基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的立體化水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)

魏建勛 張楠

（1. 遼寧省阜新生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧阜新 123000；2. 阜新市生態(tài)環(huán)境保護服務(wù)中心，遼寧阜新 123000）

1 引言

阜新市位于遼寧省西北部、內(nèi)蒙古科爾沁沙漠南緣，是半干旱缺水型城市。細河是大凌河一級支流，也是阜新市城區(qū)及下游沿岸主要納污河流，由于污水排放治理滯后，曾長期處于重污染狀態(tài)?！笆濉币詠恚沸率虚_展了大規(guī)模細河綜合整治工作，細河水質(zhì)明顯改善，但由于細河流域生態(tài)水極度匱乏，細河水量少且主要來源于城市污水處理廠及下游產(chǎn)業(yè)園區(qū)排水，污染源排放變化極易造成細河水質(zhì)波動。與此同時，阜新市現(xiàn)有污水處理廠運行過程缺乏精細化控制，水環(huán)境和污染源監(jiān)測、監(jiān)控能力欠缺，數(shù)據(jù)整合與綜合分析手段應(yīng)用不足，無法有效實現(xiàn)環(huán)境問題的實時預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)。為此，搭建“天地空”立體化監(jiān)控管理體系［1］，提高流域水環(huán)境和污染源智慧化管理水平，對于細河流域水環(huán)境質(zhì)量管理具有重要意義。

2 水環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)組成及功能

圍繞實現(xiàn)細河水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)和不斷改善，阜新市結(jié)合現(xiàn)行環(huán)保政策和環(huán)境管理實際需求，通過新建及整合細河流域監(jiān)測、監(jiān)控手段，依托物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息化技術(shù)，搭建了由軟件平臺、現(xiàn)場監(jiān)控端、手機APP 等組成的水環(huán)境立體化監(jiān)管系統(tǒng)，具備實時監(jiān)控、綜合分析、信息報告、輔助決策等功能，極大地提升了服務(wù)于水環(huán)境管理的監(jiān)管水平［2-3］。

2.1 軟件平臺

2.1.1 污染源信息系統(tǒng)

以污染源信息庫為基礎(chǔ)，對污染源基本信息、排放信息等進行管理?；陔娮拥貓D，實現(xiàn)污染源信息管理和分析統(tǒng)計的可視化。通過排放量對比分析、行業(yè)分析、綜合分析等方式，實現(xiàn)污染源統(tǒng)計分析。利用綜合達標(biāo)評價、單項達標(biāo)評價、綜合達標(biāo)率評價、單項達標(biāo)率評價等方法，對污染源進行達標(biāo)評價。同時，對污染源在線數(shù)據(jù)進行異常分析、研判、預(yù)警，為細河流域環(huán)境管理提供直觀、高效、便捷、綜合性的管理手段。

2.1.2 水環(huán)境質(zhì)量系統(tǒng)

基于GIS 系統(tǒng)，實現(xiàn)流域水質(zhì)自動監(jiān)測站的布局，完成從監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、質(zhì)量評價到水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等管理功能，對水質(zhì)監(jiān)測異常數(shù)據(jù)進行分析、研判、審核修正和超標(biāo)報警。系統(tǒng)匯集了細河流域水文、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和水環(huán)境質(zhì)量基本信息，已初步形成水環(huán)境“數(shù)據(jù)艙”，具備水環(huán)境質(zhì)量和污染物排放等數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能、水質(zhì)變化趨勢和污染物濃度變化等分析功能、水環(huán)境質(zhì)量評價和水質(zhì)達標(biāo)限值展示功能。系統(tǒng)整合了細河流域視頻監(jiān)控資源，實現(xiàn)了監(jiān)控圖像實時查看、監(jiān)控畫面采集、歷史圖像查詢等功能。通過3D 技術(shù)實現(xiàn)了水質(zhì)自動監(jiān)測站房三維可視，有效提高了信息的可讀性和交互效率。

2.1.3 水環(huán)境預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)

結(jié)合歷年細河流域相關(guān)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計資料，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和模型元數(shù)據(jù)庫、樣例數(shù)據(jù)庫和模型庫以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究成果和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對細河流域各種已有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及環(huán)境專題數(shù)據(jù)審核，進行異常數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、修正、整合處理，建立了完善的細河流域生態(tài)數(shù)據(jù)庫。依據(jù)細河流域內(nèi)的工業(yè)源、農(nóng)業(yè)源、生活源、集中式污染治理設(shè)施等，綜合考慮社會經(jīng)濟發(fā)展、水資源保障、污染源和水質(zhì)等方面因素，建立細河流域的動態(tài)風(fēng)險源數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)風(fēng)險源基本信息管理和污染源等級判定。建立細河流域應(yīng)急響應(yīng)策略庫，為流域突發(fā)水污染環(huán)境事件的趨勢判斷、污染溯源，突發(fā)事故應(yīng)急指揮管理提供決策分析。

2.1.4 水環(huán)境監(jiān)管決策系統(tǒng)

基于流域水質(zhì)和污染源數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量綜合管理、輔助決策、水質(zhì)考核及跨界調(diào)處等功能。根據(jù)排污許可限定的排污濃度和排放量，結(jié)合污染源在線監(jiān)控數(shù)據(jù)，實現(xiàn)濃度、總量“雙控制”。以流域監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用可視化動態(tài)模擬污染物擴散建模技術(shù)，實現(xiàn)污染物傳輸軌跡路線模擬和特征污染物溯源。河流污染物傳輸擴散模型依據(jù)瞬時點源排放模型，設(shè)定河流為順直均勻的一維河流，按下式計算：

式中，C（x，t）為瞬時點源下游距離x 處、時間t 時的濃度，mg/L；u 為河流流速，m/s；M 為溶解的污染物總量（小于或等于排放量），g；AC為河流橫斷面面積，m2；DL為河流縱向離散系數(shù)，m2/s；K 為衰減系數(shù)。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控端

2.2.1 水質(zhì)自動監(jiān)測站

水質(zhì)監(jiān)測是反映河流水質(zhì)情況的最直觀表現(xiàn)手段。隨著自動化技術(shù)、計算機應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展以及智慧監(jiān)管概念的深入，水質(zhì)監(jiān)測方法也不再局限于傳統(tǒng)的定時采樣、實驗室分析，而是進一步擴充到水質(zhì)自動在線監(jiān)測［4］。阜新市現(xiàn)有國家級水質(zhì)自動監(jiān)測站1 個，監(jiān)測項目包括高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮和常規(guī)五參數(shù)等指標(biāo)。由于細河沿線較長，跨多個縣區(qū)，為了實時掌握細河主要河段水質(zhì)情況，阜新市在細河干流建設(shè)3 個市級水質(zhì)自動監(jiān)測站，并增加氟化物等特征污染物監(jiān)測指標(biāo)，實現(xiàn)重點斷面水質(zhì)實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并精確鎖定污染河段，輔助考核。

2.2.2 污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)

污染源在線監(jiān)測是對點源進行監(jiān)控的重要手段，可以實時、遠程監(jiān)控污染源排放情況。阜新市現(xiàn)有54 家排水企業(yè)在線監(jiān)控設(shè)施，通過建立機制對各污染源在線監(jiān)測設(shè)施實施常態(tài)化、規(guī)范化管理，實現(xiàn)對企業(yè)排水及時預(yù)警和科學(xué)管理。當(dāng)斷面水質(zhì)發(fā)生異常變化時，可通過污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)輔助開展污染追溯，反之，也可以按照河流水質(zhì)變化動態(tài)控制污染源源頭排放，實現(xiàn)對排污企業(yè)精細化管理。

2.2.3 污水處理廠過程監(jiān)管系統(tǒng)

阜新市細河流域現(xiàn)有城市污水處理廠5 座、園區(qū)污水處理廠3 座。細河水量的2/3 以上來自于污水處理廠排水，污水處理廠運行與排放水平對細河水質(zhì)達標(biāo)具有重要影響。新建立的污水處理廠過程監(jiān)管系統(tǒng)則是通過對污水處理廠全過程各關(guān)鍵節(jié)點安裝數(shù)據(jù)采集等設(shè)備，通過專家算法，實現(xiàn)各關(guān)鍵節(jié)點參數(shù)實時監(jiān)控、收集分析、研判預(yù)警，幫助運營單位實現(xiàn)工藝運行優(yōu)化和節(jié)能減排，實現(xiàn)環(huán)保監(jiān)管由末端排水向工藝過程前移，能夠有效預(yù)防排水異常問題出現(xiàn)。

2.2.4 視頻監(jiān)控天眼

細河城市下游沿岸既有重污染的氟化工和皮革等眾多企業(yè)，也涉及大面積的農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖等產(chǎn)業(yè)和生活污染源，如果疏于監(jiān)管則存在河道和沿岸偷排偷放的風(fēng)險隱患。傳統(tǒng)環(huán)境執(zhí)法涉及環(huán)保、水利、農(nóng)業(yè)等部門，責(zé)任交叉，既耗費大量人力資源，且時效性較差，因此，存在“發(fā)現(xiàn)目標(biāo)難，確定位置難，分析空間信息難”等特點［5］。阜新市在細河流域重點河段、主要排污口、近河主要路口和各產(chǎn)業(yè)園區(qū)等處布設(shè)50 套視頻監(jiān)控設(shè)施，構(gòu)建立體化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)24 h 實時監(jiān)控。通過污染源、斷面與流域內(nèi)的視頻監(jiān)控有效關(guān)聯(lián)，大大提高了環(huán)境執(zhí)法的效率，有效降低了環(huán)境違法行為的發(fā)生。

2.2.5 無人機遙感監(jiān)測

由于地形復(fù)雜、植被影響等，河流的排污監(jiān)管人員往往無法方便進入現(xiàn)場，致使排污口情況掌握不清；部分企業(yè)私設(shè)暗管，污水不經(jīng)處理直接排入市政管網(wǎng)或地表水體，持續(xù)帶來污染影響。隨著科技水平的不斷提高，無人機被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，較好地解決了因地形復(fù)雜難以實施檢查等問題，降低了戶外調(diào)查工作量，提升了環(huán)境執(zhí)法管理的工作效率［6］。為此，阜新市配備了2 套無人機及熱成像設(shè)備以及1 套智能全影像探測雷達，用于河流排污口巡查和陸域污水私接偷排管線的檢測排查，全面提升了執(zhí)法監(jiān)測技術(shù)水平。

2.2.6 水文數(shù)據(jù)自動監(jiān)測

細河下游未設(shè)置水文監(jiān)測站，因缺少水文數(shù)據(jù)使污染物排放總量分析和控制帶有一定局限性。阜新市環(huán)保部門在細河干流關(guān)鍵位置安裝了2 套水文監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)流量等水文數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、實時傳輸，使污染負(fù)荷、污染貢獻量分析更加科學(xué)，污染物排放量控制更加精準(zhǔn)。

2.3 掌上APP 移動辦公系統(tǒng)

APP 客戶端具備實時多點接收、流動查看等功能，針對日常辦公的需要，打破了空間和時間的限制，使管理人員能夠第一時間了解水質(zhì)監(jiān)測與預(yù)警情況、污染源超標(biāo)情況、視頻監(jiān)控圖像情況，可以利用空間地圖的方式查看水質(zhì)自動監(jiān)測站及污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，更加直觀、便捷地實現(xiàn)移動化管理功能。同時，基于Quartz.NET 構(gòu)建統(tǒng)一任務(wù)調(diào)度中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動提取。通過企業(yè)微信API 中間件，將數(shù)據(jù)及時推送到用戶微信，實現(xiàn)預(yù)警預(yù)報功能，并利用單應(yīng)用的OAuth2.0 授權(quán)機制，保證數(shù)據(jù)的安全。

3 應(yīng)用效果

細河流域水環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)已應(yīng)用于阜新市生態(tài)環(huán)境執(zhí)法和管理等領(lǐng)域。系統(tǒng)自運行以來，各子系統(tǒng)在統(tǒng)一平臺下有效融合，數(shù)據(jù)源無縫連接，實現(xiàn)了不同應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和功能的互操作，打破了“信息孤島”，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享?；谖廴驹椿A(chǔ)信息、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和河流污染物傳輸擴散模型，實現(xiàn)水質(zhì)污染物溯源，為流域污染控制提供科學(xué)依據(jù)。濃度、總量雙控制等輔助決策功能，支撐水環(huán)境管理從目標(biāo)總量管理向容量總量管理轉(zhuǎn)變，從特征污染物管理向水質(zhì)管理轉(zhuǎn)變。基于“互聯(lián)網(wǎng)＋環(huán)?！毙侣窂?，將線上監(jiān)測、監(jiān)控與線下網(wǎng)格化監(jiān)管體系有機融合，管理人員通過訪問系統(tǒng)平臺和手機APP 便可實時掌握細河水質(zhì)和污染源情況，實現(xiàn)了流域污染源和水環(huán)境質(zhì)量實時動態(tài)監(jiān)控、監(jiān)管。同時，系統(tǒng)通過微信群功能，自動推送水質(zhì)和污染源超標(biāo)等信息，實現(xiàn)及時預(yù)警預(yù)報功能。系統(tǒng)的有效運用，全面提升了流域水環(huán)境現(xiàn)代化綜合管理水平。

4 結(jié)論與展望

構(gòu)建“監(jiān)管、應(yīng)急、服務(wù)”三位一體的智慧化水環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)，并應(yīng)用于環(huán)境管理領(lǐng)域，在推動阜新市水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善等方面發(fā)揮了積極作用，對于北方缺水型城市具有典型的借鑒意義。系統(tǒng)目前還存在一定的制約因素，如部分環(huán)境信息尚未實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、水質(zhì)預(yù)警預(yù)報模型的建立和水環(huán)境分析評價基礎(chǔ)上的治理決策綜合支撐功能還存在一定的局限性。隨著“十四五”環(huán)境治理能力現(xiàn)代化建設(shè)推進，以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能同生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的深度融合，數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)共享將進一步深化，水環(huán)境質(zhì)量預(yù)報預(yù)警技術(shù)將逐步提升，移動站、微型站、無人船遙感技術(shù)等監(jiān)測手段也將更加普遍地應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)管領(lǐng)域。智能化環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管系統(tǒng)將進一步拓展應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境各領(lǐng)域，使環(huán)境治理更加規(guī)范化、精準(zhǔn)化和科學(xué)化，最終實現(xiàn)環(huán)境治理能力現(xiàn)代化。