智慧流域管理系統(tǒng)在海南“六水共治”中的應(yīng)用與分析
——以萬泉河為例

覃茂運，王敏英

（海南省環(huán)境科學(xué)研究院，570105，海口）

一、背景及意義

2022年開始，海南省以水環(huán)境綜合治理為突破口，全面開展治污水、保供水、排澇水、防洪水、抓節(jié)水、優(yōu)海水“六水共治”攻堅戰(zhàn)，將治水作為貫徹落實習(xí)近平總書記關(guān)于海南生態(tài)文明建設(shè)的重要指示批示精神和推進國家生態(tài)文明試驗區(qū)建設(shè)的重大舉措，要求各市縣以流域為單元，將局部問題放在整個流域生態(tài)系統(tǒng)中去把握和解決，強化多污染源協(xié)同控制和區(qū)域協(xié)同治理。

目前，海南省各個流域水環(huán)境監(jiān)管主要存在水質(zhì)監(jiān)測能力不足、流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)共享程度低、流域協(xié)同治理尚未形成合力等問題。因此，有必要建立智慧流域信息平臺，對流域相關(guān)數(shù)據(jù)進行綜合處理和統(tǒng)計分析，為流域綜合治理和監(jiān)管提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。本文結(jié)合海南省“六水共治”的部署要求，在省內(nèi)率先以流域為單元，在分析萬泉河流域信息化建設(shè)現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上，通過建立萬泉河流域水環(huán)境綜合管理系統(tǒng)和開展示范應(yīng)用，為萬泉河流域“六水共治”智慧化管理探索經(jīng)驗，同時也為數(shù)字孿生流域建設(shè)提供參考。

二、現(xiàn)狀及存在問題

萬泉河流域涉及瓊海、萬寧、瓊中等6個市縣，流域面積約3 692 km2。近年來，有關(guān)市縣通過水質(zhì)自動監(jiān)測站、污染源自動監(jiān)控平臺、污水處理在線監(jiān)管系統(tǒng)等系統(tǒng)建設(shè)和運用，水環(huán)境治理現(xiàn)代化水平得到明顯提升。但對標(biāo)“六水共治”、流域生態(tài)環(huán)境保護、數(shù)字孿生流域建設(shè)、經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展等要求，與突飛猛進的先進信息技術(shù)相比，萬泉河流域在信息化建設(shè)、智慧決策等方面存在以下短板。

1.信息化建設(shè)方面

萬泉河流域建立了多個水質(zhì)自動監(jiān)控站、水文監(jiān)測站和污染源在線監(jiān)控平臺，但仍存在水質(zhì)監(jiān)測密度不足、水質(zhì)自動監(jiān)測程度低、預(yù)警能力較弱、感知體系不健全、治水工程智能控制與聯(lián)合調(diào)度能力不足、水旱災(zāi)害防御及水資源管理與調(diào)配的信息化程度不高、信息基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、流域水環(huán)境信息共享模式尚未形成等問題，如流速、泥沙等水文要素監(jiān)測依然以人工為主，信息資源分析利用水平較低，有必要建立流域生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)，對各類數(shù)據(jù)進行集成處理、規(guī)范管理和挖掘分析，為水環(huán)境管理、水資源調(diào)度、水生態(tài)保護等提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。

2.智慧決策方面

為共同打擊環(huán)境違法和生態(tài)破壞行為，2019年12月，瓊海、萬寧、瓊中三市縣統(tǒng)籌上下游、左右岸，建立了以跨行政區(qū)域相鄰屬地市縣政府為主體的“省、市、縣、鄉(xiāng)”四級跨區(qū)域萬泉河流域水環(huán)境執(zhí)法協(xié)作機制，協(xié)調(diào)解決萬泉河流域水環(huán)境違法問題，取得了良好成效。然而，由于缺乏流域水環(huán)境管理的頂層設(shè)計、水環(huán)境信息化建設(shè)水平不高、水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管監(jiān)察協(xié)同模式尚未形成、治水管理手段缺乏現(xiàn)代化科技支撐等因素，導(dǎo)致萬泉河流域水環(huán)境管理仍處于較低水平，流域綜合整治、業(yè)務(wù)協(xié)同、綜合調(diào)控及輔助決策水平等能力亟待提高。

三、系統(tǒng)概述

1.建設(shè)目標(biāo)

以實現(xiàn)流域數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)聯(lián)動協(xié)同、輔助決策智能化為目標(biāo)，研發(fā)具有監(jiān)測預(yù)警、環(huán)境監(jiān)察、生態(tài)補償、水資源調(diào)度、項目管理、統(tǒng)計分析和“一張圖”等功能的萬泉河流域水環(huán)境綜合管理系統(tǒng)，整合流域各類數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)管理與應(yīng)用、治水業(yè)務(wù)與信息技術(shù)的融合應(yīng)用、流域生態(tài)保護治理狀態(tài)快速感知，為流域水環(huán)境管理提供業(yè)務(wù)支撐、服務(wù)支持、輔助決策與綜合運維的基礎(chǔ)能力，提升流域水治理體系和治理能力現(xiàn)代化水平。

2.總體架構(gòu)

以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用支撐為驅(qū)動，利用人工智能、大數(shù)據(jù)、GIS（地理信息系統(tǒng)）等技術(shù)，以標(biāo)準規(guī)范體系、安全保障體系和運行維護體系為建設(shè)標(biāo)準，通過對各類數(shù)據(jù)的收集、交換、集成、清洗和轉(zhuǎn)換利用，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲和管理，依托現(xiàn)有的信息化設(shè)施構(gòu)建萬泉河流域水環(huán)境綜合管理系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

①感知層。擔(dān)負著流域水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和控制命令的執(zhí)行功能，主要包括水質(zhì)自動監(jiān)測站、污染源在線監(jiān)控設(shè)備、各種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測采集設(shè)備等，為系統(tǒng)提供環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)來源。

②傳輸層。包括政務(wù)網(wǎng)、視頻專網(wǎng)、運營商公共網(wǎng)絡(luò)等，為數(shù)據(jù)傳輸、存儲與處理提供網(wǎng)絡(luò)通信保障。

③支撐層。包括工作流引擎、統(tǒng)一用戶管理、CA（數(shù)字證書頒發(fā)機構(gòu)）認證服務(wù)、空間服務(wù)引擎等一系列成熟的功能組件，實現(xiàn)整合集成，減少系統(tǒng)間的耦合度，便于系統(tǒng)功能擴充。

④數(shù)據(jù)層。包括流域水環(huán)境信息和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)集，提供數(shù)據(jù)審核、統(tǒng)計查詢和綜合展示等數(shù)據(jù)服務(wù)。

⑤應(yīng)用層。采用J2EE開發(fā)平臺（Java 2 Platform Enterprise Edition），研發(fā)監(jiān)測預(yù)警、環(huán)境監(jiān)察、生態(tài)補償、水資源管理、“一張圖”和系統(tǒng)運維管理等功能。

⑥服務(wù)層。系統(tǒng)用戶主要包括流域治理相關(guān)的生態(tài)環(huán)境、水務(wù)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、綜合執(zhí)法等部門管理人員，為有關(guān)部門提供流域數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)支撐。

圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.建設(shè)內(nèi)容

（1）完善流域信息基礎(chǔ)設(shè)施

采用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，在萬泉河流域完善生態(tài)環(huán)境及水文監(jiān)測信息基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括：①完善萬泉河汀洲水環(huán)境國控監(jiān)測站、紅星飲用水水質(zhì)自動監(jiān)測站、牛路嶺水庫生態(tài)補償自動監(jiān)測站、汀洲水量監(jiān)測站等自動監(jiān)測平臺及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并將河湖長制、地下水、村鎮(zhèn)集中式飲用水、土壤監(jiān)控點等各類環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以接口服務(wù)方式進行集成，實現(xiàn)各類環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，提高流域水質(zhì)監(jiān)測和預(yù)警提醒能力，為“治污水、保供水”提供可靠的數(shù)據(jù)來源；②充分利用瓊海市、萬寧市現(xiàn)有的計算、存儲等基礎(chǔ)設(shè)施資源，提高政務(wù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)帶寬，改造網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備和網(wǎng)信安全設(shè)備，打造高速、靈活、安全的萬泉河水環(huán)境信息網(wǎng)；③基于數(shù)字海南地理空間框架的瓊海市主城區(qū)三維地形場景及城市實景三維數(shù)據(jù)，采用三維建模技術(shù)，構(gòu)建萬泉河流域水系、排水管網(wǎng)、重點治水項目、排污口、污染源等重點對象的三維模型，形成萬泉河流域二三維一體化應(yīng)用場景，構(gòu)建萬泉河流域的數(shù)字底座，為“排澇水、防洪水”提供技術(shù)支撐。

（2）建設(shè)流域綜合數(shù)據(jù)庫

從萬泉河流域“六水共治”業(yè)務(wù)需求和水環(huán)境監(jiān)管應(yīng)用角度出發(fā)，綜合應(yīng)用空間數(shù)據(jù)庫、GIS、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，以流域管理規(guī)則為指導(dǎo)，將分散在生態(tài)環(huán)境、自然資源、水利、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、住房與城鄉(xiāng)建設(shè)等部門的各種數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一集成管理，建立流域綜合數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建萬泉河流域水環(huán)境目錄體系，形成流域數(shù)據(jù)中心。流域綜合數(shù)據(jù)庫主要包括水環(huán)境監(jiān)測、治水項目、農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖、第二次全國污染物普查（簡稱“二污普”）、重點排污單位、居住點、敏感源、入河排污口、取水口、農(nóng)村污水處理設(shè)施、城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施、市政管網(wǎng)、環(huán)保督察項目、生態(tài)保護修復(fù)項目、水文地質(zhì)、巡河記錄、監(jiān)管執(zhí)法、生物多樣性、生態(tài)保護補償指標(biāo)及其他類型數(shù)據(jù)。

（3）建設(shè)流域水環(huán)境管理系統(tǒng)

采用大數(shù)據(jù)、GIS、人工智能等先進技術(shù)，以實現(xiàn)流域數(shù)據(jù)共享、流域監(jiān)管業(yè)務(wù)聯(lián)動協(xié)同、流域管理決策智能化為目標(biāo)，基于現(xiàn)有的各類生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)資源，建設(shè)萬泉河流域水環(huán)境綜合管理系統(tǒng)，提供監(jiān)測預(yù)警、環(huán)境監(jiān)管、生態(tài)補償、數(shù)據(jù)管理、綜合查詢、應(yīng)急指揮和“一張圖”等功能，科學(xué)、準確地反映萬泉河流域水環(huán)境及變化趨勢，為流域水環(huán)境綜合監(jiān)管執(zhí)法、水生態(tài)保護、水資源優(yōu)化配置和調(diào)度等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策支撐。系統(tǒng)功能主要包括：

①構(gòu)建萬泉河流域知識庫。以流域地理空間、環(huán)境監(jiān)測、“六水共治”業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以水環(huán)境治理、水資源配置、水生態(tài)保護為主線，利用圖譜分析展示流域水環(huán)境業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整體知識架構(gòu)，應(yīng)用知識圖譜技術(shù)串起“六水共治”業(yè)務(wù)、水資源調(diào)度、重點治水項目、水質(zhì)監(jiān)測、水文氣象等相關(guān)知識，實現(xiàn)萬泉河流域生態(tài)環(huán)境知識的共建共享與便捷查詢。

②監(jiān)測預(yù)警管理。以服務(wù)“治污水”為目標(biāo)，系統(tǒng)在集成管理流域各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過建設(shè)水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警規(guī)則庫和污染源監(jiān)控預(yù)警規(guī)則庫，提供監(jiān)測站點、水質(zhì)監(jiān)測、污染源監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、超標(biāo)預(yù)警、監(jiān)測評估、規(guī)則庫管理等功能，實現(xiàn)從監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集分析、質(zhì)量評價、超標(biāo)預(yù)警到環(huán)境治理的智慧化管理，形成水環(huán)境管理“指揮部”，為科學(xué)治污提供數(shù)據(jù)支撐。同時，系統(tǒng)也提供定時任務(wù)配置、實時任務(wù)配置、模型預(yù)警任務(wù)、任務(wù)推送、執(zhí)行監(jiān)督、執(zhí)行日志功能，建立環(huán)境預(yù)警處理和應(yīng)急響應(yīng)機制，為決策提供科學(xué)依據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境預(yù)警任務(wù)的信息化全周期管理。

③污染源管理。以流域內(nèi)重點排污單位為管理對象，系統(tǒng)提供污染源管理、在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)管、監(jiān)察執(zhí)法、環(huán)保檔案、信息公開、“一張圖”等功能，通過集成“二污普”“三線一單”、環(huán)境統(tǒng)計、企業(yè)事業(yè)環(huán)境公開等相關(guān)信息，結(jié)合入河排污口調(diào)查數(shù)據(jù)和污染源自動監(jiān)控數(shù)據(jù)，對入河污染物進行多層次、分行業(yè)對比分析，統(tǒng)計入河主要污染物總量與濃度，輔助生態(tài)環(huán)境部門強化排污許可證后監(jiān)管，確保入河污染物達標(biāo)排放。

④應(yīng)急管理。以服務(wù)“排澇水、防洪水”為目標(biāo)，基于瓊海市主城區(qū)三維應(yīng)用場景，以三維地形及市政排水管網(wǎng)為重點，系統(tǒng)提供監(jiān)測預(yù)警、排水管網(wǎng)、三維地形、水淹模擬、疏散路線、應(yīng)急處置、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急知識庫、統(tǒng)計分析等功能，通過建立萬泉河流域應(yīng)急響應(yīng)策略庫，為流域內(nèi)暴雨排澇、城市積水、突發(fā)水環(huán)境污染、山洪暴發(fā)等環(huán)境事件的趨勢判斷、應(yīng)急指揮管理提供輔助決策支持。

⑤生態(tài)補償管理。結(jié)合河長制和灣長制的協(xié)同創(chuàng)新管理模式，以萬泉河監(jiān)測斷面設(shè)置、考核指標(biāo)和考核目標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)建評價模型和自動計算功能，輔助市縣相關(guān)部門動態(tài)掌握各個生態(tài)補償監(jiān)測斷面的水質(zhì)水量情況，及時采取相關(guān)治理措施，對各項生態(tài)保護補償重點項目進行信息化檔案管理，輔助開展流域上下游橫向生態(tài)補償評估。

⑥水資源管理與調(diào)配。以服務(wù)“保供水、抓節(jié)水”為目標(biāo)，通過集成瓊中縣、萬寧市和瓊海市的取水監(jiān)測斷面、水文監(jiān)測斷面、取水口、地下水等站點的流量、水量等信息，接入自來水廠水量、各水庫庫容、村鎮(zhèn)集中式飲用水水量統(tǒng)計等數(shù)據(jù)，動態(tài)掌握流域水資源總量、分布、實際用水需求等信息，輔助各市縣協(xié)同制定和優(yōu)化水資源調(diào)度預(yù)案，對水資源進行科學(xué)調(diào)配；開展水資源管控和節(jié)水行動，科學(xué)測算萬元GDP用水量，指導(dǎo)各行業(yè)綠色發(fā)展，為推進水資源節(jié)約集約利用提供智慧化決策支持。

⑦水環(huán)境污染溯源分析。以服務(wù)“優(yōu)海水”為目標(biāo)，在開展全流域入河、入海排污口調(diào)查和建檔管理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提供排污口監(jiān)管、污染源分布、污染物排放監(jiān)管、濃度分析、溯源管理、環(huán)境承載力分析等功能，輔助建立水網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、河段劃分、匯水區(qū)處理以及溯源關(guān)系，將萬泉河流域劃分為若干網(wǎng)格，形成水環(huán)境監(jiān)管網(wǎng)格圖；依托水質(zhì)自動監(jiān)測站，實時監(jiān)控流域水環(huán)境中多種污染物的濃度水平和分布規(guī)律，科學(xué)評估流域水環(huán)境承載力；輔助生態(tài)環(huán)境部門對環(huán)境影響較大的排污口開展監(jiān)督性監(jiān)測，分析排污口的空間分布及排放規(guī)律對流域水質(zhì)的影響，追蹤污染來源和分析源強，促進入海污染物減排。

⑧“一張圖”管理。采用GIS技術(shù)，以數(shù)字海南地理空間框架成果地圖數(shù)據(jù)為底圖，將監(jiān)測站點、排污口、污染源、重點項目、市政管網(wǎng)等各類水環(huán)境對象在地圖上進行逐一標(biāo)注，編繪流域一張圖，提供地圖瀏覽、信息查詢、坐標(biāo)定位、圖表統(tǒng)計、專題圖制作等功能。

⑨App移動終端。系統(tǒng)提供了移動版App，通過將在線監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)管與行政執(zhí)法體系有機融合，管理人員通過App可實時掌握各個監(jiān)測斷面水質(zhì)、水質(zhì)超標(biāo)信息、治水項目進展情況、污染源在線監(jiān)測、入河入海排污口分布、企業(yè)環(huán)保檔案等情況，輔助開展巡河、行政執(zhí)法、排污許可證后監(jiān)管、超標(biāo)預(yù)警處置等業(yè)務(wù)，提升流域水環(huán)境治理現(xiàn)代化水平。

四、示范應(yīng)用效果

通過在瓊海市開展示范應(yīng)用，為萬泉河流域“六水共治”提供支撐平臺，初步取得成效。

①首次在海南省提出流域水環(huán)境多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成管理和更新策略，在數(shù)據(jù)分類、分層的基礎(chǔ)上，開展空間歸一化和時間一致化的多源數(shù)據(jù)融合方法研究，突破多源、多維、異構(gòu)的水環(huán)境數(shù)據(jù)使用技術(shù)限制，實現(xiàn)流域水環(huán)境標(biāo)準化建庫管理，便于有關(guān)市縣對流域水環(huán)境各類數(shù)據(jù)進行規(guī)范管理、動態(tài)更新和共享應(yīng)用，為加強萬泉河流域生態(tài)環(huán)境保護頂層規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

②初步構(gòu)建流域水環(huán)境立體監(jiān)測模式。針對萬泉河流域水網(wǎng)覆蓋面廣、污染源數(shù)量多、污染排放隨機性、應(yīng)急事件突發(fā)性、環(huán)境監(jiān)管困難等難題，系統(tǒng)采用“空-天-水”立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息管理技術(shù)，通過集成衛(wèi)星遙感監(jiān)測、無人機巡查、水質(zhì)在線監(jiān)測等監(jiān)測模式，接入污染源在線監(jiān)控、水環(huán)境在線監(jiān)測、水文氣象等數(shù)據(jù)服務(wù)，及時獲取水質(zhì)超標(biāo)信息和提供預(yù)警服務(wù)，輔助相關(guān)部門及時開展環(huán)境整治和應(yīng)急處置，為“治污水、保供水、優(yōu)海水”等業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

③完善流域水環(huán)境綜合監(jiān)管執(zhí)法協(xié)作工作聯(lián)席會議機制。通過系統(tǒng)應(yīng)用，基于水質(zhì)自動監(jiān)控、污染源在線監(jiān)測和監(jiān)督性監(jiān)測，以及排污口調(diào)查等數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建污染物傳輸擴散模型，初步實現(xiàn)水質(zhì)污染物溯源，為流域污染控制提供數(shù)據(jù)參考，也可作為流域環(huán)境管理聯(lián)動協(xié)同、環(huán)境問題跨界診斷的有力抓手，有利于完善流域水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)管執(zhí)法協(xié)同機制，形成流域水環(huán)境治理合力，推進“六水共治”；也有利于通過流域上下游生態(tài)補償相關(guān)指標(biāo)的智能計算，探索萬泉河流域生態(tài)補償分析，輔助有關(guān)市縣協(xié)同開展水環(huán)境綜合治理，促進流域生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)。

④為流域“六水共治”成效評估提供平臺支撐。在集成流域各類環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和重點治水項目信息化監(jiān)管的基礎(chǔ)上，通過動態(tài)評估萬泉河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，可以對有關(guān)市縣開展的重點項目進行調(diào)度評估和成效考核，初步建立涵蓋流域監(jiān)管、勢態(tài)研判、綜合決策的“六水共治”應(yīng)用支撐體系和業(yè)務(wù)協(xié)同機制，填補海南省智慧流域信息化平臺的空白。

五、結(jié) 語

萬泉河流域水環(huán)境管理系統(tǒng)是補齊萬泉河流域信息化短板、提升流域水質(zhì)監(jiān)測預(yù)警能力、防御水旱洪澇災(zāi)害、落實水資源剛性約束制度、提升流域監(jiān)察執(zhí)法協(xié)同等業(yè)務(wù)工作的重要賦能手段，對于提升萬泉河“六水共治”具有重要的輔助作用。在未來研究中，可在萬泉河流域“六水共治”智慧化、數(shù)字孿生流域建設(shè)、流域生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃、流域生態(tài)產(chǎn)品價值實現(xiàn)等方面開展積極探索。 ■