流域環(huán)境保護智慧化管理路徑思考

秦 彬

（江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司，江蘇 南京 210019）

引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，水利信息化技術(shù)水平日益提升，尤其是物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的應用，進一步推動了流域環(huán)境保護智慧化發(fā)展。在此背景下，需要對云平臺技術(shù)進行優(yōu)化應用，尤其是引進數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)通話、高性能計算等，并融合模擬預報技術(shù)，實現(xiàn)快速精準高效的預報，為流域水量水質(zhì)調(diào)控等工作的開展提供強有力的技術(shù)支撐。為了進一步提升流域生態(tài)環(huán)境保護智慧化管理水平，需要對各類新型技術(shù)進行融合應用，構(gòu)建更加系統(tǒng)完善的流域環(huán)境保護智慧化管理云平臺，真正實現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境保護工作的智能化、信息化、高效化發(fā)展。

1 建設(shè)需求

1.1 強化流域精準調(diào)控

結(jié)合流域生態(tài)環(huán)境實際情況，優(yōu)化流域頂層設(shè)計，滿足流域環(huán)境生態(tài)的各類型管理需求，其中涉及實時監(jiān)測、質(zhì)量預報等。此外，還需要制定完善統(tǒng)一的流域信息共享機制，強化不同部門、機構(gòu)的信息交流，完善跨省市的流域協(xié)調(diào)機制，確保跨界責任的有效落實[1]。

1.2 應對流域復雜生態(tài)環(huán)境問題的技術(shù)需求

應對流域復雜生態(tài)環(huán)境問題的技術(shù)需求較為復雜，且在認知、技術(shù)方面還有很多不確定性因素，甚至出現(xiàn)信息滯后等問題。基于此，需要加大技術(shù)研究和突破，滿足海量數(shù)據(jù)管理、智慧平臺等需求。在流域水環(huán)境生態(tài)保護管理工作中，往往會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)信息，且這些數(shù)據(jù)較為分散，屬于異構(gòu)數(shù)據(jù)，難以進行大范圍共享，利用率較低。而且，不同來源數(shù)據(jù)的標準、結(jié)構(gòu)等差異性較大，難以進行高效收集和傳輸，不能進行統(tǒng)一存儲，需要引進標準化融合集成技術(shù)，形成分布式生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)庫，強化流域生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)的有效收集、共享與管理。同時，還需要形成完善的系統(tǒng)模型，以便對流域氣象、陸面、水體過程機理進行耦合，只有對各類不確定問題進行有效性解決，才能精準定位污染點位，并高效模擬污染過程，精準預測污染程度，為流域環(huán)境保護和治理工作的開展提供依據(jù)[2]。

2 核心支撐技術(shù)

2.1 分布式大數(shù)據(jù)融合集成技術(shù)

在平臺數(shù)據(jù)融合集成環(huán)節(jié)，不同來源的數(shù)據(jù)在單位、時間跨度方面存在很大差異性，需要對其進行標準化處理，以便對不同類型的數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一數(shù)據(jù)視圖。該過程需要對不同級別、不同層次、不同類型的信息進行全方位、多角度檢測和評估，并進行綜合處理，從而對模板信息狀態(tài)、特征、態(tài)勢進行判斷。為了確保云端模型計算功能的有效開展，需要云平臺開展數(shù)據(jù)二次集成處理，并對系統(tǒng)中存在的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備進行優(yōu)化應用，其中涉及很多現(xiàn)代化儀器設(shè)備，如流量傳感器、水質(zhì)監(jiān)測儀等，從而構(gòu)建功能完善、架構(gòu)齊全的通信系統(tǒng)。同時，在與各類智能技術(shù)的協(xié)作下，實現(xiàn)不同類型現(xiàn)場數(shù)據(jù)即時提取，確保數(shù)據(jù)獲取的實時性。還可以對不同來源的大數(shù)據(jù)進行篩選、分類和互饋[3]，借助數(shù)據(jù)倉庫的集成模式，結(jié)合實際情況，對數(shù)據(jù)庫引擎中間件進行優(yōu)化應用，并引進現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，從而對異構(gòu)數(shù)據(jù)進行科學處理，改變其格式形態(tài)，使之與數(shù)據(jù)存儲模式保持契合性。在消息中心的支持下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分類、分層調(diào)度，同時協(xié)同聚合傳輸方式，綜合性處理和分析云端數(shù)據(jù)，縮短傳輸時間，降低網(wǎng)絡(luò)、服務器負載。在智慧化管理模式下，還能夠結(jié)合分布式大數(shù)據(jù)技術(shù)與集成技術(shù)的融合應用，對各類數(shù)據(jù)進行智慧感知，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，需要第一時間進行處理，并降低數(shù)據(jù)存儲成本，然后結(jié)合工作需求進行高效化傳輸，為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行協(xié)同共享。

2.2 “空－地－水”一體化模型高性能并行計算技術(shù)

在云平臺運行過程中，需要構(gòu)建氣象、水動力等大尺度流域模型，且這些模型是在分布式單元支持下形成的，在此基礎(chǔ)上，需要在云端布設(shè)“空－地－水”一體化模型高性能并行算法，如圖1所示。在具體操作中，要結(jié)合實際情況進行均勻化分塊處理工作，并結(jié)合不同邊界條件的差異性，設(shè)置不同的邊界節(jié)點，這樣可以為并行計算負載均衡性的實現(xiàn)奠定良好的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，還需要對不同模型之間的強弱耦合關(guān)系進行有效應用，并按照相關(guān)指標要求，構(gòu)建分布式通訊基礎(chǔ)，以便對數(shù)值模擬區(qū)域分割方式進行合理應用，同時對功能分解方式進行融合應用。在該技術(shù)應用下，可以對中央管理服務器的功能作用進行有效發(fā)揮，強化對節(jié)點任務的動態(tài)分配效果，并對服務器運行過程進行動態(tài)監(jiān)控，保障各項工作的有序開展。同時在消息傳遞接口的助力下，對相關(guān)指令進行傳達，進行數(shù)據(jù)交互處理，強化任務控制。

圖1 高性能分布式三級并行計算技術(shù)

2.3 “云邊終端”協(xié)同技術(shù)

要結(jié)合實際需求，在云端多個域和服務器存儲空間上設(shè)置全流域多過程全時段復雜耦合模型體系，以便提供水質(zhì)預報、風險預警、污染溯源、生態(tài)調(diào)度等差異化、多元化服務。同時以此為基礎(chǔ)，形成集群體系，且不同業(yè)務之間保持獨立性，同時利用控制中心進行各類數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和互調(diào)，完成數(shù)據(jù)交互。在負載監(jiān)控的功能作用下，可以對不同節(jié)點的實時信息展開綜合性分析和匯總，通過特殊途徑使其在負載均衡服務器進行顯示。這種方式可以為系統(tǒng)管理員提供幫助，確保集群控制命令的貫徹落實。在該技術(shù)支持下，能夠結(jié)合實際需求，促進節(jié)點計算效率的提升，同時可以提高任務響應速度[4]。

3 實踐應用

3.1 水質(zhì)預報

通過智慧化管理云平臺的建設(shè)，可以形成完善的流域水質(zhì)自動化監(jiān)測體系，并對數(shù)值模型技術(shù)進行高效應用，從而對流域水質(zhì)進行有效實時監(jiān)控和預報，對水生態(tài)環(huán)境污染進行嚴格預防和控制[5]。在具體操作中，還要對云端各項功能作用進行有效性發(fā)揮和挖掘，并結(jié)合實際工作需求，形成系統(tǒng)完善的流域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量預報體系，對個性化預報技術(shù)進行融合應用，以便與水體環(huán)境管理需求目標保持契合性，形成全方位、多角度的水環(huán)境生態(tài)質(zhì)量預報體系，進一步提升預報效率和精度。在日常管理工作中，不僅需要通過自動作業(yè)方式進行預報，還需要通過模擬方式進行精準預測，這樣可以幫助工作人員為未來一段時間內(nèi)的水質(zhì)情況進行科學預測和判斷，預測精度較高，且可以定期推送到客戶端。

3.2 風險預警

在智慧化管理模式下，可以對各類智能化、信息化技術(shù)進行融合應用，如對水污染預警技術(shù)的合理應用，能夠自動識別流域潛在的風險，并對其進行主動性監(jiān)管和防控，最大限度減少流域風險問題的發(fā)生概率。通過對水污染預警技術(shù)的有效應用，可以對流域風險進行精準識別，其中流域運行過程中的潛在風險包含很多類型，涉及流域水動力風險、水環(huán)境風險等，要對各類風險特征進行詳細匯總和分析，從而對這些數(shù)據(jù)進行全面采集和分析整理，對水環(huán)境生態(tài)過程進行云端實時動態(tài)模擬，以最快速度對未來一段時間內(nèi)的流域污染事件演進過程進行模擬[6]。此外，還需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行全面收集和整理，將其與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進行比較，并按照相關(guān)指標特征，對其進行不同等級的風險劃分，實現(xiàn)全方位、深度化的警情分析工作，這樣可以對風險爆發(fā)的具體時間、范圍、程度等信息進行精準預測，同時及時發(fā)布靜態(tài)、動態(tài)數(shù)字流域預警地圖。

3.3 追蹤溯源

在流域環(huán)境保護和治理工作中，需要對流域突發(fā)污染情況展開全過程動態(tài)跟蹤，并對污染原因進行全面追溯。只有通過這種方式，才能為突發(fā)水污染事故的應急處置提供詳細的參考依據(jù)，同時保障追責補償制度的有效落實，真正達到流域生態(tài)環(huán)境保護目標的實現(xiàn)。在智慧化管理模式下，需要通過管理云平臺的功能作用，對事故監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析，同時通過云端技術(shù)進行科學預測，并對兩者的數(shù)據(jù)進行對比分析，這樣可以幫助工作人員快速定位水質(zhì)異常點。在此背景下，還需要對各類相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)取和分析，其中包含水質(zhì)異常點具體位置、周邊水動力、水質(zhì)數(shù)據(jù)等，從而快速查找污染源排放位置。在智慧化管理模式下，可以通過各類技術(shù)進行融合應用，以便對污染源排放過程進行精準模擬，這樣可以對可能存在的污染源進行篩選、排查，并用最短時間明確具體的污染位置。智慧化管理模式能夠為流域應急管理部門的工作提供幫助，使其能夠迅速定位污染源頭，并從根本上切斷污染傳播途徑。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)各類應急資源的有效性調(diào)度和使用，提高資源利用率，為突發(fā)污染事故的快速處理創(chuàng)建良好條件，為流域生態(tài)環(huán)境保護工作的開展提供科學決策。

3.4 完善生態(tài)調(diào)度

水資源來源不同，在差異化的調(diào)度方式下，會出現(xiàn)差異較大的健康狀態(tài)。在智慧化管理模式下，需要對該類差異情況進行全方位、多角度評估，這樣可以對流域各方面情況進行全面掌握與了解，為流域生態(tài)環(huán)境保護和治理提供依據(jù)，同時可以促進生態(tài)調(diào)度工作的順利進行，綜合提升生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。在實際工作中，需要結(jié)合各類調(diào)蓄情況的差異性，對水華現(xiàn)象較為頻繁的區(qū)域進行詳細調(diào)查和分析，并對該區(qū)域的水動力情況、水質(zhì)特征等進行精準掌握。此外，還需要對魚類全生命周期活動與生存環(huán)境條件的相互關(guān)系進行深入剖析。在以上基礎(chǔ)上，可以對 流域定量生態(tài)調(diào)度方式進行分析，形成仿真模擬方案，并對具體方案的實施條件展開精準性、全面性評估，這樣才能優(yōu)化水質(zhì)調(diào)度方案的有效實施，提升生態(tài)調(diào)度決策的科學性和可行性，為整體流域生態(tài)環(huán)境治理與保護工作的開展奠定良好的基礎(chǔ)[7]。

3.5 提升綜合效益

智慧化管理模式能夠在流域環(huán)境保護管理工作的開展中發(fā)揮重要作用，尤其能夠進行流域水華控制工作，并對水污染防控工作提供數(shù)據(jù)支撐，同時還可以對水質(zhì)水量進行快速、精準預測。此外，還能夠在工程調(diào)度管理中發(fā)揮推動作用。該模式的應用，既可以優(yōu)化生態(tài)環(huán)境效益，同時還可以進一步提高經(jīng)濟效益，對流域環(huán)境保護工作的開展提供保障，并對各類風險進行精準防控，減少流域風險發(fā)生概率[8]。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)化水平的提升，人類活動強度增加，對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成嚴重污染和破壞，如流域水質(zhì)惡化、突發(fā)水污染事故、飲用水安全隱患等，非常不利于流域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，甚至對人類健康造成很大的潛在威脅。基于此，需要結(jié)合實際情況，對云計算、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等進行融合應用，構(gòu)建流域環(huán)境保護管理云平臺，實現(xiàn)流域環(huán)境智慧化管理，強化綜合性治理，改善流域生態(tài)環(huán)境，提升流域環(huán)境管理水平，真正實現(xiàn)水質(zhì)預報、風險預警、污染溯源和生態(tài)調(diào)度的智慧化、高效化管理。