李曉飛宮留留

(1.長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，武漢 430010；2.湖北省水利信息感知與大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

金沙江下游水量穩(wěn)定，水能條件之優(yōu)越為世界少有，是中國水電開發(fā)的黃金地帶之一。隨著金沙江下游流域規(guī)劃水電站的逐步實(shí)施，大規(guī)模的梯級(jí)水庫的建設(shè)和運(yùn)行將顯著改變金沙江下游天然的水文過程、水沙分配比例，將會(huì)引起金沙江下游流域生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境狀況的一系列變化[1]。為及時(shí)掌握水電開發(fā)對(duì)金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境的影響，中國長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“三峽集團(tuán)”)已經(jīng)在金沙江下游開展了全面的、長(zhǎng)期的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：地表水水質(zhì)、水生生態(tài)、陸生生態(tài)、水溫、泄洪霧化、氣體過飽和等。

目前金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)主要以報(bào)表、報(bào)告為主，各項(xiàng)環(huán)境管理成果沒有建庫，導(dǎo)致信息利用和信息服務(wù)能力不足，迫切需要利用信息化手段提升生態(tài)環(huán)境管理的效率和水平。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 業(yè)務(wù)需求分析

系統(tǒng)的總體業(yè)務(wù)需求為：實(shí)現(xiàn)對(duì)金沙江下游大型水電工程所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境管理信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲(chǔ)存、管理和分析評(píng)價(jià)[2]。具體包括：開發(fā)數(shù)據(jù)錄入與管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)流域自動(dòng)化監(jiān)測(cè)信息的接入，流域生態(tài)環(huán)境管理信息、人工監(jiān)測(cè)信息(地表水水質(zhì)、水溫、泄洪霧化、過飽和氣體、水生生態(tài)、陸生生態(tài))的錄入，集成水文、氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)電站施工過程水(生產(chǎn)廢水、生活污水)、氣(大氣環(huán)境)、聲(噪聲)、渣(水土保持六項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo))監(jiān)測(cè)信息，環(huán)境管理檔案信息的入庫；提供信息查詢及數(shù)據(jù)輸出功能，可實(shí)現(xiàn)按照監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)斷面(區(qū)域)、某監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)指標(biāo)和值或范圍的單一或組合條件的查詢，提供環(huán)境報(bào)表生成及環(huán)境報(bào)告發(fā)布；提供水質(zhì)、水生生態(tài)、陸生生態(tài)、局地氣候等環(huán)境因子分析評(píng)價(jià)功能；提供水質(zhì)水溫模擬功能，可預(yù)測(cè)下游梯級(jí)水庫豐、平、枯期水質(zhì)變化特征以及壩前水溫變化特征。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境管理與分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)包含資源層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層及用戶層，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)資源包括：基本信息、流域環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、水電站環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、檔案信息、水質(zhì)水溫模型及模擬結(jié)果信息。其中流域環(huán)境監(jiān)測(cè)信息包括：水質(zhì)(地表水、排污口、底泥監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù))，水溫(表層水溫、垂向水溫)，氣象(溫度、相對(duì)濕度、降雨量)，水文(水位、流量)，泄洪霧化(霧化形態(tài)、降雨強(qiáng)度分布、泄洪氣象特征)，陸生生態(tài)(土地利用、土壤、植物、動(dòng)物、古樹監(jiān)測(cè))，水生生態(tài)(珍稀特有魚、重要經(jīng)濟(jì)魚、魚類產(chǎn)卵場(chǎng)和繁殖生態(tài)，浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲動(dòng)物的物種組成、現(xiàn)存量)，過飽和氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)錄入與管理、信息查詢與輸出、評(píng)價(jià)分析及系統(tǒng)維護(hù)4個(gè)子系統(tǒng)。系統(tǒng)用戶層包括中國三峽建設(shè)管理有限公司環(huán)境保護(hù)部，4個(gè)梯級(jí)電站建設(shè)部環(huán)保中心，施工區(qū)監(jiān)測(cè)單位、環(huán)境監(jiān)理及流域級(jí)專業(yè)監(jiān)測(cè)單位。

系統(tǒng)開發(fā)完成后部署在三峽集團(tuán)信息中心金沙江分中心，依托信息中心已有的安全保障體系及安全防護(hù)設(shè)備，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

(1)數(shù)據(jù)錄入與管理。數(shù)據(jù)錄入與管理實(shí)現(xiàn)對(duì)金沙江下游流域環(huán)管理基礎(chǔ)信息，包括干支流信息，監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，監(jiān)測(cè)斷面，各水電基本信息，庫區(qū)基本信息污染源、環(huán)境敏感點(diǎn)等信息的錄入與入庫；提供流域及梯級(jí)電站施工過程環(huán)境管理報(bào)表和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范表格等的批量導(dǎo)入及錄入功能；提供金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境管理相關(guān)影像檔案、文檔資料、法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等數(shù)據(jù)的入庫；提供與金沙江下游流域環(huán)境管理相關(guān)的新聞發(fā)布及管理。

(2)信息查詢與輸出。信息查詢與輸出模塊提供環(huán)境管理基礎(chǔ)信息查詢；提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)對(duì)比、多站對(duì)比、沿程對(duì)比、達(dá)標(biāo)率查詢、綜合查詢、旬月特征值對(duì)比等多種查詢方式，提供查詢結(jié)果的圖表展示及查詢結(jié)果的輸出；提供水質(zhì)、水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析；提供水質(zhì)、水溫、氣體過飽和、水文等因子環(huán)境管理報(bào)表生成與導(dǎo)出；提供生態(tài)一張圖展示，包括基本地圖工具，河流、測(cè)站、水文站等名稱快速查詢及定位功能，流域環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)沿程變化地圖展示功能；提供檔案目錄結(jié)構(gòu)瀏覽，檔案信息關(guān)鍵字查詢，可以根據(jù)檔案的名稱、歸檔的部門、歸檔日期、檔案的類型、檔案的標(biāo)簽等關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)檔案信息的查詢；提供對(duì)新聞公告、工作簡(jiǎn)報(bào)等環(huán)境管理相關(guān)新聞的查看。

(3)評(píng)價(jià)分析。分析評(píng)價(jià)子系統(tǒng)提供環(huán)境因子現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，水質(zhì)水溫模擬及環(huán)保工程運(yùn)行效果監(jiān)測(cè)。

環(huán)境因子現(xiàn)狀評(píng)價(jià)提供地表水水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，提供水生生態(tài)多樣性評(píng)價(jià)、陸生生態(tài)生境質(zhì)量指數(shù)(HJ 192—2015)計(jì)算功能、提供水土流失強(qiáng)度分級(jí)及水土流失量預(yù)測(cè)功能、局地氣候因子秩相關(guān)性系數(shù)等評(píng)價(jià)功能。

水質(zhì)水溫模擬推演結(jié)合環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)(EFDC)模型[3]，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)水溫模擬在線計(jì)算。水質(zhì)模擬在線計(jì)算用戶可選擇系統(tǒng)預(yù)制的水質(zhì)模型，通過輸入模型基本參數(shù)和模型邊界條件，模擬平水期、枯水期、豐水期模擬區(qū)域不同時(shí)段化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、總磷(TP)的濃度值；水溫可以模擬不同邊界條件下壩前沿程及垂向水溫的變化。模擬結(jié)果提供模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比展示，模擬結(jié)果的圖表及地圖展示，及模型邊界條件查看等功能。

環(huán)保工程運(yùn)行效果監(jiān)測(cè)展示環(huán)保措施運(yùn)行工藝3D動(dòng)畫，展示各梯級(jí)電站生產(chǎn)廢水、生活污水出口各監(jiān)測(cè)指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況。

(4)系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)維護(hù)子系統(tǒng)提供角色(權(quán)限)管理、數(shù)字字典管理及數(shù)據(jù)備份管理。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)最終應(yīng)用目的的不同，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫從邏輯上劃分為：基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫、檔案數(shù)據(jù)庫、水質(zhì)水溫模擬數(shù)據(jù)庫、模型及分析評(píng)價(jià)結(jié)果庫以及系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫。基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)流域基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、干支流信息、監(jiān)測(cè)站網(wǎng)信息、監(jiān)測(cè)斷面信息、梯級(jí)電站信息及庫區(qū)環(huán)境信息；監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)流域環(huán)境監(jiān)測(cè)信息及梯級(jí)電站環(huán)境監(jiān)測(cè)信息；水質(zhì)水溫模擬數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)不同算例方案水質(zhì)、水溫模擬結(jié)果，邊界條件，模型基本信息等；模型數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)水質(zhì)、陸生生態(tài)、水生生態(tài)、水土保持、局地氣候等評(píng)價(jià)分析用到的各種模型、計(jì)算方法、計(jì)算結(jié)果等信息；系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ)用戶權(quán)限數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行日志數(shù)據(jù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)。

本項(xiàng)目中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，空間數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫加空間數(shù)據(jù)引擎的方式存儲(chǔ)管理，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如文檔數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)文件等，使用分布式文件管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

3.4 生態(tài)一張圖建設(shè)

系統(tǒng)基于生態(tài)一張圖展示的需求，設(shè)計(jì)制作基礎(chǔ)地理及生態(tài)環(huán)境專題地圖，并發(fā)布成遵循開放地理空間信息聯(lián)盟(OGC)標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)，為流域生態(tài)環(huán)境變化展示提供一張圖服務(wù)。電子地圖包含的具體內(nèi)容包括：

(1)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)：包括長(zhǎng)江流域水系、省級(jí)行政區(qū)劃、居民地、注記、地貌暈渲等，金沙江下游流域水系、縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等。

(2)專題地理數(shù)據(jù)：包括長(zhǎng)江流域國家重點(diǎn)水文站、水位站、雨量站，長(zhǎng)江流水資源分區(qū)；金沙江下游流域梯級(jí)電站、水下地形測(cè)量斷面，監(jiān)測(cè)斷面等數(shù)據(jù)。

(3)水質(zhì)水溫模擬數(shù)據(jù)：一二維水質(zhì)模擬計(jì)算格網(wǎng)；水溫模擬計(jì)算格網(wǎng)；水電站地形暈渲；水質(zhì)、水溫模型涉及水系及模型邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

金沙江生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)建設(shè)采用基于全新的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)體系，以分布式、服務(wù)化為基本原則，在技術(shù)路線和架構(gòu)上以開源、開放、自主可控為導(dǎo)向。整個(gè)平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)采用了目前主流的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系，具體如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

整個(gè)平臺(tái)以Zookeeper為核心進(jìn)行服務(wù)的注冊(cè)、協(xié)調(diào)；以微服務(wù)框架為基石進(jìn)行業(yè)務(wù)服務(wù)和組件服務(wù)的封裝和調(diào)用；以基礎(chǔ)支撐服務(wù)與通用服務(wù)組件為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐；在資源層由統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問服務(wù)和資源庫管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)訪問、存儲(chǔ)、服務(wù)等，并對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)的ODATA、JSON、WS服務(wù)接口；在界面層以JSP、JS、HTML為基礎(chǔ)進(jìn)行UI的開發(fā)；在門戶層集成了三峽監(jiān)管公司統(tǒng)一門戶系統(tǒng)；在前端接入以Nginx為代理進(jìn)行反向代理；在性能優(yōu)化方面以Redis緩存為框架為平臺(tái)及應(yīng)用提供緩存服務(wù)。

4.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境管理信息系統(tǒng)研發(fā)具有以下幾方面的創(chuàng)新：

(1)揭示金沙江下游梯級(jí)水庫水質(zhì)水溫空間分布特征及演變規(guī)律。系統(tǒng)構(gòu)建金沙江梯級(jí)水庫全域和局部江段水質(zhì)模型，通過模型研究可揭示天然水流沿河道的演進(jìn)過程、污染物在水體中隨時(shí)間和空間遷移過程，可預(yù)測(cè)不同水期(豐平枯)的水質(zhì)變化特征；構(gòu)建了金沙江梯級(jí)水庫壩前水溫模型，可對(duì)壩前水溫的演變趨勢(shì)和垂向分布進(jìn)行定量預(yù)測(cè)，可預(yù)測(cè)不同水期(豐平枯)的壩前水溫變化特征。

(2)實(shí)現(xiàn)了金沙江下游流域水質(zhì)、水溫模型的聯(lián)機(jī)在線運(yùn)算。金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境管理信息系統(tǒng)采用半緊密式集成方式集成功能強(qiáng)大、源代碼開放的EFDC模型[4-5]，實(shí)現(xiàn)了金沙江下游流域水質(zhì)、水溫模型的聯(lián)機(jī)在線運(yùn)算。即：水質(zhì)水溫模擬核心計(jì)算功能由EFDC提供，通過Java編程語言編制EFDC模型和推演系統(tǒng)之間的接口，將水質(zhì)水溫模擬推演核心計(jì)算模型和信息系統(tǒng)串連起來，該種集成方式保障了原有專業(yè)模型的正確性和可靠性，并降低了開發(fā)難度。研發(fā)成果實(shí)現(xiàn)專業(yè)模型軟件的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，方便金沙江流域管理人員使用。

(3)基于WebGIS實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)、水溫模型計(jì)算結(jié)果可視化展示。為了解決EFDC模型在模擬結(jié)果表現(xiàn)和空間分析能力上的不足，系統(tǒng)采用了基于WebGIS的EFDC水質(zhì)、水溫模型計(jì)算結(jié)果可視化展示方法[6]，通過EFDC模型計(jì)算網(wǎng)格GIS化、EFDC模型計(jì)算結(jié)果的存儲(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)、查詢接口返回值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，Web前端渲染優(yōu)化設(shè)計(jì)等手段實(shí)現(xiàn)了EFDC計(jì)算結(jié)果的高效存儲(chǔ)、查詢、傳輸及基于WebGIS可視化展示。

(4)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的一張展示[7]。系統(tǒng)從評(píng)價(jià)單元、圖形符號(hào)、分級(jí)數(shù)和分級(jí)界限4個(gè)方面，設(shè)計(jì)了金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)可視化方法，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境因子沿程變化的地圖展示。地表水水質(zhì)根據(jù)查詢時(shí)測(cè)站水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)測(cè)站所在水系進(jìn)行渲染；水溫根據(jù)查詢時(shí)段測(cè)站水溫最大值、最小值或平均值對(duì)測(cè)站所在水系進(jìn)行分級(jí)渲染；氣體過飽和根據(jù)查詢時(shí)段測(cè)站DO/TGP飽和度，在100%、100%～110%及110%以上3個(gè)區(qū)間的測(cè)次占比對(duì)測(cè)站進(jìn)行渲染；水生生態(tài)對(duì)珍稀特有魚在監(jiān)測(cè)時(shí)段不同斷面的種類數(shù)進(jìn)行渲染，對(duì)重要經(jīng)濟(jì)魚在監(jiān)測(cè)時(shí)段不同斷面的樣本量進(jìn)行渲染，對(duì)產(chǎn)卵場(chǎng)空間分布進(jìn)行渲染；陸生生態(tài)對(duì)不同樣地的植被覆蓋等級(jí)進(jìn)行渲染；局地氣候根據(jù)不同測(cè)站的溫度、濕度、降雨量等監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行專題圖渲染。

4.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)已于2019年4月研發(fā)完畢， 并在業(yè)主單位部署應(yīng)用。 系統(tǒng)對(duì)流域生態(tài)環(huán)境管理、 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類組織， 設(shè)計(jì)并建設(shè)了結(jié)構(gòu)合理、 信息完整的生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)庫， 提供環(huán)境管理數(shù)據(jù)的整合入庫及后續(xù)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)查詢分析、 一張圖展示、 環(huán)境影響綜合評(píng)價(jià)(水質(zhì)單因子及富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[8]、 珍稀特有魚LCA資源評(píng)估[9]、 陸生生態(tài)生境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算[10])以及超標(biāo)預(yù)警等功能。 系統(tǒng)的應(yīng)用將輔助水電工程環(huán)保部門生態(tài)環(huán)境管理工作科學(xué)、 高效的開展。系統(tǒng)典型界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)典型界面Fig.3 Typical interface of the system

5 結(jié) 語

金沙江下游流域生態(tài)環(huán)境管理信息系統(tǒng)的建設(shè)和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境管理信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集、存儲(chǔ)、分析和管理。目前開發(fā)完成的流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是以三峽集團(tuán)建設(shè)管理公司環(huán)保中心的日常業(yè)務(wù)管理為導(dǎo)向進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)的，主要面向基層管理人員，對(duì)于上層管理層的需求考慮不足。后續(xù)開發(fā)將結(jié)合最新互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)宏觀統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)的年際變化趨勢(shì)，以及不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，拓展環(huán)境監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)智慧化應(yīng)用，為管理層決策提供宏觀、直觀信息服務(wù)、變化模擬及趨勢(shì)分析。