基于大數據技術的濕地生態保護治理研究

周帆琦，李志雄，沙 茜

(1.武漢市生態環境科技中心，湖北 武漢 430010；2.華中師范大學，湖北 武漢 430079)

0 引言

隨著現代信息化技術的不斷發展，大數據應運而生。狹義的大數據定義為：增幅更快、覆蓋更廣及更加新穎的數據群；廣義定義為：基于各種現代化的先進信息技術，對特定的對象進行實時搜索、整理、分析而獲得的相關大量數據群，進一步總結、探索及預測其未來的發展趨勢及規律。因此，大數據技術具有高速化、多樣化、海量化和商品化等突出特征，在各行業中得到廣泛運用，可對產業轉型、企業生產管理及經濟發展產生積極作用。生態環境問題是一個復雜、時變的問題，涉及到多部門、多地區、多個方面。本文以灤河濕地為例，探討了運用大數據技術，將各種數據資源集成，構建了一個濕地生態環保大數據的系統結構和核心技術[1]。

1 大數據技術生態保護研究現狀及應用價值

1.1 大數據技術生態保護研究現狀

目前，我國各行各業逐步在實施大數據治理。就環境問題來說，目前的大數據技術還停留在數據采集與分析層面，例如采集和分析大氣環境數據、水資源數據、土壤環境數據。大數據技術的非系統化運用，只能解決一個特定領域的問題，無法適應整體的生態環境治理工作，從而對生態環保治理工作產生一定影響[2]。

1.2 大數據技術在生態環保治理中的應用價值

早在2015年，我國就出臺了《國務院關于印發促進大數據發展行動綱要》的通知(國發〔2015〕50號)，大數據技術已得到了廣泛運用，并將其推廣到各行各業，其中包括生態環保等諸多方面。大數據技術可以有效緩解當前生態環保領域的“海量信息與信息孤島”“生態與群眾需求”“技術提升與服務水平”三大矛盾，可提高環保工作的效率及質量，使其健康、持續性發展。隨著互聯網技術的不斷發展和推廣，大數據技術在濕地生態環保中的運用效率得到了極大提高。隨著環境監測系統的不斷完善，環境監測系統的性能不斷提高，成本不斷下降，為環境監測技術在生態環境方面的推廣提供了有力保障。例如 PM2.5監控裝置方面，貝塔射線監測儀、微量震蕩天平這樣的高檔標準儀器，數年前一般都是十幾萬到一千萬不等的價格，因為價格高昂，所以一般都是通過國家采購，數量很小；在一個地區，一般只有一家或數家監測點可以實現大氣污染監測，無法實現大規模、密集大氣環境監測。但是，在物聯網技術發展的今天，利用光學輻射技術進行空氣監控，效率和效果大大提升。與大氣監控系統類似，依靠著強大的網絡技術和大數據技術，許多環境監控系統可以在網上進行自動、持續監控[3]。

2 大數據技術在濕地生態環保治理中的應用

2.1 大數據技術監控濕地水環境污染

實時監測水環境污染是指在濕地周邊的生產企業污水排放口附近安裝監測裝置，并對其生產過程中的污水和廢氣進行實時監測。目前，隨著環保技術與裝備水平的不斷提高，將會在關鍵部位安裝視頻監控裝置，對廠區出入水口、廠區周邊濕地等進行實時監測。為了保證實時數據的準確性，環保部門會將各生產廠商的生產設備的運行狀態進行在線實時監視，環保設備出現故障時，會將實時監控數據通過互聯網傳遞到當地環保部門的相關監控平臺中，生態環境保護部門可以根據這個數據，對濕地周邊各生產廠家的污水排放和環境狀況進行即時監測，及時發現并處置違法的污水排放[4]。

2.2 大數據技術監控濕地大氣環境污染

由于物聯網與大數據技術在環保方面的應用日益廣泛，目前普遍使用兩級多重監測系統來進行濕地生態大氣污染的監測，也就是利用標準的監測儀器建立一級監測網；基于低功耗的環境感知系統，構建了基于環境保護的二重監控網絡。從而可以在多個標準監測站和幾百個小監測點組成的多維監測網中，對各重點地區進行集中、平均、集中監測，提高了各地區大氣環境的采集效率和準確性。并以GIS為基礎，構架監控后臺，并將污染源地圖、地形地圖、區域行政地圖與實時監控數據進行疊加，通過大數據技術，將監控、地圖及數據分析有效整合，從而形成動態化、可視化的大氣污染趨勢圖。監管部門可以實時掌握被監控地區大氣環境的動態變化，為確定污染來源和制訂相應的防治措施提供依據。因此，利用物聯網技術和大數據技術對大氣環境進行實時監控非常有用[5]。

2.3 大數據技術監控濕地生態

監測濕地生態的方式多樣，可通過監控設備對濕地生態布設智能化的實時監測網絡，可實現對濕地與保護區的空氣質量、土壤環境、氣象環境及水質環境的實時監測，有效獲得PM2.5值、土壤電導率及水酸堿度等數據。濕地管護員可通過移動終端設備進行濕地巡查，通過設備接收執行相關任務，并對巡查線上的濕地資源、環境狀況及破壞情況進行記錄，并進行上報，從而形成基于空間位置的濕地時空數據群。

3 基于大數據技術的灤河濕地生態保護治理系統構建

3.1 灤河濕地生態現狀

灤河三角洲濱海濕地地處河北省東部沿海地區,秦皇島市昌黎縣與唐山市樂亭縣境內。北起昌黎塔子溝,南至樂亭浪窩口,西起昌黎縣境內的王家鋪與樂亭縣境內的蓮花池村、新甜村、第二節村、趙家鋪一線,東至灤河口近海海岸,總面積7 602.73hm2,其中,陸域面積7 393.01hm2,海域面積209.72hm2。

3.2 近岸環境污染

20世紀80年代以來，灤河三角洲濱海濕地的池塘養殖面積迅速擴大，對灤河口附近的海域環境質量帶來一定影響。從生態學角度講，灘涂圍墾養殖生態系統的生物群落結構十分簡單，在灘涂養殖過程中，動物生長排放的糞便、投放的餌料、消毒劑、驅除養殖病害的藥物、抗生素等殘留會形成一定的污染物。這些污染物會誘發海域環境污染，打破近海域生態系統中的微生態環境平衡，并對物質生產、能量循環產生一定干擾。隨著近些年淹水田的面積不斷擴大，作物的生長也會產生一些污染物，并排放入近海域中，從而對海洋生態環境造成影響。種植稻谷時，為了提高稻田的產量，需要使用一些化學制劑，以及某些農藥、化肥或其他有機化合物，這些均會產生一定污染，并留在土壤中，不能被水生植物完全吸收。無機污染物在暴雨的影響下或通過農田灌溉、地表徑流、地下水滲流等方式排入天然水體。

3.3 海域非生物環境破壞

P、N、Si等營養物質是海洋生物中的細胞核及蛋白質的重要組成，當P、N含量發生變化時，會對呼吸作用、光合作用及浮游植物吸收產生直接性的影響，從而影響到海洋生物。通常來說，當河流攜帶的泥沙量減少時，河流攜帶到近海的P、N、Si等營養物質的含量也會減少。隨著灤河入海沖積物量逐年減少而急劇增加，造成污染。造成這種現象的主要原因是沼澤和河口的垃圾量增加，稻田面積的增加，以及大量工農業及生活垃圾的倒入，隨著灤河流入近海水中，近岸海域的富營養化趨勢非常嚴重[6]。

3.4 天然異質性降低

近代，灤河三角洲濱海濕地環境出現了異質性下降，其表現為濕地景觀類型、空間結構發生了變化。1991-2019年間，自然濕地面積呈持續減少趨勢，池塘及田間面積程不斷增加趨勢，景觀類型呈減少趨勢，異質性的自然版本逐漸的減少，自我調節、抗干擾及生態恢復能力急劇下降，從而使海岸穩定性降低。濕地生態系統進而演變成為高度脆弱的狀態，濕地對環境格局演變的反應越來越強烈。

3.5 基于大數據的灤河濕地生態保護治理系統構建

基于大數據的灤河濕地生態治理系統主要有如下幾項功能，首先是濕地視頻管理功能，主要功能是采集不同時間不同地點的濕地生態情況，匯總給濕地管理人員，方便濕地管理人員實時掌控濕地生態情況；其次是濕地空氣監測系統，主要通過濕地周圍架設的傳感器，實時對濕地周圍空氣進行監測，并將數據傳輸到系統中，方便濕地管理人員查看[7]。

以灤河濕地為突破口，通過 HDFS技術可以構建一個基于 Hadoop的濕地監測信息平臺。今后，利用該平臺構建的灤河濕地生態環境監測預警系統，能夠較好地預測灤河濕地環境污染的源頭。同時，該模型的開發也為今后更大范圍的綜合分析和利用奠定了理論依據。所有的資料都會儲存在一個統一的大數據系統中。在此基礎上，提出了基于Hadoop的分布式集群架構。利用100部PC機組成一個分布的數據儲存群組，這些組網分別負責運算與儲存。將灤河濕地的污染數據存儲在不同的數據節點中。元數據主要存儲各種不同類型的數據在數據結點中的拷貝分布。元數據輔助性結點具有與元數據主結點相似的功能，在元數據主結點出現故障時，可以再啟元數據。在這些元數據的主結點中，存儲了對HDFS檔案的所有索引，這些索引的內容大多來自于元數據預處理時所產生的元資料。為了更改元資料主結點的資訊，可將對應的紀錄插入到交易日志中。

4 灤河濕地生態保護治理策略

4.1 植物群落治理

在濕地景觀設計和水質凈化實踐方面，應用最為廣泛的是天然植物群落凈化方法。選擇適合水生環境的原生植物和植物，不僅可以減輕水體異質景觀的壓力，為河岸植物創造獨特的緩沖區，而且在水質凈化方面也有獨特優勢。園林進水口與植樹相結合，通過下水道的設計，使受污染的河水流經水質沉積區(沉降篩選)，進入水平面濕地(過濾平行)。地下濕地蘆葦風機可以延長廢物在原地停留的時間，從而提高凈化效率。到達濕地多層面流(重力過濾)后，通過水滴多的池底，促使水團垂直流動，過濾水質。通過植物清洗(生物過濾)區對潮濕的植物群落進行處理再利用的藝術效果，通過沉積物、水生微生物和水的協同作用，種植具有較強綜合廢水吸收能力和減少水中有害物質快速釋放的水生植物動物。集中過濾，同時根據不同的濕植物生物群落，營造出游客可依循的特色鮮明的濕地景觀。為了最大限度地凈化水，水從公園的西南角流出，返回城市的長河區。

4.2 開放空間的系統規劃

通過現場勘測，豐富景觀形態，制定合理的景觀框架，形成山體浸水的景觀模型，將水系置于山前水中，形成開放空間的系統規劃。不同的用途與不同形式的水有關。水系通過橋梁、堤壩和大梁、灤河的疏浚和連接水系的方式，將水系分為開放空間和封閉空間。濕地西北部合理利用城市建設廢棄地，順應并延續地形景觀特征，營造不一樣的空間體驗。

4.3 公共設施的保護性設計

作為一種現代生態景觀模型，濕地要在創造新的濕地系統的需要和公共開放空間的需要之間取得平衡。濕地保護區和城市環境之間的過渡緩沖區，模糊了公園和城市之間的界限。嚴格控制建設密度和規模，設置濕地文化展廳(農業文化、漁船文化、濕地文化和民俗文化)、游客中心、商業土地儲備、會議功能時，可人工干預控制工程，填充該區域以減少對核心濕地區域的干擾。微濾、納濾、超濾、反滲透等技術是最為常用的膜分離方法。膜處理主要用于回收各種高分子原料，處理過程中可能會引入一些其他雜質。大分子和小分子可以相互分離。成本高、壽命短、易污染的膜在一定程度上限制了該技術的發展。隨著科學技術的發展，這種方法將有更廣闊的應用空間。

5 結語

灤河濕地的保護與修復，會更有效地保護野生動物資源及濕地生態系統，從而使濕地生態系統的功能增強及完善，生物資源不斷豐富，生物多樣性得到保護，蓄水和抗洪能力也將增強。進而提高灤河自然保護區在國內外的知名度、影響力，并促進整個灤河地區經濟社會可持續發展。

當前，在生態環保中運用大數據技術已成為時代潮流。生態環境保護機構應充分發揮大數據的作用，促進生態環境治理工作的智能化、系統化、高效化。在生態環境的維護中，獲取更豐富、更準確、更及時的資料，完善生態環境治理體系。通過預測未來的發展態勢，制定生態環境保護規劃，實現生態環保與社會發展的良性循環。