了城市水环境与可持续发展的研究方法。洪阳等在环境容量的基础上探讨了环境承载力的概念和模型。朱湖根等[14]论述了淮河流域水环境承载力的脆弱性，指出流域水环境承载力脆弱性的研究将会促使人们将水环境作为一个系统，考虑其对人类各种社会经济活动的承受能力，保证流域可持续发展。崔凤军采用系统研究方法对城市水环境承载力的概念、实质、功能及定量表达方法作出了分析，并利用系统动力学（systemdynamics，SD）模拟手段进行了实证研究，其结果表明水环境承载力指数变化对拟定的调整策略作出的预测优化结果是较满意的。
蒋晓辉等从水环境、人口、经济发展之间的关系入手，探讨水环境承载力的内涵，在此基础上建立了研究区域水环境承载力的大系统分解协调模型，并将模型应用于关中地区，得到了不同方案下关中地区水环境承载力及提高关中地区水环境承载力的*优策略。马文敏等[17]在论述西北干旱区域城市水环境基本情况和水环境承载力概念的基础上，分析了该区水环境承载力特点与研究思路，重点对干旱区城市水环境承载力分析方法的研究现状及发展趋势进行了阐述，指出应用人工神经网络模型与遗传算法结合求解水环境承载力系统的*优化问题。井涌通过分析陕西渭河流域水环境的自然特征，以及水资源演变趋势和开发利用造成的水环境现状问题，研究了该流域的水环境承载能力，并提出了调控水环境承载能力的战略对策。王海云对水环境承载能力调控与水质信息系统模式的建立进行了分析研究，并结合中国实情提出了建模总体框架，指出水环境承载能力是可持续发展理论的重要体现，建立水质信息系统基础平台，科学地利用和调控水环境承载能力，实现水环境保护的目标。卢卫在对浙江省主要饮用水水源地背景资料调查的基础上，运用污染物总量控制指标分析了水源地水环境的承载能力，并提出了提高水源地水环境承载能力的对策，为城乡居民饮用安全优质水提供了保证，为促进浙江省水资源可持续利用和经济社会可持续发展提供了保障。王顺久利用投影寻踪技术对全国300余个地级市的水环境承载力进行综合评价，该方法无需给定权重，避免一定的人为性，为水环境承载力的综合评价提供了新的途径。李如忠等基于水环境承载力概念的模糊性和评价指标的多样性特点，在模糊物元分析基础上，结合欧氏贴近度概念，建立了基于欧氏贴近度的区域水环境承载力评价模糊物元分析模型，并将其用于地下水环境承载能力评价。鄢帮有等对鄱阳湖水环境承载力进行了分析。赵然杭等在充分理解水环境承载力内涵及其影响因素的基础上，建立了水环境承载力评价指标体系，并对水环境承载力量化方法的研究程度及其存在的问题进行了论述，提出了城市水环境承载力与可持续发展策略的模糊优选理论、模型和方法，并以实例进行验证，从而为决策提供可靠依据。梁翔宇等从邵阳市实际出发分析了水环境承载力日趋减弱的成因，提出了保护水资源、改善水环境、提高水环境承载力的对策。汪彦博等采用系统动力学方法，建立石家庄市水环境承载力的模型，并对承载力指标进行量化，比较了南水北调工程前后石家庄市水环境承载力，预测石家庄市水环境持续发展状况，提出有利于石家庄市水环境持续发展的*优方案。赵青松等介绍建立指标体系时应该遵循的原则及指标权重计算方法，并把模糊数学中隶属度的概念纳入水环境承载力评价中，把原本复杂、模糊的问题定量化，从而使得水环境承载力的评价既清晰又简单。涂峰武以西洞庭湖为例，构建湖泊流域水环境承载力模型，通过预测分析其水环境承载力，为湖泊管理提供科学依据。
第2章城市水环境管理平台需求分析
2.1总体功能
自2015年《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）颁布以来，对城市水环境管理工作提出了“国家每年公布*差、*好的10个城市名单和各省（区、市）水环境状况”“建立水资源、水环境承载能力监测评价体系”“完成市、县域水资源、水环境承载能力现状评价”“整治城市黑臭水体”等具体要求。涉及大量的数据计算，并且对数据时效性要求较高，亟需构建城市水环境管理平台，将业务需求信息化，实现数据定期更新并自动处理，节约人力资源，为相关管理部门提供有力的数据支撑。
城市水环境管理平台通过信息化手段，以遥感（remote sensing，RS）、GIS、全球定位系统（global positioning system，GPS）为支撑，以信息公开、信息采集为基础，以信息资源共享、模型分析预测为核心，构建集网络建设、业务集成、数据共享、预测预警和科学决策为一体的水环境管理软件系统。城市水环境管理平台框架如图2-1所示，主要包括业务管理和公众服务两个系统，其中，业务管理系统是城市水环境管理平台的重要组成部分，与其他子系统在业务流程和数据流程上相互依赖，并且与公共支撑平台（包括网络环境、软硬件共享、数据共享与交换、基础服务、GIS模块等）相互支持。
2.2 业务化管理需求
根据城市水环境管理平台建设目标，针对平台需要满足城市水环境质量评估、水环境问题解析、城市水环境承载力评估等业务需求，业务管理系统包括数据中心、城市水环境质量评估子系统、水环境问题解析子系统、城市水环境承载力评估和预警子系统、其他业务子系统和GIS模块，实现对城市水环境数据管理、水环境质量评估及排名、承载力评估、地图展示等功能。
2.2.1 数据中心
数据中心通过构建城市水环境数据库，统一城市水环境数据标准，提供城市水环境相关数据的集中管理功能。城市水环境数据包括水环境质量数据、水质目标数据、水资源数据、水环境承载力目标数据、区域经济数据、项目数据、政策法规及污染源数据等。
数据中心提供以Excel格式文件为数据源的各种数据的导入功能，为避免数据在导入过程中出错，针对不同数据提供Excel格式的导入模板文件下载功能。同时，提供数据管理功能，包括数据查询、数据新增、数据删除、数据修改及选定数据集合导出Excel格式的文件。此外，数据中心构建城市水环境空间数据库，对各类空间数据进行管理。空间基础数据涵盖城市水环境领域涉及的各类数据：全国水系分布（属性包括水体名称、水体类型、所在行政区、国控断面、市控断面、区县断面等）；行政区划、土地利用、高程、主体功能区、水生态环境功能区划；水资源数据（包括水体流量、城市水资源总量、各市供水量、饮用水水源地、地表水资源量、年降水量、用水量、地下水储量、灌溉面积等）；省市县社会经济数据［国内生产总值（GDP）、工业产值、三产比例等］；空间管控要求（生态红线、保护区等）；全国污水处理厂分布及数量、农田分布、畜禽养殖数量、人口数量及区域各类项目、规划工程清单等。
2.2.2 城市水环境质量评估
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