基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的濕地生態(tài)保護治理研究

周帆琦，李志雄，沙 茜

(1.武漢市生態(tài)環(huán)境科技中心，湖北 武漢 430010；2.華中師范大學，湖北 武漢 430079)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)應運而生。狹義的大數(shù)據(jù)定義為：增幅更快、覆蓋更廣及更加新穎的數(shù)據(jù)群；廣義定義為：基于各種現(xiàn)代化的先進信息技術(shù)，對特定的對象進行實時搜索、整理、分析而獲得的相關(guān)大量數(shù)據(jù)群，進一步總結(jié)、探索及預測其未來的發(fā)展趨勢及規(guī)律。因此，大數(shù)據(jù)技術(shù)具有高速化、多樣化、海量化和商品化等突出特征，在各行業(yè)中得到廣泛運用，可對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、企業(yè)生產(chǎn)管理及經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生積極作用。生態(tài)環(huán)境問題是一個復雜、時變的問題，涉及到多部門、多地區(qū)、多個方面。本文以灤河濕地為例，探討了運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將各種數(shù)據(jù)資源集成，構(gòu)建了一個濕地生態(tài)環(huán)保大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)[1]。

1 大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)保護研究現(xiàn)狀及應用價值

1.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)保護研究現(xiàn)狀

目前，我國各行各業(yè)逐步在實施大數(shù)據(jù)治理。就環(huán)境問題來說，目前的大數(shù)據(jù)技術(shù)還停留在數(shù)據(jù)采集與分析層面，例如采集和分析大氣環(huán)境數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的非系統(tǒng)化運用，只能解決一個特定領(lǐng)域的問題，無法適應整體的生態(tài)環(huán)境治理工作，從而對生態(tài)環(huán)保治理工作產(chǎn)生一定影響[2]。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在生態(tài)環(huán)保治理中的應用價值

早在2015年，我國就出臺了《國務院關(guān)于印發(fā)促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》的通知(國發(fā)〔2015〕50號)，大數(shù)據(jù)技術(shù)已得到了廣泛運用，并將其推廣到各行各業(yè)，其中包括生態(tài)環(huán)保等諸多方面。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效緩解當前生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的“海量信息與信息孤島”“生態(tài)與群眾需求”“技術(shù)提升與服務水平”三大矛盾，可提高環(huán)保工作的效率及質(zhì)量，使其健康、持續(xù)性發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，大數(shù)據(jù)技術(shù)在濕地生態(tài)環(huán)保中的運用效率得到了極大提高。隨著環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的不斷完善，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的性能不斷提高，成本不斷下降，為環(huán)境監(jiān)測技術(shù)在生態(tài)環(huán)境方面的推廣提供了有力保障。例如 PM2.5監(jiān)控裝置方面，貝塔射線監(jiān)測儀、微量震蕩天平這樣的高檔標準儀器，數(shù)年前一般都是十幾萬到一千萬不等的價格，因為價格高昂，所以一般都是通過國家采購，數(shù)量很??；在一個地區(qū)，一般只有一家或數(shù)家監(jiān)測點可以實現(xiàn)大氣污染監(jiān)測，無法實現(xiàn)大規(guī)模、密集大氣環(huán)境監(jiān)測。但是，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的今天，利用光學輻射技術(shù)進行空氣監(jiān)控，效率和效果大大提升。與大氣監(jiān)控系統(tǒng)類似，依靠著強大的網(wǎng)絡技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，許多環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以在網(wǎng)上進行自動、持續(xù)監(jiān)控[3]。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在濕地生態(tài)環(huán)保治理中的應用

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)控濕地水環(huán)境污染

實時監(jiān)測水環(huán)境污染是指在濕地周邊的生產(chǎn)企業(yè)污水排放口附近安裝監(jiān)測裝置，并對其生產(chǎn)過程中的污水和廢氣進行實時監(jiān)測。目前，隨著環(huán)保技術(shù)與裝備水平的不斷提高，將會在關(guān)鍵部位安裝視頻監(jiān)控裝置，對廠區(qū)出入水口、廠區(qū)周邊濕地等進行實時監(jiān)測。為了保證實時數(shù)據(jù)的準確性，環(huán)保部門會將各生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)視，環(huán)保設備出現(xiàn)故障時，會將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞到當?shù)丨h(huán)保部門的相關(guān)監(jiān)控平臺中，生態(tài)環(huán)境保護部門可以根據(jù)這個數(shù)據(jù)，對濕地周邊各生產(chǎn)廠家的污水排放和環(huán)境狀況進行即時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處置違法的污水排放[4]。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)控濕地大氣環(huán)境污染

由于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)保方面的應用日益廣泛，目前普遍使用兩級多重監(jiān)測系統(tǒng)來進行濕地生態(tài)大氣污染的監(jiān)測，也就是利用標準的監(jiān)測儀器建立一級監(jiān)測網(wǎng)；基于低功耗的環(huán)境感知系統(tǒng)，構(gòu)建了基于環(huán)境保護的二重監(jiān)控網(wǎng)絡。從而可以在多個標準監(jiān)測站和幾百個小監(jiān)測點組成的多維監(jiān)測網(wǎng)中，對各重點地區(qū)進行集中、平均、集中監(jiān)測，提高了各地區(qū)大氣環(huán)境的采集效率和準確性。并以GIS為基礎(chǔ)，構(gòu)架監(jiān)控后臺，并將污染源地圖、地形地圖、區(qū)域行政地圖與實時監(jiān)控數(shù)據(jù)進行疊加，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，將監(jiān)控、地圖及數(shù)據(jù)分析有效整合，從而形成動態(tài)化、可視化的大氣污染趨勢圖。監(jiān)管部門可以實時掌握被監(jiān)控地區(qū)大氣環(huán)境的動態(tài)變化，為確定污染來源和制訂相應的防治措施提供依據(jù)。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對大氣環(huán)境進行實時監(jiān)控非常有用[5]。

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)控濕地生態(tài)

監(jiān)測濕地生態(tài)的方式多樣，可通過監(jiān)控設備對濕地生態(tài)布設智能化的實時監(jiān)測網(wǎng)絡，可實現(xiàn)對濕地與保護區(qū)的空氣質(zhì)量、土壤環(huán)境、氣象環(huán)境及水質(zhì)環(huán)境的實時監(jiān)測，有效獲得PM2.5值、土壤電導率及水酸堿度等數(shù)據(jù)。濕地管護員可通過移動終端設備進行濕地巡查，通過設備接收執(zhí)行相關(guān)任務，并對巡查線上的濕地資源、環(huán)境狀況及破壞情況進行記錄，并進行上報，從而形成基于空間位置的濕地時空數(shù)據(jù)群。

3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的灤河濕地生態(tài)保護治理系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 灤河濕地生態(tài)現(xiàn)狀

灤河三角洲濱海濕地地處河北省東部沿海地區(qū),秦皇島市昌黎縣與唐山市樂亭縣境內(nèi)。北起昌黎塔子溝,南至樂亭浪窩口,西起昌黎縣境內(nèi)的王家鋪與樂亭縣境內(nèi)的蓮花池村、新甜村、第二節(jié)村、趙家鋪一線,東至灤河口近海海岸,總面積7 602.73hm2,其中,陸域面積7 393.01hm2,海域面積209.72hm2。

3.2 近岸環(huán)境污染

20世紀80年代以來，灤河三角洲濱海濕地的池塘養(yǎng)殖面積迅速擴大，對灤河口附近的海域環(huán)境質(zhì)量帶來一定影響。從生態(tài)學角度講，灘涂圍墾養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的生物群落結(jié)構(gòu)十分簡單，在灘涂養(yǎng)殖過程中，動物生長排放的糞便、投放的餌料、消毒劑、驅(qū)除養(yǎng)殖病害的藥物、抗生素等殘留會形成一定的污染物。這些污染物會誘發(fā)海域環(huán)境污染，打破近海域生態(tài)系統(tǒng)中的微生態(tài)環(huán)境平衡，并對物質(zhì)生產(chǎn)、能量循環(huán)產(chǎn)生一定干擾。隨著近些年淹水田的面積不斷擴大，作物的生長也會產(chǎn)生一些污染物，并排放入近海域中，從而對海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。種植稻谷時，為了提高稻田的產(chǎn)量，需要使用一些化學制劑，以及某些農(nóng)藥、化肥或其他有機化合物，這些均會產(chǎn)生一定污染，并留在土壤中，不能被水生植物完全吸收。無機污染物在暴雨的影響下或通過農(nóng)田灌溉、地表徑流、地下水滲流等方式排入天然水體。

3.3 海域非生物環(huán)境破壞

P、N、Si等營養(yǎng)物質(zhì)是海洋生物中的細胞核及蛋白質(zhì)的重要組成，當P、N含量發(fā)生變化時，會對呼吸作用、光合作用及浮游植物吸收產(chǎn)生直接性的影響，從而影響到海洋生物。通常來說，當河流攜帶的泥沙量減少時，河流攜帶到近海的P、N、Si等營養(yǎng)物質(zhì)的含量也會減少。隨著灤河入海沖積物量逐年減少而急劇增加，造成污染。造成這種現(xiàn)象的主要原因是沼澤和河口的垃圾量增加，稻田面積的增加，以及大量工農(nóng)業(yè)及生活垃圾的倒入，隨著灤河流入近海水中，近岸海域的富營養(yǎng)化趨勢非常嚴重[6]。

3.4 天然異質(zhì)性降低

近代，灤河三角洲濱海濕地環(huán)境出現(xiàn)了異質(zhì)性下降，其表現(xiàn)為濕地景觀類型、空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。1991-2019年間，自然濕地面積呈持續(xù)減少趨勢，池塘及田間面積程不斷增加趨勢，景觀類型呈減少趨勢，異質(zhì)性的自然版本逐漸的減少，自我調(diào)節(jié)、抗干擾及生態(tài)恢復能力急劇下降，從而使海岸穩(wěn)定性降低。濕地生態(tài)系統(tǒng)進而演變成為高度脆弱的狀態(tài)，濕地對環(huán)境格局演變的反應越來越強烈。

3.5 基于大數(shù)據(jù)的灤河濕地生態(tài)保護治理系統(tǒng)構(gòu)建

基于大數(shù)據(jù)的灤河濕地生態(tài)治理系統(tǒng)主要有如下幾項功能，首先是濕地視頻管理功能，主要功能是采集不同時間不同地點的濕地生態(tài)情況，匯總給濕地管理人員，方便濕地管理人員實時掌控濕地生態(tài)情況；其次是濕地空氣監(jiān)測系統(tǒng)，主要通過濕地周圍架設的傳感器，實時對濕地周圍空氣進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，方便濕地管理人員查看[7]。

以灤河濕地為突破口，通過 HDFS技術(shù)可以構(gòu)建一個基于 Hadoop的濕地監(jiān)測信息平臺。今后，利用該平臺構(gòu)建的灤河濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)，能夠較好地預測灤河濕地環(huán)境污染的源頭。同時，該模型的開發(fā)也為今后更大范圍的綜合分析和利用奠定了理論依據(jù)。所有的資料都會儲存在一個統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上，提出了基于Hadoop的分布式集群架構(gòu)。利用100部PC機組成一個分布的數(shù)據(jù)儲存群組，這些組網(wǎng)分別負責運算與儲存。將灤河濕地的污染數(shù)據(jù)存儲在不同的數(shù)據(jù)節(jié)點中。元數(shù)據(jù)主要存儲各種不同類型的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)點中的拷貝分布。元數(shù)據(jù)輔助性結(jié)點具有與元數(shù)據(jù)主結(jié)點相似的功能，在元數(shù)據(jù)主結(jié)點出現(xiàn)故障時，可以再啟元數(shù)據(jù)。在這些元數(shù)據(jù)的主結(jié)點中，存儲了對HDFS檔案的所有索引，這些索引的內(nèi)容大多來自于元數(shù)據(jù)預處理時所產(chǎn)生的元資料。為了更改元資料主結(jié)點的資訊，可將對應的紀錄插入到交易日志中。

4 灤河濕地生態(tài)保護治理策略

4.1 植物群落治理

在濕地景觀設計和水質(zhì)凈化實踐方面，應用最為廣泛的是天然植物群落凈化方法。選擇適合水生環(huán)境的原生植物和植物，不僅可以減輕水體異質(zhì)景觀的壓力，為河岸植物創(chuàng)造獨特的緩沖區(qū)，而且在水質(zhì)凈化方面也有獨特優(yōu)勢。園林進水口與植樹相結(jié)合，通過下水道的設計，使受污染的河水流經(jīng)水質(zhì)沉積區(qū)(沉降篩選)，進入水平面濕地(過濾平行)。地下濕地蘆葦風機可以延長廢物在原地停留的時間，從而提高凈化效率。到達濕地多層面流(重力過濾)后，通過水滴多的池底，促使水團垂直流動，過濾水質(zhì)。通過植物清洗(生物過濾)區(qū)對潮濕的植物群落進行處理再利用的藝術(shù)效果，通過沉積物、水生微生物和水的協(xié)同作用，種植具有較強綜合廢水吸收能力和減少水中有害物質(zhì)快速釋放的水生植物動物。集中過濾，同時根據(jù)不同的濕植物生物群落，營造出游客可依循的特色鮮明的濕地景觀。為了最大限度地凈化水，水從公園的西南角流出，返回城市的長河區(qū)。

4.2 開放空間的系統(tǒng)規(guī)劃

通過現(xiàn)場勘測，豐富景觀形態(tài)，制定合理的景觀框架，形成山體浸水的景觀模型，將水系置于山前水中，形成開放空間的系統(tǒng)規(guī)劃。不同的用途與不同形式的水有關(guān)。水系通過橋梁、堤壩和大梁、灤河的疏浚和連接水系的方式，將水系分為開放空間和封閉空間。濕地西北部合理利用城市建設廢棄地，順應并延續(xù)地形景觀特征，營造不一樣的空間體驗。

4.3 公共設施的保護性設計

作為一種現(xiàn)代生態(tài)景觀模型，濕地要在創(chuàng)造新的濕地系統(tǒng)的需要和公共開放空間的需要之間取得平衡。濕地保護區(qū)和城市環(huán)境之間的過渡緩沖區(qū)，模糊了公園和城市之間的界限。嚴格控制建設密度和規(guī)模，設置濕地文化展廳(農(nóng)業(yè)文化、漁船文化、濕地文化和民俗文化)、游客中心、商業(yè)土地儲備、會議功能時，可人工干預控制工程，填充該區(qū)域以減少對核心濕地區(qū)域的干擾。微濾、納濾、超濾、反滲透等技術(shù)是最為常用的膜分離方法。膜處理主要用于回收各種高分子原料，處理過程中可能會引入一些其他雜質(zhì)。大分子和小分子可以相互分離。成本高、壽命短、易污染的膜在一定程度上限制了該技術(shù)的發(fā)展。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，這種方法將有更廣闊的應用空間。

5 結(jié)語

灤河濕地的保護與修復，會更有效地保護野生動物資源及濕地生態(tài)系統(tǒng)，從而使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的功能增強及完善，生物資源不斷豐富，生物多樣性得到保護，蓄水和抗洪能力也將增強。進而提高灤河自然保護區(qū)在國內(nèi)外的知名度、影響力，并促進整個灤河地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

當前，在生態(tài)環(huán)保中運用大數(shù)據(jù)技術(shù)已成為時代潮流。生態(tài)環(huán)境保護機構(gòu)應充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的作用，促進生態(tài)環(huán)境治理工作的智能化、系統(tǒng)化、高效化。在生態(tài)環(huán)境的維護中，獲取更豐富、更準確、更及時的資料，完善生態(tài)環(huán)境治理體系。通過預測未來的發(fā)展態(tài)勢，制定生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)保與社會發(fā)展的良性循環(huán)。