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工业水污染控制模拟信息系统的研究进展
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20 世纪 60 年代以后，一些国家开始对环境质量进行全面地管理和综合防治，环境系统工程的研究也随之得以迅速发展。这主要是得益于人类对环境问题认识的进步，是人类对自然环境及其固有的发展变化规律正确认识的结果。特别是 1972 年斯德哥尔摩“人类环境会议”以后，环境问题的广泛性得到重视，人们开始认识到大环境的质量对小环境往往有决定性影响，环境问题的解决与社会、经济和生态等方面的内容息息相关。环境系统工程和计算机技术的发展使得人类模拟环境系统成为可能，也使人类对环境问题的研究手段进一步得到丰富。自 70 年前，第一个水质数学模型 Streeter-Phelps 出现以来，用模型模拟环境系统的行为就成为环境科学的一个主要趋势，环境信息系统（Environmental Information System，以下简称 EIS）也随之迅速发展起来。EIS 结合了环境系统工程和信息技术的发展，以环境模型为核心，利用环境信息综合反映环境系统，并能够预测环境系统的未来变化，为环境管理者提供多种决策方案，因此得到了广泛的应用。 早期的 EIS 或是简单地将数学模型计算机化，或是单纯的电子数据处理系统，其内容和结构与今天的 EIS 有很大差别。经过 30 多年的发展，今天的 EIS 已经广泛应用于环境监测、环境评价、环境应急与预警管理、环境规划、环境预测与决策、科学研究、环境生态管理、环境审计与评估、污染控制等诸多领域。我国在“七五”和“八五”期间建立了一批全国性、地方性的信息系统，在环境管理中发挥了重要作用。 将决策支持系统（Decision Support System，以下简称 DSS）与 EIS 相结合而出现的环境决策支持系统（Environmental Decision-making Support System，以下简称EDSS）能够更积极、有效地服务于环境管理。由美国国家环保局在 80 年代初开发的EADS 系统就已能够辅助环境评价、污染源表征以及污染控制等工作，但这一系统从整体上，仍然是模型的计算机化，还不能说是完整的 EDSS。此后的 SAROAD 和STORET 能够为美国国会提供环境决策方面的支持。由英国人类可靠性联合公司和伦敦经济政治大学共同开发的影响与评价决策支持系统 IMAS，具有专家知识管理模型和即时响应功能，已经是一个较为成熟的决策支持系统。此外，日本国立公害研究所研制的 SAPIENS 能够对环境信息进行综合分析，挪威开发的区域环境应急系统MEMbrain，中国城市环境实用决策支持系统（UEDSS）和中国省级环境决策支持系统等功能都已较为完善。 目前的 EDSS 主要采取的方法是系统集成法。该方法运用系统科学理论将 3S 技术、网络技术、专家系统（ES）、人工智能技术（AI）、环境模型、DSS 技术等集成到系统中，使系统朝着更为实用化的方向发展，例如由国际应用系统分析研究所研制的智能环境信息应用系统 XSPILL（1994）是用于模拟河流中偶然泄漏的化学物质扩散的动态分析模型，它集成了 GIS、河流模拟模型等，可以提供较为智能化的环境决策支持。很多学者利用多目标规划技术对环境问题的数学模拟进行了广泛的研究，并在此基础上建立了基于集成模式的 EDSS，例如 Baffaut 和 Delleur 开发的包含校正过程知识与 SWMM（城市径流模型）的专家系统；Daene C McKinney 和 David R Maidment集成 ES 与 GIS 建立的智能地理信息系统，并成功应用于德克萨斯州的水规划等。有些学者对集成系统的结构模型进行了一些研究，提出了多种系统模型假设。 智能决策支持系统是 EDSS 的未来发展方向。它通过不断地引入新技术，使得决策更为合理，预测更为可靠。决策模型也将从现阶段的线性模型向非线性模型方向发展。但是尽管已经进行了很多实践，却鲜见有关 EDSS 理论上的探索，特别是基于开放复杂巨系统理论，对集成系统及其子系统之间相互作用与关系的探讨较为少见。已应用的系统主要集中于环境规划与评价，对于利用环境经济学模型，以及公众参与、信息公开等信息手段进行污染控制的集成系统研究还较为薄弱。作为 EDSS 的一个分支，水污染控制模拟信息系统（Water Pollution Control Information System，WPCS）的研究主要解决的正是 EDSS在污染控制方面的应用，必将得到更为广泛的应用。 早期的 WPCS 利用环境质量模型，通过模拟环境质量，预测其变化。基于这一方式构建的系统有很多，例如 SWAT、SMS、AGNPS、SWRRBWQ、BASINS 等。但是由于污染源以及污染控制成本等方面的信息不准确，使得对污染控制的费用效益分析遇到了困难，限制了系统决策支持功能的实现。为此，一些基于环境经济学的模型系统逐渐发展起来，这些系统在分析污染源状况的基础上，通过环境经济学模型模拟环境变化所产生的影响及污染控制措施的成本，提供决策支持。其主要形式有三种：综合污染控制决策支持系统（Decision Support System for Integrated Pollution Control，DSS/IPC），工业污染预测系统（the Industrial Pollution Projection System，IPPS）和剂量-反应关系模型系统。 DSS-IPC 能够集成各种计算模型，快速评估指定区域的环境状况和污染影响，为污染治理提供决策支持。它是由世界银行（World Bank，WB）结合世界卫生组织（World Health Organization，WHO）和泛美卫生组织（Pan American HealthOrganization，PAHO）在污染控制战略与政策方面的研究成果，开发出的一套快速评估系统。Kseniya Lvovsky（1999）给出了 WB 在安哥拉、巴西（里约州）、墨西哥、摩洛哥、沙特阿拉伯、斯里兰卡和叙利亚等国家应用 DSS-IPC 的实例。DSS-IPC 通过企业的生产活动，得到污染排放量，进而计算环境质量，在此基础上对不同控制手段和环境策略的成本进行分析，从而提出污染控制措施的优先序。尽管该系统已经注意到了企业的生产活动与企业污染排放之间相互关联的事实，但是对企业污染行为的分析并不全面，没有考虑城市工业结构、经济发展速度等宏观经济政策对企业污染行为的影响。此外，如果将污染损失的计算纳入到系同中，将使系统所提供的决策支持更为丰富、直观。 WB 的发展研究部基于工业污染与工业活动的规模和结构紧密相关的事实，开发了 IPPS。IPPS 在全美 200 000 家企业排放和生产数据的基础上，建立了一套行业污染敏感性（单位产品的污染量或人均污染）评估，评估结果可以应用于那些数据匮乏的发展中国家。WB 已经在世界很多发展中国家推广了 IPPS 体系，Carter Brandon 和Ramesh Ramankutty（1993）介绍了在亚洲推广 IPPS 的情况，Richard Calkins（1994）总结了在印度尼西亚的应用实例。在《1994-1995 世界资源》中 IPPS 也成为了第一个综合评估有毒污染物越境污染的方法。最近经合组织（Organization for EconomicCooperation and Development，OECD）在贸易与环境评估方面的研究中采用的也是IPPS。这种方法的特点是数据容易获得，评估简洁快速，同时，考虑了企业的行业特征等因素，其评估的结果更加全面。这种方法的局限性也十分明显，因为不同国家或地区的状况差异很大，其环境政策等也不尽相同，行业敏感性评估能否很好地反映这种差异还有待探讨，此外，该体系关于污染控制方面的决策支持也不充分。 剂量-反应关系模型系统是基于环境经济学中的剂量-反应关系建立起来的，主要用于识别人类活动对环境质量的影响，以及环境变化对人体的影响。它更多的依赖于病理学、毒理学的研究成果，能够准确地反映环境变化对人体的影响，缺点是所需数据量大，病理、毒理学的关系难以确定。尽管如此，国外仍然对此进行了大量研究，特别是空气污染对健康的损害方面。L. B. Lave和 E. R. Seskin（1970）对长期接触一定浓度范围污染物的影响进行了统计分析；1980 年美国建立了国家农作物损失评价网；我国沈阳市和重庆市也在 80 年代研究了大气环境质量对人体健康的影响。 总体来看，目前关于 WPCS 的理论与方法方面的研究仍然很不成熟，例如有关污染损害，特别是水污染损失的研究比较薄弱，计算结果的精度较差；在体系结构方面模拟系统不仅应关注污染控制问题，还应用于资源的配置与调控等，解决上述问题也正是 WPCS的发展方向。 随着总量控制工作的开展，我国在城市污染控制方面的理论与方法也进行了很多研究，并从原来单一的行政手段，逐步扩展到经济手段和信息手段。但是由于有关污染排放数据以及削减成本数据的不足或不可靠，使得基于费用效益分析的污染控制模拟方法往往不能实现，为此有必要对污染者的污染行为进行研究，分析城市污染的经济学特征，寻找新的方法，以期能够更加准确、有效地模拟城市环境污染及其影响，辅助环境管理与决策。 |
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