汪自書*,胡 迪
(1.清華大學環境學院,北京 100084;2.北京清控人居環境研究院有限公司,北京 100084)
當前,我國正處于環境質量改善的關鍵時期,區域性大氣污染、流域性水污染和累積性環境風險仍普遍存在,跨區域、跨部門和多要素的復合型環境污染問題日漸凸顯[1],傳統的環境管理決策手段難以滿足新時期環境保護的復雜性、動態性和系統性要求[2]。同時,新時代我國環境保護要求發生了根本變化,滿足人們日益增長的對美好生態環境的需要[3-4],環境管理手段和決策體系必須進一步強化以環境質量改善為核心,著力解決最突出的生態環境問題。大數據技術是目前全球最熱門的領域之一,被廣泛應用于科研教學、環境保護、工程技術、國土安全、生物醫藥等領域[5-6],推動大數據技術及其應用已經成為國家戰略。環境大數據是提高我國環境管理信息化水平的重要手段[2],將在中國推進環境治理體系和環境治理能力現代化中發揮重要作用。
環境大數據將成為環境管理的重要基礎平臺,依托環境大數據的綜合決策和管理技術,可有效提高環境管理和決策水平,促進跨區域、跨部門、多介質協同的環境綜合治理。本文系統回顧了我國環境管理的發展歷程和新時代環境管理的新需求,總結了國內外環境大數據技術及其應用進展,分析了我國環境大數據技術在環境管理和決策領域的應用與需求,提出了環境大數據技術的應用前景和展望,以期推動我國環境管理領域大數據技術應用和研發工作,為相關研究工作提供基礎支撐。
中華人民共和國成立以來,我國環境管理歷程大致可以分為五個階段:探索階段(1949—1978年)、起步階段(1979—1991年)、發展階段(1992—2002年)、深化階段(2003—2012年)和綜合改革階段(2013年至今)。
我國環境管理歷程及主要特點見表1。

表1 我國環境管理歷程及主要特點
1.1.1 探索階段(1949—1978年)
中華人民共和國成立初期,環境污染和生態惡化主要表現為局部個別現象。因此,1972年之前我國并未制定和實施系統的環境保護政策。1973年第一次全國環境保護會議審議通過了《關于保護和改善環境的若干規定》,環境保護的重要性逐漸得到認識。總體而言,這一階段污染治理水平和績效不高,環保手段未得到很好的貫徹。大中型項目“三同時”執行率1976年僅為18%,1977—1979年均在40 %左右[3]。第一批限期治理項目管理比較松懈,大部分項目在限期內沒能完成治理目標。直到1985年,除少數項目被撤銷外,才完成大部分治理任務[7]。
1.1.2 起步階段(1979—1991年)
1979年9月13日,《中華人民共和國環境保護法(試行)》頒布,標志著我國環境保護開始納入法制軌道,隨后頒布施行了一系列環保法律法規,包括《中華人民共和國海洋環境保護法》《中華人民共和國水污染防治法》《中華人民共和國大氣污染防治法》和《征收排污費暫行辦法》等,我國環境保護法律體系基本形成。1983年第二次全國環境保護會議明確指出,環境保護是一項基本國策,肯定了環境保護在我國經濟和社會發展中的重要地位。此后環境保護作為一項重要內容被寫入歷年《政府工作報告》中,并正式納入國民經濟和社會發展計劃。1989年,第三次全國環境保護會議在環境影響評價制度、“三同時”制度和征收排污費制度的基礎上,進一步提出城市環境綜合整治定量考核制度、環境目標責任制、排污許可證制度、限期治理制度和集中控制制度,形成了我國環境管理的“八項制度”,作為我國環境管理體系的主體結構,發揮了重要作用。
1.1.3 發展階段(1992—2002年)
1992年以來,我國逐步形成了強調環境與經濟同步、協調、持續發展的可持續發展戰略。這一階段,我國先后制定了《中華人民共和國清潔生產促進法》等5部新法律,修改了《大氣污染防治法》等3部法律,國務院制定或修改了20多項環境法規[8]。1992年開始,水污染物排放許可證發放工作在全國全面鋪開,同時開展了大氣排污交易政策試點工作。1996年,第四次全國環境保護會議提出保護環境是實施可持續發展戰略的關鍵,確定實施《污染物排放總量控制計劃》和《跨世紀綠色工程規劃》兩大舉措。同年,國務院發布了《關于加強環境保護若干問題的決定》,提出“一控雙達標”要求,即污染總量控制、環境功能區達標、工業污染源排放污染物達標,自此,污染物排放總量控制成為我國環境保護的一項重大指標體系和定期公布的制度[9]。1998年,國務院頒布了《建設項目環境保護管理條例》,確立了我國建設項目的環境影響評價制度。2002年,第五次全國環境保護會議提出環境保護是政府的一項重要職能,要貫徹落實《國家環境保護“十五”計劃》,探索區域生態環境質量考核和生態保護與建設審計制度、生態破壞限期恢復治理制度和生態環境補償機制。
1.1.4 深化階段(2003—2012年)
2003年10月,中共十六屆三中全會通過《中共中央關于完善社會主義市場經濟體制若干問題的決定》,提出了“五個統籌”和堅持以人為本,樹立全面、協調、可持續的發展觀,標志著環境保護進入深化發展階段。2003年,《中華人民共和國環境影響評價法》正式施行,將原來只針對建設項目進行的環境影響評價擴大到對發展規劃等戰略性活動進行環境影響評價。同年,國家環保總局要求建立循環型企業,開展物質循環利用,支持重點行業中小企業實施清潔生產。2004年,國家環保總局與國家統計局聯合啟動綠色GDP研究工作,并在全國10個試點省市進行了綠色國民經濟核算與環境污染損失調查。2005年12月,國務院先后發布了《促進產業結構調整暫行規定》和《關于落實科學發展觀加強環境保護的決定》,首次提出在一定的地區堅持環境優先、保護優先,實行優化開發、限制開發和禁止開發,并要求嚴格控制污染物排放總量,做到增產不增污。2006年,第六次全國環境保護會議提出要把環境保護擺在更加重要的戰略位置,落實環境影響評價、污染物排放總量控制和環境目標責任制。2011年,第七次全國環境保護會議提出要堅持在發展中保護、在保護中發展,進一步完善項目環評、規劃環評、區域限批等措施,健全環境保護綜合決策機制,探索環境保護稅、生態補償、環境損害賠償等機制。
1.1.5 綜合改革階段(2013年至今)
黨的十八大提出,要將生態文明建設納入中國特色社會主義事業“五位一體”總體布局,建設美麗中國,實現中華民族的永續發展,這標志著環境保護被提上了新的高度,隨之出臺了大量新的環境管理政策要求。2014年4月24日,十二屆全國人大常委會第八次會議修訂了《中華人民共產國環境護保法》(以下簡稱“新《環保法》”),該法于2015年1月1日起正式施行。2015年,《中華人民共和國大氣污染防治法》修訂,將排放總量控制和排污許可的范圍擴展到全國,明確分配總量指標,對超總量和未完成達標任務的地區實行區域限批,建立重點區域大氣污染聯防聯控機制。2015年,中共中央、國務院發布了《關于加快推進生態文明建設的意見》和《生態文明體制改革總體方案》,首次提出“綠色化”概念,系統、全面地闡述了我國生態文明體制改革總體要求、理念和原則[10]。這一階段,《大氣污染防治行動計劃》《水污染防治行動計劃》和《土壤污染防治行動計劃》相繼出臺,明確提出空氣質量、水環境質量的改善目標和分類管控措施。2016年,國務院辦公廳印發了《控制污染物排放許可制實施方案》,提出為推動環境治理基礎制度改革、改善環境質量,要將排污許可制建設成為固定污染源環境管理的核心制度。
在60多年的發展歷程中,我國環境管理體系實現了從單一到完備、從定性到定量、從抽象到具體的轉變,具有明顯的階段性特征。然而,隨著我國社會經濟的發展,我國社會的主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾,人民對優美生態環境的需要日益增長。同時,黨的十八大以來提出將建設生態文明、促進綠色發展、改善生態環境質量作為國家頂層設計和要求;黨的十九大確定了新時代“兩步走”戰略,提出到2035年實現生態環境質量根本好轉,美麗中國目標基本實現,也對我國的環境管理提出了更高的要求。因此,我國現階段的環境管理已全面轉向以環境質量改善為核心,強化源頭預防和過程管控,實現跨區域、跨行業、多部門、多要素的協同管控要求。
1.2.1 從末端治理走向源頭防控
20世紀七八十年代,我國針對污染源通常采取事后監督罰款的辦法,由于罰款金額不當等原因,一些企業寧愿承受罰單也不愿治理污染。1980年《關于基建項目、技措項目要嚴格執行“三同時”的通知》的發布標志著我國環境管理向事前控制轉變。1999年《中華人民共和國環境影響評價法》頒布施行,這樣工程項目在立項、選址的時候就能評估出對環境的影響,進而控制新污染源的出現,優化環境工程和項目。但以上的環境政策都僅僅局限于某一流程或某一領域,在工業生產的全過程中缺乏系統、整體的環境管控理論。2003年《中華人民共和國清潔生產促進法》的頒布施行,宣告我國環境管理進入全過程控制的新時期[11]。
1.2.2 從點源治理到區域流域聯防聯控
我國最初實行的“誰污染、誰治理”著力于點源控制與濃度控制。“九五”期間,全國普遍加強污染治理,開始展開大規模的環境基礎設施建設。1996—2005年,我國實施《跨世紀綠色工程規劃》,重點是“三河”、“三湖”,“兩區”(SO2污染控制區和酸雨控制區)、“一市”(北京),“一海”(渤海),以及三峽庫區及其上游、南水北調工程地區等。在這些重點流域和區域,多渠道爭取資金(如世界銀行、亞洲開發銀行、日本國際協力銀行、歐洲一些國家的政府貸款、BOT以及國內資金等),采取綜合性措施,加大治理力度。包括實施總量管控制度、排污收費制度和“以氣代煤、以電代煤”的能源政策,推動企業達標排放和加快城市環境基礎設施的建設,努力使重點地區的環境惡化狀況有所改善[12]。
1.2.3 從局地性、單要素向區域性、多要素綜合管理
黨的十八大后環境管控在目標設定上有一個重大轉變,即從過去總量控制的減排目標轉變為以改善環境質量為核心,實現生態環境質量總體改善,這是對環保工作從量變到質變的要求。一方面,隨著公眾環境關心水平的不斷增長,現代環保主義已經成為一種新的社會價值,讓環境治理成效與公眾真切感受更加貼近已經成為新階段社會建設和環境治理的共同目標。另一方面,近年來,區域復合型大氣污染、流域性水環境污染和累積性環境風險突出,加上城市與農村、生產與生活、不同產業之間的污染交叉,共同決定了過去使用單個或主要污染物指標進行監測、控制的方式已經不能滿足當前環境治理的要求[10],我國環境污染治理與控制已經從局地性、單要素控制向跨區域、多部門和多介質控制轉變。跨區域、跨部門、多介質的協同管理已經成為新時代環境管理的必然要求。
大數據一般是指無法在可容忍的時間內用傳統IT技術和軟硬件工具對其進行感知、獲取、管理、處理和服務的數據集合,其具有規模大、種類多、處理速度快等特點[2]。大數據是當今全球最熱門的研究領域和新興產業之一[13],在科研教學、環境保護、工程技術、國土安全、生物醫藥等領域有望實現技術突破和創新。大數據是信息化發展的新階段,隨著信息技術和人類生產生活交匯融合,互聯網快速普及,全球數據呈現爆發增長、海量集聚的特點,對經濟發展、社會治理、國家管理、人民生活都產生了重大影響[14]。
大數據技術及應用流程主要包括數據采集挖掘、處理和管理、大數據分析等。①數據采集和挖掘,數據量大、來源多、種類復雜是大數據的重要特征之一,數據采集是大數據技術及應用的重要基礎。目前常用的大數據采集技術包括衛星遙感、傳感器、射頻設別、互聯網和移動平臺等,基于3S、物聯網、網絡爬蟲等技術實現大數據挖掘和采集。②數據處理和管理,主要是完成對已經采集到的數據進行處理、清洗去噪和校核處理,一般通過聚類或關聯分析,結合實際觀測數據的校核驗證,將無用或錯誤的離群數據過濾掉;構建并行、高效的大數據管理系統,如分布式文件系統GFS、分布式數據庫BigTable,實現對海量數據的統一管理、檢索、調用和互聯共享。③大數據分析是大數據處理流程最核心的部分,一般包括機器學習、智能算法、統計分析和系統建模等。云計算成為當前大數據分析的最新技術和趨勢,以MapReduce、Hadoop等技術平臺為代表的云計算平臺成為大數據分析的基礎平臺[15],推動大數據技術應用進入以分析即服務(AaaS)為主要標志的Cloud 2.0時代。
典型大數據應用及其比較見表2。
世界各國都把推進大數據技術及其應用作為實現創新發展的戰略舉措。2012年3月,美國公布了“大數據研發計劃”,該計劃旨在提高和改進人們從海量和復雜的數據中獲取知識的能力,進而加速美國在科學與工程領域發明的步伐,增強國家安全。根據該計劃,美國國家科學基金會(NSF)、國立衛生研究院(NIH)、國防部(DOD)、能源部(DOE)、國防部高級研究計劃局(DARPA)、地質勘探局(USGS)6個聯邦部門和機構共同提高收集、儲存、保留、管理、分析和共享海量數據所需的核心技術,提高大數據技術開發和應用所需人才的供給。該計劃還強調,大數據技術事關美國國家安全、科學和研究的步伐,將引發教育和學習的變革。歐盟方面也有類似的舉措。過去幾年歐盟已對科學數據基礎設施投資1億多歐元,并將數據信息化基礎設施作為Horizon 2020計劃的優先領域之一。截至2012年1月的預算為5 000萬歐元的FP7Call 8專門征集針對大數據的研究項目,仍以基礎設施為先導。縱觀國際形勢,對大數據的研究與應用已引起各國政府的高度重視,并已成為重要的戰略布局方向。

表2 典型大數據應用及其比較[6]
大數據技術的興起推動了新興產業誕生,產業發展需求與關注點發生了重大轉變,眾多企業關注的重點轉向數據。運用大數據及其處理技術,生物制藥、新材料研制生產的流程會發生革命性的變化,可以通過數據處理能力極高的計算機并行處理,同時進行大批量的仿真比較和篩選,大大提高科研和生產效率,甚至使整個行業邁入數字化與信息化的新階段。大數據已成為與礦物和化學元素一樣的原始材料,未來可能形成數據服務、數據探礦、數據化學、數據材料、數據制藥等一系列戰略性的新興產業[14]。
推動大數據技術及其產業化發展已經成為我國重要的國家戰略。2017年12月8日,中共中央政治局就實施國家大數據戰略進行第二次集體學習。中共中央總書記習近平在主持學習時強調,要推動實施國家大數據戰略,加快完善數字基礎設施,推進數據資源整合和開放共享,保障數據安全,加快建設數字中國,更好服務我國經濟社會發展和人民生活改善。
大數據作為新的技術手段,可極大地提高管理效率,帶來環境管理和環境決策的重大變革。利用大數據技術能夠對環境管理中看似相互之間毫無關聯的信息、碎片化的信息,反映問題某個方面表面現象的信息進行關聯分析,從中發現趨勢、找準問題、把握規律,實現“用數據說話,用數據管理,用數據決策”,環境管理從粗放型向精細化、精準化轉變,從被動應對向主動預見轉變,從經驗、直覺判斷向大數據科學決策轉變[15]。
2012年以來,英國、美國等發達國家相繼發布大數據發展戰略,環境大數據技術和應用也進入快車道。英國自然環境研究理事會(NERC)已投資超過1 300萬英鎊支持環境大數據技術及應用研究,主要包括數據存儲和高性能計算、氣候變化與環境模擬、云計算和環境數據挖掘技術等;計劃到2020年將建立環境數據創新中心,進一步促進大數據對應對復雜問題、創新、經濟發展等戰略決策的支持。美國環境保護署(EPA)通過推動建立數據監測網絡、整合并共享數據,建立設施登記系統(facility registry system,FRS),形成排污設施登記數據庫,建立統一的中央數據交換系統(central data exchange,CDX),使EPA各部門、州政府環保部門、部落或環保團體、企業能夠快速傳輸、交換環境數據,并整合了不同業務系統形成環境數據倉庫(enviro facts),包括大氣環境質量、有害固體廢棄物、超級基金場地、有毒物質排放清單、飲用水等大部分業務數據。
2016年,環保部發布了《生態環境大數據建設總體方案》,積極開展生態環境大數據建設和應用工作,部分科研院所和大中企業已經開始進行環境大數據系統建設和技術應用,如環保部評估中心的環評管理平臺、清華大學環境學院研發的空氣質量預測和預報系統,都已經具備環境大數據技術和應用的雛形。整體上看,國內環境大數據系統技術開發與應用仍處于起步探索階段,多停留在環保部門本身和單一環境要素管理本身,難以發揮大數據系統本身大規模、多樣性、高速性和高價值的特點,也很難真正發揮環境大數據系統對環境管理決策的支撐作用。
環境大數據技術及其應用是順應我國新時代環境管理決策的重要支撐和創新要求。長期以來,我國環境管理決策受自然地理、經濟社會和環境監測等基礎數據缺乏的制約,傳統的環境系統分析與模擬工具高度依賴這些基礎數據。海量數據的出現催生了一種新的科研模式,即面對海量數據,科研人員只需從數據中直接查找或挖掘所需要的信息、知識和智慧,甚至無須直接接觸需研究的對象。環境大數據技術已經在全球氣候變化預測、生態網絡觀測與模擬、區域大氣污染治理[16]和環境影響評價[17]、環境風險管理[18]等領域得到廣泛應用。
環境大數據技術及其應用是深化生態環境治理措施和提升環境管理水平的必然要求。環境大數據是提高我國環境管理信息化水平的重要手段,將在我國推進環境治理體系和環境治理能力現代化中發揮重要作用[19]。未來20年我國仍將面臨突出的生態環境問題,工、農、城和水、氣、土等多部門、跨介質污染問題將日趨復雜,到2035年實現環境質量全面達標的壓力巨大,環境治理措施和環境管理與綜合決策亟需系統優化和理論技術層面的全面創新。環境大數據系統將集成空地一體化感知系統,構建以大數據為核心的環境綜合決策系統,為深化環境治理措施和提升環境管理水平提供技術支撐和科學依據。
環境大數據應用及產業化發展是落實國家大數據戰略和支撐科技創新發展的戰略需要。環境大數據及其應用是國家推動大數據戰略的重要組成部分,對于進一步完善數字基礎設施、推進數據資源整合和開放共享和建設數字中國具有重要意義,有利于提升我國環境治理水平,服務于美麗中國建設。另外,信息科學、環境系統與控制是國家創新發展戰略的重點方向與領域,環境大數據與模擬平臺建設是信息科學和環境系統的交叉前沿學科,從而進一步推動環境大數據技術研發和相關產業發展。
3.2.1 環境大數據的應用展望
把大數據的核心理念和關鍵技術應用到環境領域,對海量環境數據進行采集、整合、存儲、分析與應用等。當今環境信息技術的飛速發展促進了環境大數據技術應用,通過聲學傳感器、生物傳感器、化學傳感器、RFID技術、衛星遙感、視頻感知、光學傳感器、人工監察等可感知和采集海量環境數據,為大數據應用于環保提供了基礎,而大數據技術又為解決當前復雜的環境問題帶來了新的機遇[2]。利用物聯網技術將感知到的環境監測、環境管理數據通過處理和集成,再運用合適的數據分析方法進行加工處理、校核檢驗等,可以將環境大數據系統運用到環境系統模擬、動態評估和綜合決策系統中[20]。
環境大數據技術與應用將推動我國環境管理向綜合化、數字化、信息化和精細化轉變。伴隨著互聯網、環境監測、遙感觀測和物聯網技術的快速發展,環境數據產生方式正在向自動感知式系統階段轉變,環境大數據系統將通過多源海量數據的采集加工、存儲融合,共享交互和綜合應用,構建大區域、跨部門、多介質的復雜環境系統的重要信息基礎。環境大數據作為新的技術手段和思維方式,可將海量、互相關聯的環境信息進行有效鏈接,實現經濟社會活動—污染排放和環境質量的動態響應與適時反饋,使得環境管理逐漸向動態化、數字化、網絡化和精細化轉變。
3.2.2 環境大數據系統主要功能
數據采集與挖掘。構建與環境監測系統相匹配的數據信息采集平臺,實現兩者的互聯互動,將環境監測系統數據實時動態上傳至大數據平臺。對系統采集的多介質數據進行加工預處理和智能校核,進行各項數據的空間匹配和網格化賦值計算,實現與環境基礎信息數據庫的銜接。基于計算機深度學習和智能評估技術,對系統上傳的各項數據進行動態評估和反饋,不斷優化數據采集方案[21]。基于高性能計算機技術,實現環境大數據系統的并行批量處理和動態更新,進行大數據挖掘分析和數據展示。
數據處理與管理。基于多源數據采集和互聯網大數據挖掘技術,搜集處理研究區域不同空間尺度、長時間序列的自然地理、氣象水文和經濟產業、社會人口、資源利用、污染排放和環境質量等基礎數據,比較分析不同來源口徑數據的可靠性和一致性,將不同數據源、不同格式的多源數據加工處理為互相可對應、可識別、可提取與利用的信息,并對不同類型的基礎數據進行空間匹配,建立環境基礎信息數據庫。建立大數據系統高效的數據查詢和索引子系統,包括文件系統、數據庫和數據處理等功能模塊,實現多源數據庫系統管理的性能最優化。依托數據存儲系統和基礎網絡設施,通過圖形化的配置界面實現分布的、異構的、跨網絡的信息資源的交換共享,以統一標準對外提供數據服務,并對數據進行綜合、全面的分析與監管。
大數據分析與應用。環境大數據技術及其應用,將進一步深化大數據應用和環境系統分析等領域科學研究,完善環境大數據與模擬平臺的理論基礎、方法體系和技術框架,對于系統認識區域發展與生態環境保護之間的關系、模擬資源環境承載能力變化與預警、預測生態環境質量變化趨勢等具有重要意義。當前,環境大數據分析常見方法包括機器學習、深度學習和云計算等,已被廣泛應用于生態環境預測評估和管理決策中[16]。
環境管理決策與支撐。面向區域環境協同調控和綜合決策的需求,結合區域發展戰略、環境保護目標、政策制度、標準規范、成本效益、技術進步和環境風險管控等要求,在環境大數據分析的基礎上,結合區域環境系統分析和數值模型等工具,研究開發多環境介質綜合模擬和協同調控系統,實現區域環境多環境介質協同調控和環境管理決策支撐等功能。
環境大數據系統主要功能如圖1所示。
多源環境大數據獲取、處理和安全問題。其復雜性不僅體現為數據樣本本身,更體現在多源異構、多實體和多空間之間的交互動態性上,難以用傳統的方法描述與度量,處理的復雜度很大[22-23],多源數據經過清洗、驗證后需要建立統一的數據銜接、融合和集成體系[24]。此外,由于大數據的來源復雜、信息量大,大數據的安全和隱私問題也備受關注[15]。

圖1 環境大數據系統主要功能示意圖
環境大數據的存儲、管理和計算能力。大數據的來源與應用廣泛,為了將不同時間序列、空間尺度和各種類型的數據收集起來統一整理,就必須搭建統一的數據的集成與管理系統[15]。為達到低成本、低能耗、高可靠性目標,通常要用到冗余配置、分布化和云計算技術,在存儲時要按照一定規則對數據進行分類,同時加入便于日后檢索的標簽[23-24]。海量數據存儲和大數據分析技術對高性能計算能力的需求不斷增加,云計算技術在一定程度上解決了普通用戶對高性能計算的需求,但由于資金投入不足和專業技術人員缺乏等影響,環境大數據技術及其應用的普及和推廣仍然受到普遍的制約[22]。
本文回顧了我國環境管理歷程變化和新時代要求,在總結國內外環境大數據技術應用進展的基礎上,提出了我國環境管理領域環境大數據的應用前景和展望。主要結論包括:
(1)我國環境管理經歷了探索、起步、發展、深化和綜合改革五個階段,按照新時代改善生態環境質量的要求,環境管理向跨區域、跨部門和多介質協同的綜合管理轉變。
(2)推動大數據技術發展是國家戰略,環境大數據應用將推動我國環境管理改革和綜合決策水平的提升,有助于科學實施生態環境綜合治理工作。
(3)典型的環境大數據系統包括數據采集與挖掘、數據處理與管理、大數據分析與應用、環境管理決策與支撐等功能,將環境大數據應用于環境綜合決策系統將有助于提升環境管理水平。