創新構建沿海城市水環境智慧管控技術體系

黃丹雯

近年來，沿海城市面臨密集點源排放與復雜分散面源污染交織、黑臭水體治理后反彈、近海水質水生態受損等問題。與此同時，國家對新污染物治理也有了新的部署，這對城市水環境監管提出了更高要求。

為解決沿海城市水環境智慧化管理中的痛點、難點問題，南方科技大學環境科學與工程學院教授鄭一帶領研發團隊，通過創新應用人工智能、大數據、物聯網技術等，對數據采集、模型算法、系統集成、運維監管等模塊進行研發，逐一解決沿海城市在水污染防治、水環境管控工作中的“卡脖子”難題，成功構建了沿海城市“源-河-灣”全過程水環境智慧管控技術體系，該技術于2023年5月獲“廣東省環境保護科學技術獎一等獎”。

大數據采集的新方法

“傳統的水環境監測主要依賴職能部門進行的常規性監測，而相關行業企業在進行工程項目建設時，常常面臨水質數據短缺的問題。”鄭教授表示。

傳統的監測手段受限于成本及人力，所獲得的監測數據往往面臨監測頻率不高，空間覆蓋不全的問題，這對解決實際管理的問題來講，還遠遠不夠，得有創新性手段來獲取更多的水環境數據。而近年來大數據、物聯網技術等新技術的發展，為水質監測數據采集帶來新的機遇。對此，研發團隊嘗試利用計算機視覺技術，在企業工藝流程中增加數據采集設備，通過開發攝像頭拍攝與視頻解譯方法，實現低成本獲取數量更大、覆蓋范圍更廣的水質信息。

“利用普通監控攝像頭進行拍攝，監測成本從幾千上萬元降至幾百元，適用于現實生活中的場景。”鄭教授表示，利用計算機視覺技術提取水質相關信息的做法，在幾年前還是一項前沿探索，該成果證明了利用成本低、可覆蓋面廣的普通攝像頭獲取有效數據的可行性，是非常具有啟發性的一項工作。

據了解，歷史觀測資料不足是沿海地區水環境預測和管理中最常見的難題，而利用計算機視覺技術提取特征，能夠生成時空分辨率統一的高質量模型驅動數據，并驅動高精度水文水質深度學習模型同時，在數據豐富的區域建立的模型，通過人工智能賦能，可以在無或缺數據區域也能有效應用。

基于環境物聯網采集工業污染源高頻數據，可以提取污染源的企業畫像，基于污染源排放行為特征（如節假日特征、偷漏排行為等），用于管理片區的污水收集集中調節。

這些環境大數據采集的新方法，支撐了“污染源-城市水系-海灣”的全過程監管。除了污染源和城市水質數據的采集，鄭教授團隊還基于海洋浮標獲取高頻原位水質監測數據，再利用機器學習方法進行多源數據融合，進而驅動水質參數的短期預報模型，助力生態環境監管部門做好海灣水質監管。

在研發過程中，研發團隊利用亞洲、歐洲、北美洲等不同大陸的跨流域數據集對流域水文、水質的“黑箱”深度學習模型進行訓練，使之具備優秀的空間泛化能力。此外，還通過深度學習反向解譯、深度學習與物理過程模型共生融合兩類技術路徑，實現深度學習模型在物理層面具有可解釋性，從而確保“黑箱”模型在實際應用中的可靠性。

智慧化決策的新技術

“在這個系統中，我們研發了智慧化決策新技術，針對河道水質、海灣赤潮等異常情況的預警，決策系統會根據模擬結果提供應對方案，最后再由決策者進行把關。”鄭教授介紹道。

基于信息熵的監測網絡優化技術、大數據分析偷排漏排的溯源技術等，“源-河-灣”全過程水環境管控技術體系融合了原位監測、數據同化、模擬分析、預警預報等多項技術，支撐了水質“監測-預警-溯源”的一體化實施。

其中，水環境監測網絡精準設計技術涵蓋了日常管理、應急污染追蹤、應急污染溯源三類監測需求。通過面向污染追蹤預警的監測網絡時空布設算法，搭建了面向數值溯源的應急監測網絡。

在預警環節，研發團隊則構建了城市水體“水質預報-異常報警-風險告警”綜合預警體系，開發出的水質預報模型能夠實現對水體中溶解氧、COD和氨氮等水質指標的預報。通過水污染事故期動態風險預警框架，還能實現對數據流進行有效整合，形成風險圖譜進行可視化展示。

“在溯源環節，我們提出了場景異化的溯源思路和定性定量耦合溯源技術，可以實現污染源分布和污染過程的可視化。”鄭教授表示。

在“監測-預警-溯源”的一體化監控的基礎上，結合水環境管控的決策優化技術、多污染源河段季節性管理技術等支撐技術，系統還可以自動作出應急處置工程風險評估，篩選出應急處置方案。

政校企合作的新模式

“全過程水環境管控技術體系是我們與政府部門、與企業經過多個合作項目所取得的成果匯集而成的。在這個過程中，我們也與深圳市環境科學研究院、相關高新技術企業構建了‘管理驅動-科技創新-工程實踐的合作研發新模式。”鄭教授表示。

南方科技大學團隊致力于方法創新與技術攻關，與生態環境管理職能部門及支撐單位合作，搭建起管理與科技之間的橋梁。

據介紹，項目團隊參加了中國最大的智慧環保單體軟件工程項目（投資1.42億元）深圳市智慧環保一期工程建設，負責智慧應用平臺（四平臺之一）中水環境管理應用系統的建設。該平臺目前在深圳市生態環境局智慧管控中心運行，整體平臺入選2021年度智慧環保創新十大案例，IDC亞太區智慧城市大獎暨中國智慧城市行業大獎“優秀獎”。水環境管理應用系統建設案例吸引了中節能集團大數據公司、中電建生態環境集團等央企前來參觀學習交流。

項目團隊研發的水質監測、水質模擬、污染源識別等技術，以及陸海統籌一體化平臺建設的思路，被引入深圳市“十四五”海洋生態環境保護規劃深圳試點項目、陸海統籌的海洋生態環境保護修復機制建設技術服務和深圳市入海排口分類管理體系構三個建設建議服務項目，助力深圳市生態環境部門全面厘清了深圳海域水質情況及入海河流及排污口情況，并通過近十年的數據描述了深圳海域水質變化趨勢，分析了深圳海域不同海灣面臨的主要生態環境問題，打通了從陸域到海域環境治理的重要環節，形成陸海統籌的環境污染治理體系。

“除了管理部門，一些高新環保企業在工程實踐中也勇于嘗試人工智能等新技術。新技術幫助解決了企業生產中遇到的問題，企業也為我們提供了重要的技術應用成效反饋。”鄭教授表示。

據了解，近年來深圳衡偉環境技術有限公司、深圳市廣匯源環境水務有限公司和深圳市智薯環保科技有限公司三家深圳本土高新環保企業，與南方科技大學均有長期合作，深圳市光明新區鳳凰城項目就是其中之一。“該項目在海綿城市建設背景下進行研發，我們將地理信息技術、傳感器技術、水動力模擬方法、網絡和移動應用與城市水務管理進行有機融合，構建了全方位的智慧海綿城市系統。”

據介紹，該技術成果主要應用于《光明新區智慧海綿城市信息化建設項目服務項目》，該項目由深圳衡偉環境技術有限公司負責實施，項目組通過安裝部署155個監測點位，在海綿城市試點區域內進行液位、水質、流量等的實時監測，集成了城市洪澇模型、海綿設施效能模型等，構建了智慧海綿信息化管控平臺。

該技術成果的應用，實現了光明新區海綿城市試點區域的建設效果評價和信息化管理，建立了以監測數據采集、分析判別、平臺預警通知、規范化的監測運維機制。不僅如此，項目的成功實施，也助力光明新區通過了第二批國家海綿城市建設試點的終期考核，并取得了全國第一名的好成績。