流域環境保護智慧化管理路徑思考

秦 彬

（江蘇環保產業技術研究院股份公司，江蘇 南京 210019）

引言

隨著科學技術的發展，水利信息化技術水平日益提升，尤其是物聯網、云計算等技術的應用，進一步推動了流域環境保護智慧化發展。在此背景下，需要對云平臺技術進行優化應用，尤其是引進數據集成、數據通話、高性能計算等，并融合模擬預報技術，實現快速精準高效的預報，為流域水量水質調控等工作的開展提供強有力的技術支撐。為了進一步提升流域生態環境保護智慧化管理水平，需要對各類新型技術進行融合應用，構建更加系統完善的流域環境保護智慧化管理云平臺，真正實現流域生態環境保護工作的智能化、信息化、高效化發展。

1 建設需求

1.1 強化流域精準調控

結合流域生態環境實際情況，優化流域頂層設計，滿足流域環境生態的各類型管理需求，其中涉及實時監測、質量預報等。此外，還需要制定完善統一的流域信息共享機制，強化不同部門、機構的信息交流，完善跨省市的流域協調機制，確保跨界責任的有效落實[1]。

1.2 應對流域復雜生態環境問題的技術需求

應對流域復雜生態環境問題的技術需求較為復雜，且在認知、技術方面還有很多不確定性因素，甚至出現信息滯后等問題。基于此，需要加大技術研究和突破，滿足海量數據管理、智慧平臺等需求。在流域水環境生態保護管理工作中，往往會產生海量的數據信息，且這些數據較為分散，屬于異構數據，難以進行大范圍共享，利用率較低。而且，不同來源數據的標準、結構等差異性較大，難以進行高效收集和傳輸，不能進行統一存儲，需要引進標準化融合集成技術，形成分布式生態環境大數據庫，強化流域生態環境大數據的有效收集、共享與管理。同時，還需要形成完善的系統模型，以便對流域氣象、陸面、水體過程機理進行耦合，只有對各類不確定問題進行有效性解決，才能精準定位污染點位，并高效模擬污染過程，精準預測污染程度，為流域環境保護和治理工作的開展提供依據[2]。

2 核心支撐技術

2.1 分布式大數據融合集成技術

在平臺數據融合集成環節，不同來源的數據在單位、時間跨度方面存在很大差異性，需要對其進行標準化處理，以便對不同類型的數據源轉化為統一數據視圖。該過程需要對不同級別、不同層次、不同類型的信息進行全方位、多角度檢測和評估，并進行綜合處理，從而對模板信息狀態、特征、態勢進行判斷。為了確保云端模型計算功能的有效開展，需要云平臺開展數據二次集成處理，并對系統中存在的物聯網終端設備進行優化應用，其中涉及很多現代化儀器設備，如流量傳感器、水質監測儀等，從而構建功能完善、架構齊全的通信系統。同時，在與各類智能技術的協作下，實現不同類型現場數據即時提取，確保數據獲取的實時性。還可以對不同來源的大數據進行篩選、分類和互饋[3]，借助數據倉庫的集成模式，結合實際情況，對數據庫引擎中間件進行優化應用，并引進現代化的數據轉換方法，從而對異構數據進行科學處理，改變其格式形態，使之與數據存儲模式保持契合性。在消息中心的支持下，實現數據分類、分層調度，同時協同聚合傳輸方式，綜合性處理和分析云端數據，縮短傳輸時間，降低網絡、服務器負載。在智慧化管理模式下，還能夠結合分布式大數據技術與集成技術的融合應用，對各類數據進行智慧感知，一旦發現異常數據，需要第一時間進行處理，并降低數據存儲成本，然后結合工作需求進行高效化傳輸，為多源異構數據進行協同共享。

2.2 “空－地－水”一體化模型高性能并行計算技術

在云平臺運行過程中，需要構建氣象、水動力等大尺度流域模型，且這些模型是在分布式單元支持下形成的，在此基礎上，需要在云端布設“空－地－水”一體化模型高性能并行算法，如圖1所示。在具體操作中，要結合實際情況進行均勻化分塊處理工作，并結合不同邊界條件的差異性，設置不同的邊界節點，這樣可以為并行計算負載均衡性的實現奠定良好的基礎。在此基礎上，還需要對不同模型之間的強弱耦合關系進行有效應用，并按照相關指標要求，構建分布式通訊基礎，以便對數值模擬區域分割方式進行合理應用，同時對功能分解方式進行融合應用。在該技術應用下，可以對中央管理服務器的功能作用進行有效發揮，強化對節點任務的動態分配效果，并對服務器運行過程進行動態監控，保障各項工作的有序開展。同時在消息傳遞接口的助力下，對相關指令進行傳達，進行數據交互處理，強化任務控制。

圖1 高性能分布式三級并行計算技術

2.3 “云邊終端”協同技術

要結合實際需求，在云端多個域和服務器存儲空間上設置全流域多過程全時段復雜耦合模型體系，以便提供水質預報、風險預警、污染溯源、生態調度等差異化、多元化服務。同時以此為基礎，形成集群體系，且不同業務之間保持獨立性，同時利用控制中心進行各類數據之間的聯系和互調，完成數據交互。在負載監控的功能作用下，可以對不同節點的實時信息展開綜合性分析和匯總，通過特殊途徑使其在負載均衡服務器進行顯示。這種方式可以為系統管理員提供幫助，確保集群控制命令的貫徹落實。在該技術支持下，能夠結合實際需求，促進節點計算效率的提升，同時可以提高任務響應速度[4]。

3 實踐應用

3.1 水質預報

通過智慧化管理云平臺的建設，可以形成完善的流域水質自動化監測體系，并對數值模型技術進行高效應用，從而對流域水質進行有效實時監控和預報，對水生態環境污染進行嚴格預防和控制[5]。在具體操作中，還要對云端各項功能作用進行有效性發揮和挖掘，并結合實際工作需求，形成系統完善的流域水生態環境質量預報體系，對個性化預報技術進行融合應用，以便與水體環境管理需求目標保持契合性，形成全方位、多角度的水環境生態質量預報體系，進一步提升預報效率和精度。在日常管理工作中，不僅需要通過自動作業方式進行預報，還需要通過模擬方式進行精準預測，這樣可以幫助工作人員為未來一段時間內的水質情況進行科學預測和判斷，預測精度較高，且可以定期推送到客戶端。

3.2 風險預警

在智慧化管理模式下，可以對各類智能化、信息化技術進行融合應用，如對水污染預警技術的合理應用，能夠自動識別流域潛在的風險，并對其進行主動性監管和防控，最大限度減少流域風險問題的發生概率。通過對水污染預警技術的有效應用，可以對流域風險進行精準識別，其中流域運行過程中的潛在風險包含很多類型，涉及流域水動力風險、水環境風險等，要對各類風險特征進行詳細匯總和分析，從而對這些數據進行全面采集和分析整理，對水環境生態過程進行云端實時動態模擬，以最快速度對未來一段時間內的流域污染事件演進過程進行模擬[6]。此外，還需要對監測數據進行全面收集和整理，將其與模擬結果數據進行比較，并按照相關指標特征，對其進行不同等級的風險劃分，實現全方位、深度化的警情分析工作，這樣可以對風險爆發的具體時間、范圍、程度等信息進行精準預測，同時及時發布靜態、動態數字流域預警地圖。

3.3 追蹤溯源

在流域環境保護和治理工作中，需要對流域突發污染情況展開全過程動態跟蹤，并對污染原因進行全面追溯。只有通過這種方式，才能為突發水污染事故的應急處置提供詳細的參考依據，同時保障追責補償制度的有效落實，真正達到流域生態環境保護目標的實現。在智慧化管理模式下，需要通過管理云平臺的功能作用，對事故監測數據進行詳細分析，同時通過云端技術進行科學預測，并對兩者的數據進行對比分析，這樣可以幫助工作人員快速定位水質異常點。在此背景下，還需要對各類相關數據進行調取和分析，其中包含水質異常點具體位置、周邊水動力、水質數據等，從而快速查找污染源排放位置。在智慧化管理模式下，可以通過各類技術進行融合應用，以便對污染源排放過程進行精準模擬，這樣可以對可能存在的污染源進行篩選、排查，并用最短時間明確具體的污染位置。智慧化管理模式能夠為流域應急管理部門的工作提供幫助，使其能夠迅速定位污染源頭，并從根本上切斷污染傳播途徑。在此基礎上，實現各類應急資源的有效性調度和使用，提高資源利用率，為突發污染事故的快速處理創建良好條件，為流域生態環境保護工作的開展提供科學決策。

3.4 完善生態調度

水資源來源不同，在差異化的調度方式下，會出現差異較大的健康狀態。在智慧化管理模式下，需要對該類差異情況進行全方位、多角度評估，這樣可以對流域各方面情況進行全面掌握與了解，為流域生態環境保護和治理提供依據，同時可以促進生態調度工作的順利進行，綜合提升生態效益和經濟效益。在實際工作中，需要結合各類調蓄情況的差異性，對水華現象較為頻繁的區域進行詳細調查和分析，并對該區域的水動力情況、水質特征等進行精準掌握。此外，還需要對魚類全生命周期活動與生存環境條件的相互關系進行深入剖析。在以上基礎上，可以對 流域定量生態調度方式進行分析，形成仿真模擬方案，并對具體方案的實施條件展開精準性、全面性評估，這樣才能優化水質調度方案的有效實施，提升生態調度決策的科學性和可行性，為整體流域生態環境治理與保護工作的開展奠定良好的基礎[7]。

3.5 提升綜合效益

智慧化管理模式能夠在流域環境保護管理工作的開展中發揮重要作用，尤其能夠進行流域水華控制工作，并對水污染防控工作提供數據支撐，同時還可以對水質水量進行快速、精準預測。此外，還能夠在工程調度管理中發揮推動作用。該模式的應用，既可以優化生態環境效益，同時還可以進一步提高經濟效益，對流域環境保護工作的開展提供保障，并對各類風險進行精準防控，減少流域風險發生概率[8]。

4 結語

隨著工業化水平的提升，人類活動強度增加，對生態環境系統造成嚴重污染和破壞，如流域水質惡化、突發水污染事故、飲用水安全隱患等，非常不利于流域生態環境系統的可持續發展，甚至對人類健康造成很大的潛在威脅。基于此，需要結合實際情況，對云計算、人工智能技術、物聯網技術等進行融合應用，構建流域環境保護管理云平臺，實現流域環境智慧化管理，強化綜合性治理，改善流域生態環境，提升流域環境管理水平，真正實現水質預報、風險預警、污染溯源和生態調度的智慧化、高效化管理。