環(huán)境大數(shù)據(jù)在我國(guó)環(huán)境治理中的應(yīng)用研究

李艷梅，余強(qiáng)，楊文杰，黃振，鄧赟，蔡震峰*

(1.江西省華贛環(huán)境集團(tuán)有限公司，南昌 330000；2.江西省固體廢物管理中心，南昌 330077)

環(huán)境治理是全球公共管理的重要議題。相較于國(guó)民經(jīng)濟(jì)總量的飛速增長(zhǎng)，我國(guó)未來的生態(tài)安全、環(huán)境治理壓力將有增無減。傳統(tǒng)的政府環(huán)境治理多屬事后治理，缺乏時(shí)效性和科學(xué)性，容易陷入市場(chǎng)失靈、政府失靈和社會(huì)低效的困境之中[1]，難以滿足新時(shí)期環(huán)境保護(hù)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和系統(tǒng)性要求[2]。

當(dāng)前大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為我國(guó)重要的國(guó)家戰(zhàn)略。環(huán)境大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”為政府創(chuàng)新環(huán)境治理手段提供了新的思路，已經(jīng)成為推進(jìn)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化的重要手段，特別是在水、大氣、土壤等環(huán)境要素的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警、污染源監(jiān)控以及危險(xiǎn)廢物管理等方面，但仍處于起步和探索階段。

1 環(huán)境大數(shù)據(jù)概述

1.1 環(huán)境大數(shù)據(jù)的概念

環(huán)境大數(shù)據(jù)的概念分狹義和廣義兩種理解。從狹義角度來說[3]，它是在海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，借助云計(jì)算、人工智能等數(shù)據(jù)分析技術(shù)，解決環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)鍵問題；從廣義上理解[4]，它是以數(shù)據(jù)技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的面向環(huán)境保護(hù)與管理決策的信息技術(shù)。從根本上說，環(huán)境大數(shù)據(jù)就是運(yùn)用大數(shù)據(jù)的理念、技術(shù)和方法，對(duì)環(huán)境范疇的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、計(jì)算與應(yīng)用，為提高重大生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警水平，提升環(huán)境管理決策水平，推進(jìn)環(huán)境治理體系和治理能力現(xiàn)代化提供科技和數(shù)據(jù)支撐。

1.2 環(huán)境大數(shù)據(jù)的特征

環(huán)境大數(shù)據(jù)具有大數(shù)據(jù)的“5V”特征[5]，即Volume(大體量)、Velocity(高速)、Variety(多樣)[6]、Value(低價(jià)值密度)、Veracity(真實(shí)性)，表征著現(xiàn)實(shí)環(huán)境問題在數(shù)量、質(zhì)量、時(shí)序方面的分布規(guī)律和聯(lián)系。

1.3 環(huán)境大數(shù)據(jù)的類型

伴隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷成熟和環(huán)境治理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，環(huán)境大數(shù)據(jù)的來源和種類主要分為5 類[7]:地面監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)、地理信息環(huán)境數(shù)據(jù)、社會(huì)統(tǒng)計(jì)環(huán)境數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)[8]。不同類型的環(huán)境大數(shù)據(jù)融合在一起，形成了包含網(wǎng)絡(luò)空間在內(nèi)的“天地空一體”的海量數(shù)據(jù)庫，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

從環(huán)境管理角度，環(huán)境大數(shù)據(jù)包括大氣、水、土壤等環(huán)境要素的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)管部門掌握的污染源數(shù)據(jù)、環(huán)境執(zhí)法、督查督辦與環(huán)評(píng)審批數(shù)據(jù)等。

表1 環(huán)境大數(shù)據(jù)的分類和特征[7]

2 環(huán)境大數(shù)據(jù)在我國(guó)環(huán)境治理中的應(yīng)用實(shí)踐

環(huán)境大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為環(huán)境治理的重要基礎(chǔ)平臺(tái)，尤其是在支持生態(tài)環(huán)境綜合決策、實(shí)施精準(zhǔn)監(jiān)管和提供便民公共服務(wù)等方面[10]，可有效提高政府環(huán)境治理效率和決策水平，推進(jìn)信息公開，促進(jìn)跨區(qū)域、跨部門、多介質(zhì)協(xié)同的環(huán)境綜合治理。

2.1 環(huán)境大數(shù)據(jù)在水環(huán)境治理中的應(yīng)用

(1)應(yīng)用于污水處理

在污水處理廠的運(yùn)營(yíng)方面，基于云端的智水平臺(tái)將污水處理系統(tǒng)各傳感器收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)[11]，利用過程工藝建模和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、識(shí)別與算法技術(shù)等加以處理，可以為污水處理系統(tǒng)提供產(chǎn)品視頻和實(shí)時(shí)的設(shè)備故障監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反滲透膜的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)、在線診斷、事故預(yù)報(bào)等；能夠模擬和預(yù)測(cè)系統(tǒng)最佳運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，降低能耗[12]，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)營(yíng)成本可控。

農(nóng)村污水治理方面[13]，在分散式農(nóng)村污水治理系統(tǒng)前端配以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控，因地制宜開發(fā)出一體化污水處理裝置(處理能力為0.6 噸/日～25 噸/日)，可大大降低污水處理工程建設(shè)成本。

(2)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)

水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)方面[14]，通過配備水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)水域水質(zhì)連續(xù)、及時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，特別是滿足對(duì)企業(yè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)預(yù)警和超標(biāo)報(bào)警，及時(shí)采取有效的降污措施，提高企業(yè)工況信息化管理水平。

在應(yīng)急監(jiān)測(cè)方面[15]，如在海洋突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)通過信息化集成手段匯聚各種微觀算法、模型對(duì)海洋環(huán)境突然事件更有效地進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，對(duì)于預(yù)防與治理海洋突發(fā)環(huán)境事件具有現(xiàn)實(shí)意義。

在重點(diǎn)流域水質(zhì)預(yù)警方面[16-17]，實(shí)現(xiàn)了流域多維度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)共享，及時(shí)發(fā)布藍(lán)藻或者“水華”爆發(fā)情況，變事后監(jiān)管為事前預(yù)警。

(3)應(yīng)用于水資源管理

根據(jù)不同地區(qū)水資源的需求和水質(zhì)的不同[18]，基于大數(shù)據(jù)的“數(shù)據(jù)+規(guī)律+調(diào)控”的水資源系統(tǒng)決策新模式，可以反映水資源數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，據(jù)此建立科學(xué)的水資源管理、調(diào)控機(jī)制。

(4)應(yīng)用于水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

我國(guó)現(xiàn)有的環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)手段和評(píng)價(jià)體系難以滿足水利工程建設(shè)項(xiàng)目的水環(huán)境影響。針對(duì)廣東省水利樞紐工程[19]，建立了一套水利工程建設(shè)對(duì)水環(huán)境影響的評(píng)價(jià)方法與模型，關(guān)鍵是利用大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取指標(biāo)計(jì)算方法，從而對(duì)指標(biāo)權(quán)重及準(zhǔn)則層權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，逐步優(yōu)化。

2.2 環(huán)境大數(shù)據(jù)在大氣環(huán)境治理中的應(yīng)用

(1)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)

通過解析多元、非線性數(shù)據(jù)類之間的關(guān)系來掌握大氣環(huán)境污染的變化規(guī)律，實(shí)時(shí)發(fā)布大氣環(huán)境狀態(tài)，對(duì)異常情況及時(shí)預(yù)警[20]。目前大數(shù)據(jù)解析技術(shù)已經(jīng)在武漢市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中得到較為廣泛的應(yīng)用[21]。

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)質(zhì)控技術(shù)[22]，是將傳感器技術(shù)和國(guó)標(biāo)法技術(shù)進(jìn)行配合應(yīng)用，利用自主學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行校準(zhǔn)體系的設(shè)計(jì)，從而提高大氣網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)質(zhì)控的準(zhǔn)確性和有效性。

微軟亞洲研究院開發(fā)的Urban Air 系統(tǒng)，用大數(shù)據(jù)模型來計(jì)算城市空氣質(zhì)量，從而預(yù)測(cè)霧霾[10]。以城市局部地區(qū)大氣PM2.5濃度計(jì)算為例[23]，篩選PM2.5濃度歷史數(shù)據(jù)、氣象條件、交通狀況、人群活動(dòng)情況、網(wǎng)格道路狀況等數(shù)據(jù)為影響特征量，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行大數(shù)據(jù)解析和推演，為解決多元、非線性復(fù)雜環(huán)境問題提供了新的探索途徑。

構(gòu)建大氣環(huán)境質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象臺(tái)氣象條件大數(shù)據(jù)平臺(tái)[24]，同時(shí)利用氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)(MICAPS)數(shù)據(jù)資料，篩選出重污染天氣逐日逐時(shí)氣象條件(溫度、大氣壓、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速及大氣穩(wěn)定度等)，分析氣象條件與空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)因子(PM10、PM2.5、O3等)之間的多元相關(guān)性，開發(fā)出秦皇島市重污染天氣氣象條件模型，實(shí)現(xiàn)AQI 和重污染天氣預(yù)報(bào)預(yù)警。尹文君等[25]利用環(huán)境大數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，驗(yàn)證深度置信網(wǎng)絡(luò)(Deep Belief Network，DBN)模型在空氣污染預(yù)報(bào)中的有效性。

原北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心[26](現(xiàn)為北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心)提出的大氣環(huán)境業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)體系，應(yīng)用多模式集合預(yù)報(bào)結(jié)合專家調(diào)優(yōu)實(shí)現(xiàn)高性能預(yù)報(bào)；深度分析時(shí)空關(guān)聯(lián)，挖掘大氣復(fù)合污染特征與污染成因；參考多維度歷史污染過程和天氣形勢(shì)認(rèn)知實(shí)現(xiàn)重污染過程研判；仿真情景分析結(jié)合污染溯源，助力應(yīng)急決策。

探索在京津冀建立一種基于大數(shù)據(jù)的大氣環(huán)境治理新模式[27]，利用標(biāo)簽云、歷史流等方法，健全統(tǒng)一的環(huán)境大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)質(zhì)量體系，為我國(guó)區(qū)域大氣環(huán)境治理起到示范作用。

(2)應(yīng)用于大氣污染防治

葛騰[28]在大數(shù)據(jù)背景下運(yùn)用R 語言軟件挖掘空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性特征，運(yùn)用ArcGIS10.2地理信息專業(yè)軟件分析大氣污染物時(shí)空分布規(guī)律，在大氣污染成因和區(qū)域差異性分析基礎(chǔ)上，為哈爾濱市的大氣污染防治工作提供了決策參考。

重慶市生態(tài)環(huán)境局[29]建成全市一體化大氣環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，采用多源異構(gòu)知識(shí)提取技術(shù)，動(dòng)態(tài)融合監(jiān)測(cè)、執(zhí)法、審批、治理措施、氣象、交通、市政、工地、餐飲、工業(yè)、空間等內(nèi)外數(shù)據(jù)，繪制大氣環(huán)境污染地圖，生成問題線索，找出癥結(jié)，動(dòng)態(tài)追蹤疑似污染源，指導(dǎo)區(qū)縣現(xiàn)場(chǎng)巡查和工作調(diào)度，有效開展精準(zhǔn)治理。

吳力波等[30]通過分析上海大中型工業(yè)企業(yè)用電量與工業(yè)總產(chǎn)出和主要污染物直接排放量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了基于智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的工業(yè)企業(yè)大氣污染排放清單估算方法。該估算方法可直接應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)污染的實(shí)時(shí)防控，既可服務(wù)于政府大氣污染監(jiān)測(cè)、應(yīng)急防控，也可服務(wù)于未來的污染物排放權(quán)實(shí)時(shí)交易市場(chǎng)的供需分析等。

晁昆等[31]提出，基于電信運(yùn)營(yíng)商可獲取的用戶、業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)、終端等海量數(shù)據(jù)信息，可以給空氣嚴(yán)重污染區(qū)域的人群實(shí)時(shí)精準(zhǔn)化推送空氣質(zhì)量信息，為人們的出行提供參考；同時(shí)結(jié)合用戶聚集、軌跡、業(yè)務(wù)特征等數(shù)據(jù)監(jiān)控重點(diǎn)區(qū)域的工廠開工情況，給出開工方案建議，實(shí)現(xiàn)工廠產(chǎn)能動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

2.3 環(huán)境大數(shù)據(jù)在土壤修復(fù)中的應(yīng)用

郭書海等[32]提出，融合經(jīng)濟(jì)社會(huì)、基礎(chǔ)地理、氣象和水文等數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建土壤環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過集成分析可以實(shí)現(xiàn)土壤環(huán)境的量化管理和多主體跨介質(zhì)協(xié)同治理，并面向污染土壤的靶向修復(fù)與安全利用，建立保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的數(shù)字化溯源網(wǎng)絡(luò)。

大數(shù)據(jù)技術(shù)與場(chǎng)地環(huán)境管理深度融合[33]，通過分析土壤和地下水?dāng)?shù)據(jù)、污染源分布、擴(kuò)散途徑、污染物類別、場(chǎng)地周邊敏感受體等數(shù)據(jù)，對(duì)場(chǎng)地污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；通過對(duì)地面、植被等遙感圖像數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)輿情數(shù)據(jù)等的分析，可識(shí)別并發(fā)現(xiàn)未知的場(chǎng)地污染。場(chǎng)地調(diào)查是大數(shù)據(jù)發(fā)力的關(guān)鍵點(diǎn)[34]，其實(shí)就是利用智能傳感器技術(shù)建立場(chǎng)地大數(shù)據(jù)模型，主要應(yīng)用于場(chǎng)地調(diào)查、場(chǎng)地修復(fù)、監(jiān)測(cè)追蹤三個(gè)方面，通過不斷優(yōu)化模型輔助決策，減少不必要的工程經(jīng)費(fèi)。

2.4 環(huán)境大數(shù)據(jù)在其他環(huán)境治理方面的應(yīng)用

在危險(xiǎn)廢物管理方面，應(yīng)用大數(shù)據(jù)的智慧管理模式[35]，通過對(duì)危險(xiǎn)廢物從產(chǎn)生、貯存、運(yùn)輸?shù)教幹玫娜芷诘臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生企業(yè)、轉(zhuǎn)移企業(yè)、處置企業(yè)的自動(dòng)信息分析和動(dòng)態(tài)匹配，不斷提高危險(xiǎn)廢物日常管理、風(fēng)險(xiǎn)防范和環(huán)境應(yīng)急能力[36]。

在農(nóng)村環(huán)境治理方面，大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用將顛覆以往亡羊補(bǔ)牢式的監(jiān)管方式，使農(nóng)村環(huán)境監(jiān)管更具主動(dòng)性和前瞻性[37]。比如，農(nóng)村垃圾回收可增設(shè)環(huán)衛(wèi)基礎(chǔ)設(shè)施、垃圾處理進(jìn)展、作業(yè)情況等在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)，定時(shí)更新垃圾收運(yùn)時(shí)間、路線、中轉(zhuǎn)站和各類資源回收的信息等。

3 問題與建議

盡管環(huán)境大數(shù)據(jù)在我國(guó)環(huán)境治理領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，在一定程度彌補(bǔ)了傳統(tǒng)環(huán)境治理手段在事前預(yù)測(cè)和事中監(jiān)管方面的不足，但應(yīng)用模式仍較為基礎(chǔ)、算法簡(jiǎn)單，多停留在單一環(huán)境要素的治理本身，很難真正發(fā)揮環(huán)境大數(shù)據(jù)對(duì)政府環(huán)境治理決策的支撐作用。

存在的主要問題包括:(1)環(huán)境大數(shù)據(jù)應(yīng)用方法不清晰，應(yīng)用工具缺乏，信息資源開發(fā)利用水平低，對(duì)大數(shù)據(jù)和環(huán)境學(xué)科兼通的復(fù)合型人才欠缺；(2)環(huán)境大數(shù)據(jù)來源多樣、類型混雜，數(shù)據(jù)質(zhì)量長(zhǎng)期被公眾質(zhì)疑，篡改、造假現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；(3)環(huán)境信息化存在體制、機(jī)制不順現(xiàn)象，管理部門之間數(shù)據(jù)封鎖，信息“孤島”、應(yīng)用“煙囪”、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等問題普遍存在。因此，我國(guó)大數(shù)據(jù)在完善環(huán)境治理方面，應(yīng)著重從以下幾方面發(fā)力:第一，推動(dòng)發(fā)展環(huán)境信息化技術(shù)、培養(yǎng)復(fù)合型人才；第二，從源頭狠抓環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性和一致性；第三，堅(jiān)持思想開放、數(shù)據(jù)共享，鼓勵(lì)和引導(dǎo)多元共治，注重?cái)?shù)據(jù)和技術(shù)雙重安全，充分利用環(huán)境大數(shù)據(jù)加快推動(dòng)政府環(huán)境治理現(xiàn)代化。