劉 凱，彭理謙，閆文生，范勇強(qiáng)

(成都市環(huán)境保護(hù)信息中心，成都 610041)

1 引 言

1.1 國(guó)家、省、市水環(huán)境現(xiàn)況

當(dāng)前，我國(guó)水環(huán)境質(zhì)量[1]總體上是向好的，但形勢(shì)依然嚴(yán)峻，存在流域生態(tài)破壞現(xiàn)象依舊較普遍、部分支流和湖泊污染嚴(yán)重等問(wèn)題，2017年全國(guó)地表水污染較嚴(yán)重(Ⅳ～劣V類(lèi))的占32%。四川河流眾多，水質(zhì)情況不容樂(lè)觀，成都是西部地區(qū)中心城市，主要水系為岷江和沱江，水資源總量較豐富但人均水量少，存在水環(huán)境生態(tài)承載力不足等問(wèn)題，2017年地表水污染較嚴(yán)重的占32%，地下水和黑臭水體問(wèn)題較多。

1.2 水環(huán)境治理目標(biāo)

為全面提升水環(huán)境質(zhì)量，國(guó)家發(fā)布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》(即國(guó)家《水十條》)，四川省和成都市也相應(yīng)制定了省、市《水十條》，確定了總體目標(biāo)。成都市針對(duì)總體目標(biāo)發(fā)布了污染防治“三大戰(zhàn)役”實(shí)施方案等文件，進(jìn)一步細(xì)化目標(biāo)，2019年將全面完成府河、江安河、新津南河、毗河等重點(diǎn)流域治理工作，消除劣V類(lèi)水體，到2020年岷江、沱江成都流域納入國(guó)家和省考核的斷面水質(zhì)達(dá)到考核要求。

1.3 水環(huán)境管理信息化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)必要性和可行性

1.3.1 必要性

成都市水環(huán)境管理信息化建設(shè)相比沿海等一線(xiàn)城市較晚，雖然已建立了部分水質(zhì)監(jiān)測(cè)[2]、污染源填報(bào)系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)建設(shè)較為零散、使用用戶(hù)有限、不能支持水環(huán)境全業(yè)務(wù)流程、無(wú)全局性決策分析等功能。為順利完成水環(huán)境治理戰(zhàn)役目標(biāo)，根據(jù)當(dāng)前成都市經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展、污染排放量大、管理人力物力有限的情況，必須通過(guò)頂層設(shè)計(jì)充分利用信息化手段，促進(jìn)水環(huán)境信息化建設(shè)，提升管理和決策效能。

1.3.2 可行性

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)[3]、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)為智慧城市建設(shè)提供了新思路，成都市政府高度重視城市信息化建設(shè)，IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。水環(huán)境管理信息化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)具備技術(shù)基礎(chǔ)。

成都市成立了市大數(shù)據(jù)辦，統(tǒng)籌全市各部門(mén)數(shù)據(jù)共享，可充分利用市大數(shù)據(jù)辦職能，促進(jìn)部門(mén)間業(yè)務(wù)系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接。水環(huán)境信息化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)具備數(shù)據(jù)和管理基礎(chǔ)。

成都市已建起環(huán)境數(shù)據(jù)中心、信息發(fā)布平臺(tái)、環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法、應(yīng)急管理等信息化系統(tǒng)。水環(huán)境信息化建設(shè)頂層設(shè)計(jì)具備項(xiàng)目實(shí)施基礎(chǔ)。

2 頂層設(shè)計(jì)

水環(huán)境信息化建設(shè)是一項(xiàng)綜合工程，涉及業(yè)務(wù)功能、技術(shù)架構(gòu)、規(guī)范與制度、用戶(hù)體驗(yàn)、外部協(xié)作等，結(jié)合成都市智慧城市建設(shè)要求、成都市大數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)，整合各方資源，適應(yīng)未來(lái)3～5年的業(yè)務(wù)發(fā)展，提出成都市水環(huán)境信息化建設(shè)設(shè)計(jì)思路[4]。

2.1 建設(shè)原則

2.1.1 業(yè)務(wù)主導(dǎo)，以用定建

為全面提升業(yè)務(wù)管理工作能力，信息化建設(shè)必須始終以應(yīng)用為主導(dǎo)，深入梳理水環(huán)境管理各項(xiàng)業(yè)務(wù)工作，結(jié)合信息化技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出優(yōu)化工作模式，促進(jìn)管理效率提升。

2.1.2 全面協(xié)同，集中共享

水環(huán)境管理是一項(xiàng)長(zhǎng)期、重點(diǎn)工作，信息化建設(shè)須考慮其開(kāi)放性、兼容性和擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來(lái)工作的擴(kuò)展、調(diào)整和協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)是水環(huán)境信息化建設(shè)的基礎(chǔ)和核心，搜集、匯集和共享全市各類(lèi)涉水?dāng)?shù)據(jù)資源，推動(dòng)全市協(xié)調(diào)管理和科學(xué)決策。

2.1.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，制度保障

建立水環(huán)境管理有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和管理制度[5]，確保信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化以及可持續(xù)發(fā)展。

2.2 業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)

成都市水環(huán)境管理對(duì)外與國(guó)家、省、市、區(qū)縣(鄉(xiāng)鎮(zhèn))、企業(yè)互通，以及與市氣象、水務(wù)、工商等多個(gè)部門(mén)協(xié)同，對(duì)內(nèi)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、監(jiān)察執(zhí)法、應(yīng)急等多個(gè)處室單位交互，用戶(hù)多、信息來(lái)源廣。水環(huán)境管理重點(diǎn)業(yè)務(wù)包括：對(duì)地表水、飲用水、湖庫(kù)、地下水及黑臭水體等質(zhì)量監(jiān)測(cè)，對(duì)涉水污染源的監(jiān)管，水環(huán)境業(yè)務(wù)工作管理及決策分析等。通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)需求深入分析、歸納總結(jié)，將業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)成水環(huán)境質(zhì)量、涉水污染源和水污染防治管理3大類(lèi)，如圖1。

圖1 成都市水環(huán)境管理業(yè)務(wù)分類(lèi)Fig.1 Classification of water environment management business in Chengdu

2.2.1 水環(huán)境質(zhì)量管理

圍繞全面說(shuō)清成都市水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)況的命題，水環(huán)境質(zhì)量管理工作包括對(duì)地表水、飲用水、地下水和黑臭水體的管理，具體工作包括省、市和區(qū)縣水質(zhì)手工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，水質(zhì)月報(bào)評(píng)估、水質(zhì)變化、趨勢(shì)分析、預(yù)警預(yù)報(bào)、區(qū)縣水質(zhì)評(píng)估等。用戶(hù)主要包括市級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、其他政府部門(mén)、局領(lǐng)導(dǎo)和水環(huán)境管理處(即水處)、有關(guān)事業(yè)單位和區(qū)縣環(huán)保局、涉水企業(yè)和社會(huì)公眾，業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 水環(huán)境質(zhì)量管理框架Fig.2 Framework of water environmental quality management

2.2.2 涉水污染源管理

污染源是造成環(huán)境污染的主要來(lái)源，涉水污染源管理重點(diǎn)工作包括對(duì)工業(yè)企業(yè)、園區(qū)、農(nóng)村污染源及河道排污口等的管理，包括對(duì)污染源基本信息、排污信息等情況掌握和監(jiān)管。用戶(hù)主要包括局領(lǐng)導(dǎo)和水處、有關(guān)事業(yè)單位和區(qū)縣環(huán)保局、企業(yè)。業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 涉水污染源管理框架Fig.3 Framework of water-related pollution sources management

2.2.3 水污染防治管理

水污染防治管理[6]是為改善水質(zhì)制定的系列政府措施，主要包括成都市“水十條”工作任務(wù)、部門(mén)與區(qū)縣目標(biāo)考核、重點(diǎn)工程項(xiàng)目等。管理用戶(hù)包括局領(lǐng)導(dǎo)和水處、有關(guān)事業(yè)單位和區(qū)縣環(huán)保局、企業(yè)等。業(yè)務(wù)功能設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 水環(huán)境污染防治管理框架Fig.4 Framework of prevention and control of water pollution management

2.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 整體框架設(shè)計(jì)

成都市水環(huán)境管理信息化系統(tǒng)(以下稱(chēng)水系統(tǒng))整體架構(gòu)如圖5。

圖5 成都市水環(huán)境管理系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.5 Overall structure of Chengdu water environmental management system

圖5中實(shí)線(xiàn)部分是水系統(tǒng)，虛線(xiàn)部分是外部系統(tǒng)。水系統(tǒng)整體框架可分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全運(yùn)維體系。

基礎(chǔ)層是為系統(tǒng)運(yùn)行所必須的網(wǎng)絡(luò)、儲(chǔ)存、計(jì)算等，采用成都市政務(wù)資源云平臺(tái)作為基礎(chǔ)層支撐。數(shù)據(jù)層包括涉水相關(guān)的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和流程進(jìn)行管理。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)水環(huán)境管理具體業(yè)務(wù)功能，根據(jù)業(yè)務(wù)梳理，設(shè)計(jì)相關(guān)子系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，結(jié)合實(shí)際制定和完善成都市水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。運(yùn)行維護(hù)體系和安全保障體系，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和安全等級(jí)制定詳細(xì)制度。

2.3.2 技術(shù)路線(xiàn)

采用基于信息化通用主流技術(shù)、大數(shù)據(jù)和移動(dòng)技術(shù)。通用技術(shù)包括B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)、Web Services技術(shù)、XML技術(shù)、面向?qū)ο?、組件式開(kāi)發(fā)等；數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)合；GIS(地理信息系統(tǒng))采用的主流GIS平臺(tái)，如Arc GIS等；大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用成都市政務(wù)云平臺(tái)提供的云計(jì)算資源，包括云存儲(chǔ)、分布式系統(tǒng)、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等；移動(dòng)技術(shù)采用主流的移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)，如開(kāi)源的Android系統(tǒng)。

2.3.3 外部系統(tǒng)對(duì)接

水環(huán)境系統(tǒng)與多個(gè)外部系統(tǒng)對(duì)接，根據(jù)外部系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用不同對(duì)接方式，如圖6。

圖6 水環(huán)境管理系統(tǒng)與外部系統(tǒng)對(duì)接Fig.6 Structure of interface between water environment management system and external system

由圖6可知水系統(tǒng)與外部系統(tǒng)對(duì)接，主要采用數(shù)據(jù)中心交換平臺(tái)和數(shù)據(jù)接口2種方式。

2.3.3.1 通過(guò)數(shù)據(jù)中心交換平臺(tái)對(duì)接方式

水系統(tǒng)與局?jǐn)?shù)據(jù)中心聯(lián)通，數(shù)據(jù)中心再與其他系統(tǒng)對(duì)接，通過(guò)數(shù)據(jù)交換的方式，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)互通。其中，數(shù)據(jù)中心交換平臺(tái)是關(guān)鍵，它通過(guò)省政務(wù)一體化交換平臺(tái)、市大數(shù)據(jù)交換平臺(tái)與省、市其他系統(tǒng)直接對(duì)接或者通過(guò)接口直接與其他系統(tǒng)對(duì)接。對(duì)接技術(shù)包括中間數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)接口、標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議[7]等。

系統(tǒng)對(duì)接應(yīng)優(yōu)先考慮本方式，其優(yōu)點(diǎn)有：(1)充分利用交換平臺(tái)資源，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。水系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的可迅速實(shí)現(xiàn)與交換平臺(tái)對(duì)接，交換平臺(tái)與其他系統(tǒng)通過(guò)自身多種協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)接，據(jù)統(tǒng)計(jì)水系統(tǒng)與10多個(gè)其他部門(mén)有數(shù)據(jù)交互，如果直接對(duì)接需要開(kāi)發(fā)大量接口程序；(2)有利于系統(tǒng)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)共享。通過(guò)與市大數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，可與市各部門(mén)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，避免了業(yè)務(wù)系統(tǒng)緊耦合和數(shù)據(jù)孤島。

2.3.3.2 數(shù)據(jù)接口方式

水系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口直接與其他系統(tǒng)對(duì)接。此方式僅適用于水系統(tǒng)與其他系統(tǒng)在業(yè)務(wù)上有密切業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系且實(shí)時(shí)性要求高的情況，如任務(wù)派發(fā)、實(shí)時(shí)辦理等。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及機(jī)制建設(shè)

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

水環(huán)境信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可分為水環(huán)境質(zhì)量、污染源及技術(shù)規(guī)范[8]等3類(lèi)，如表1。

表1 水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范Tab.1 Standards of water environment

2.4.2 機(jī)制建設(shè)

水環(huán)境管理機(jī)制建設(shè)包括水系統(tǒng)安全運(yùn)維、數(shù)據(jù)持續(xù)更新、監(jiān)控值守、預(yù)警預(yù)報(bào)等管理機(jī)制，如表2。

表2 水環(huán)境機(jī)制Tab.2 Mechanism of water environment

3 水環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)

為全面支撐水環(huán)境系統(tǒng)建設(shè)，需要構(gòu)建成都市水環(huán)境大數(shù)據(jù)[9]，融合局內(nèi)各業(yè)務(wù)單位、區(qū)縣環(huán)保局、其他政府部門(mén)、企業(yè)、網(wǎng)站等幾十類(lèi)不同來(lái)源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源梳理如表3。

表3 水環(huán)境大數(shù)據(jù)Tab.3 Big data of water environment

水環(huán)境大數(shù)據(jù)包括文本、表格等格式化數(shù)據(jù)，以及圖片、視頻、網(wǎng)頁(yè)等非格式化數(shù)據(jù)，已匯聚數(shù)據(jù)約1TB,主要為水環(huán)境質(zhì)量和污染源在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)年增長(zhǎng)約2TB，增長(zhǎng)量主要是在線(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻圖片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的總量和增長(zhǎng)量是水系統(tǒng)持續(xù)升級(jí)建設(shè)的重要依據(jù)。

4 重點(diǎn)應(yīng)用

4.1 水域污染物通量計(jì)算

為實(shí)時(shí)掌握指定區(qū)域水污染物產(chǎn)生和流通狀況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水域污染物通量計(jì)算功能[10]。將水系圖通過(guò)上下游關(guān)系進(jìn)行抽象，監(jiān)測(cè)點(diǎn)形成邏輯上相對(duì)出/入水關(guān)系，利用污染物因子、濃度、水流量等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值可計(jì)算出指定水域的污染源通量。監(jiān)測(cè)站點(diǎn)按行政區(qū)劃進(jìn)行空間屬性劃分，可快速的計(jì)算和顯示出該區(qū)(市)縣入境斷面、控制斷面和出境斷面污染情況，如圖7。

圖7 水域污染物通量計(jì)算示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of pollutant flux in water

建立全市22個(gè)區(qū)(市)縣水域污染物通量計(jì)算功能，結(jié)合日/月/季/年統(tǒng)計(jì)，能較全面地反映區(qū)域、流域水污染情況，替代原手工監(jiān)測(cè)、人工估算方式，極大提高了管理效率和考核準(zhǔn)確性。

4.2 水環(huán)境綜合決策

利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)因子實(shí)時(shí)值、趨勢(shì)、同比、環(huán)比統(tǒng)計(jì)，以及河流水量、周邊污染源、考核指標(biāo)等數(shù)據(jù)，借助傳統(tǒng)水質(zhì)模型分析、大數(shù)據(jù)技術(shù)等手段，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、河段、流域、區(qū)域進(jìn)行分析，為決策提供支撐，如圖8。

圖8中顯示成都出江鐵索橋斷面水質(zhì)類(lèi)別變化趨勢(shì)、污染因子變化趨勢(shì)、斷面考核指標(biāo)等情況，系統(tǒng)結(jié)合斷面附近污染源空間分布進(jìn)行分析，得出當(dāng)前該斷面氨氮含量偏高的問(wèn)題，給出了重點(diǎn)加強(qiáng)該流域氨氮排放管理工作的診斷結(jié)論，并列出周邊氨氮排放主要污染源企業(yè)，為管理和決策者迅速制定精準(zhǔn)管控措施提供依據(jù)。

圖8 水環(huán)境綜合決策分析Fig.8 Comprehensive analysis and decision of water environment

5 問(wèn)題與辦法

水環(huán)境管理每年工作重點(diǎn)不同、管理越來(lái)越精細(xì)、時(shí)效性要求更高，水環(huán)境信息化也必須加強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)，重點(diǎn)是夯實(shí)水環(huán)境大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析利用。針對(duì)水環(huán)境大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄的問(wèn)題，一是利用市大數(shù)據(jù)辦統(tǒng)籌協(xié)調(diào)全市各部門(mén)數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢(shì)，全面匯集其他部門(mén)涉水?dāng)?shù)據(jù)，二是加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)，提高水環(huán)境數(shù)據(jù)生產(chǎn)能力。針對(duì)數(shù)據(jù)分析利用水平不高的問(wèn)題，一是要深入挖掘業(yè)務(wù)管理需求，通過(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)用解決當(dāng)前實(shí)際問(wèn)題，二是要利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)引導(dǎo)管理創(chuàng)新，不斷提升決策水平。