姜代煒，譚太恒，陳婉瑩，唐長增

（1. 廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心，廣西 南寧 530023）

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境保護的基礎(chǔ)，是生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐[1]。近年來，隨著位置服務(wù)[2-3]、邊緣感知[4]、物聯(lián)網(wǎng)[5-6]和云霧計算[7]等技術(shù)融合發(fā)展，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測正在向立體化、實時化、智能化方向發(fā)展[8-12]，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測支撐能力明顯加強。當(dāng)前生產(chǎn)、生活污水排放飆升，河流污染已成為生態(tài)環(huán)境治理的一個重要問題。針對該問題，相關(guān)部門開展了長江、黃河、珠江等七大流域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作，組建了覆蓋面廣的稀疏水質(zhì)站點監(jiān)測體系[1]，建立了綜合性較強的流域生態(tài)環(huán)境管理平臺[13-17]，在水環(huán)境、水生態(tài)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(jiān)測時間持續(xù)長、污染來源復(fù)雜等特性，流域生態(tài)環(huán)境總體監(jiān)測服務(wù)供給不足、支撐水平有待提高的局面沒有改變[19]，在精準(zhǔn)監(jiān)控、科學(xué)預(yù)警與協(xié)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(tài)環(huán)境治理體系建設(shè)，從時空信息角度構(gòu)建流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、模擬、預(yù)警和治理的全鏈條技術(shù)棧，為流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)管賦能，提供可借鑒的中小流域生態(tài)環(huán)境治理經(jīng)驗。

1 流域生態(tài)環(huán)境治理體系建設(shè)

流域治理是區(qū)域統(tǒng)籌、部門合作、協(xié)同推進生態(tài)環(huán)境治理的重要場所，現(xiàn)代流域治理逐漸從單一要素向全要素、全過程、全流域協(xié)同治理模式轉(zhuǎn)變。運用系統(tǒng)論思想，以水環(huán)境改善和水生態(tài)修復(fù)為目標(biāo)，構(gòu)建水污染整治、水資源利用和水生態(tài)保護有機結(jié)合的流域治理體系；以信息協(xié)同為紐帶，理順流域上下游與執(zhí)法主體的銜接關(guān)系，推動流域治理由“九龍治水”向“系統(tǒng)治水”升維，形成“三水統(tǒng)籌”治理格局。

1）建立“天—空—地—人—網(wǎng)”流域立體監(jiān)測技術(shù)手段。利用遙感、物聯(lián)網(wǎng)、位置服務(wù)等技術(shù)手段進行全流域要素監(jiān)測，獲取水色、水溫、pH 值、總磷、總氮、藍綠藻等水環(huán)境、水生態(tài)參量信息。

2）建立水生態(tài)健康和水環(huán)境總量控制評價指標(biāo)。評估流域水生態(tài)承載力，確立水環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)指標(biāo)，明晰污染削減與水環(huán)境總量控制的關(guān)系。

3）建立水循環(huán)時空模擬和水環(huán)境風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)?？臻g識別重點風(fēng)險源，對水環(huán)境進行時空模擬和風(fēng)險預(yù)警，為日常監(jiān)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(tài)修復(fù)耦合的多元治理模式。劃分流域生態(tài)功能區(qū)，優(yōu)化生產(chǎn)生活空間布局，重點開展流域工業(yè)污染控制、農(nóng)業(yè)面源治理和生物技術(shù)工程，系統(tǒng)性修復(fù)水生態(tài)。

2 總體思路

南流江流經(jīng)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(lián)系，以時空信息流貫通立體監(jiān)測、精細管理、預(yù)報預(yù)警和協(xié)同治理全過程，形成流域生態(tài)環(huán)境治理閉環(huán)，南流江流域生態(tài)環(huán)境信息化治理思路為：

1）擴充現(xiàn)有監(jiān)測裝備，立體監(jiān)測流域生態(tài)環(huán)境，集成基礎(chǔ)地理信息、水文水質(zhì)、污染源等數(shù)據(jù)，構(gòu)建流域時空信息數(shù)據(jù)庫，重建流域三維實景，提供多維度時空信息服務(wù)，解決“數(shù)出多門”“標(biāo)準(zhǔn)不一”“難以共享”等問題，實現(xiàn)流域信息的統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一應(yīng)用和統(tǒng)一展示。

2）結(jié)合多源時空信息，通過流域水污染總量控制指標(biāo)對污染源、水環(huán)境容量和水環(huán)境風(fēng)險等進行時空分析，構(gòu)建多模態(tài)水質(zhì)時空演化模型，計算水環(huán)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(zhì)預(yù)報預(yù)警和環(huán)境治理決策等服務(wù)。

3）開發(fā)邊緣端應(yīng)用系統(tǒng)，為管理者提供流域環(huán)境直觀展現(xiàn)、水環(huán)境質(zhì)量精準(zhǔn)預(yù)測、生態(tài)環(huán)境科學(xué)決策的管理系統(tǒng)，為調(diào)查者提供污染源精確發(fā)現(xiàn)、環(huán)境污染事件查處的監(jiān)察系統(tǒng)，協(xié)同開展流域生態(tài)環(huán)境治理工作，構(gòu)建全流域生態(tài)環(huán)境治理體系。南流江生態(tài)環(huán)境治理系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 南流江生態(tài)環(huán)境治理系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多層次立體監(jiān)測

擴充現(xiàn)有裝備，合理布設(shè)流域防污設(shè)施，構(gòu)建立體監(jiān)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(jiān)測站和和移動監(jiān)測設(shè)備等多層次立體監(jiān)測體系，大范圍獲取國產(chǎn)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(zhì)和污染源數(shù)據(jù)，兼顧周期性、應(yīng)急性和實時性監(jiān)測，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，將流域治理對象納入到整體監(jiān)測視野中（表1）。

表1 南流江生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方式

2）使用空間分析方法合理布設(shè)自動監(jiān)測站、污水處理廠和垃圾處理站等防污設(shè)施，劃定流域畜禽限養(yǎng)區(qū)、農(nóng)藥化肥嚴管區(qū)，在密集養(yǎng)殖區(qū)建立糞污集中處理中心，提供高精度、定量化的產(chǎn)品服務(wù)。

3）規(guī)范數(shù)據(jù)采集、加工和建庫流程，構(gòu)建流域時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)多源時空數(shù)據(jù)的有效整編。其中，App 采集端重點調(diào)查工業(yè)廢水、生活污水和畜禽養(yǎng)殖等信息，質(zhì)量合格后傳入污染源數(shù)據(jù)庫中。

3.2 多維度流域?qū)ο缶毠芾?/h3>

集成基礎(chǔ)地理信息、水文水質(zhì)和污染源等數(shù)據(jù)，闡釋多類型時空數(shù)據(jù)的語義關(guān)聯(lián)和時空尺度約束關(guān)系[21]，為流域生態(tài)環(huán)境精確畫像（圖2）。

圖2 南流江多維度精細管理

1）利用基礎(chǔ)地理信息構(gòu)建地形級、對象級流域管理單元；基于空間數(shù)據(jù)組織，解決數(shù)據(jù)規(guī)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(shù)據(jù)索引，以流數(shù)據(jù)的方式進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，采用多級網(wǎng)格模型重建南流江三維實景。

2）顧及自動監(jiān)測站的空間表達需要，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(lián)網(wǎng)監(jiān)測終端，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)終端的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

3）針對重點目標(biāo)、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(shè)施和畜禽養(yǎng)殖等信息，提供點面源污染分析、水質(zhì)預(yù)報預(yù)警和環(huán)境治理決策等服務(wù)。

3.3 多模態(tài)水質(zhì)時空模擬與預(yù)警

為描述水體中污染物隨時間、空間的運動變化規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者利用河流水文、流體動力學(xué)等理論進行了大量水質(zhì)模型研究工作[22]（表2），并應(yīng)用于水質(zhì)模擬評價、預(yù)報預(yù)警等領(lǐng)域，隨著實時監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)水質(zhì)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(zhì)模型

1）根據(jù)《第一次全國污染源普查工作手冊》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，換算工業(yè)廢水、生活污水、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)面源等污染系數(shù)，建立南流江水污染總量控制指標(biāo)體系。

2）結(jié)合地形因子、水文因子、氣候因子和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等，采用空間插值構(gòu)建多模態(tài)水質(zhì)時空演化模型，核算水環(huán)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(yōu)先管控的河段和污染因子，進行水質(zhì)污染溯源分析，為監(jiān)管者制定環(huán)境風(fēng)險評估、治理決策和污染事故處突方案，提供水環(huán)境預(yù)警與決策支持服務(wù)。

3）建立污染實時發(fā)現(xiàn)、信息上傳下達、任務(wù)快速執(zhí)行和治理全程監(jiān)督的協(xié)同工作機制，當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)水污染預(yù)警時，能及時地將相關(guān)信息傳遞給執(zhí)法人員，執(zhí)法人員依法查處環(huán)境污染事件。南流江水污染精準(zhǔn)治理應(yīng)用見圖3。

圖3 南流江水污染精準(zhǔn)治理

3.4 多類型信息服務(wù)切分與聚合

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

圖4 系統(tǒng)信息服務(wù)切分與聚合示意圖

1）在服務(wù)端將大型單體應(yīng)用切分為細粒度、靈活組裝的服務(wù)，服務(wù)間通過輕量級通信機制相互協(xié)作，利用“天地圖·廣西”地理信息服務(wù)引擎進行信息服務(wù)發(fā)布，根據(jù)信息服務(wù)訪問的多寡動態(tài)調(diào)整計算資源，擴充單個微服務(wù)集群的規(guī)模，不會因單一數(shù)據(jù)或功能失靈而導(dǎo)致系統(tǒng)整體宕機。

2）在邊緣端按業(yè)務(wù)需求調(diào)用信息服務(wù)，將分散、簡單的細粒度服務(wù)聚合成復(fù)雜、具有新功能的信息服務(wù)，靈活組裝應(yīng)用系統(tǒng)，即便有新的信息服務(wù)需求，也能反饋給服務(wù)端開發(fā)新的服務(wù)，系統(tǒng)能從服務(wù)鏈中挑選可用信息服務(wù)，保障應(yīng)用層業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

4 實踐效果

通過應(yīng)用生態(tài)環(huán)境管理系統(tǒng)、微信版污染防治監(jiān)察系統(tǒng)、污染源和水質(zhì)采集系統(tǒng)App等，工作人員共采集相關(guān)企業(yè)231家，畜禽養(yǎng)殖點26 129個，在40條干支流設(shè)置監(jiān)控點位110個，全面掌握流域水質(zhì)變化、污染排放和治理情況。系統(tǒng)一旦觸發(fā)水污染預(yù)警，立即鎖定污染源范圍，派出水污染防治攻堅隊伍協(xié)同作戰(zhàn)，依法查處污水、養(yǎng)殖場亂建等環(huán)境違法行為。

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

5 結(jié) 語

為較好地配合南流江生態(tài)環(huán)境治理工程，通過南流江生態(tài)環(huán)境治理系統(tǒng)建立區(qū)、市、縣、鄉(xiāng)4 級協(xié)同機制，對流域生態(tài)環(huán)境進行精細管理，建立了一批污水處理廠、養(yǎng)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(tài)環(huán)境治理是一項長期任務(wù)，更是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多方面著手才能治本清源。

1）對工業(yè)廢水排放嚴重的企業(yè)進行重點整治，提高工業(yè)廢水處理設(shè)備的使用率，安裝環(huán)保部門規(guī)定的在線聯(lián)網(wǎng)水污染物自動監(jiān)測設(shè)備，嚴查私設(shè)排污口、超標(biāo)排放物的環(huán)境違法行為。

2）對城鎮(zhèn)污水處理廠進行提標(biāo)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(zhèn)徑流污染物的排放量。

3）劃定流域畜禽禁養(yǎng)區(qū)和限養(yǎng)區(qū)，杜絕糞污和沼液直排現(xiàn)象，對傳統(tǒng)養(yǎng)殖場進行生態(tài)養(yǎng)殖模式改造，在密集養(yǎng)殖區(qū)建立糞污集中處理中心，將糞污轉(zhuǎn)化為有機糞肥，提高流域畜禽糞污綜合利用率。

4）開展農(nóng)業(yè)面源污染防治工程，劃定農(nóng)藥化肥嚴管區(qū)，建設(shè)初排徑流水回用系統(tǒng)、水田生態(tài)溝渠和面源攔截生態(tài)溝，推廣有機肥和生態(tài)農(nóng)藥的使用。