長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)智慧決策平臺(tái)構(gòu)建與初步設(shè)計(jì)

劉柏音, 劉孝富, 王 維

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012

長(zhǎng)江是中華民族的母親河，長(zhǎng)江流域涉及19個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)，是我國(guó)重要的自然資源寶庫(kù)與經(jīng)濟(jì)帶，長(zhǎng)江流域的生態(tài)環(huán)境健康關(guān)系著中華民族偉大復(fù)興和永續(xù)發(fā)展. 近年來(lái)，隨著長(zhǎng)江流域經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的高速發(fā)展，污染事件頻發(fā)、上下游水土流失嚴(yán)重、濕地生態(tài)系統(tǒng)功能退化、水生生物多樣性指數(shù)持續(xù)下降，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出. 黨和國(guó)家高度重視長(zhǎng)江流域的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，2016年1月，習(xí)近平總書記在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會(huì)上強(qiáng)調(diào)，要把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，要“共抓大保護(hù)、不搞大開(kāi)發(fā)”. 2019年1月，為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展系列講話精神，生態(tài)環(huán)境部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合印發(fā)了《長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》，吹響了長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)的號(hào)角. 同時(shí)，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)了《關(guān)于開(kāi)展長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)駐點(diǎn)跟蹤研究工作的通知》，組織優(yōu)勢(shì)單位和優(yōu)秀專家團(tuán)隊(duì)深入沿江城市一線進(jìn)行駐點(diǎn)研究和技術(shù)指導(dǎo)，第一批共計(jì)58個(gè)駐點(diǎn)城市. 2019年4月，國(guó)家長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究中心(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江中心”)組織編制了《長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)聯(lián)合研究實(shí)施方案(一期：長(zhǎng)江干流及典型城市環(huán)境保護(hù)綜合方案與管理平臺(tái)研究項(xiàng)目)(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)江一期項(xiàng)目”)》，提出圍繞長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)的科技需求，重點(diǎn)支持流域區(qū)域全過(guò)程水質(zhì)目標(biāo)管理、長(zhǎng)江流域典型區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合解決方案和生態(tài)環(huán)境保護(hù)智慧決策平臺(tái)等研究，支撐長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)的科學(xué)決策和精準(zhǔn)施策.

“十一五”以來(lái)，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)江流域形成了一系列生態(tài)環(huán)境治理科研成果，并開(kāi)展了多項(xiàng)水環(huán)境平臺(tái)建設(shè)工作，形成了如三峽庫(kù)區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警平臺(tái)[1]、太湖流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警平臺(tái)[2]、金沙江下游生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)及GIS系統(tǒng)[3]等流域管理平臺(tái). 為全面推進(jìn)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)工作，開(kāi)展針對(duì)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境綜合決策的長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)研究，擬實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)江流域數(shù)據(jù)資源與環(huán)?？蒲谐晒娜嬲?，形成長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)綜合決策與管控，推動(dòng)流域全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展.

1 長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)的必要性和緊迫性

1.1 長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境大保護(hù)亟待打破信息壁壘

長(zhǎng)江流域是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，流域生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與修復(fù)涉及到上下游、左右岸、多部門、跨區(qū)域之間的相互協(xié)調(diào). 當(dāng)前，各地、各部門針對(duì)長(zhǎng)江的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已開(kāi)展了一系列研究工作，但成果相對(duì)獨(dú)立和分散，科技資源和信息共享不足，成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用緩慢，缺乏協(xié)同攻關(guān)的長(zhǎng)效機(jī)制. 長(zhǎng)江流域各級(jí)環(huán)保、水利、自然資源、林業(yè)、氣象等部門積累了大量數(shù)據(jù)，并建設(shè)了各自的數(shù)據(jù)平臺(tái)，平臺(tái)接口與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化，造成各部門、各機(jī)構(gòu)信息孤島和數(shù)據(jù)共享壁壘，重復(fù)研究、重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象突出，缺乏流域?qū)用娴臄?shù)據(jù)與信息共享機(jī)制. 因此，建設(shè)長(zhǎng)江平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨部門、多學(xué)科的數(shù)據(jù)共享與信息互通，是長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)的必要前提.

1.2 長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境大保護(hù)亟待精準(zhǔn)識(shí)別環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)與成因

習(xí)近平總書記在第二次推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會(huì)上指出，治好“長(zhǎng)江病”要追根溯源、診斷病因、找準(zhǔn)病根、分類施策、系統(tǒng)治療. 長(zhǎng)江的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題“病狀在水里、病灶在岸上、病根在結(jié)構(gòu)”，其背后是長(zhǎng)江流域水生態(tài)、水環(huán)境、水資源、水安全、水動(dòng)能等全系統(tǒng)和“山水林田湖草”等全要素的統(tǒng)籌治理[4]. 因此，亟需對(duì)長(zhǎng)江流域各類歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、政策沿革與科研成果進(jìn)行全流域整合分析，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能等手段，從長(zhǎng)江的復(fù)雜數(shù)據(jù)中，準(zhǔn)確識(shí)別長(zhǎng)江病因，把握長(zhǎng)江風(fēng)險(xiǎn)與成因，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)精準(zhǔn)施策.

1.3 長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境大保護(hù)亟需輔助決策工具

隨著信息化技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境保護(hù)決策正在逐步朝著更加科學(xué)化、精準(zhǔn)化、智能化發(fā)展，各類輔助決策工具使得環(huán)境管理和治理工作更科學(xué)有效，帶動(dòng)整個(gè)環(huán)境管理的轉(zhuǎn)型和效率的提升[5]. 我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究，逐漸形成了一系列水文分析方法[6-7]、水環(huán)境容量分析方法[8-10]、水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)警方法[11-13]、水生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法[14-15]等科研成果，但這些科研成果在長(zhǎng)江流域的應(yīng)用情況較為分散且有限，未轉(zhuǎn)化成輔助流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)的有效工具. 同時(shí)，各部門在長(zhǎng)江流域建設(shè)了各類管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)，但對(duì)于長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境存在的各類問(wèn)題、治理進(jìn)展程度、政策導(dǎo)向、科研技術(shù)成果等缺乏有效的信息溝通交流. 因此，亟待開(kāi)發(fā)與整合針對(duì)長(zhǎng)江流域特點(diǎn)的水環(huán)境模擬與計(jì)算工具并解決流域信息交流媒介缺失問(wèn)題，為長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供輔助決策信息.

2 長(zhǎng)江平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)以解決長(zhǎng)江流域數(shù)據(jù)資源分散、工作信息共享不暢、科研成果業(yè)務(wù)化應(yīng)用遲緩、管理決策支撐不足為主要目標(biāo)，面向政府、科研單位、企業(yè)與公眾，通過(guò)構(gòu)建長(zhǎng)江流域水環(huán)境數(shù)據(jù)交互共享體系、水環(huán)境目標(biāo)管理與預(yù)測(cè)預(yù)警功能模塊、長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)駐點(diǎn)跟蹤研究工作調(diào)度會(huì)商模塊、長(zhǎng)江保護(hù)修復(fù)攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃技術(shù)支撐模塊等業(yè)務(wù)功能，提供服務(wù)于長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)科研與管理的多功能、智能化、綜合性、大數(shù)據(jù)平臺(tái).

2.2 平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

圍繞長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)總體目標(biāo)，基于主流電子政務(wù)標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)，將平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為五個(gè)層次，即基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)匯集層、數(shù)據(jù)治理層、大腦層、應(yīng)用層，如圖1所示.

a) 基礎(chǔ)層. 提供平臺(tái)軟硬件與網(wǎng)絡(luò)支撐，是項(xiàng)目搭建的基礎(chǔ)保障，包含服務(wù)器、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、多媒體設(shè)備、安全設(shè)備等.

b) 數(shù)據(jù)匯集層. 實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)采集與匯聚，采用終端采集、數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)交互等手段，實(shí)現(xiàn)水文、水質(zhì)等相關(guān)數(shù)據(jù)搜集，打通各部門、各行業(yè)信息孤島和共享壁壘.

c) 數(shù)據(jù)治理層. 以滿足平臺(tái)功能模塊需求為目標(biāo)，進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)不同尺度(流域、控制單元、行政區(qū))的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù).

d) 大腦層. 支撐長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)智慧決策，實(shí)現(xiàn)流域納污能力計(jì)算、水質(zhì)目標(biāo)管理、生態(tài)流量模擬、斷面預(yù)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急、駐點(diǎn)工作管理與評(píng)估、長(zhǎng)江污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)決策支撐等各項(xiàng)功能的數(shù)據(jù)調(diào)用、計(jì)算處理與結(jié)果反饋.

e) 應(yīng)用層. 提供面向用戶的數(shù)據(jù)展示與功能調(diào)用. 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將平臺(tái)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能包裝成用戶所需各種功能模塊，為決策者、科研人員與公眾提供各類數(shù)據(jù)調(diào)用展示、模擬計(jì)算工具、制圖工具、統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果、業(yè)務(wù)管理與視頻連線等功能.

2.3 平臺(tái)主要功能設(shè)計(jì)

2.3.1數(shù)據(jù)采集與匯聚

實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)江流域各類生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、匯集與優(yōu)化，構(gòu)建長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境修復(fù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化數(shù)據(jù)交互共享. 根據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源與數(shù)據(jù)類型，通過(guò)數(shù)據(jù)錄入、物聯(lián)網(wǎng)采集、跨系統(tǒng)接口調(diào)用、網(wǎng)絡(luò)爬取、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理等多種方式完成數(shù)據(jù)采集入庫(kù).

a) 管理部門數(shù)據(jù)采集. 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)相關(guān)部委、沿江省(自治區(qū)、直轄市)政府及相關(guān)部門的數(shù)據(jù)共享，建成專題數(shù)據(jù)采集匯交機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)、不同時(shí)空尺度數(shù)據(jù)的有效融合，實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新.

b) 駐點(diǎn)研究數(shù)據(jù)采集. 實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)江流域駐點(diǎn)跟蹤城市工作成果數(shù)據(jù)的采集收集，提供各類生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、污染源清單數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、“一市一策”等數(shù)據(jù)的上傳接口.

c) 長(zhǎng)江流域其他成果數(shù)據(jù)采集. 實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)等各類科研專項(xiàng)“十一五”以來(lái)的各類數(shù)據(jù)成果和技術(shù)成果的采集與對(duì)接，以電子文檔直接采集為主，輔以與各平臺(tái)建立數(shù)據(jù)接口等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通.

d) 互聯(lián)網(wǎng)信息采集. 實(shí)現(xiàn)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)已公開(kāi)的長(zhǎng)江流域各類社會(huì)、地理、經(jīng)濟(jì)、資源、氣象等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集.

e) 非電子數(shù)據(jù)采集. 實(shí)現(xiàn)對(duì)紙質(zhì)文本、年鑒等非電子、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的采集與結(jié)構(gòu)化.

2.3.2數(shù)據(jù)挖掘分析

通過(guò)分類、分割、關(guān)聯(lián)、聚類分析等數(shù)據(jù)挖掘方法，建立長(zhǎng)江流域水質(zhì)、水文、污染源分布、污染物排放量、排污許可總量、水生物多樣性、土壤侵蝕、植被覆蓋、氣象、人類活動(dòng)等生態(tài)環(huán)境要素間的響應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與演變規(guī)律、水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況與控制單元污染源特性關(guān)系、水質(zhì)水文變化與水體利用情況等相關(guān)性、水體富營(yíng)養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題診斷等各類環(huán)境要素相關(guān)性分析與數(shù)據(jù)挖掘，提供數(shù)據(jù)分析工具，實(shí)現(xiàn)面向各類用戶數(shù)據(jù)分析需求的快速統(tǒng)計(jì)計(jì)算與計(jì)算結(jié)果輸出服務(wù)，如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)挖掘分析功能Fig.2 Functions of data mining analysis

2.3.3數(shù)據(jù)可視化

以水環(huán)境質(zhì)量管理為核心，基于WebGIS，實(shí)現(xiàn)不同尺度、不同環(huán)境要素、面向不同用戶對(duì)象的流域水環(huán)境數(shù)據(jù)展示.

a) 分區(qū)域范圍數(shù)據(jù)展示. 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江全流域多尺度數(shù)據(jù)展示與切換，包括實(shí)現(xiàn)全流域、行政區(qū)范圍內(nèi)流域、水環(huán)境功能區(qū)劃內(nèi)流域、水環(huán)境控制單元內(nèi)流域、重點(diǎn)湖庫(kù)、重點(diǎn)流域、沿江城市等“區(qū)域?qū)ｎ}”展示.

b) 分環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)展示. 根據(jù)長(zhǎng)江流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)(污染源數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、行政區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)、水環(huán)境功能區(qū)劃數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、重點(diǎn)工程數(shù)據(jù)、環(huán)境問(wèn)題數(shù)據(jù)等)的數(shù)據(jù)類型，分點(diǎn)位、分行政區(qū)、分控制單元進(jìn)行基于GIS的單要素?cái)?shù)據(jù)展示與數(shù)據(jù)疊加展示.

c) 時(shí)空演變展示. 根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，分時(shí)、分日、分月、分季度、分年度，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度切換展示. 對(duì)水質(zhì)遷移擴(kuò)散、土地利用變化、土壤侵蝕變化、植被覆蓋變化、長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)成效等以卷簾圖、動(dòng)態(tài)圖等形式，展示各類數(shù)據(jù)時(shí)空變化趨勢(shì).

d) 數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果展示. 采用水質(zhì)模型與GIS集成技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果特點(diǎn)，以曲線圖、柱形圖、餅狀圖、分幅圖、卷簾圖、動(dòng)態(tài)圖等方式對(duì)長(zhǎng)江流域水環(huán)境形勢(shì)分析結(jié)果、水環(huán)境要素間的各種響應(yīng)關(guān)系等進(jìn)行展示. 同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)嵌入的水質(zhì)模型特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多維動(dòng)、靜態(tài)展示.

2.3.4決策會(huì)商

a) 工作進(jìn)度調(diào)度功能. 服務(wù)于“長(zhǎng)江一期項(xiàng)目”“長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境修復(fù)駐點(diǎn)跟蹤研究工作項(xiàng)目”等長(zhǎng)江流域重點(diǎn)科研項(xiàng)目管理需求，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理與研究成果調(diào)度，實(shí)現(xiàn)從項(xiàng)目任務(wù)合同書、中期研究成果、階段進(jìn)展調(diào)度、預(yù)算管理到最終成果驗(yàn)收的全流程監(jiān)控與管理.

b) 視頻會(huì)商功能. 構(gòu)建視頻會(huì)商系統(tǒng)，相關(guān)專家、管理者通過(guò)該功能解決地方工作中遇到的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)部級(jí)管理部門與地方相關(guān)部門的視頻溝通會(huì)商、專家在線會(huì)診、駐點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)連線、突發(fā)事件調(diào)度指揮等功能，達(dá)到對(duì)長(zhǎng)江駐點(diǎn)跟蹤研究城市規(guī)范工作流程、提高工作效率、融合科技支撐、提升管理水平的目的.

2.3.5數(shù)據(jù)共享

制定數(shù)據(jù)共享的權(quán)限劃分與業(yè)務(wù)化運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)共享服務(wù). 根據(jù)用戶實(shí)際業(yè)務(wù)需求與數(shù)據(jù)需求，提供分級(jí)、分類的數(shù)據(jù)下載與業(yè)務(wù)結(jié)果查詢功能，以數(shù)據(jù)交易等形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互共享，不同機(jī)構(gòu)、企業(yè)及個(gè)人均可以提出數(shù)據(jù)需求或提供數(shù)據(jù)資源，管理部門可發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)共享任務(wù). 包括： ①提供數(shù)據(jù)搜索查詢功能并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要說(shuō)明； ②提供數(shù)據(jù)分級(jí)下載功能； ③提供非定制化及定制化的數(shù)據(jù)處理服務(wù)；④提供數(shù)據(jù)眾包服務(wù)等多種數(shù)據(jù)交易服務(wù).

2.3.6模型工具

通過(guò)水環(huán)境模型工具的構(gòu)建、嵌入與調(diào)用，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域不同尺度、不同流域、不同要素的水環(huán)境綜合模擬能力.

a) 水環(huán)境模型庫(kù)構(gòu)建. 基于平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)當(dāng)前主流的各類水環(huán)境模型進(jìn)行篩選與參數(shù)率定，建立分區(qū)、分類、多維度水環(huán)境模型庫(kù)構(gòu)架，構(gòu)建長(zhǎng)江典型流域水質(zhì)目標(biāo)管理模型庫(kù)，以覆蓋長(zhǎng)江全流域與重點(diǎn)流域且具備水質(zhì)目標(biāo)預(yù)測(cè)預(yù)警、污染物遷移模擬為基本目標(biāo)，形成水環(huán)境綜合模擬功能模塊.

b) 模型的封裝與調(diào)用. 解決模型接口、模型封裝調(diào)用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)用戶對(duì)各類模型的有效訪問(wèn). 提供模型適用性與參數(shù)敏感性說(shuō)明，提供水文、水質(zhì)模擬以及水環(huán)境綜合模擬工具.

c) 模型可視化展示. 基于三維GIS和數(shù)據(jù)模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型成果多維展示和統(tǒng)計(jì)分析功能，直觀呈現(xiàn)各類水環(huán)境要素的模型分析結(jié)果，動(dòng)態(tài)顯示污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程、污染物濃度和污染帶時(shí)空分布范圍等.

2.3.7空間制圖

具備面向用戶的空間制圖服務(wù)功能，制訂統(tǒng)一的作圖規(guī)范，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制作指定區(qū)域范圍或流域范圍、指定時(shí)間范圍的相關(guān)圖件，包括但不限于行政區(qū)劃圖、河流水系圖、土地利用類型圖、植被覆蓋圖、污染源分布圖、風(fēng)險(xiǎn)源分布圖、水體功能區(qū)劃圖、水質(zhì)狀態(tài)圖、水環(huán)境容量圖、區(qū)域主要污染物排放強(qiáng)度圖、環(huán)境工程建設(shè)分布圖、環(huán)境問(wèn)題分布圖等.

2.3.8信息發(fā)布

實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域信息發(fā)布功能，提供適用于各類用戶、各類輿情信息、水環(huán)境問(wèn)題等的信息數(shù)據(jù)上傳-接收通道，制定信息發(fā)布管理機(jī)制，及時(shí)收集、分析并發(fā)布有關(guān)長(zhǎng)江流域的重要信息(固定來(lái)源信息形成自動(dòng)更新發(fā)布機(jī)制)，包括長(zhǎng)江各流域相關(guān)管理與研究單位介紹、長(zhǎng)江流域輿情、駐點(diǎn)城市工作進(jìn)展、長(zhǎng)江流域水環(huán)境治理科研成果等.

2.4 平臺(tái)部署方案設(shè)計(jì)

采用“1+X”方式部署系統(tǒng)，即建設(shè)一個(gè)總平臺(tái)，提供規(guī)范的數(shù)據(jù)接口，允許多個(gè)分中心接入，具備內(nèi)網(wǎng)、專網(wǎng)、外網(wǎng)同步部署能力. 可支持面向各部委、長(zhǎng)江流域各級(jí)政府、流域管理單位、湖庫(kù)管理機(jī)構(gòu)、長(zhǎng)江聯(lián)合修復(fù)中心、中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司、長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境修復(fù)聯(lián)合研究科研團(tuán)隊(duì)、駐點(diǎn)跟蹤城市工作人員、沿江工業(yè)園及企業(yè)，根據(jù)不同用戶需求提供相應(yīng)的服務(wù)功能和數(shù)據(jù)調(diào)取權(quán)限. 同時(shí)，提供各類相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)接入的接口，包括各類水環(huán)境模型系統(tǒng)、長(zhǎng)江流域不同地區(qū)的環(huán)境管理系統(tǒng)、各類專項(xiàng)科研與管理系統(tǒng)等，便于不同部門、人員及時(shí)共享平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)與智慧決策功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交匯與融合，如圖3所示.

圖3 平臺(tái)部署方案Fig.3 Deployment of platform

2.5 平臺(tái)分期建設(shè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)平臺(tái)建設(shè)面臨的數(shù)據(jù)采集工作量與業(yè)務(wù)功能需求，制定平臺(tái)分期建設(shè)方案. 第1階段，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)治理與數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建；制定合理的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，保障數(shù)據(jù)安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；對(duì)各類流域水環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析與綜合展示；實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域環(huán)境管理所需的水環(huán)境管理、視頻會(huì)商、空間制圖工具、長(zhǎng)江輿情信息發(fā)布等基本功能. 第2階段，完成平臺(tái)數(shù)據(jù)字典構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)更新；強(qiáng)化流域水環(huán)境管理功能，通過(guò)水環(huán)境模型與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)流域多元數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)挖掘分析. 第3階段，具備全面的水環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)警能力；具備污染物溯源、生態(tài)流量自動(dòng)計(jì)算、污染物排放總量自動(dòng)分配等流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)智慧決策能力；具備對(duì)長(zhǎng)江流域的三維實(shí)景與虛擬漫游功能；具備數(shù)據(jù)分析定制化服務(wù)能力. 通過(guò)分期建設(shè)，使長(zhǎng)江平臺(tái)功能在實(shí)踐中逐步完善，確保與國(guó)家當(dāng)前的環(huán)境管理政策需動(dòng)態(tài)吻合，有效服務(wù)于各類用戶.

3 長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源數(shù)據(jù)治理與標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

依托有效的數(shù)據(jù)治理與標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，保障長(zhǎng)江平臺(tái)數(shù)據(jù)采集、匯聚、存儲(chǔ)、處理的全面、高效與高質(zhì)量. 構(gòu)建靈活、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的數(shù)據(jù)接入體系，通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)可能存在稀疏、異構(gòu)、不確定、不完整的長(zhǎng)江流域多源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；通過(guò)規(guī)則處理引擎、標(biāo)準(zhǔn)化代碼庫(kù)映射等數(shù)據(jù)規(guī)范方法，對(duì)預(yù)處理過(guò)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)差異分析與數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化處理；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗識(shí)別并修復(fù)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、不完整數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)等；通過(guò)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)源模式數(shù)據(jù)向目標(biāo)模式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化[16]，形成長(zhǎng)江平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，覆蓋長(zhǎng)江流域水文、環(huán)境、氣象、遙感、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各類數(shù)據(jù)；同時(shí)形成平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)目錄與數(shù)據(jù)字典，形成數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)化閉環(huán).

3.2 構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)方法模型庫(kù)

利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建流域水環(huán)境分析機(jī)器學(xué)習(xí)方法模型庫(kù). 篩選主流機(jī)器學(xué)習(xí)方法模型，如利用LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，解決紫外光譜反演水質(zhì)有機(jī)污染物濃，建立有效相關(guān)性模型[17]；基于向量機(jī)方法，反演水中葉綠素a濃度[18]；基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的藻類影響因子分析，建立藻類暴發(fā)預(yù)測(cè)模型[19]；基于向量機(jī)方法進(jìn)行河涌水質(zhì)預(yù)測(cè)等[20]，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)校驗(yàn)效果，明確各類模型在長(zhǎng)江流域環(huán)境問(wèn)題分析的適用性，同時(shí)，依托長(zhǎng)江平臺(tái)數(shù)據(jù)具備海量、多維、長(zhǎng)時(shí)間序列的特點(diǎn)，為機(jī)器學(xué)習(xí)模型的校正訓(xùn)練建立提供數(shù)據(jù)條件. 機(jī)器學(xué)習(xí)方法模型庫(kù)建設(shè)以服務(wù)于長(zhǎng)江水環(huán)境綜合分析與管理功能需求為目標(biāo)，覆蓋污染物反演模型、黑臭水體識(shí)別模型、水質(zhì)預(yù)測(cè)模型、環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型、污染物排放量預(yù)測(cè)模型、流域環(huán)境問(wèn)題診斷模型、工業(yè)園區(qū)污染排放溯源模型等，推流域各類生態(tài)環(huán)境問(wèn)題解析智能化與便捷化，推動(dòng)長(zhǎng)江水環(huán)境管理智慧決策.

3.3 集成水環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)

以解決水質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)警、污染問(wèn)題快速溯源、應(yīng)急指揮與決策會(huì)商為目標(biāo)，集成水環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)，優(yōu)化平臺(tái)水環(huán)境管理功能. 集成水文模擬模型、水環(huán)境質(zhì)量模擬模型等可供利用的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)預(yù)測(cè)預(yù)警技術(shù)[21-22]，全面評(píng)估各流域水環(huán)境模型在中國(guó)長(zhǎng)江流域不同應(yīng)用尺度情況下的精度與參數(shù)敏感性，開(kāi)展成熟模型參數(shù)率定，解決長(zhǎng)江流域水環(huán)境模型單一、預(yù)測(cè)預(yù)警結(jié)果準(zhǔn)確性偏低、預(yù)測(cè)區(qū)域局限等實(shí)際問(wèn)題[23-26]. 同時(shí)，構(gòu)建適用于長(zhǎng)江流域生態(tài)特征及管理需求的綜合管理模型庫(kù)，明確子模型與模型組的適用范圍、選擇依據(jù)、模型校驗(yàn)、精度評(píng)價(jià)等. 在有效集成水環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)警模型技術(shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江全流域水環(huán)境自動(dòng)預(yù)警工作網(wǎng)，達(dá)到環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)快速響應(yīng)與污染溯源.

4 長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)行保障措施

當(dāng)前，我國(guó)各類大數(shù)據(jù)共享意義的平臺(tái)都存在數(shù)據(jù)局限(政府公共數(shù)據(jù)公開(kāi)、行業(yè)數(shù)據(jù)缺失)、不同平臺(tái)間的數(shù)據(jù)無(wú)法有效關(guān)聯(lián)、面向多用戶的數(shù)據(jù)分析處理服務(wù)缺失、平臺(tái)系統(tǒng)生命周期短暫等各類問(wèn)題[27-28]，如何使長(zhǎng)江平臺(tái)成為流域生態(tài)修復(fù)科研與管理的長(zhǎng)效支撐，是平臺(tái)建設(shè)過(guò)程中需要認(rèn)真思考的.

4.1 組織保障

a) 部門協(xié)調(diào)機(jī)制. 由政府協(xié)調(diào)多部門、多區(qū)域、多領(lǐng)域開(kāi)展跨部門合作，共抓長(zhǎng)江大保護(hù)，共建長(zhǎng)江大平臺(tái)，推動(dòng)長(zhǎng)江流域各類數(shù)據(jù)、管理平臺(tái)融合與交互、數(shù)據(jù)與成果共享，滿足各類用戶需求.

b) 數(shù)據(jù)共享機(jī)制. 建立切實(shí)可行的數(shù)據(jù)采集收集、處理入庫(kù)、更新與發(fā)布機(jī)制，對(duì)參與主體數(shù)據(jù)交互共享的部門，可通過(guò)制定績(jī)效考核辦法，保障數(shù)據(jù)交互的全面性、數(shù)據(jù)質(zhì)量與時(shí)效性.

c) 監(jiān)管機(jī)制. 嚴(yán)把平臺(tái)建設(shè)承擔(dān)單位審核程序，同時(shí)依托第三方監(jiān)理，對(duì)平臺(tái)建設(shè)實(shí)施全過(guò)程監(jiān)管，對(duì)建設(shè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的變動(dòng)與問(wèn)題快速響應(yīng)、有效協(xié)調(diào)，保障平臺(tái)建設(shè)進(jìn)度，確保平臺(tái)建設(shè)達(dá)到功能需求.

4.2 技術(shù)保障

a) 數(shù)據(jù)安全性保障. 平臺(tái)數(shù)據(jù)涉及國(guó)家安全、商業(yè)機(jī)密、個(gè)人隱私等內(nèi)容，要確保系統(tǒng)部署與數(shù)據(jù)交互共享的安全性. 建立合理、實(shí)用、先進(jìn)、可靠、綜合統(tǒng)一的安全保障體系和共享授權(quán)機(jī)制，包括數(shù)據(jù)等級(jí)訪問(wèn)權(quán)限、容錯(cuò)容災(zāi)、數(shù)據(jù)安全交換、系統(tǒng)日志、多機(jī)備份等[29].

b) 性能優(yōu)越性保障. 從服務(wù)器、業(yè)務(wù)運(yùn)行機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、核心開(kāi)發(fā)軟件等多環(huán)節(jié)保障平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性；支持Mysql、PostgreSQL、Oracle等多種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與對(duì)接的兼容性；系統(tǒng)中各功能模塊滿足靈活的拆裝和調(diào)整需求，保障系統(tǒng)可擴(kuò)展性.

4.3 運(yùn)行保障

a) 運(yùn)維責(zé)任機(jī)制. 明確平臺(tái)長(zhǎng)期運(yùn)行與維護(hù)責(zé)任部門，確保平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)更新時(shí)效性與延續(xù)性. 保障人員響應(yīng)，對(duì)需要人工解決的如非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)更新與處理、定制化數(shù)據(jù)分析需求、平臺(tái)故障維護(hù)、用戶咨詢與交易等提供及時(shí)服務(wù).

b) 資本介入機(jī)制. 重視吸引社會(huì)資源以多種形式加入，目前國(guó)內(nèi)外基于大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的各類數(shù)據(jù)聯(lián)盟與數(shù)據(jù)資源中心數(shù)量龐大[30]，這些機(jī)構(gòu)服務(wù)于政府與社會(huì)，對(duì)生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)資源需求量巨大. 通過(guò)引入社會(huì)資本并建立有效的交易機(jī)制與數(shù)據(jù)安全等級(jí)機(jī)制，將激勵(lì)社會(huì)數(shù)據(jù)共享意愿，推動(dòng)數(shù)據(jù)融合與平臺(tái)產(chǎn)品化.

5 結(jié)論

a) 長(zhǎng)江平臺(tái)的建設(shè)是整合長(zhǎng)江流域已有數(shù)據(jù)與科研成果的寶貴契機(jī)，可有效推動(dòng)流域水環(huán)境預(yù)測(cè)預(yù)警自動(dòng)化、水環(huán)境模型法制化、排污許可總量分配精準(zhǔn)化，對(duì)流域數(shù)據(jù)融合與流域生態(tài)環(huán)境全方位管控具有十分重要的意義.

b) 長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)面臨數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能需求多樣、關(guān)鍵技術(shù)不系統(tǒng)等一系列問(wèn)題，需要政府支持與多部門協(xié)作，合理制定分期建設(shè)方案，細(xì)化功能目標(biāo)，明確各方責(zé)任，保障平臺(tái)建設(shè)及運(yùn)行質(zhì)量.

c) 長(zhǎng)江平臺(tái)建設(shè)應(yīng)著力推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化，促進(jìn)流域科研成果轉(zhuǎn)化與平臺(tái)產(chǎn)品市場(chǎng)化，以研促產(chǎn)，以產(chǎn)養(yǎng)研，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)產(chǎn)品不斷升級(jí)與良性循環(huán)，延長(zhǎng)平臺(tái)生命周期，使平臺(tái)在助力長(zhǎng)江大保護(hù)中發(fā)揮長(zhǎng)期作用.