流域生態環境治理體系構建研究
——以南流江為例

姜代煒，譚太恒，陳婉瑩，唐長增

（1. 廣西壯族自治區自然資源信息中心，廣西 南寧 530023）

生態環境監測是生態環境保護的基礎，是生態文明建設的重要支撐[1]。近年來，隨著位置服務[2-3]、邊緣感知[4]、物聯網[5-6]和云霧計算[7]等技術融合發展，生態環境監測正在向立體化、實時化、智能化方向發展[8-12]，生態環境監測支撐能力明顯加強。當前生產、生活污水排放飆升，河流污染已成為生態環境治理的一個重要問題。針對該問題，相關部門開展了長江、黃河、珠江等七大流域的生態環境監測工作，組建了覆蓋面廣的稀疏水質站點監測體系[1]，建立了綜合性較強的流域生態環境管理平臺[13-17]，在水環境、水生態和水資源“三水共治”方面取得了較好的工作成效[18]。由于流域具有空間跨度大、監測時間持續長、污染來源復雜等特性，流域生態環境總體監測服務供給不足、支撐水平有待提高的局面沒有改變[19]，在精準監控、科學預警與協同治理等方面還有進一步完善的空間。本文以廣西南流江為例，開展流域生態環境治理體系建設，從時空信息角度構建流域生態環境監測、模擬、預警和治理的全鏈條技術棧，為流域生態環境監管賦能，提供可借鑒的中小流域生態環境治理經驗。

1 流域生態環境治理體系建設

流域治理是區域統籌、部門合作、協同推進生態環境治理的重要場所，現代流域治理逐漸從單一要素向全要素、全過程、全流域協同治理模式轉變。運用系統論思想，以水環境改善和水生態修復為目標，構建水污染整治、水資源利用和水生態保護有機結合的流域治理體系；以信息協同為紐帶，理順流域上下游與執法主體的銜接關系，推動流域治理由“九龍治水”向“系統治水”升維，形成“三水統籌”治理格局。

1）建立“天—空—地—人—網”流域立體監測技術手段。利用遙感、物聯網、位置服務等技術手段進行全流域要素監測，獲取水色、水溫、pH 值、總磷、總氮、藍綠藻等水環境、水生態參量信息。

2）建立水生態健康和水環境總量控制評價指標。評估流域水生態承載力，確立水環境質量基準指標，明晰污染削減與水環境總量控制的關系。

3）建立水循環時空模擬和水環境風險預警系統。空間識別重點風險源，對水環境進行時空模擬和風險預警，為日常監管、依法查處水污染提供支持。

4）建立流域點面污染源防治和水生態修復耦合的多元治理模式。劃分流域生態功能區，優化生產生活空間布局，重點開展流域工業污染控制、農業面源治理和生物技術工程，系統性修復水生態。

2 總體思路

南流江流經玉林、欽州、北海3 市6 縣，是廣西南部獨流入海河流中流程最長、流域面積最廣、水量最豐富的河流[20]，需要綜合考慮治理主體、治理對象、治理工具與治理過程之間的有機聯系，以時空信息流貫通立體監測、精細管理、預報預警和協同治理全過程，形成流域生態環境治理閉環，南流江流域生態環境信息化治理思路為：

1）擴充現有監測裝備，立體監測流域生態環境，集成基礎地理信息、水文水質、污染源等數據，構建流域時空信息數據庫，重建流域三維實景，提供多維度時空信息服務，解決“數出多門”“標準不一”“難以共享”等問題，實現流域信息的統一存儲、統一管理、統一應用和統一展示。

2）結合多源時空信息，通過流域水污染總量控制指標對污染源、水環境容量和水環境風險等進行時空分析，構建多模態水質時空演化模型，計算水環境的納污承載力，以GIS 可視化手段提供點面源污染分析、水質預報預警和環境治理決策等服務。

3）開發邊緣端應用系統，為管理者提供流域環境直觀展現、水環境質量精準預測、生態環境科學決策的管理系統，為調查者提供污染源精確發現、環境污染事件查處的監察系統，協同開展流域生態環境治理工作，構建全流域生態環境治理體系。南流江生態環境治理系統總體架構見圖1。

圖1 南流江生態環境治理系統總體架構

3 關鍵技術

3.1 多層次立體監測

擴充現有裝備，合理布設流域防污設施，構建立體監測體系，多層次采集流域治理對象信息，整體掌握流域水資源分布、污染源情況等。

1）建立星載遙感、機載遙感、地面自動監測站和和移動監測設備等多層次立體監測體系，大范圍獲取國產高分辨率遙感影像，中范圍獲取無人機航空影像，小范圍獲取水文、水質和污染源數據，兼顧周期性、應急性和實時性監測，通過有線或無線網絡數據傳輸，將流域治理對象納入到整體監測視野中（表1）。

表1 南流江生態環境監測方式

2）使用空間分析方法合理布設自動監測站、污水處理廠和垃圾處理站等防污設施，劃定流域畜禽限養區、農藥化肥嚴管區，在密集養殖區建立糞污集中處理中心，提供高精度、定量化的產品服務。

3）規范數據采集、加工和建庫流程，構建流域時空數據庫，實現多源時空數據的有效整編。其中，App 采集端重點調查工業廢水、生活污水和畜禽養殖等信息，質量合格后傳入污染源數據庫中。

3.2 多維度流域對象精細管理

集成基礎地理信息、水文水質和污染源等數據，闡釋多類型時空數據的語義關聯和時空尺度約束關系[21]，為流域生態環境精確畫像（圖2）。

圖2 南流江多維度精細管理

1）利用基礎地理信息構建地形級、對象級流域管理單元；基于空間數據組織，解決數據規模過大引起的圖形沖突、屬性不一致和版本迭代等問題；基于空間數據索引，以流數據的方式進行網絡傳輸，采用多級網格模型重建南流江三維實景。

2）顧及自動監測站的空間表達需要，對物聯網設備進行識別和認證，通過控制層、傳輸層匯聚至三維實景，“一張圖”展示聯網監測終端，實現對物聯網終端的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

3）針對重點目標、重大污染源，開展全景影像、傾斜攝影測量工作，以二三維一體化方式展示重要河段、防污設施和畜禽養殖等信息，提供點面源污染分析、水質預報預警和環境治理決策等服務。

3.3 多模態水質時空模擬與預警

為描述水體中污染物隨時間、空間的運動變化規律，國內外學者利用河流水文、流體動力學等理論進行了大量水質模型研究工作[22]（表2），并應用于水質模擬評價、預報預警等領域，隨著實時監測數據的豐富、空間并行計算能力的增強，以Delft3D、SWAT為代表的空間插值方法彌補了傳統水質模型的缺陷[23-26]，較大程度地提升了污染物組分的時空計算精度。

表2 常用水質模型

1）根據《第一次全國污染源普查工作手冊》的相關標準，換算工業廢水、生活污水、畜禽養殖和農業面源等污染系數，建立南流江水污染總量控制指標體系。

2）結合地形因子、水文因子、氣候因子和實時監測數據等，采用空間插值構建多模態水質時空演化模型，核算水環境容量和納污承載力，以時空演化的視角模擬流域污染物的空間分布、歷史過程和演變趨勢等，識別優先管控的河段和污染因子，進行水質污染溯源分析，為監管者制定環境風險評估、治理決策和污染事故處突方案，提供水環境預警與決策支持服務。

3）建立污染實時發現、信息上傳下達、任務快速執行和治理全程監督的協同工作機制，當系統觸發水污染預警時，能及時地將相關信息傳遞給執法人員，執法人員依法查處環境污染事件。南流江水污染精準治理應用見圖3。

圖3 南流江水污染精準治理

3.4 多類型信息服務切分與聚合

為滿足多維度、多場景和多功能的應用需求，采用微服務架構對流域信息服務進行拆分與聚合（圖4），提高信息服務的利用率和整體質量。

圖4 系統信息服務切分與聚合示意圖

1）在服務端將大型單體應用切分為細粒度、靈活組裝的服務，服務間通過輕量級通信機制相互協作，利用“天地圖·廣西”地理信息服務引擎進行信息服務發布，根據信息服務訪問的多寡動態調整計算資源，擴充單個微服務集群的規模，不會因單一數據或功能失靈而導致系統整體宕機。

2）在邊緣端按業務需求調用信息服務，將分散、簡單的細粒度服務聚合成復雜、具有新功能的信息服務，靈活組裝應用系統，即便有新的信息服務需求，也能反饋給服務端開發新的服務，系統能從服務鏈中挑選可用信息服務，保障應用層業務的連續性。

4 實踐效果

通過應用生態環境管理系統、微信版污染防治監察系統、污染源和水質采集系統App等，工作人員共采集相關企業231家，畜禽養殖點26 129個，在40條干支流設置監控點位110個，全面掌握流域水質變化、污染排放和治理情況。系統一旦觸發水污染預警，立即鎖定污染源范圍，派出水污染防治攻堅隊伍協同作戰，依法查處污水、養殖場亂建等環境違法行為。

南流江橫塘國家考核斷面水質從2018年年初的劣Ⅴ類提升至2019年12月的Ⅲ類，水質持續好轉，110個自動監測站點中江口大橋近4 年來平均水質斷面監測情況見表3，各項指標均在Ⅰ～Ⅲ類之間。

5 結 語

為較好地配合南流江生態環境治理工程，通過南流江生態環境治理系統建立區、市、縣、鄉4 級協同機制，對流域生態環境進行精細管理，建立了一批污水處理廠、養殖廢棄物收運合作社和有機肥加工廠，整體治理效果明顯提升。該模式已推廣至廣西欽州江、九洲江流域。同時，流域生態環境治理是一項長期任務，更是一項復雜的系統工程，需要多方面著手才能治本清源。

1）對工業廢水排放嚴重的企業進行重點整治，提高工業廢水處理設備的使用率，安裝環保部門規定的在線聯網水污染物自動監測設備，嚴查私設排污口、超標排放物的環境違法行為。

2）對城鎮污水處理廠進行提標改造，提高污水處理廠進水量，提升污水處理廠運行負荷率，減少城鎮徑流污染物的排放量。

3）劃定流域畜禽禁養區和限養區，杜絕糞污和沼液直排現象，對傳統養殖場進行生態養殖模式改造，在密集養殖區建立糞污集中處理中心，將糞污轉化為有機糞肥，提高流域畜禽糞污綜合利用率。

4）開展農業面源污染防治工程，劃定農藥化肥嚴管區，建設初排徑流水回用系統、水田生態溝渠和面源攔截生態溝，推廣有機肥和生態農藥的使用。