長江流域水環境監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.中國環境科學研究院,北京 100012

2.中國環境監測總站,國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室,北京 100012

2016 年1 月,習近平總書記在推動長江經濟帶發展座談會上強調,要把修復長江生態環境擺在壓倒性位置,共抓大保護,不搞大開發。 “十三五”以來,各地區各部門堅決貫徹習近平生態文明思想,扎實推進長江水污染防治各項工作,取得了一定成效。 2020 年,長江流域水質優良(Ⅰ～Ⅲ類)斷面比例較2015 年提高了14.9 個百分點,劣Ⅴ類斷面比例降低了6.1 個百分點。 同時,長江流域仍面臨著一系列生態環境治理與監管難題,如部分工業企業環境風險問題突出、排污口整治和管理難度大、生態流量保障不足、流域監測預警機制銜接不夠、生態環境綜合執法手段不足等[1]。 這對流域水環境監測、科學模擬、精準評價與智慧化管理能力提出了更高要求。 為全面支撐長江生態環境保護修復工作,國家長江生態環境保護修復聯合研究中心于2019 年7 月組織啟動了長江生態環境保護修復聯合研究項目,開展長江生態環境監測網絡優化研究,建設“長江生態環境保護修復智慧決策平臺”(以下簡稱長江平臺),推動長江流域監測網絡優化與水環境數據資源整合,充分運用數字化、信息化、智能化手段提升水環境管理智慧決策能力[2]。

1 國內外水環境監測與智慧化管理技術發展情況

1.1 國外發展現狀及趨勢

美歐等發達國家和地區在水環境監測與智慧化監管技術方面的研究起步較早,在監測數據整合、數據挖掘分析、環境模型開發應用、專題系統建設、數據共享與服務等方面已達到較高水準。美國國家環境保護局(US EPA)從1964 年起組織建立了水質管理系統(STORET)[3],1998 年形成水質監測數據分布式數據庫,并在其基礎上開發了水質交換網絡平臺。 各州的水質監測數據以標準格式通過該平臺映射到STORET,并通過互聯網門戶網站公開發布,實現了面向管理部門、科研機構、社會公眾的水質監測數據交換和共享[4]。近年來,US EPA 將原本相互獨立的各個水環境信息化項目進行了整合,建立了一體化的集成水環境分析系統——流域監測追蹤及環境效果系統(WATERS)。 WATERS 提供了一套彼此關聯的系統工具來針對水環境集成數據進行復雜而系統的分析[5]。 在水環境模型方面,US EPA 組織開發了點源與非點源污染評價科學系統(BASINS)。該系統以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源和非點源污染進行綜合模擬分析[6]。

英國在吸收美國 STORET 與加拿大NAQUADAT 兩大水質系統優點的基礎上,開發了水質檔案系統(WAP2)[3]。 該系統收集了包括水質、水文、水生物、取水點、排污口等與流域水環境質量管理相關的各類數據,在綜合水質數據和其他數據的基礎上,實現了水質評價、規劃、模擬功能。 在水環境模擬方面,英國環境部推薦了WINFAP-FEH、 IH-FLOODS、 HYDATA、 Lake-Modeling 等模型,涵蓋洪水預估、降雨預測、河流與湖泊水動力學特性模擬、流域水質管理與生態評估等功能[7]。

歐盟在 2000 年通過了《 水框架指令》(WFD),明確了水生態系統的評價指標、評價方法及監測要求,并提出了基于河流自然地理要素、水文要素、水生物要素、水質要素的流域水體管理方式[8-10]。 歐盟推薦應用的流域水環境模型主要為 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指標[7,12]。

日本在使用SWAT、MIKE-11 等國際成熟模型的基礎上[13-14],嘗試了通過自主研發模型開展水環境及化學品擴散相關模擬,如化學品負荷水文評估模型(AIST-SHANEL)等[15]。

目前,國際上研究及應用較多、基本獲得公認的河流湖庫水質模型有QUAL、MIKE、WASP、EFDC、Delft3D 等,流域污染負荷模型有SWAT 和HSPF 等。 這些模型被國內外廣泛應用于水質預測預警、污染濃度模擬、水環境標準制定、水污染治理措施研究等領域[16]。 相關發達國家和地區通過廣泛的水環境監測感知網絡、先進的水環境模擬模型、開放的信息化系統平臺,有效提升了本國、本地區的水環境綜合管理水平。

1.2 國內發展現狀及趨勢

我國對長江流域地表水水質的監測始于20世紀70 年代,并自1980 年開始對主要水系地表水監測結果進行評價[17-18]。 1998 年以后,水質自動監測站建設有了較快發展[19]。 經過40 多年的發展,逐步形成了國控、省控、市控三級水環境質量監測網絡[20],建成了國家地表水環境質量監測網絡平臺、國家地表水水質自動監測系統平臺等。目前,長江流域國控地表水考核監測站已增至1 328 個,其中自動監測站657 個。 “十二五”以來,國家部委、地方政府圍繞水質監控預警、水環境綜合評價、水質水量調度、水環境綜合管理、水環境模擬與應急等水環境智慧化管理需求,開展了多項涉水智慧化平臺的研究與建設工作,如全國山洪災害監測預警信息管理及服務系統[21]、南水北調一期丹江口庫區水質監測站網體系及信息平臺[22]、洱海流域水資源調度管理平臺[23]、重點流域水質預報預警系統[16]、太湖流域水環境風險評估與預警平臺[24]。 此外,國家水體污染控制與治理科技重大專項在長江經濟帶開展了多個平臺的建設,包括國家水環境監測智能化管理綜合平臺[25]、三峽庫區污染物入庫通量監控預警平臺、三峽庫區重慶轄區水環境累積性風險評估與預警業務化運行平臺等。 在水環境模擬方面,國內研究以對國際模型的二次開發和本地化應用為主,少部分機構開展了模型自主研發,例如:中國科學院地理科學與資源研究所開發了流域水循環系統模型(HIMS-HEQM),可進行水量水質耦合模擬、農業非點源污染估算[16];中國水利水電科學研究院構建了三峽水庫水生態監測網絡和水生態動力學模型,可提供水質目標管理決策支持;長江勘測規劃設計研究院研發構建了基于分布式時變增益模型的水系統模型(DTVGM-CWS),可模擬水系統在陸面水文物理、生物地球化學和人類活動過程中的物理變化[26]。 長江平臺充分匯集國內外水環境平臺架構優勢與模型建設經驗,依托優化后的水環境監測網絡,初步實現了長江流域水環境數據融合與優化共享,形成了長江流域生態環境狀況可視化、水質目標管理與決策支持、綜合調度會商、聯合研究管理、流域水環境執法輔助等系統功能,為長江流域水環境全面評估診斷與分析決策提供了科學平臺,積累了流域水環境智慧化管理經驗。

2 長江流域水環境監測網絡構建方案

以全面支撐長江流域水生態監測與評價為目標,針對長江水環境感知薄弱、監測要素不足等問題,提出了水質監測網絡優化加密方案,并針對水生生物監測長效機制空白問題,提出了監測指標及評價方法構建方案,以提升長江流域水生態監測的完整性。

2.1 長江水環境質量監測網絡優化

對“十三五”長江流域地表水考核斷面與趨勢科研斷面進行優化,充分考慮流域面積、河網密度、徑流補給、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%以上的河流增設監測點位,實現長江流域主要河流全覆蓋和地級及以上城市行政區域全覆蓋。 同時,圍繞國家級自然保護地、重大調水輸水水源地、重要水體源頭區和河口區,以及跨省級/地級行政區邊界水體等增置監測點位。 優化調整后,長江流域國控監測斷面由714 個增加至1 328 個。 通過加密監測點位,豐富長江流域水質要素數據,推動流域多尺度水質評估與診斷。

2.2 長江水生生物監測指標與評價方法構建

針對水生生物監測,篩選提出了長江流域水生態特征評價指標,建立了長江流域水生態規范性監測方法。 按照上游、中游、下游及河口區,研究并構建了長江流域水生態指標。 利用層次分析法,結合指標采用率,建立了針對不同水體類型(河流、湖泊)、分區域的長江流域推薦水生生物評價指標,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、指標及評價方法。

3 長江生態環境保護修復智慧決策平臺建設與應用

3.1 平臺構架

如圖1 所示,長江平臺按照基礎層、數據匯集層、數據治理層、智慧大腦層、應用層、用戶層構建,形成了一套長江生態環境數據資源庫,建成了數據匯交與共享中心、流域綜合展示中心、智慧決策支持系統、綜合調度會商系統、成果管理系統和流域輔助工具庫6 個功能模塊,具備流域水環境“一張圖”展示、水環境大數據分析、污染源大數據分析、水質模擬與預測、水質成因分析、流域生態安全評估、專家會商、研究成果集成管理、輔助計算、流域移動執法與調查等水環境智慧管理與決策能力。

圖1 長江生態環境保護修復智慧決策平臺系統框架Fig.1 Framework of the intelligent decision-making platform for the eco-environment protection in the Yangtze River

3.2 數據庫建設

長江平臺打破流域數據壁壘,建成了相對大而全的長江流域生態環境綜合數據庫,匯集了長江流域基礎地理、水質監測、污染排放、水文氣象、生態功能、模型工具等多類型數據,實現了對多源數據的采集與融合,并按照不同的業務屬性形成不同的數據集。 目前,共包含數據集887 個,其中:生態環境數據集384 個,含基礎地理數據集311個、水質監測數據集6 個、污染源數據集7 個、生態系統數據集37 個、水文氣象數據集15 個、水利水務數據集5 個、社會經濟數據集3 個;長江聯合研究項目成果數據集503 個。 總數據量近10 TB,水質、水文和氣象監測數據均實現了動態更新。

3.3 水環境智慧化管理功能

3.3.1 數據匯交與共享

運用大數據手段對長江流域生態環境數據與研究成果進行優化共享。 面向長江流域科研、管理等綜合性業務的數據需求,通過多種方式提供數據共享服務,包括查詢瀏覽、數據申請、數據定制、應用程序接口(API)、數據眾包等,并依據用戶權限提供分級、分類的數據下載與業務查詢功能。 通過長江平臺,已累計向國家長江生態環境保護修復聯合研究中心、長江流域生態環境監督管理局、沿江省(區、市)/市(州)生態環境管理部門、各類科研團隊等提供原數據、產品數據、定制數據等共計180 G。

3.3.2 流域環境綜合展示

實現長江全流域水生態環境“一張圖”查詢與展示(圖2)。 在基礎地理圖層的基礎上,分層展示流域水質、水文、氣象、植被覆蓋等重要生態環境信息。 對于重點關注的信息,以專題模塊的形式進行可視化展示,如水環境專題、污染排放情況專題、區域/流域專題。 在時間維度上,可從不同的年、月、日維度分析展示長江流域生態環境變化趨勢;在空間維度上,可從多級流域、行政區劃和功能區維度展示區域水質、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 水質大數據分析

變化趨勢分析:從時間尺度對國控水質斷面、各區域/流域的水環境變化形勢進行分析,研究開發了長江流域水環境問題自動診斷技術,實現了長江流域水環境問題類型分析和區域分布分析。

重點斷面分析:通過對長時間序列水質數據進行挖掘分析,診斷出主要污染物濃度逐年上升斷面以及不能穩定達標或消除劣V 類的斷面,進行重點斷面分析與預警。

水環境形勢分析:對全流域及各省級、地級行政區內的水質變化情況和污染排放趨勢進行分析,并利用系統內置的水環境分析報告模板,按照地區、流域在線交互生成對應的月度、年度分析報告,輔助管理人員進行水環境形勢分析。

3.3.4 污染排放大數據分析

運用數據融合分析方法,建立了涵蓋4 項污染物、6 種污染源的1 km 網格污染排放自動計算模型,實現了對長江流域污染排放的大數據分析,可對長江流域主要污染物的排放量和排放強度及沿江省份的貢獻排名進行統計,并以熱力圖和強度圖的形式進行可視化展示。

3.3.5 水質模擬與預測

長江全流域分布式河網模擬:圍繞生活、工業、種植、養殖等各個環節所涉及的磷的產生、累積、轉化、排放、通量等關鍵問題,采用長江全流域網格分布式河網模型(2 km 網格),覆蓋湖庫、控制單元、污水處理廠等區域,實現對長江全流域的水文水質模擬。

長江入海口地區環境風險應急模擬:基于OilMap(溢油模型)和ChemMap(化學品泄漏模型),對長江入海口地區進行溢油和化學品泄漏等突發事故模擬,實現對突發性污染事故的在線快速預測。 該模型可以對各種情景進行模擬預測、溯源反算和應急處置綜合效果分析。

岷沱江流域預測預報:集成基于SWAT 的長江典型流域預測預報模型,實現岷沱江流域水文水質預報及情景模擬分析。 流域模型水文、水質預測結果的時間尺度以日為單位,以專題形式展示未來7 天的水文水質預測情況。

長江水質預測人工智能(AI)模擬:基于傳統統計模型、關聯規則模型、時間序列模型和集成學習模型等,對長江流域各水質斷面監測指標濃度開展未來1～7 天的預測,用于快速研判斷面的水質變化。 該模型對未來1～3 天整體趨勢的預測誤差較低,對于穩定時期的預測較為精準,平均相對誤差分別為11.73%、15.52%、16.84%。

3.3.6 水質成因大數據分析

監測斷面污染源分析:可對監測斷面控制單元或任意區域內的工業源、生活集中源、農業源等的排放情況及特征污染行業進行統計分析與排名,同時標識出區域內的飲用水水源地、水文站、氣象站和水質站分布情況,輔助環境監管執法。

監測斷面污染路徑識別:依托AI 算法模型,對國控監測斷面水質超標成因進行上下游影響因素模型分析,定量化計算本地區域污染源影響因素占比與上游多路徑區域污染源影響因素占比,為科學制定上下游水環境生態補償方案提供測算依據。

3.3.7 流域水生態安全評估分析

按照指標層、因素層、方案層、目標層逐級構建流域水生態安全評估四級指標體系,囊括流域自然、社會、經濟等多類指標,并按照專家決策和層次分析法確定各指標權重,實現了對不同流域范圍的水生態安全評估分析。 系統同時提供簡單易用的公式編輯工具,可對各個指標的計算方法進行定制。

3.3.8 綜合調度與會商

將長江平臺與視頻會議系統軟硬件結合,采用視頻會商手段,解決地方工作中遇到的技術問題,實現流域管理部門、科研團隊、專家組的視頻溝通會商、在線會診、駐點現場連線(圖3)。 同時,深入挖掘數據資源,形成長江生態環境各類指標數據分析結果,在視頻連線的同時,切入會商對象的流域/區域畫像分析視圖,對水環境質量、飲用水水源地情況、污染源清單、環境問題清單、研究成果等進行展示,輔助會商決策。

圖3 綜合調度與會商系統Fig.3 Comprehensive scheduling and consultation system

3.3.9 成果管理

圍繞國家長江生態環境保護修復聯合研究中心研究項目管理需求,建立統一的數據標準,規范長江聯合研究駐點城市和共性研究課題的成果分類上報、審核、入庫和應用,精細化管理各類成果,并形成研究進度及成果亮點“一張圖”。

3.3.10 輔助工具

面向生態環境日常管理、保護修復、科學研究等應用,開發和集成科學計算、數據分析、成果輸出系列工具,用于水環境管理輔助測算分析與工作報告編制。

模型資源庫:提供國內外主流水動力模型、水質模型、水生態模型、流域模型、地下水模型和海洋模型的調用接口,以及部分模型的下載服務。

水質在線評價工具:具備河流及湖庫水質在線評價功能,可自動計算出各個斷面的水質類別及超標因子,同時計算出所有斷面的總體評價等級,以及湖庫的富營養化指數和等級情況。

流域專題圖定制工具:提供在線制圖服務。用戶可根據需求選擇不同的時間、區域或流域范圍進行水質、水文等專題圖的在線定制,系統會自動生成相關專題圖件。

3.3.11 執法與調查移動終端

結合流域水環境野外執法與調查過程中的數據查詢和采集需求,對長江平臺功能模塊進行移動端簡化與優化。

地圖周邊查詢:具備定位及周邊查詢分析功能,提供執法區域附近水質斷面評價分析結果,同時可進行周邊污染企業查詢,并可對飲用水水源地、生態保護區等敏感受體的分布及基本情況進行查詢。

數據采集:具備任務創建、人員分配、任務下達、任務執行、任務監控等執法行動全流程管理功能,同時可為生態環境問題識別、污染源核查、排污口調查、采樣監測等業務提供對應的數據采集及上報工具。

4 展望

長江平臺已完成一期建設,奠定了流域長時間序列水環境數據基礎,并形成了一定的水環境智慧化管理功能,但在水環境多尺度監測感知分析、小流域尺度污染溯源、水質目標可達性模擬等智慧化分析能力上仍存在一定的局限性。 二期平臺建設將圍繞流域生態環境監測與問題識別、大數據耦合分析、三維場景可視化、流域水環境數據挖掘與在線計算等開展進一步探索研究,充分發揮數字化產品服務水環境智慧化管理的優勢,使長江水環境管理從“數治”邁向“數智”。

1)提升水環境監測感知與生態環境數據標準化水平。 依托流域水生態監測網絡,完善長江平臺與流域生態環境監測系統的數據交互共享機制,制定長江流域數據治理標準化體系,實現核心數據的自動動態更新功能。 增加多源衛星遙感數據,融合長江水生生物監測、生態環境風險排查等相關數據,形成面向長江流域各類業務需求的生態環境綜合“數據湖”。 加強數據產品二次開發,生產面向斷面、面向控制單元、面向流域的數據產品,拓展數據共享服務。

2)形成長江流域水環境立體觀測體系。 升級長江流域綜合展示系統,實現生態環境大數據時空可視化、過程模擬可視化、長江干流虛擬現實與長江聯合研究成果可視化,構建針對不同尺度、區域、流域的可視化標準體系。 應用“3 S”技術(RS,遙感技術;GIS,地理信息系統;GPS,全球定位系統)[27-28]、數字孿生可視化技術[29]、三維GIS技術[30]等,整合亞米級分辨率遙測數據,構建針對典型小流域的高精度、二三維一體、可實時感知生態環境變化的可視化引擎和可視化場景,開展大尺度精細化場景建模,實現數字化和可視化渲染,動態反映生態環境現實、模擬預測趨勢。

3)提升水環境風險模擬與污染溯源能力。依托大數據、AI 技術,集成衛星遙感數據、無人機監測數據和視頻監控數據等,深入挖掘AI 分析方法[31],提升生態環境問題自動快速識別能力。 構建長江流域水環境質量動態模擬和預測系統,及時發布水質臨界超標預報,識別污染風險區和關鍵點。 構建宏觀水質成因模型,實現分流域的水質成因分析,實現對以重金屬、石油、農藥等為特征污染物的突發環境事件的污染溯源。 結合污染源影響范圍與水動力特征,預測特征污染物來源與遷移轉化趨勢,實現從數據采集展示到水質預測預警,再到污染溯源、政策導向支撐的水環境綜合管理閉環。

4)開發水環境智能管理互聯網工具。 研發水質現狀與達標自動分析工具、湖庫及河流水環境容量計算工具、生態需水量簡易測算工具、污染物排放自動計算工具、水質污染損害評估工具,實現各類水環境分析工具在長江平臺的在線計算能力。 基于地理空間數據及環境要素專題圖層數據的不斷更新完善,實現圖層在線管理、在線編輯,按流域控制單元或行政區劃等完成水環境問題專題制圖,并提供定制化在線生成報表、報告及制圖成果導出等功能。