劉 凱，彭理謙，閆文生，范勇強

(成都市環(huán)境保護信息中心，成都 610041)

1 引 言

1.1 國家、省、市水環(huán)境現(xiàn)況

當(dāng)前，我國水環(huán)境質(zhì)量[1]總體上是向好的，但形勢依然嚴峻，存在流域生態(tài)破壞現(xiàn)象依舊較普遍、部分支流和湖泊污染嚴重等問題，2017年全國地表水污染較嚴重(Ⅳ～劣V類)的占32%。四川河流眾多，水質(zhì)情況不容樂觀，成都是西部地區(qū)中心城市，主要水系為岷江和沱江，水資源總量較豐富但人均水量少，存在水環(huán)境生態(tài)承載力不足等問題，2017年地表水污染較嚴重的占32%，地下水和黑臭水體問題較多。

1.2 水環(huán)境治理目標

為全面提升水環(huán)境質(zhì)量，國家發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)水污染防治行動計劃的通知》(即國家《水十條》)，四川省和成都市也相應(yīng)制定了省、市《水十條》，確定了總體目標。成都市針對總體目標發(fā)布了污染防治“三大戰(zhàn)役”實施方案等文件，進一步細化目標，2019年將全面完成府河、江安河、新津南河、毗河等重點流域治理工作，消除劣V類水體，到2020年岷江、沱江成都流域納入國家和省考核的斷面水質(zhì)達到考核要求。

1.3 水環(huán)境管理信息化建設(shè)頂層設(shè)計必要性和可行性

1.3.1 必要性

成都市水環(huán)境管理信息化建設(shè)相比沿海等一線城市較晚，雖然已建立了部分水質(zhì)監(jiān)測[2]、污染源填報系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)建設(shè)較為零散、使用用戶有限、不能支持水環(huán)境全業(yè)務(wù)流程、無全局性決策分析等功能。為順利完成水環(huán)境治理戰(zhàn)役目標，根據(jù)當(dāng)前成都市經(jīng)濟處于高速發(fā)展、污染排放量大、管理人力物力有限的情況，必須通過頂層設(shè)計充分利用信息化手段，促進水環(huán)境信息化建設(shè)，提升管理和決策效能。

1.3.2 可行性

當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)[3]、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)為智慧城市建設(shè)提供了新思路，成都市政府高度重視城市信息化建設(shè)，IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。水環(huán)境管理信息化建設(shè)頂層設(shè)計具備技術(shù)基礎(chǔ)。

成都市成立了市大數(shù)據(jù)辦，統(tǒng)籌全市各部門數(shù)據(jù)共享，可充分利用市大數(shù)據(jù)辦職能，促進部門間業(yè)務(wù)系統(tǒng)無縫對接。水環(huán)境信息化建設(shè)頂層設(shè)計具備數(shù)據(jù)和管理基礎(chǔ)。

成都市已建起環(huán)境數(shù)據(jù)中心、信息發(fā)布平臺、環(huán)境監(jiān)察執(zhí)法、應(yīng)急管理等信息化系統(tǒng)。水環(huán)境信息化建設(shè)頂層設(shè)計具備項目實施基礎(chǔ)。

2 頂層設(shè)計

水環(huán)境信息化建設(shè)是一項綜合工程，涉及業(yè)務(wù)功能、技術(shù)架構(gòu)、規(guī)范與制度、用戶體驗、外部協(xié)作等，結(jié)合成都市智慧城市建設(shè)要求、成都市大數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)，整合各方資源，適應(yīng)未來3～5年的業(yè)務(wù)發(fā)展，提出成都市水環(huán)境信息化建設(shè)設(shè)計思路[4]。

2.1 建設(shè)原則

2.1.1 業(yè)務(wù)主導(dǎo)，以用定建

為全面提升業(yè)務(wù)管理工作能力，信息化建設(shè)必須始終以應(yīng)用為主導(dǎo)，深入梳理水環(huán)境管理各項業(yè)務(wù)工作，結(jié)合信息化技術(shù)，在實現(xiàn)現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，進一步提出優(yōu)化工作模式，促進管理效率提升。

2.1.2 全面協(xié)同，集中共享

水環(huán)境管理是一項長期、重點工作，信息化建設(shè)須考慮其開放性、兼容性和擴展性，以適應(yīng)未來工作的擴展、調(diào)整和協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)是水環(huán)境信息化建設(shè)的基礎(chǔ)和核心，搜集、匯集和共享全市各類涉水?dāng)?shù)據(jù)資源，推動全市協(xié)調(diào)管理和科學(xué)決策。

2.1.3 標準規(guī)范，制度保障

建立水環(huán)境管理有關(guān)技術(shù)標準規(guī)范和管理制度[5]，確保信息化建設(shè)標準化、規(guī)范化以及可持續(xù)發(fā)展。

2.2 業(yè)務(wù)功能設(shè)計

成都市水環(huán)境管理對外與國家、省、市、區(qū)縣(鄉(xiāng)鎮(zhèn))、企業(yè)互通，以及與市氣象、水務(wù)、工商等多個部門協(xié)同，對內(nèi)與環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)察執(zhí)法、應(yīng)急等多個處室單位交互，用戶多、信息來源廣。水環(huán)境管理重點業(yè)務(wù)包括：對地表水、飲用水、湖庫、地下水及黑臭水體等質(zhì)量監(jiān)測，對涉水污染源的監(jiān)管，水環(huán)境業(yè)務(wù)工作管理及決策分析等。通過對業(yè)務(wù)需求深入分析、歸納總結(jié)，將業(yè)務(wù)功能設(shè)計成水環(huán)境質(zhì)量、涉水污染源和水污染防治管理3大類，如圖1。

圖1 成都市水環(huán)境管理業(yè)務(wù)分類Fig.1 Classification of water environment management business in Chengdu

2.2.1 水環(huán)境質(zhì)量管理

圍繞全面說清成都市水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)況的命題，水環(huán)境質(zhì)量管理工作包括對地表水、飲用水、地下水和黑臭水體的管理，具體工作包括省、市和區(qū)縣水質(zhì)手工監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示，水質(zhì)月報評估、水質(zhì)變化、趨勢分析、預(yù)警預(yù)報、區(qū)縣水質(zhì)評估等。用戶主要包括市級領(lǐng)導(dǎo)、其他政府部門、局領(lǐng)導(dǎo)和水環(huán)境管理處(即水處)、有關(guān)事業(yè)單位和區(qū)縣環(huán)保局、涉水企業(yè)和社會公眾，業(yè)務(wù)功能設(shè)計如圖2。

圖2 水環(huán)境質(zhì)量管理框架Fig.2 Framework of water environmental quality management

2.2.2 涉水污染源管理

污染源是造成環(huán)境污染的主要來源，涉水污染源管理重點工作包括對工業(yè)企業(yè)、園區(qū)、農(nóng)村污染源及河道排污口等的管理，包括對污染源基本信息、排污信息等情況掌握和監(jiān)管。用戶主要包括局領(lǐng)導(dǎo)和水處、有關(guān)事業(yè)單位和區(qū)縣環(huán)保局、企業(yè)。業(yè)務(wù)功能設(shè)計如圖3。

圖3 涉水污染源管理框架Fig.3 Framework of water-related pollution sources management

2.2.3 水污染防治管理

水污染防治管理[6]是為改善水質(zhì)制定的系列政府措施，主要包括成都市“水十條”工作任務(wù)、部門與區(qū)縣目標考核、重點工程項目等。管理用戶包括局領(lǐng)導(dǎo)和水處、有關(guān)事業(yè)單位和區(qū)縣環(huán)保局、企業(yè)等。業(yè)務(wù)功能設(shè)計如圖4。

圖4 水環(huán)境污染防治管理框架Fig.4 Framework of prevention and control of water pollution management

2.3 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

2.3.1 整體框架設(shè)計

成都市水環(huán)境管理信息化系統(tǒng)(以下稱水系統(tǒng))整體架構(gòu)如圖5。

圖5 成都市水環(huán)境管理系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.5 Overall structure of Chengdu water environmental management system

圖5中實線部分是水系統(tǒng)，虛線部分是外部系統(tǒng)。水系統(tǒng)整體框架可分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、標準規(guī)范和安全運維體系。

基礎(chǔ)層是為系統(tǒng)運行所必須的網(wǎng)絡(luò)、儲存、計算等，采用成都市政務(wù)資源云平臺作為基礎(chǔ)層支撐。數(shù)據(jù)層包括涉水相關(guān)的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等，按照標準規(guī)范和流程進行管理。應(yīng)用層實現(xiàn)水環(huán)境管理具體業(yè)務(wù)功能，根據(jù)業(yè)務(wù)梳理，設(shè)計相關(guān)子系統(tǒng)。標準規(guī)范體系，結(jié)合實際制定和完善成都市水環(huán)境標準規(guī)范。運行維護體系和安全保障體系，根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和安全等級制定詳細制度。

2.3.2 技術(shù)路線

采用基于信息化通用主流技術(shù)、大數(shù)據(jù)和移動技術(shù)。通用技術(shù)包括B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)、Web Services技術(shù)、XML技術(shù)、面向?qū)ο?、組件式開發(fā)等；數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的結(jié)合；GIS(地理信息系統(tǒng))采用的主流GIS平臺，如Arc GIS等；大數(shù)據(jù)平臺采用成都市政務(wù)云平臺提供的云計算資源，包括云存儲、分布式系統(tǒng)、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、機器學(xué)習(xí)等；移動技術(shù)采用主流的移動平臺技術(shù)，如開源的Android系統(tǒng)。

2.3.3 外部系統(tǒng)對接

水環(huán)境系統(tǒng)與多個外部系統(tǒng)對接，根據(jù)外部系統(tǒng)的特點，采用不同對接方式，如圖6。

圖6 水環(huán)境管理系統(tǒng)與外部系統(tǒng)對接Fig.6 Structure of interface between water environment management system and external system

由圖6可知水系統(tǒng)與外部系統(tǒng)對接，主要采用數(shù)據(jù)中心交換平臺和數(shù)據(jù)接口2種方式。

2.3.3.1 通過數(shù)據(jù)中心交換平臺對接方式

水系統(tǒng)與局數(shù)據(jù)中心聯(lián)通，數(shù)據(jù)中心再與其他系統(tǒng)對接，通過數(shù)據(jù)交換的方式，實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通。其中，數(shù)據(jù)中心交換平臺是關(guān)鍵，它通過省政務(wù)一體化交換平臺、市大數(shù)據(jù)交換平臺與省、市其他系統(tǒng)直接對接或者通過接口直接與其他系統(tǒng)對接。對接技術(shù)包括中間數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)接口、標準傳輸協(xié)議[7]等。

系統(tǒng)對接應(yīng)優(yōu)先考慮本方式，其優(yōu)點有：(1)充分利用交換平臺資源，節(jié)省開發(fā)成本。水系統(tǒng)通過標準協(xié)議的可迅速實現(xiàn)與交換平臺對接，交換平臺與其他系統(tǒng)通過自身多種協(xié)議實現(xiàn)對接，據(jù)統(tǒng)計水系統(tǒng)與10多個其他部門有數(shù)據(jù)交互，如果直接對接需要開發(fā)大量接口程序；(2)有利于系統(tǒng)擴展、數(shù)據(jù)共享。通過與市大數(shù)據(jù)交換平臺，可與市各部門進行數(shù)據(jù)共享，避免了業(yè)務(wù)系統(tǒng)緊耦合和數(shù)據(jù)孤島。

2.3.3.2 數(shù)據(jù)接口方式

水系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口直接與其他系統(tǒng)對接。此方式僅適用于水系統(tǒng)與其他系統(tǒng)在業(yè)務(wù)上有密切業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系且實時性要求高的情況，如任務(wù)派發(fā)、實時辦理等。

2.4 標準規(guī)范及機制建設(shè)

2.4.1 標準規(guī)范

水環(huán)境信息化標準規(guī)范可分為水環(huán)境質(zhì)量、污染源及技術(shù)規(guī)范[8]等3類，如表1。

表1 水環(huán)境標準規(guī)范Tab.1 Standards of water environment

2.4.2 機制建設(shè)

水環(huán)境管理機制建設(shè)包括水系統(tǒng)安全運維、數(shù)據(jù)持續(xù)更新、監(jiān)控值守、預(yù)警預(yù)報等管理機制，如表2。

表2 水環(huán)境機制Tab.2 Mechanism of water environment

3 水環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)

為全面支撐水環(huán)境系統(tǒng)建設(shè)，需要構(gòu)建成都市水環(huán)境大數(shù)據(jù)[9]，融合局內(nèi)各業(yè)務(wù)單位、區(qū)縣環(huán)保局、其他政府部門、企業(yè)、網(wǎng)站等幾十類不同來源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源梳理如表3。

表3 水環(huán)境大數(shù)據(jù)Tab.3 Big data of water environment

水環(huán)境大數(shù)據(jù)包括文本、表格等格式化數(shù)據(jù)，以及圖片、視頻、網(wǎng)頁等非格式化數(shù)據(jù)，已匯聚數(shù)據(jù)約1TB,主要為水環(huán)境質(zhì)量和污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)年增長約2TB，增長量主要是在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和視頻圖片數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的總量和增長量是水系統(tǒng)持續(xù)升級建設(shè)的重要依據(jù)。

4 重點應(yīng)用

4.1 水域污染物通量計算

為實時掌握指定區(qū)域水污染物產(chǎn)生和流通狀況，系統(tǒng)設(shè)計了水域污染物通量計算功能[10]。將水系圖通過上下游關(guān)系進行抽象，監(jiān)測點形成邏輯上相對出/入水關(guān)系，利用污染物因子、濃度、水流量等實時監(jiān)測值可計算出指定水域的污染源通量。監(jiān)測站點按行政區(qū)劃進行空間屬性劃分，可快速的計算和顯示出該區(qū)(市)縣入境斷面、控制斷面和出境斷面污染情況，如圖7。

圖7 水域污染物通量計算示意圖Fig.7 Diagrammatic sketch of pollutant flux in water

建立全市22個區(qū)(市)縣水域污染物通量計算功能，結(jié)合日/月/季/年統(tǒng)計，能較全面地反映區(qū)域、流域水污染情況，替代原手工監(jiān)測、人工估算方式，極大提高了管理效率和考核準確性。

4.2 水環(huán)境綜合決策

利用水質(zhì)監(jiān)測因子實時值、趨勢、同比、環(huán)比統(tǒng)計，以及河流水量、周邊污染源、考核指標等數(shù)據(jù)，借助傳統(tǒng)水質(zhì)模型分析、大數(shù)據(jù)技術(shù)等手段，對監(jiān)測點、河段、流域、區(qū)域進行分析，為決策提供支撐，如圖8。

圖8中顯示成都出江鐵索橋斷面水質(zhì)類別變化趨勢、污染因子變化趨勢、斷面考核指標等情況，系統(tǒng)結(jié)合斷面附近污染源空間分布進行分析，得出當(dāng)前該斷面氨氮含量偏高的問題，給出了重點加強該流域氨氮排放管理工作的診斷結(jié)論，并列出周邊氨氮排放主要污染源企業(yè)，為管理和決策者迅速制定精準管控措施提供依據(jù)。

圖8 水環(huán)境綜合決策分析Fig.8 Comprehensive analysis and decision of water environment

5 問題與辦法

水環(huán)境管理每年工作重點不同、管理越來越精細、時效性要求更高，水環(huán)境信息化也必須加強系統(tǒng)建設(shè)，重點是夯實水環(huán)境大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和加強數(shù)據(jù)分析利用。針對水環(huán)境大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)薄的問題，一是利用市大數(shù)據(jù)辦統(tǒng)籌協(xié)調(diào)全市各部門數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢，全面匯集其他部門涉水?dāng)?shù)據(jù)，二是加強水質(zhì)監(jiān)測站點建設(shè)，提高水環(huán)境數(shù)據(jù)生產(chǎn)能力。針對數(shù)據(jù)分析利用水平不高的問題，一是要深入挖掘業(yè)務(wù)管理需求，通過數(shù)據(jù)應(yīng)用解決當(dāng)前實際問題，二是要利用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)引導(dǎo)管理創(chuàng)新，不斷提升決策水平。