信息新技術(shù)在黑臭水體監(jiān)測(cè)治理中的應(yīng)用
——以臨沂市黑臭水體監(jiān)測(cè)平臺(tái)為例

文｜臨沂市市政工程建設(shè)管理服務(wù)中心 薛江儒/北控水務(wù)（中國(guó)）投資有限公司 耿瀟/易智瑞信息技術(shù)有限公司 董曉非

一、引言

國(guó)務(wù)院頒布實(shí)施的“水十條”明確要求，到2030年全國(guó)城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。臨沂市積極響應(yīng)國(guó)家要求，對(duì)城區(qū)水體進(jìn)行逐一排查，最終確定了24 段黑臭水體，按照一河一策的整治原則，分別編制了整治方案。截止2018年年底，全市24 段黑臭水體已全部開(kāi)工整治，其中22 段已完成了相關(guān)工程措施治理，消除了黑臭現(xiàn)象。黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)取得了階段性勝利，但是這來(lái)之不易的成果想要保持長(zhǎng)效，需要綜合分析臨沂市自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素，調(diào)查污染源分布，結(jié)合相關(guān)環(huán)境條件系統(tǒng)分析黑臭水體污染成因；利用物聯(lián)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)超標(biāo)事件進(jìn)行預(yù)警報(bào)警，分析變化趨勢(shì)；結(jié)合外業(yè)巡檢和人工檢測(cè)定期對(duì)河道水環(huán)境進(jìn)行排查和抽查，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行快速處置；制定合理的補(bǔ)水調(diào)度方案，通過(guò)對(duì)河道設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)化改善水質(zhì)。以上問(wèn)題的解決都離不開(kāi)GIS。

二、地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（技術(shù)），即GIS，是一種專(zhuān)門(mén)用于采集、存儲(chǔ)、管理、分析和表達(dá)空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，也是一門(mén)關(guān)于空間信息處理分析的“科學(xué)技術(shù)”。隨著以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代IT技術(shù)的發(fā)展，GIS 融合大IT 技術(shù)呈現(xiàn)出更多新的特性，包括物聯(lián)網(wǎng)+、專(zhuān)業(yè)模型+、互聯(lián)網(wǎng)+、業(yè)務(wù)流程+，使得地理信息應(yīng)用更加智能。下面以GIS 技術(shù)在黑臭水體治理中應(yīng)用為例進(jìn)行介紹。

三、GIS 技術(shù)在黑臭水體監(jiān)測(cè)治理中的應(yīng)用

1.GIS 技術(shù)在基礎(chǔ)環(huán)境分析中的應(yīng)用

想要搞清楚黑臭水體污染成因，需要綜合而全面的分析臨沂市的自然、社會(huì)、人口、基礎(chǔ)設(shè)施等的現(xiàn)狀。

（1）在基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)收集、管理中的應(yīng)用。

利用GIS 技術(shù)，可以對(duì)臨沂市污染源數(shù)據(jù)、河湖水系、城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的收集存儲(chǔ)。污染源數(shù)據(jù)包括：生活污染源、工業(yè)污染源、污水處理廠(chǎng)排口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。河湖水系包括：河道、湖泊、重要黑臭斷面、重點(diǎn)考核斷面、匯水分區(qū)、污水分區(qū)。城市基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括：行政區(qū)劃、人口分布、道路交通、城市建筑、地形地貌、植被覆蓋、土地利用、城市發(fā)展等。規(guī)劃數(shù)據(jù)包括：城市用地規(guī)劃、內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃、雨水工程規(guī)劃、城市排水規(guī)劃。設(shè)施類(lèi)數(shù)據(jù)包括：閘壩、截污閘、雨水管網(wǎng)、污水管線(xiàn)、管線(xiàn)附屬設(shè)施等。以上基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的收集分析可以刻畫(huà)出臨沂市整體的自然、經(jīng)濟(jì)、人口、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況。

（2）在污染排放強(qiáng)度與污染負(fù)荷計(jì)算中的應(yīng)用。

圖1 四類(lèi)污染分布

圖2 主導(dǎo)污染分布

圖3 雨天月度污染負(fù)荷

為了量化分析臨沂市水環(huán)境中的污染物排放的情況，分別計(jì)算了四類(lèi)污染負(fù)荷分布情況，包括生活點(diǎn)源污染分布、工業(yè)點(diǎn)源污染分布、農(nóng)業(yè)面源污染分布、徑流污染分布。污染分布采用氨氮含量作為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，臨沂市中心城區(qū)以生活源污染和徑流污染為主，中心城區(qū)以外工業(yè)園區(qū)分布較多區(qū)域以工業(yè)污染為主，其他區(qū)域多以農(nóng)業(yè)污染為主。綜合考慮各個(gè)街區(qū)的污染情況，發(fā)現(xiàn)其各自主導(dǎo)的污染情況又不盡相同。

再結(jié)合30年降雨歷史數(shù)據(jù)，以月為單位來(lái)分析晴天、雨天污染負(fù)荷情況，可以更好的了解污染隨時(shí)空變化的規(guī)律。

（3）在管網(wǎng)分析評(píng)價(jià)及輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備選址中的應(yīng)用。

利用GIS 技術(shù)，可以對(duì)普查的管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。由于歷史遺留問(wèn)題，現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常出現(xiàn)雨污管線(xiàn)的套管、逆坡、淤積、破損等問(wèn)題。通過(guò)管網(wǎng)套管分析，可以找到同流向大管套小管的管段，發(fā)現(xiàn)套管問(wèn)題；通過(guò)管段兩端連接點(diǎn)之間的高程比對(duì)，綜合流向信息，進(jìn)而可以判斷管段的逆坡問(wèn)題；通過(guò)管網(wǎng)接入?yún)^(qū)域分析，綜合管網(wǎng)淤積情況，可以分析其匯入污水的主要成分；通過(guò)綜合管網(wǎng)接入?yún)^(qū)域人口數(shù)據(jù)，可以評(píng)估其匯入管網(wǎng)的污染物總量。通過(guò)管網(wǎng)的溯源分析，可以在針對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溯源，評(píng)估其上游管線(xiàn)，上游匯水區(qū)域，進(jìn)而確認(rèn)、優(yōu)化污水分區(qū)，還可以為后續(xù)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的布設(shè)選址提供依據(jù)。

圖4 管網(wǎng)溯源分析與污染分區(qū)劃定

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

圖6 監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)報(bào)警

2.GIS 技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用

利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口，可以與監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，賦予平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)+的能力。GIS 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)+典型的應(yīng)用包括：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警。

與物聯(lián)設(shè)備和已建成的各類(lèi)信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，可以獲取到各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備最新的監(jiān)測(cè)指標(biāo)。結(jié)合GIS 的能力，在地圖上表達(dá)出各監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置，并根據(jù)各類(lèi)設(shè)備報(bào)警閾值，動(dòng)態(tài)顯示其正常、報(bào)警、預(yù)警的狀態(tài)。

（2）歷史信息查詢(xún)與趨勢(shì)分析。

圖7 趨勢(shì)分析

通過(guò)接入物聯(lián)設(shè)備監(jiān)測(cè)信息和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容，建立黑臭水體監(jiān)測(cè)應(yīng)用大數(shù)據(jù)中心，存儲(chǔ)其原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成報(bào)警信息、按照日、周、月定時(shí)統(tǒng)計(jì)其數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。通過(guò)平臺(tái)可以查詢(xún)到某監(jiān)測(cè)設(shè)備歷史監(jiān)測(cè)信息，監(jiān)測(cè)項(xiàng)值域分布概率，監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)分布等。利用GIS 的天然優(yōu)勢(shì)，可以將攝像頭監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和物聯(lián)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析，氣象數(shù)據(jù)與物聯(lián)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成分析，按照管理片區(qū)/河道對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析等。

3.GIS 技術(shù)在水環(huán)境分析決策中的應(yīng)用

（1）水質(zhì)分析

GIS 與MIKE 模型相結(jié)合，可以直觀(guān)展現(xiàn)一定時(shí)段內(nèi)河道水質(zhì)指標(biāo)的空間分布及各重要斷面上的污染物濃度和水質(zhì)達(dá)標(biāo)率。水質(zhì)分析基于MIKE 11 一維水動(dòng)力、水質(zhì)模型，通過(guò)模型運(yùn)算可以計(jì)算出河道污染物濃度的時(shí)空間分布，GIS 為其提供所需的河網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用MIKE 模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行空間層面的可視化表達(dá)，并完成對(duì)后臺(tái)模型功能的集成調(diào)用。

（2）污染診斷

圖8 水質(zhì)分析

污染診斷用于計(jì)算一定時(shí)段內(nèi)，目標(biāo)河流的起點(diǎn)、沿途過(guò)程中、及河道終點(diǎn)斷面各類(lèi)別污染物的通量，用以分析該段河道內(nèi)各來(lái)源各類(lèi)別污染負(fù)荷的占比情況，并以此判斷各類(lèi)污染源對(duì)河流污染的貢獻(xiàn)程度并針對(duì)進(jìn)行治理。GIS 為污染診斷模型，提供所需的河網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，點(diǎn)源、面源污染分布數(shù)據(jù)，同時(shí)利用后臺(tái)模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行地圖和圖表的聯(lián)動(dòng)表達(dá)，并完成對(duì)后臺(tái)模型功能的集成調(diào)用。

（3）方案模擬

方案模擬用于模擬突發(fā)事件或者未知原因引起的水質(zhì)惡化事件及應(yīng)對(duì)的水質(zhì)優(yōu)化方案。通過(guò)構(gòu)建場(chǎng)景，首先模擬出水質(zhì)惡化的情景，包括各關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)；其次設(shè)定方案優(yōu)化目標(biāo)，包括達(dá)標(biāo)時(shí)間、目標(biāo)水質(zhì)等等；最后通過(guò)啟用不同的補(bǔ)水方案來(lái)模擬是否可以滿(mǎn)足初始設(shè)置，以及比選最優(yōu)方案。GIS 為其提供所需的河網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行空間層面的可視化表達(dá)，并完成對(duì)后臺(tái)模型功能的集成調(diào)用。

4.GIS 技術(shù)在廠(chǎng)網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度中的應(yīng)用

利用GIS 技術(shù)可以將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、調(diào)度指揮等功能集成到一起，構(gòu)建全場(chǎng)景的廠(chǎng)網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度駕駛艙。首先建立完善的廠(chǎng)網(wǎng)河區(qū)域范圍內(nèi)全方位的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)河道水質(zhì)水量、管網(wǎng)水質(zhì)水量、污水處理廠(chǎng)水質(zhì)水量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)排水設(shè)施的監(jiān)控與工況記錄；其次同時(shí)支持廠(chǎng)網(wǎng)、河道的臨時(shí)調(diào)度指令下發(fā)，預(yù)案調(diào)度指令下發(fā)、預(yù)案調(diào)度的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急狀態(tài)下的調(diào)度指揮；最后將各片區(qū)形成廠(chǎng)網(wǎng)河聯(lián)動(dòng)的整體，依靠實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的河道水質(zhì)報(bào)警數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值模型的模擬，結(jié)合既定的水質(zhì)目標(biāo)，依據(jù)優(yōu)化算法推送的水質(zhì)優(yōu)化方案，進(jìn)行改善效果的預(yù)測(cè)，為調(diào)度補(bǔ)水提供科學(xué)的輔助支撐。GIS 技術(shù)在其中起到了支撐和粘合劑的作用。

5.GIS 技術(shù)在運(yùn)維巡檢中的應(yīng)用

利用移動(dòng)GIS 的能力，構(gòu)建集外業(yè)巡檢、設(shè)備養(yǎng)護(hù)、物聯(lián)信息接入、移動(dòng)辦公、人工檢測(cè)抽樣與一體的移動(dòng)APP。在外業(yè)巡檢方面，首先由管理員為外業(yè)巡檢人員規(guī)劃路線(xiàn)，下發(fā)工單；外業(yè)巡檢人員收到工單之后，按照指定的路線(xiàn)完成巡檢工作，在巡檢的過(guò)程當(dāng)中可以實(shí)時(shí)記錄其軌跡信息，并根據(jù)需要拍照上傳現(xiàn)場(chǎng)情況。管理員收到巡檢反饋之后，綜合判斷，可以結(jié)束工單或者啟動(dòng)處置流程。領(lǐng)導(dǎo)通過(guò)巡檢APP 的消息提醒功能可以對(duì)收到需要進(jìn)行處置的工單，進(jìn)行批示，安排人員完成現(xiàn)場(chǎng)處置。設(shè)備養(yǎng)護(hù)的基本流程和外業(yè)巡檢相同，更側(cè)重于對(duì)設(shè)備的巡查養(yǎng)護(hù)。

6.GIS 在公眾參與中的應(yīng)用

微信作為一款跨平臺(tái)的通訊工具，在智能手機(jī)打天下的今天，幾乎每臺(tái)手機(jī)都會(huì)安裝。依托于微信的小程序相比APP 有如下優(yōu)勢(shì)：免安裝、即拿即用、不占用手機(jī)存儲(chǔ)空間、無(wú)需針對(duì)Android 和IOS 開(kāi)發(fā)兩套APP 等。因此將GIS 與微信小程序結(jié)合使用，更貼近公眾日常生活。通過(guò)公眾參與隨手拍微信小程序可以向公眾推送最新的新聞動(dòng)態(tài)、治理成果，實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息。在推送信息的同時(shí)，還可以接收來(lái)自用戶(hù)反饋的問(wèn)題。當(dāng)微信用戶(hù)通過(guò)隨手拍小程序提交問(wèn)題的時(shí)候，會(huì)獲取其當(dāng)前位置，并自動(dòng)判斷其歸屬河流河段，方便后續(xù)外業(yè)人員巡檢核實(shí)并安排處置工作。

四、小結(jié)

“GIS 的應(yīng)用只與一件事有關(guān),那就是想象力。”Esri 的創(chuàng)始人Jack Dangermond曾經(jīng)這么說(shuō)。確實(shí)，GIS 從之前的大家所熟知的地理信息的存儲(chǔ)、管理、空間分析和可視化表達(dá)，到現(xiàn)如今已呈現(xiàn)出了多元化的態(tài)勢(shì)。結(jié)合最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)IOT+GIS；結(jié)合專(zhuān)業(yè)的水文水動(dòng)力模型，可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)模型+GIS；結(jié)合移動(dòng)通信、微信小程序等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+GIS；結(jié)合外業(yè)巡檢、反饋確認(rèn)、實(shí)時(shí)處置的業(yè)務(wù)流程，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流+GIS。通過(guò)GIS 和多種技術(shù)手段的結(jié)合使用，最終推動(dòng)GIS 深入業(yè)務(wù)，服務(wù)于黑臭水體監(jiān)測(cè)治理的各個(gè)環(huán)節(jié)。

圖9 污染診斷

圖10 方案模擬