三峽庫區(qū)水環(huán)境累積型風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警平臺(tái)業(yè)務(wù)化展示。
近日，由武漢大學(xué)牽頭，聯(lián)合四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站、重慶市環(huán)境科學(xué)研究院、湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局等單位完成的 “三峽庫區(qū)及上游流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警研究”課題，已經(jīng)順利通過業(yè)務(wù)化平臺(tái)第三方評(píng)估，即將通過課題驗(yàn)收。
本課題是“水體污染控制與治理”國家科技重大專項(xiàng)的課題之一。經(jīng)過三年的研究，該課題實(shí)現(xiàn)了三峽庫區(qū)及上游流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警業(yè)務(wù)化高精度模型“從無到有”的突破和業(yè)務(wù)化系統(tǒng)平臺(tái)“從有到優(yōu)”的進(jìn)步。課題所取得的標(biāo)志性成果能滿足國家環(huán)保業(yè)務(wù)化的需求，在四川、重慶、湖北等地進(jìn)行了示范應(yīng)用，能及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地輔助業(yè)務(wù)部門進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)處置，具有重大的環(huán)境效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
三峽庫區(qū)水環(huán)境亟待專業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警
流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警是提高國家防災(zāi)減災(zāi)能力的重要內(nèi)容，是確保水環(huán)境安全的前提與基礎(chǔ)。三峽工程是世界聞名的大型水利工程，該工程的實(shí)施以及庫區(qū)水位的逐漸提高已導(dǎo)致庫區(qū)水文情勢(shì)、地形地貌特征等自然條件的變化，在水庫蓄水和運(yùn)行期間都會(huì)對(duì)庫區(qū)、影響區(qū)乃至長(zhǎng)江全流域的自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。
由于庫區(qū)快速的城市化和城鎮(zhèn)化，高強(qiáng)度的人類活動(dòng)干預(yù)，使得在未來的10—15年間，三峽庫區(qū)水環(huán)境保護(hù)形勢(shì)將發(fā)生巨大變化，庫區(qū)支流水華風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，庫區(qū)水體發(fā)生突發(fā)性污染事故的可能性大大增加，庫區(qū)的環(huán)境管理出現(xiàn)了新常態(tài)，對(duì)環(huán)境保護(hù)工作提出了更高的要求。
在此背景下，本課題于2013年正式啟動(dòng)，在水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警的數(shù)據(jù)技術(shù)、模擬預(yù)測(cè)評(píng)估技術(shù)和業(yè)務(wù)化系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)上取得了創(chuàng)新性的關(guān)鍵技術(shù)，形成了具有廣泛適用性的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警成套設(shè)備，在生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設(shè)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估上，提出了科學(xué)合理的管理政策與建議。
“空—地—水”一體化水環(huán)境模型體系：5分鐘預(yù)測(cè)突發(fā)事故未來兩天演進(jìn)
據(jù)課題負(fù)責(zé)人張萬順教授介紹，該課題構(gòu)建了具有動(dòng)力學(xué)機(jī)理的、引入高效能計(jì)算技術(shù)的“空—地—水”一體化水環(huán)境模型體系，能實(shí)現(xiàn)兩小時(shí)內(nèi)預(yù)測(cè)三峽庫區(qū)水體20米精度內(nèi)未來兩天的水環(huán)境變化趨勢(shì)、5分鐘內(nèi)模擬預(yù)測(cè)突發(fā)事故未來兩天內(nèi)的演進(jìn)過程；實(shí)現(xiàn)了對(duì)三峽庫區(qū)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的高精度、高效率評(píng)估與預(yù)警，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地模擬預(yù)測(cè)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的“發(fā)生時(shí)間、發(fā)生區(qū)域、影響范圍以及影響程度”，解決了水專項(xiàng)實(shí)施前環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警局限在局部區(qū)域和小尺度，且模型模擬精度無法滿足業(yè)務(wù)需求的問題。
該體系將被動(dòng)的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理提升為自動(dòng)化預(yù)測(cè)與管理，極大地提升了業(yè)務(wù)部門對(duì)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)能力，有效地保障了庫區(qū)的水環(huán)境安全，該體系在技術(shù)上的創(chuàng)新點(diǎn)表現(xiàn)在：
（1）構(gòu)建了能按業(yè)務(wù)化需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合的“空—地—水”一體化模型體系。基于流域大氣、陸地、水體的物質(zhì)能量循環(huán)流動(dòng)機(jī)理，通過改進(jìn)氣象數(shù)值模型、陸地模型和水動(dòng)力-水質(zhì)-水生態(tài)模型，針對(duì)業(yè)務(wù)化水環(huán)境管理的需要，提出了“空—地—水”一體化水環(huán)境模型的動(dòng)態(tài)耦合模式，實(shí)現(xiàn)模型間按業(yè)務(wù)需求進(jìn)行耦合以提供針對(duì)性的模擬服務(wù)。無論是突發(fā)事故模擬預(yù)測(cè)、水華預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)還是漂浮物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估或情景模擬，通過改變模型間的耦合方式，以一套模型實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)測(cè)需求。
（2）提出了“空—地—水”一體化模型的三級(jí)并行耦合計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了流域水環(huán)境模型的高效能計(jì)算。以流域環(huán)境大數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，以流域大尺度高精度計(jì)算為目標(biāo)，研究流域陸地模型、水動(dòng)力模型和水質(zhì)水生態(tài)模型的集成接口和并行計(jì)算耦合模式。基于空間分塊技術(shù)和并行技術(shù)，提出了耦合模型的遞進(jìn)并行啟動(dòng)模式和分段控制運(yùn)行方法，實(shí)現(xiàn)模型內(nèi)部—分塊—模型之間的三級(jí)并行耦合計(jì)算，將三峽庫區(qū)的三維水質(zhì)水生態(tài)計(jì)算網(wǎng)格精度提升到20米以內(nèi)。水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)精度和速度的提高，滿足了業(yè)務(wù)化管理對(duì)模擬預(yù)測(cè)速度和精度的需求，為“空—地—水”一體化模型支撐業(yè)務(wù)化水環(huán)境管理提供了基礎(chǔ)條件。
“空—地—水”一體化模型體系具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可伸縮性，可適應(yīng)于不同流域。
流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警智能云平臺(tái)：自動(dòng)識(shí)別發(fā)現(xiàn)并主動(dòng)監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)
基于SOA和SAAS構(gòu)架，突破分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)、模型集成技術(shù)，研究構(gòu)建了包含數(shù)據(jù)中心、計(jì)算中心、控制中心和業(yè)務(wù)中心的流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警智能云平臺(tái)。智能云平臺(tái)涵蓋了環(huán)境大數(shù)據(jù)下多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、集成、挖掘、共享技術(shù)體系和空—地—水一體化模型及其高效能計(jì)算方法，能為流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、智能化、服務(wù)化和業(yè)務(wù)化的支撐。平臺(tái)能按需進(jìn)行模塊組裝和集成，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化部署和運(yùn)行。
四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站、重慶市環(huán)境科學(xué)研究院、湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局的示范平臺(tái)自運(yùn)行以來，能及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)水體內(nèi)水質(zhì)濃度時(shí)空分布情況，突發(fā)污染風(fēng)險(xiǎn)和水華風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、發(fā)生范圍以及風(fēng)險(xiǎn)程度，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)發(fā)出預(yù)警。相比于專項(xiàng)開始前，將三峽庫區(qū)水環(huán)境管理的被動(dòng)監(jiān)管轉(zhuǎn)化到自動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別發(fā)現(xiàn)及主動(dòng)地監(jiān)控管理，在諸多的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警業(yè)務(wù)工作中得到了驗(yàn)證。
平臺(tái)能克服傳統(tǒng)流域模型體系由于串行計(jì)算引起的等待時(shí)間損耗、大尺度模擬運(yùn)算速度慢效率低的問題，并解決了資源重復(fù)建設(shè)浪費(fèi)的問題，極大地提高了流域水環(huán)境數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)器和計(jì)算器的使用效率。平臺(tái)能整合全流域的硬件資源和數(shù)據(jù)資源、實(shí)現(xiàn)全流域的水環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)以及突發(fā)事件應(yīng)急模擬與決策支持，以保障流域水環(huán)境安全。該系統(tǒng)平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：
1）集成分布式數(shù)據(jù)庫，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)等都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中，可適應(yīng)任意區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)需求。根據(jù)不同數(shù)據(jù)的不同特征，采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、NoSql多種數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)管理模式，實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定、存儲(chǔ)安全、并且彈性可擴(kuò)展。
2）通過數(shù)據(jù)規(guī)則引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，自動(dòng)識(shí)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并進(jìn)行告警；數(shù)據(jù)不足時(shí)，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，保證模型可始終穩(wěn)定運(yùn)行，從而確保系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化實(shí)現(xiàn)。
3）通過將大區(qū)域分割成小區(qū)域，大文件分解成小文件，單一進(jìn)程擴(kuò)充為多進(jìn)程的方式，化整為零、在空-地-水一體化模型的三級(jí)動(dòng)態(tài)并行耦合下，平時(shí)能按時(shí)定點(diǎn)穩(wěn)定預(yù)測(cè)未來幾天內(nèi)水環(huán)境狀況；戰(zhàn)時(shí)能自動(dòng)快速獲取流域內(nèi)的水文水質(zhì)和氣象數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件的快速評(píng)估和預(yù)測(cè)預(yù)警，并指導(dǎo)應(yīng)急監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置。
4）平臺(tái)以SOA和SAAS的開發(fā)理念構(gòu)建，模塊化和服務(wù)化的開發(fā)方式，用戶能按需進(jìn)行模塊組裝，實(shí)現(xiàn)為不同業(yè)務(wù)部門的提供針對(duì)性的服務(wù)。
5）課題組提出的水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理技術(shù)，高效能高精度的水環(huán)境模型以及“五化”系統(tǒng)平臺(tái)，適應(yīng)我國精細(xì)化環(huán)境管理的國家戰(zhàn)略需求和科技需求，能為我國新時(shí)代下的環(huán)境保護(hù)、治理與管理提供長(zhǎng)效的科技和設(shè)備支撐。
應(yīng)大力推廣流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)
課題針對(duì)流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警所涉及到的管理需求、政策方案以及落實(shí)流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)、控制、預(yù)測(cè)、預(yù)警，從突發(fā)環(huán)境事件經(jīng)濟(jì)損失分析、水環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)分析以及流域污染源解析和防治措施等方面提出了政策建議。包括：
（1）加強(qiáng)建設(shè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制
建設(shè)生態(tài)文明，必須建立系統(tǒng)完整的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體系，堅(jiān)持用系統(tǒng)論思維，以制度保護(hù)生態(tài)環(huán)境，著眼政府、企業(yè)、公眾責(zé)任主體三方聯(lián)動(dòng)，完善基于政府監(jiān)管、企業(yè)治理、公眾監(jiān)督三大責(zé)任主體的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管制度體系框架，構(gòu)建系統(tǒng)完備、科學(xué)合理、運(yùn)行有效的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管制度體系，完善生態(tài)環(huán)境法律、法規(guī)體系，優(yōu)化監(jiān)管主體結(jié)構(gòu)配置，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)管執(zhí)行力，建立地方負(fù)責(zé)人約談和離任生態(tài)環(huán)境審計(jì)制度，暢通公眾參與監(jiān)管機(jī)制。
（2）加強(qiáng)流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)建設(shè)
本課題所構(gòu)建的流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警平臺(tái)，經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn)以后，實(shí)現(xiàn)了三峽庫區(qū)水資源水環(huán)境的監(jiān)控預(yù)警業(yè)務(wù)化，平臺(tái)具備在線監(jiān)測(cè)、水質(zhì)預(yù)報(bào)、突發(fā)事件污染模擬、環(huán)境累積性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等功能，在重點(diǎn)斷面水質(zhì)預(yù)測(cè)、污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬等業(yè)務(wù)領(lǐng)域得到較好的運(yùn)用，對(duì)突發(fā)事件應(yīng)急過程中的應(yīng)急監(jiān)測(cè)、應(yīng)急處置可起到輔助決策作用。為減輕全國流域水環(huán)境突發(fā)環(huán)境事件造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，應(yīng)在我國大力建設(shè)和推廣流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)。
（3）建設(shè)流域長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制
依靠國家政府實(shí)施環(huán)境經(jīng)濟(jì)激勵(lì)引導(dǎo)，健全環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，完善法規(guī)，嚴(yán)格執(zhí)法管理，建立“決策者－科學(xué)家－公眾”三位一體的治河隊(duì)伍，強(qiáng)化節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，開展機(jī)制、政策創(chuàng)新，將流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)管理手段由主要依靠行政辦法的單一手段轉(zhuǎn)變?yōu)榧纫揽啃姓侄危忠揽空摺⒎伞⒔?jīng)濟(jì)、技術(shù)等綜合手段，建立流域的長(zhǎng)效保護(hù)機(jī)制。
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