長江流域水環(huán)境監(jiān)測與智慧化管理策略

劉柏音,王 維,劉孝富,謝慧鈺,賈世琪,張志苗,王 瑩,邱文婷,羅 鐳

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012

2.中國環(huán)境監(jiān)測總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012

2016 年1 月,習(xí)近平總書記在推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會上強(qiáng)調(diào),要把修復(fù)長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置,共抓大保護(hù),不搞大開發(fā)。 “十三五”以來,各地區(qū)各部門堅(jiān)決貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想,扎實(shí)推進(jìn)長江水污染防治各項(xiàng)工作,取得了一定成效。 2020 年,長江流域水質(zhì)優(yōu)良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例較2015 年提高了14.9 個(gè)百分點(diǎn),劣Ⅴ類斷面比例降低了6.1 個(gè)百分點(diǎn)。 同時(shí),長江流域仍面臨著一系列生態(tài)環(huán)境治理與監(jiān)管難題,如部分工業(yè)企業(yè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題突出、排污口整治和管理難度大、生態(tài)流量保障不足、流域監(jiān)測預(yù)警機(jī)制銜接不夠、生態(tài)環(huán)境綜合執(zhí)法手段不足等[1]。 這對流域水環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)模擬、精準(zhǔn)評價(jià)與智慧化管理能力提出了更高要求。 為全面支撐長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)工作,國家長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究中心于2019 年7 月組織啟動了長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究項(xiàng)目,開展長江生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究,建設(shè)“長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)智慧決策平臺”(以下簡稱長江平臺),推動長江流域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與水環(huán)境數(shù)據(jù)資源整合,充分運(yùn)用數(shù)字化、信息化、智能化手段提升水環(huán)境管理智慧決策能力[2]。

1 國內(nèi)外水環(huán)境監(jiān)測與智慧化管理技術(shù)發(fā)展情況

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

美歐等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在水環(huán)境監(jiān)測與智慧化監(jiān)管技術(shù)方面的研究起步較早,在監(jiān)測數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)挖掘分析、環(huán)境模型開發(fā)應(yīng)用、專題系統(tǒng)建設(shè)、數(shù)據(jù)共享與服務(wù)等方面已達(dá)到較高水準(zhǔn)。美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)從1964 年起組織建立了水質(zhì)管理系統(tǒng)(STORET)[3],1998 年形成水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分布式數(shù)據(jù)庫,并在其基礎(chǔ)上開發(fā)了水質(zhì)交換網(wǎng)絡(luò)平臺。 各州的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)格式通過該平臺映射到STORET,并通過互聯(lián)網(wǎng)門戶網(wǎng)站公開發(fā)布,實(shí)現(xiàn)了面向管理部門、科研機(jī)構(gòu)、社會公眾的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)交換和共享[4]。近年來,US EPA 將原本相互獨(dú)立的各個(gè)水環(huán)境信息化項(xiàng)目進(jìn)行了整合,建立了一體化的集成水環(huán)境分析系統(tǒng)——流域監(jiān)測追蹤及環(huán)境效果系統(tǒng)(WATERS)。 WATERS 提供了一套彼此關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)工具來針對水環(huán)境集成數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜而系統(tǒng)的分析[5]。 在水環(huán)境模型方面,US EPA 組織開發(fā)了點(diǎn)源與非點(diǎn)源污染評價(jià)科學(xué)系統(tǒng)(BASINS)。該系統(tǒng)以ArcView 軟件為平臺,將HSPF、SWAT、AQUATOX、WASP、SWMM、GWLF-E、PLOAD 等各種水文模型鑲嵌其中,可對多種尺度下的流域點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染進(jìn)行綜合模擬分析[6]。

英國在吸收美國 STORET 與加拿大NAQUADAT 兩大水質(zhì)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,開發(fā)了水質(zhì)檔案系統(tǒng)(WAP2)[3]。 該系統(tǒng)收集了包括水質(zhì)、水文、水生物、取水點(diǎn)、排污口等與流域水環(huán)境質(zhì)量管理相關(guān)的各類數(shù)據(jù),在綜合水質(zhì)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)評價(jià)、規(guī)劃、模擬功能。 在水環(huán)境模擬方面,英國環(huán)境部推薦了WINFAP-FEH、 IH-FLOODS、 HYDATA、 Lake-Modeling 等模型,涵蓋洪水預(yù)估、降雨預(yù)測、河流與湖泊水動力學(xué)特性模擬、流域水質(zhì)管理與生態(tài)評估等功能[7]。

歐盟在 2000 年通過了《 水框架指令》(WFD),明確了水生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)、評價(jià)方法及監(jiān)測要求,并提出了基于河流自然地理要素、水文要素、水生物要素、水質(zhì)要素的流域水體管理方式[8-10]。 歐盟推薦應(yīng)用的流域水環(huán)境模型主要為 DRAINMODE、 CEM、 MIKE-11[11]、 SIMCAT、TOMACT、TOPCAT、QUAL2K 等開源模型。 這些模型在空間上覆蓋了流域陸地和水域,且能較綜合和全面地模擬出流域水體的各項(xiàng)指標(biāo)[7,12]。

日本在使用SWAT、MIKE-11 等國際成熟模型的基礎(chǔ)上[13-14],嘗試了通過自主研發(fā)模型開展水環(huán)境及化學(xué)品擴(kuò)散相關(guān)模擬,如化學(xué)品負(fù)荷水文評估模型(AIST-SHANEL)等[15]。

目前,國際上研究及應(yīng)用較多、基本獲得公認(rèn)的河流湖庫水質(zhì)模型有QUAL、MIKE、WASP、EFDC、Delft3D 等,流域污染負(fù)荷模型有SWAT 和HSPF 等。 這些模型被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于水質(zhì)預(yù)測預(yù)警、污染濃度模擬、水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制定、水污染治理措施研究等領(lǐng)域[16]。 相關(guān)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)通過廣泛的水環(huán)境監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的水環(huán)境模擬模型、開放的信息化系統(tǒng)平臺,有效提升了本國、本地區(qū)的水環(huán)境綜合管理水平。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

我國對長江流域地表水水質(zhì)的監(jiān)測始于20世紀(jì)70 年代,并自1980 年開始對主要水系地表水監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行評價(jià)[17-18]。 1998 年以后,水質(zhì)自動監(jiān)測站建設(shè)有了較快發(fā)展[19]。 經(jīng)過40 多年的發(fā)展,逐步形成了國控、省控、市控三級水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[20],建成了國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)平臺、國家地表水水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)平臺等。目前,長江流域國控地表水考核監(jiān)測站已增至1 328 個(gè),其中自動監(jiān)測站657 個(gè)。 “十二五”以來,國家部委、地方政府圍繞水質(zhì)監(jiān)控預(yù)警、水環(huán)境綜合評價(jià)、水質(zhì)水量調(diào)度、水環(huán)境綜合管理、水環(huán)境模擬與應(yīng)急等水環(huán)境智慧化管理需求,開展了多項(xiàng)涉水智慧化平臺的研究與建設(shè)工作,如全國山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息管理及服務(wù)系統(tǒng)[21]、南水北調(diào)一期丹江口庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)體系及信息平臺[22]、洱海流域水資源調(diào)度管理平臺[23]、重點(diǎn)流域水質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)[16]、太湖流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警平臺[24]。 此外,國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)在長江經(jīng)濟(jì)帶開展了多個(gè)平臺的建設(shè),包括國家水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺[25]、三峽庫區(qū)污染物入庫通量監(jiān)控預(yù)警平臺、三峽庫區(qū)重慶轄區(qū)水環(huán)境累積性風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警業(yè)務(wù)化運(yùn)行平臺等。 在水環(huán)境模擬方面,國內(nèi)研究以對國際模型的二次開發(fā)和本地化應(yīng)用為主,少部分機(jī)構(gòu)開展了模型自主研發(fā),例如:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所開發(fā)了流域水循環(huán)系統(tǒng)模型(HIMS-HEQM),可進(jìn)行水量水質(zhì)耦合模擬、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染估算[16];中國水利水電科學(xué)研究院構(gòu)建了三峽水庫水生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和水生態(tài)動力學(xué)模型,可提供水質(zhì)目標(biāo)管理決策支持;長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研發(fā)構(gòu)建了基于分布式時(shí)變增益模型的水系統(tǒng)模型(DTVGM-CWS),可模擬水系統(tǒng)在陸面水文物理、生物地球化學(xué)和人類活動過程中的物理變化[26]。 長江平臺充分匯集國內(nèi)外水環(huán)境平臺架構(gòu)優(yōu)勢與模型建設(shè)經(jīng)驗(yàn),依托優(yōu)化后的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),初步實(shí)現(xiàn)了長江流域水環(huán)境數(shù)據(jù)融合與優(yōu)化共享,形成了長江流域生態(tài)環(huán)境狀況可視化、水質(zhì)目標(biāo)管理與決策支持、綜合調(diào)度會商、聯(lián)合研究管理、流域水環(huán)境執(zhí)法輔助等系統(tǒng)功能,為長江流域水環(huán)境全面評估診斷與分析決策提供了科學(xué)平臺,積累了流域水環(huán)境智慧化管理經(jīng)驗(yàn)。

2 長江流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

以全面支撐長江流域水生態(tài)監(jiān)測與評價(jià)為目標(biāo),針對長江水環(huán)境感知薄弱、監(jiān)測要素不足等問題,提出了水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化加密方案,并針對水生生物監(jiān)測長效機(jī)制空白問題,提出了監(jiān)測指標(biāo)及評價(jià)方法構(gòu)建方案,以提升長江流域水生態(tài)監(jiān)測的完整性。

2.1 長江水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

對“十三五”長江流域地表水考核斷面與趨勢科研斷面進(jìn)行優(yōu)化,充分考慮流域面積、河網(wǎng)密度、徑流補(bǔ)給、水文特征等流域自然屬性,在流域面積大于1 000 km2的三級以下支流、流域面積大于500 km2的跨省級/地級行政區(qū)邊界河流、占地級及以上城市來水年徑流量80%以上的河流增設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位,實(shí)現(xiàn)長江流域主要河流全覆蓋和地級及以上城市行政區(qū)域全覆蓋。 同時(shí),圍繞國家級自然保護(hù)地、重大調(diào)水輸水水源地、重要水體源頭區(qū)和河口區(qū),以及跨省級/地級行政區(qū)邊界水體等增置監(jiān)測點(diǎn)位。 優(yōu)化調(diào)整后,長江流域國控監(jiān)測斷面由714 個(gè)增加至1 328 個(gè)。 通過加密監(jiān)測點(diǎn)位,豐富長江流域水質(zhì)要素?cái)?shù)據(jù),推動流域多尺度水質(zhì)評估與診斷。

2.2 長江水生生物監(jiān)測指標(biāo)與評價(jià)方法構(gòu)建

針對水生生物監(jiān)測,篩選提出了長江流域水生態(tài)特征評價(jià)指標(biāo),建立了長江流域水生態(tài)規(guī)范性監(jiān)測方法。 按照上游、中游、下游及河口區(qū),研究并構(gòu)建了長江流域水生態(tài)指標(biāo)。 利用層次分析法,結(jié)合指標(biāo)采用率,建立了針對不同水體類型(河流、湖泊)、分區(qū)域的長江流域推薦水生生物評價(jià)指標(biāo),并針對鄱陽湖、洞庭湖、丹江口水庫、太湖、赤水河等長江流域典型水體提出了推薦的水生生物類群、指標(biāo)及評價(jià)方法。

3 長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)智慧決策平臺建設(shè)與應(yīng)用

3.1 平臺構(gòu)架

如圖1 所示,長江平臺按照基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)匯集層、數(shù)據(jù)治理層、智慧大腦層、應(yīng)用層、用戶層構(gòu)建,形成了一套長江生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源庫,建成了數(shù)據(jù)匯交與共享中心、流域綜合展示中心、智慧決策支持系統(tǒng)、綜合調(diào)度會商系統(tǒng)、成果管理系統(tǒng)和流域輔助工具庫6 個(gè)功能模塊,具備流域水環(huán)境“一張圖”展示、水環(huán)境大數(shù)據(jù)分析、污染源大數(shù)據(jù)分析、水質(zhì)模擬與預(yù)測、水質(zhì)成因分析、流域生態(tài)安全評估、專家會商、研究成果集成管理、輔助計(jì)算、流域移動執(zhí)法與調(diào)查等水環(huán)境智慧管理與決策能力。

圖1 長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)智慧決策平臺系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of the intelligent decision-making platform for the eco-environment protection in the Yangtze River

3.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

長江平臺打破流域數(shù)據(jù)壁壘,建成了相對大而全的長江流域生態(tài)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)庫,匯集了長江流域基礎(chǔ)地理、水質(zhì)監(jiān)測、污染排放、水文氣象、生態(tài)功能、模型工具等多類型數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對多源數(shù)據(jù)的采集與融合,并按照不同的業(yè)務(wù)屬性形成不同的數(shù)據(jù)集。 目前,共包含數(shù)據(jù)集887 個(gè),其中:生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)集384 個(gè),含基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)集311個(gè)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)集6 個(gè)、污染源數(shù)據(jù)集7 個(gè)、生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集37 個(gè)、水文氣象數(shù)據(jù)集15 個(gè)、水利水務(wù)數(shù)據(jù)集5 個(gè)、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集3 個(gè);長江聯(lián)合研究項(xiàng)目成果數(shù)據(jù)集503 個(gè)。 總數(shù)據(jù)量近10 TB,水質(zhì)、水文和氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)均實(shí)現(xiàn)了動態(tài)更新。

3.3 水環(huán)境智慧化管理功能

3.3.1 數(shù)據(jù)匯交與共享

運(yùn)用大數(shù)據(jù)手段對長江流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)與研究成果進(jìn)行優(yōu)化共享。 面向長江流域科研、管理等綜合性業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求,通過多種方式提供數(shù)據(jù)共享服務(wù),包括查詢?yōu)g覽、數(shù)據(jù)申請、數(shù)據(jù)定制、應(yīng)用程序接口(API)、數(shù)據(jù)眾包等,并依據(jù)用戶權(quán)限提供分級、分類的數(shù)據(jù)下載與業(yè)務(wù)查詢功能。 通過長江平臺,已累計(jì)向國家長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究中心、長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局、沿江省(區(qū)、市)/市(州)生態(tài)環(huán)境管理部門、各類科研團(tuán)隊(duì)等提供原數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、定制數(shù)據(jù)等共計(jì)180 G。

3.3.2 流域環(huán)境綜合展示

實(shí)現(xiàn)長江全流域水生態(tài)環(huán)境“一張圖”查詢與展示(圖2)。 在基礎(chǔ)地理圖層的基礎(chǔ)上,分層展示流域水質(zhì)、水文、氣象、植被覆蓋等重要生態(tài)環(huán)境信息。 對于重點(diǎn)關(guān)注的信息,以專題模塊的形式進(jìn)行可視化展示,如水環(huán)境專題、污染排放情況專題、區(qū)域/流域?qū)ｎ}。 在時(shí)間維度上,可從不同的年、月、日維度分析展示長江流域生態(tài)環(huán)境變化趨勢;在空間維度上,可從多級流域、行政區(qū)劃和功能區(qū)維度展示區(qū)域水質(zhì)、污染排放等情況。

圖2 流域綜合展示中心Fig.2 Watershed integrated display system

3.3.3 水質(zhì)大數(shù)據(jù)分析

變化趨勢分析:從時(shí)間尺度對國控水質(zhì)斷面、各區(qū)域/流域的水環(huán)境變化形勢進(jìn)行分析,研究開發(fā)了長江流域水環(huán)境問題自動診斷技術(shù),實(shí)現(xiàn)了長江流域水環(huán)境問題類型分析和區(qū)域分布分析。

重點(diǎn)斷面分析:通過對長時(shí)間序列水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析,診斷出主要污染物濃度逐年上升斷面以及不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)或消除劣V 類的斷面,進(jìn)行重點(diǎn)斷面分析與預(yù)警。

水環(huán)境形勢分析:對全流域及各省級、地級行政區(qū)內(nèi)的水質(zhì)變化情況和污染排放趨勢進(jìn)行分析,并利用系統(tǒng)內(nèi)置的水環(huán)境分析報(bào)告模板,按照地區(qū)、流域在線交互生成對應(yīng)的月度、年度分析報(bào)告,輔助管理人員進(jìn)行水環(huán)境形勢分析。

3.3.4 污染排放大數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用數(shù)據(jù)融合分析方法,建立了涵蓋4 項(xiàng)污染物、6 種污染源的1 km 網(wǎng)格污染排放自動計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了對長江流域污染排放的大數(shù)據(jù)分析,可對長江流域主要污染物的排放量和排放強(qiáng)度及沿江省份的貢獻(xiàn)排名進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并以熱力圖和強(qiáng)度圖的形式進(jìn)行可視化展示。

3.3.5 水質(zhì)模擬與預(yù)測

長江全流域分布式河網(wǎng)模擬:圍繞生活、工業(yè)、種植、養(yǎng)殖等各個(gè)環(huán)節(jié)所涉及的磷的產(chǎn)生、累積、轉(zhuǎn)化、排放、通量等關(guān)鍵問題,采用長江全流域網(wǎng)格分布式河網(wǎng)模型(2 km 網(wǎng)格),覆蓋湖庫、控制單元、污水處理廠等區(qū)域,實(shí)現(xiàn)對長江全流域的水文水質(zhì)模擬。

長江入海口地區(qū)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急模擬:基于OilMap(溢油模型)和ChemMap(化學(xué)品泄漏模型),對長江入?？诘貐^(qū)進(jìn)行溢油和化學(xué)品泄漏等突發(fā)事故模擬,實(shí)現(xiàn)對突發(fā)性污染事故的在線快速預(yù)測。 該模型可以對各種情景進(jìn)行模擬預(yù)測、溯源反算和應(yīng)急處置綜合效果分析。

岷沱江流域預(yù)測預(yù)報(bào):集成基于SWAT 的長江典型流域預(yù)測預(yù)報(bào)模型,實(shí)現(xiàn)岷沱江流域水文水質(zhì)預(yù)報(bào)及情景模擬分析。 流域模型水文、水質(zhì)預(yù)測結(jié)果的時(shí)間尺度以日為單位,以專題形式展示未來7 天的水文水質(zhì)預(yù)測情況。

長江水質(zhì)預(yù)測人工智能(AI)模擬:基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型、關(guān)聯(lián)規(guī)則模型、時(shí)間序列模型和集成學(xué)習(xí)模型等,對長江流域各水質(zhì)斷面監(jiān)測指標(biāo)濃度開展未來1～7 天的預(yù)測,用于快速研判斷面的水質(zhì)變化。 該模型對未來1～3 天整體趨勢的預(yù)測誤差較低,對于穩(wěn)定時(shí)期的預(yù)測較為精準(zhǔn),平均相對誤差分別為11.73%、15.52%、16.84%。

3.3.6 水質(zhì)成因大數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測斷面污染源分析:可對監(jiān)測斷面控制單元或任意區(qū)域內(nèi)的工業(yè)源、生活集中源、農(nóng)業(yè)源等的排放情況及特征污染行業(yè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與排名,同時(shí)標(biāo)識出區(qū)域內(nèi)的飲用水水源地、水文站、氣象站和水質(zhì)站分布情況,輔助環(huán)境監(jiān)管執(zhí)法。

監(jiān)測斷面污染路徑識別:依托AI 算法模型,對國控監(jiān)測斷面水質(zhì)超標(biāo)成因進(jìn)行上下游影響因素模型分析,定量化計(jì)算本地區(qū)域污染源影響因素占比與上游多路徑區(qū)域污染源影響因素占比,為科學(xué)制定上下游水環(huán)境生態(tài)補(bǔ)償方案提供測算依據(jù)。

3.3.7 流域水生態(tài)安全評估分析

按照指標(biāo)層、因素層、方案層、目標(biāo)層逐級構(gòu)建流域水生態(tài)安全評估四級指標(biāo)體系,囊括流域自然、社會、經(jīng)濟(jì)等多類指標(biāo),并按照專家決策和層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重,實(shí)現(xiàn)了對不同流域范圍的水生態(tài)安全評估分析。 系統(tǒng)同時(shí)提供簡單易用的公式編輯工具,可對各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行定制。

3.3.8 綜合調(diào)度與會商

將長江平臺與視頻會議系統(tǒng)軟硬件結(jié)合,采用視頻會商手段,解決地方工作中遇到的技術(shù)問題,實(shí)現(xiàn)流域管理部門、科研團(tuán)隊(duì)、專家組的視頻溝通會商、在線會診、駐點(diǎn)現(xiàn)場連線(圖3)。 同時(shí),深入挖掘數(shù)據(jù)資源,形成長江生態(tài)環(huán)境各類指標(biāo)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,在視頻連線的同時(shí),切入會商對象的流域/區(qū)域畫像分析視圖,對水環(huán)境質(zhì)量、飲用水水源地情況、污染源清單、環(huán)境問題清單、研究成果等進(jìn)行展示,輔助會商決策。

圖3 綜合調(diào)度與會商系統(tǒng)Fig.3 Comprehensive scheduling and consultation system

3.3.9 成果管理

圍繞國家長江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究中心研究項(xiàng)目管理需求,建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范長江聯(lián)合研究駐點(diǎn)城市和共性研究課題的成果分類上報(bào)、審核、入庫和應(yīng)用,精細(xì)化管理各類成果,并形成研究進(jìn)度及成果亮點(diǎn)“一張圖”。

3.3.10 輔助工具

面向生態(tài)環(huán)境日常管理、保護(hù)修復(fù)、科學(xué)研究等應(yīng)用,開發(fā)和集成科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、成果輸出系列工具,用于水環(huán)境管理輔助測算分析與工作報(bào)告編制。

模型資源庫:提供國內(nèi)外主流水動力模型、水質(zhì)模型、水生態(tài)模型、流域模型、地下水模型和海洋模型的調(diào)用接口,以及部分模型的下載服務(wù)。

水質(zhì)在線評價(jià)工具:具備河流及湖庫水質(zhì)在線評價(jià)功能,可自動計(jì)算出各個(gè)斷面的水質(zhì)類別及超標(biāo)因子,同時(shí)計(jì)算出所有斷面的總體評價(jià)等級,以及湖庫的富營養(yǎng)化指數(shù)和等級情況。

流域?qū)ｎ}圖定制工具:提供在線制圖服務(wù)。用戶可根據(jù)需求選擇不同的時(shí)間、區(qū)域或流域范圍進(jìn)行水質(zhì)、水文等專題圖的在線定制,系統(tǒng)會自動生成相關(guān)專題圖件。

3.3.11 執(zhí)法與調(diào)查移動終端

結(jié)合流域水環(huán)境野外執(zhí)法與調(diào)查過程中的數(shù)據(jù)查詢和采集需求,對長江平臺功能模塊進(jìn)行移動端簡化與優(yōu)化。

地圖周邊查詢:具備定位及周邊查詢分析功能,提供執(zhí)法區(qū)域附近水質(zhì)斷面評價(jià)分析結(jié)果,同時(shí)可進(jìn)行周邊污染企業(yè)查詢,并可對飲用水水源地、生態(tài)保護(hù)區(qū)等敏感受體的分布及基本情況進(jìn)行查詢。

數(shù)據(jù)采集:具備任務(wù)創(chuàng)建、人員分配、任務(wù)下達(dá)、任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)監(jiān)控等執(zhí)法行動全流程管理功能,同時(shí)可為生態(tài)環(huán)境問題識別、污染源核查、排污口調(diào)查、采樣監(jiān)測等業(yè)務(wù)提供對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集及上報(bào)工具。

4 展望

長江平臺已完成一期建設(shè),奠定了流域長時(shí)間序列水環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ),并形成了一定的水環(huán)境智慧化管理功能,但在水環(huán)境多尺度監(jiān)測感知分析、小流域尺度污染溯源、水質(zhì)目標(biāo)可達(dá)性模擬等智慧化分析能力上仍存在一定的局限性。 二期平臺建設(shè)將圍繞流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與問題識別、大數(shù)據(jù)耦合分析、三維場景可視化、流域水環(huán)境數(shù)據(jù)挖掘與在線計(jì)算等開展進(jìn)一步探索研究,充分發(fā)揮數(shù)字化產(chǎn)品服務(wù)水環(huán)境智慧化管理的優(yōu)勢,使長江水環(huán)境管理從“數(shù)治”邁向“數(shù)智”。

1)提升水環(huán)境監(jiān)測感知與生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化水平。 依托流域水生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),完善長江平臺與流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互共享機(jī)制,制定長江流域數(shù)據(jù)治理標(biāo)準(zhǔn)化體系,實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)的自動動態(tài)更新功能。 增加多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),融合長江水生生物監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)排查等相關(guān)數(shù)據(jù),形成面向長江流域各類業(yè)務(wù)需求的生態(tài)環(huán)境綜合“數(shù)據(jù)湖”。 加強(qiáng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品二次開發(fā),生產(chǎn)面向斷面、面向控制單元、面向流域的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,拓展數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

2)形成長江流域水環(huán)境立體觀測體系。 升級長江流域綜合展示系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)時(shí)空可視化、過程模擬可視化、長江干流虛擬現(xiàn)實(shí)與長江聯(lián)合研究成果可視化,構(gòu)建針對不同尺度、區(qū)域、流域的可視化標(biāo)準(zhǔn)體系。 應(yīng)用“3 S”技術(shù)(RS,遙感技術(shù);GIS,地理信息系統(tǒng);GPS,全球定位系統(tǒng))[27-28]、數(shù)字孿生可視化技術(shù)[29]、三維GIS技術(shù)[30]等,整合亞米級分辨率遙測數(shù)據(jù),構(gòu)建針對典型小流域的高精度、二三維一體、可實(shí)時(shí)感知生態(tài)環(huán)境變化的可視化引擎和可視化場景,開展大尺度精細(xì)化場景建模,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和可視化渲染,動態(tài)反映生態(tài)環(huán)境現(xiàn)實(shí)、模擬預(yù)測趨勢。

3)提升水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)模擬與污染溯源能力。依托大數(shù)據(jù)、AI 技術(shù),集成衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等,深入挖掘AI 分析方法[31],提升生態(tài)環(huán)境問題自動快速識別能力。 構(gòu)建長江流域水環(huán)境質(zhì)量動態(tài)模擬和預(yù)測系統(tǒng),及時(shí)發(fā)布水質(zhì)臨界超標(biāo)預(yù)報(bào),識別污染風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和關(guān)鍵點(diǎn)。 構(gòu)建宏觀水質(zhì)成因模型,實(shí)現(xiàn)分流域的水質(zhì)成因分析,實(shí)現(xiàn)對以重金屬、石油、農(nóng)藥等為特征污染物的突發(fā)環(huán)境事件的污染溯源。 結(jié)合污染源影響范圍與水動力特征,預(yù)測特征污染物來源與遷移轉(zhuǎn)化趨勢,實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集展示到水質(zhì)預(yù)測預(yù)警,再到污染溯源、政策導(dǎo)向支撐的水環(huán)境綜合管理閉環(huán)。

4)開發(fā)水環(huán)境智能管理互聯(lián)網(wǎng)工具。 研發(fā)水質(zhì)現(xiàn)狀與達(dá)標(biāo)自動分析工具、湖庫及河流水環(huán)境容量計(jì)算工具、生態(tài)需水量簡易測算工具、污染物排放自動計(jì)算工具、水質(zhì)污染損害評估工具,實(shí)現(xiàn)各類水環(huán)境分析工具在長江平臺的在線計(jì)算能力。 基于地理空間數(shù)據(jù)及環(huán)境要素專題圖層數(shù)據(jù)的不斷更新完善,實(shí)現(xiàn)圖層在線管理、在線編輯,按流域控制單元或行政區(qū)劃等完成水環(huán)境問題專題制圖,并提供定制化在線生成報(bào)表、報(bào)告及制圖成果導(dǎo)出等功能。