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

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）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

國務(wù)院頒布實施的“水十條”明確要求，到2030年全國城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。臨沂市積極響應(yīng)國家要求，對城區(qū)水體進行逐一排查，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。黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)取得了階段性勝利，但是這來之不易的成果想要保持長效，需要綜合分析臨沂市自然和社會經(jīng)濟環(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)測設(shè)備對水質(zhì)進行實時監(jiān)測，對超標事件進行預(yù)警報警，分析變化趨勢；結(jié)合外業(yè)巡檢和人工檢測定期對河道水環(huán)境進行排查和抽查，針對發(fā)現(xiàn)的問題進行快速處置；制定合理的補水調(diào)度方案，通過對河道設(shè)備進行調(diào)控，優(yōu)化改善水質(zhì)。以上問題的解決都離不開GIS。

二、地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（技術(shù)），即GIS，是一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，也是一門關(guān)于空間信息處理分析的“科學技術(shù)”。隨著以云計算、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)用為例進行介紹。

三、GIS 技術(shù)在黑臭水體監(jiān)測治理中的應(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、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)進行統(tǒng)一的收集存儲。污染源數(shù)據(jù)包括：生活污染源、工業(yè)污染源、污水處理廠排口監(jiān)測數(shù)據(jù)。河湖水系包括：河道、湖泊、重要黑臭斷面、重點考核斷面、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)澇風險區(qū)劃、雨水工程規(guī)劃、城市排水規(guī)劃。設(shè)施類數(shù)據(jù)包括：閘壩、截污閘、雨水管網(wǎng)、污水管線、管線附屬設(shè)施等。以上基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的收集分析可以刻畫出臨沂市整體的自然、經(jīng)濟、人口、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況。

（2）在污染排放強度與污染負荷計算中的應(yīng)用。

圖1 四類污染分布

圖2 主導污染分布

圖3 雨天月度污染負荷

為了量化分析臨沂市水環(huán)境中的污染物排放的情況，分別計算了四類污染負荷分布情況，包括生活點源污染分布、工業(yè)點源污染分布、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)鍵指標進行計算。經(jīng)過分析計算，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。綜合考慮各個街區(qū)的污染情況，發(fā)現(xiàn)其各自主導的污染情況又不盡相同。

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

（3）在管網(wǎng)分析評價及輔助監(jiān)測設(shè)備選址中的應(yīng)用。

利用GIS 技術(shù)，可以對普查的管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行建模。由于歷史遺留問題，現(xiàn)實中經(jīng)常出現(xiàn)雨污管線的套管、逆坡、淤積、破損等問題。通過管網(wǎng)套管分析，可以找到同流向大管套小管的管段，發(fā)現(xiàn)套管問題；通過管段兩端連接點之間的高程比對，綜合流向信息，進而可以判斷管段的逆坡問題；通過管網(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；通過綜合管網(wǎng)接入?yún)^(qū)域人口數(shù)據(jù)，可以評估其匯入管網(wǎng)的污染物總量。通過管網(wǎng)的溯源分析，可以在針對關(guān)鍵節(jié)點溯源，評估其上游管線，上游匯水區(qū)域，進而確認、優(yōu)化污水分區(qū)，還可以為后續(xù)管網(wǎng)監(jiān)測設(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 實時監(jiān)測

圖6 監(jiān)測設(shè)備實時報警

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

利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供的數(shù)據(jù)訪問接口，可以與監(jiān)測平臺進行數(shù)據(jù)集成，賦予平臺物聯(lián)網(wǎng)+的能力。GIS 結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)+典型的應(yīng)用包括：

（1）實時監(jiān)測與報警。

與物聯(lián)設(shè)備和已建成的各類信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集成，可以獲取到各類監(jiān)測設(shè)備最新的監(jiān)測指標。結(jié)合GIS 的能力，在地圖上表達出各監(jiān)測設(shè)備的位置，并根據(jù)各類設(shè)備報警閾值，動態(tài)顯示其正常、報警、預(yù)警的狀態(tài)。

（2）歷史信息查詢與趨勢分析。

圖7 趨勢分析

通過接入物聯(lián)設(shè)備監(jiān)測信息和其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容，建立黑臭水體監(jiān)測應(yīng)用大數(shù)據(jù)中心，存儲其原始監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動生成報警信息、按照日、周、月定時統(tǒng)計其數(shù)據(jù)變化趨勢。通過平臺可以查詢到某監(jiān)測設(shè)備歷史監(jiān)測信息，監(jiān)測項值域分布概率，監(jiān)測值趨勢分布等。利用GIS 的天然優(yōu)勢，可以將攝像頭監(jiān)控數(shù)據(jù)和物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成分析，氣象數(shù)據(jù)與物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成分析，按照管理片區(qū)/河道對報警數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析等。

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，可以直觀展現(xiàn)一定時段內(nèi)河道水質(zhì)指標的空間分布及各重要斷面上的污染物濃度和水質(zhì)達標率。水質(zhì)分析基于MIKE 11 一維水動力、水質(zhì)模型，通過模型運算可以計算出河道污染物濃度的時空間分布，GIS 為其提供所需的河網(wǎng)數(shù)據(jù)、物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時利用MIKE 模型計算的結(jié)果進行空間層面的可視化表達，并完成對后臺模型功能的集成調(diào)用。

（2）污染診斷

圖8 水質(zhì)分析

污染診斷用于計算一定時段內(nèi)，目標河流的起點、沿途過程中、及河道終點斷面各類別污染物的通量，用以分析該段河道內(nèi)各來源各類別污染負荷的占比情況，并以此判斷各類污染源對河流污染的貢獻程度并針對進行治理。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)測數(shù)據(jù)，點源、面源污染分布數(shù)據(jù)，同時利用后臺模型計算的結(jié)果進行地圖和圖表的聯(lián)動表達，并完成對后臺模型功能的集成調(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)對的水質(zhì)優(yōu)化方案。通過構(gòu)建場景，首先模擬出水質(zhì)惡化的情景，包括各關(guān)鍵參數(shù)指標；其次設(shè)定方案優(yōu)化目標，包括達標時間、目標水質(zhì)等等；最后通過啟用不同的補水方案來模擬是否可以滿足初始設(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)測數(shù)據(jù)，同時利用模型計算的結(jié)果進行空間層面的可視化表達，并完成對后臺模型功能的集成調(diào)用。

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

利用GIS 技術(shù)可以將實時監(jiān)測、預(yù)警、調(diào)度指揮等功能集成到一起，構(gòu)建全場景的廠網(wǎng)河聯(lián)合調(diào)度駕駛艙。首先建立完善的廠網(wǎng)河區(qū)域范圍內(nèi)全方位的監(jiān)測監(jiān)控體系，實現(xiàn)對河道水質(zhì)水量、管網(wǎng)水質(zhì)水量、污水處理廠水質(zhì)水量的在線監(jiān)測，實現(xiàn)排水設(shè)施的監(jiān)控與工況記錄；其次同時支持廠網(wǎng)、河道的臨時調(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)形成廠網(wǎng)河聯(lián)動的整體，依靠實時監(jiān)測的河道水質(zhì)報警數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模型的模擬，結(jié)合既定的水質(zhì)目標，依據(jù)優(yōu)化算法推送的水質(zhì)優(yōu)化方案，進行改善效果的預(yù)測，為調(diào)度補水提供科學的輔助支撐。GIS 技術(shù)在其中起到了支撐和粘合劑的作用。

5.GIS 技術(shù)在運維巡檢中的應(yīng)用

利用移動GIS 的能力，構(gòu)建集外業(yè)巡檢、設(shè)備養(yǎng)護、物聯(lián)信息接入、移動辦公、人工檢測抽樣與一體的移動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，下發(fā)工單；外業(yè)巡檢人員收到工單之后，按照指定的路線完成巡檢工作，在巡檢的過程當中可以實時記錄其軌跡信息，并根據(jù)需要拍照上傳現(xiàn)場情況。管理員收到巡檢反饋之后，綜合判斷，可以結(jié)束工單或者啟動處置流程。領(lǐng)導通過巡檢APP 的消息提醒功能可以對收到需要進行處置的工單，進行批示，安排人員完成現(xiàn)場處置。設(shè)備養(yǎng)護的基本流程和外業(yè)巡檢相同，更側(cè)重于對設(shè)備的巡查養(yǎng)護。

6.GIS 在公眾參與中的應(yīng)用

微信作為一款跨平臺的通訊工具，在智能手機打天下的今天，幾乎每臺手機都會安裝。依托于微信的小程序相比APP 有如下優(yōu)勢：免安裝、即拿即用、不占用手機存儲空間、無需針對Android 和IOS 開發(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態(tài)、治理成果，實時水質(zhì)監(jiān)測信息。在推送信息的同時，還可以接收來自用戶反饋的問題。當微信用戶通過隨手拍小程序提交問題的時候，會獲取其當前位置，并自動判斷其歸屬河流河段，方便后續(xù)外業(yè)人員巡檢核實并安排處置工作。

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。確實，GIS 從之前的大家所熟知的地理信息的存儲、管理、空間分析和可視化表達，到現(xiàn)如今已呈現(xiàn)出了多元化的態(tài)勢。結(jié)合最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)IOT+GIS；結(jié)合專業(yè)的水文水動力模型，可以實現(xiàn)專業(yè)模型+GIS；結(jié)合移動通信、微信小程序等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+GIS；結(jié)合外業(yè)巡檢、反饋確認、實時處置的業(yè)務(wù)流程，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)流+GIS。通過GIS 和多種技術(shù)手段的結(jié)合使用，最終推動GIS 深入業(yè)務(wù)，服務(wù)于黑臭水體監(jiān)測治理的各個環(huán)節(jié)。

圖9 污染診斷

圖10 方案模擬