沈建剛 ，顏 超

（1.上海市大數(shù)據(jù)中心，上海 200050；2.上海開瀾軟件有限公司，上海 200050）

0 引言

上海市河網(wǎng)密布，共有河湖 4.7 萬余條，由于種種原因，相當(dāng)部分的中小河道水質(zhì)惡化，環(huán)境臟亂差，因此解決上海市復(fù)雜水問題，維護(hù)河湖健康生命至關(guān)重要。

上海市委、市政府強(qiáng)調(diào)，實(shí)行河（湖）長制，是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要制度安排，是全面加強(qiáng)水環(huán)境治理、打贏碧水保衛(wèi)戰(zhàn)的關(guān)鍵所在。河（湖）長制本質(zhì)是責(zé)任制，河長、湖長肩負(fù)著護(hù)水治水的特殊責(zé)任：要盡心盡力，履職盡責(zé)，在“巡、盯、管、督”上下更大功夫；要定期巡，經(jīng)常巡，巡到位，不僅要發(fā)現(xiàn)水里的問題，還要緊盯岸上的問題；要綜合利用現(xiàn)代技術(shù)手段，依托上海市城市運(yùn)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”平臺，提高準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題的能力。

為推進(jìn)河長制治理體系和能力現(xiàn)代化，提升河長履職盡責(zé)能力，壓實(shí)河長治水管水責(zé)任，實(shí)現(xiàn)河湖水環(huán)境質(zhì)量只升不降，需要通過信息化手段，開創(chuàng)性地開展河湖水質(zhì)智能化應(yīng)用研究，建立處置機(jī)制，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，整合氣象、水位、雨量、流量、水質(zhì)等多源數(shù)據(jù)，結(jié)合水質(zhì)指標(biāo)，開展智能化數(shù)據(jù)分析，呈現(xiàn)界河水質(zhì)變化趨勢，動態(tài)分析水質(zhì)變化，及時發(fā)布水質(zhì)波動報警預(yù)警，更高效地提醒河長對水質(zhì)變化做出應(yīng)對決策，最終反饋整治進(jìn)展和結(jié)果。

1 研究思路

圍繞河湖各類水質(zhì)監(jiān)測及斷面空間等數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)分析工具[1]，建立數(shù)據(jù)倉庫，參照簡約原則對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集和規(guī)約，采用區(qū)域、同比和趨勢等分析對區(qū)域水質(zhì)的同期和趨勢變化進(jìn)行研究，對趨勢下降和波動超出閾值范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警和報警，提醒相關(guān)責(zé)任單位及河長、湖長，進(jìn)行整改和處置的過程化管理，跟蹤反饋結(jié)果和整治后變化情況，及時消除警報形成閉環(huán)管理[2]。河湖水質(zhì)智能應(yīng)用技術(shù)線路圖如圖1 所示。

圖1 河湖水質(zhì)智能應(yīng)用技術(shù)線路圖

2 數(shù)據(jù)整合

上海市河長制實(shí)施以來，河湖水質(zhì)監(jiān)測工作作為水環(huán)境治理成效結(jié)果的重要體現(xiàn)，全市加大了水質(zhì)監(jiān)測力度，在原國家和市級地表水考核斷面的基礎(chǔ)上，增加了全市鎮(zhèn)管及鎮(zhèn)管以上河湖的水質(zhì)監(jiān)測，并針對蘇州河四期綜合整治和建成區(qū)等專題開展周期性水質(zhì)監(jiān)測。由于各類水質(zhì)監(jiān)測活動的周期和監(jiān)測目的不同，水質(zhì)監(jiān)測的指標(biāo)項(xiàng)和頻次也有所側(cè)重，為達(dá)到河湖水質(zhì)智能應(yīng)用的要求需要將多源數(shù)據(jù)整合，建立河湖水質(zhì)智能應(yīng)用的數(shù)據(jù)倉庫[3]91[4]。

本次應(yīng)用研究的數(shù)據(jù)架構(gòu)按照三層架構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)整合邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)整合邏輯結(jié)構(gòu)圖

三層架構(gòu)具體分析如下：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫匯聚和管理來自水利、供水、排水和其他行業(yè)管理單位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成集成各行業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包括上海市跨省界、區(qū)界斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，市、區(qū)、鎮(zhèn)管等各行業(yè)水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)，氣象、水位、雨量、流量、水質(zhì)等實(shí)時數(shù)據(jù)，以及堤防、水閘、泵站等設(shè)施數(shù)據(jù)。

2）核心數(shù)據(jù)庫。核心數(shù)據(jù)庫按照數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)開展各行業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的規(guī)范、分類、歸并和加工，形成統(tǒng)一計算單位數(shù)據(jù)的集中存儲，分為監(jiān)測監(jiān)控類、基礎(chǔ)設(shè)施類、政務(wù)服務(wù)類、元數(shù)據(jù)類和其他等五大類數(shù)據(jù)庫，并形成安全可靠的數(shù)據(jù)更新維護(hù)機(jī)制[3]92。

3）數(shù)據(jù)倉庫。數(shù)據(jù)倉庫對核心數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗、分析和挖掘，建立起專門的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)倉庫，統(tǒng)一接口對外服務(wù)，為業(yè)務(wù)部門提供輔助決策和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

水質(zhì)數(shù)據(jù)在進(jìn)入數(shù)據(jù)倉庫前需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，預(yù)處理過程主要分為以下 4 個部分：

a.數(shù)據(jù)清理。在數(shù)據(jù)清理時，對缺少時間和地理屬性的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪減。

b.數(shù)據(jù)集成。在數(shù)據(jù)集成時，為達(dá)到模式匹配的目的，抽取了各類監(jiān)測指標(biāo)中具有代表性的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮 5 項(xiàng)指標(biāo)，并清理數(shù)據(jù)冗余和沖突。

c.數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，參照 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[5]基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值表，統(tǒng)一對各專題水質(zhì)斷面具有代表性的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮 5 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價，將河湖水質(zhì)斷面劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ及劣 Ⅴ 類（超 Ⅴ 類標(biāo)準(zhǔn)）6 個等級。

d.數(shù)據(jù)規(guī)約。在數(shù)據(jù)規(guī)約時，使用拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型，通過將水質(zhì)斷面空間位置（點(diǎn)）、行政區(qū)劃邊界（線）和河湖空間對象（面）表示為拓?fù)湓紨?shù)據(jù)（結(jié)點(diǎn)、面）的基礎(chǔ)圖表，形成空間關(guān)系，遍歷拓?fù)鋱D中元素的網(wǎng)絡(luò)，通過數(shù)據(jù)的聚合方法整合各要素之間的信息屬性，進(jìn)而得到水質(zhì)斷面評價結(jié)果影響的河湖及管理區(qū)域內(nèi)的責(zé)任單位與河湖長信息。拓?fù)湓睾完P(guān)系示意圖如圖3 所示。

圖3 拓?fù)湓睾完P(guān)系示意圖

3 業(yè)務(wù)流程

通過對多源數(shù)據(jù)[3]90的匯集整合，采用多維度的綜合分析與研究，將形成的水質(zhì)波動變化結(jié)果應(yīng)用于水環(huán)境整治工作中，形成完整的業(yè)務(wù)閉環(huán)流程，流程主要包括以下 5 個環(huán)節(jié)：

1）河湖水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測。匯集各類專題下河湖水質(zhì)斷面監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域、河湖、采樣時間、管理等級、指標(biāo)等的梳理和分類。

2）變化趨勢分析。在河（湖）長制水質(zhì)監(jiān)測體系中，水質(zhì)按照 GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》評價，參評指標(biāo)包括水溫、pH、溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等 6 項(xiàng)，采用年均值進(jìn)行考核，歷年監(jiān)測結(jié)果顯示水質(zhì)類別限制指標(biāo)為氨氮和總磷。以 Ⅴ 類水標(biāo)準(zhǔn)下限或氨氮、總磷濃度的變化幅度為主要判定依據(jù)評定水質(zhì)結(jié)果，并通過同比和環(huán)比等變化分析產(chǎn)生水質(zhì)趨勢變化的結(jié)果。

3）波動報警預(yù)警。水質(zhì)預(yù)警分為三色（紅、黃、藍(lán)）預(yù)警，紅色預(yù)警對應(yīng)劣 Ⅴ 類水質(zhì)，黃色預(yù)警對應(yīng)臨近劣 Ⅴ 水質(zhì)，藍(lán)色預(yù)警對應(yīng)水質(zhì)變差河湖斷面。

依照水質(zhì)判定結(jié)果，對應(yīng)預(yù)警情況如下：結(jié)果為劣 Ⅴ 類水質(zhì)類別的斷面，會發(fā)出紅色預(yù)警；結(jié)果為 Ⅴ 類水質(zhì)類別，同時參評指標(biāo)接近 Ⅴ 類標(biāo)準(zhǔn)下限 10% 的斷面，會發(fā)出黃色預(yù)警；監(jiān)測結(jié)果在 Ⅴ 類及以上，同時氨氮或總磷濃度升高 20% 及以上的斷面，會發(fā)出藍(lán)色預(yù)警。

分析水質(zhì)判定結(jié)果時，對達(dá)到三色預(yù)警范圍的河湖進(jìn)行消息推送提醒，內(nèi)容發(fā)送至轄區(qū)內(nèi)總河長、副總河長、河長制辦公室（以下簡稱河長辦）工作人員及河道相關(guān)河長。通過持續(xù)關(guān)注預(yù)警范圍內(nèi)河湖水質(zhì)的變化，對連續(xù)水質(zhì)惡化區(qū)域內(nèi)的河長進(jìn)行問責(zé)處理。

4）整改與處置。三色預(yù)警范圍內(nèi)的河湖相關(guān)河長或河長辦工作人員應(yīng)完成以下監(jiān)督處置：通過工作平臺對預(yù)警做出響應(yīng)，核實(shí)和確認(rèn)相關(guān)預(yù)警；通過工作平臺，根據(jù)實(shí)際情況上報處置措施，并在措施執(zhí)行過程中反饋相關(guān)情況；通過工作平臺，持續(xù)根據(jù)每測次水質(zhì)監(jiān)測的結(jié)果，評價水質(zhì)是否改善；對水質(zhì)波動預(yù)警信息進(jìn)行持續(xù)跟蹤，設(shè)定未處置、已反饋、整治中、已完成等水質(zhì)惡化改進(jìn)狀態(tài)，通過水質(zhì)治理監(jiān)督功能，確保惡化水質(zhì)得到持續(xù)關(guān)注和改善。

5）結(jié)果跟蹤反饋。根據(jù)水質(zhì)整改處置情況跟蹤分析，如水質(zhì)顯著改善并提升至預(yù)警水質(zhì)以上，則解除相關(guān)預(yù)警，告知相應(yīng)部門和人員。

河湖水質(zhì)預(yù)警智能應(yīng)用業(yè)務(wù)閉環(huán)流程如圖4所示。

圖4 河湖水質(zhì)預(yù)警智能應(yīng)用業(yè)務(wù)流程圖

4 業(yè)務(wù)應(yīng)用

多源數(shù)據(jù)整合的河湖水質(zhì)智能應(yīng)用研究結(jié)果主要應(yīng)用于以下系統(tǒng)中：

1）上海市河長辦工作平臺。整合過程中形成的河湖評價結(jié)果，結(jié)合河湖空間信息，形成上海市河湖月度水質(zhì)類別示意圖，通過最鄰近算法，將不同等級的河湖受水質(zhì)影響的范圍通過顏色區(qū)分，輔助水環(huán)境整治結(jié)果的展現(xiàn)。依據(jù)上海市水環(huán)境整治當(dāng)前工作方向，在多源數(shù)據(jù)整合基礎(chǔ)上，使用聚合算法形成優(yōu) Ⅲ 類和劣 Ⅴ 類水質(zhì)等級的斷面，再通過月度周期中的變化情況形成分析結(jié)果圖，體現(xiàn)全市優(yōu)于 Ⅲ 類和劣 Ⅴ 類歷史變化趨勢。

2）上海市城市運(yùn)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”水務(wù)專題。在上海市城市運(yùn)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”水務(wù)專題的水質(zhì)智能應(yīng)用場景中，根據(jù)氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等參數(shù)預(yù)先設(shè)定的變化閾值，在進(jìn)行水質(zhì)分析時，對超出指標(biāo)預(yù)設(shè)閾值的河湖進(jìn)行消息推送提醒，內(nèi)容通過上海河長 App 和短信發(fā)送至轄區(qū)內(nèi)總河長、副總河長、河長辦工作人員及河道相關(guān)河長。將水質(zhì)持續(xù)狀態(tài)變化分為改善、無變化、惡化 3 種狀態(tài)，對水質(zhì)持續(xù)惡化且未采取相關(guān)措施區(qū)域內(nèi)的河長進(jìn)行問責(zé)處理[6]。

對水質(zhì)波動預(yù)警信息進(jìn)行持續(xù)跟蹤，設(shè)定已讀、已接受和預(yù)警反饋 3 種狀態(tài)，其中：已讀指已讀取預(yù)警通知或消息，已接受指接受預(yù)警通知，預(yù)警反饋指反饋超標(biāo)整治計劃及結(jié)束時間。設(shè)計和開發(fā)水質(zhì)治理監(jiān)督功能，可確保惡化水質(zhì)得到持續(xù)關(guān)注和改善，后續(xù)可通過相關(guān)行業(yè)部門的綜合水質(zhì)情況，給予水質(zhì)變化原因分析和改善建議，推動全市水環(huán)境質(zhì)量改善提升工作。

5 結(jié)語

通過河湖水質(zhì)智能化應(yīng)用研究，整合跨部門數(shù)據(jù)資源，全面了解市、區(qū)、鎮(zhèn)管區(qū)域內(nèi)部河湖水質(zhì)變化趨勢[7]。通過實(shí)際流程和數(shù)據(jù)的應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了河湖水質(zhì)事件全程智能高效的應(yīng)用處置，建立了各斷面水質(zhì)評價和指標(biāo)值的變化預(yù)警，及時提醒河湖水質(zhì)變化情況，監(jiān)督河湖水質(zhì)整治，極大提高了河湖水質(zhì)治理效率，從而有效防控河湖水質(zhì)污染，推進(jìn)跨界河湖協(xié)同治理，對各級河湖部門皆有借鑒和推廣意義。該研究還需要不斷累積歷史數(shù)據(jù)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，不斷完善業(yè)務(wù)處置流程和運(yùn)行機(jī)制。