金沙江下游流域生态环境管理与分析评价系统建设

李晓飞宫留留

(1.长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，武汉 430010；2.湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

金沙江下游水量稳定，水能条件之优越为世界少有，是中国水电开发的黄金地带之一。随着金沙江下游流域规划水电站的逐步实施，大规模的梯级水库的建设和运行将显著改变金沙江下游天然的水文过程、水沙分配比例，将会引起金沙江下游流域生态系统与环境状况的一系列变化[1]。为及时掌握水电开发对金沙江下游流域生态环境的影响，中国长江三峡集团有限公司(简称“三峡集团”)已经在金沙江下游开展了全面的、长期的生态环境监测，监测项目包括：地表水水质、水生生态、陆生生态、水温、泄洪雾化、气体过饱和等。

目前金沙江下游流域生态环境监测成果数据主要以报表、报告为主，各项环境管理成果没有建库，导致信息利用和信息服务能力不足，迫切需要利用信息化手段提升生态环境管理的效率和水平。

图1 系统总体架构

2 业务需求分析

系统的总体业务需求为：实现对金沙江下游大型水电工程所在区域生态环境管理信息和监测数据的统一储存、管理和分析评价[2]。具体包括：开发数据录入与管理系统，实现流域自动化监测信息的接入，流域生态环境管理信息、人工监测信息(地表水水质、水温、泄洪雾化、过饱和气体、水生生态、陆生生态)的录入，集成水文、气象数据，实现梯级电站施工过程水(生产废水、生活污水)、气(大气环境)、声(噪声)、渣(水土保持六项监测指标)监测信息，环境管理档案信息的入库；提供信息查询及数据输出功能，可实现按照监测时间、监测断面(区域)、某监测项目监测指标和值或范围的单一或组合条件的查询，提供环境报表生成及环境报告发布；提供水质、水生生态、陆生生态、局地气候等环境因子分析评价功能；提供水质水温模拟功能，可预测下游梯级水库丰、平、枯期水质变化特征以及坝前水温变化特征。

3 系统设计

3.1 系统总体架构

金沙江下游流域生态环境管理与分析评价系统包含资源层、数据层、平台服务层、业务应用层及用户层，系统总体架构如图1所示。

系统管理的数据资源包括：基本信息、流域环境监测信息、水电站环境监测信息、档案信息、水质水温模型及模拟结果信息。其中流域环境监测信息包括：水质(地表水、排污口、底泥监测数据)，水温(表层水温、垂向水温)，气象(温度、相对湿度、降雨量)，水文(水位、流量)，泄洪雾化(雾化形态、降雨强度分布、泄洪气象特征)，陆生生态(土地利用、土壤、植物、动物、古树监测)，水生生态(珍稀特有鱼、重要经济鱼、鱼类产卵场和繁殖生态，浮游植物、浮游动物、底栖动物的物种组成、现存量)，过饱和气体监测数据。

系统应用层包括数据录入与管理、信息查询与输出、评价分析及系统维护4个子系统。系统用户层包括中国三峡建设管理有限公司环境保护部，4个梯级电站建设部环保中心，施工区监测单位、环境监理及流域级专业监测单位。

系统开发完成后部署在三峡集团信息中心金沙江分中心，依托信息中心已有的安全保障体系及安全防护设备，保障系统的安全运行。

3.2 系统功能设计

(1)数据录入与管理。数据录入与管理实现对金沙江下游流域环管理基础信息，包括干支流信息，监测站网，监测断面，各水电基本信息，库区基本信息污染源、环境敏感点等信息的录入与入库；提供流域及梯级电站施工过程环境管理报表和生态环境监测规范表格等的批量导入及录入功能；提供金沙江下游流域生态环境管理相关影像档案、文档资料、法律法规、标准规范等数据的入库；提供与金沙江下游流域环境管理相关的新闻发布及管理。

(2)信息查询与输出。信息查询与输出模块提供环境管理基础信息查询；提供监测数据查询、历史数据对比、多站对比、沿程对比、达标率查询、综合查询、旬月特征值对比等多种查询方式，提供查询结果的图表展示及查询结果的输出；提供水质、水温监测数据统计分析；提供水质、水温、气体过饱和、水文等因子环境管理报表生成与导出；提供生态一张图展示，包括基本地图工具，河流、测站、水文站等名称快速查询及定位功能，流域环境监测指标沿程变化地图展示功能；提供档案目录结构浏览，档案信息关键字查询，可以根据档案的名称、归档的部门、归档日期、档案的类型、档案的标签等关键字实现档案信息的查询；提供对新闻公告、工作简报等环境管理相关新闻的查看。

(3)评价分析。分析评价子系统提供环境因子现状评价，水质水温模拟及环保工程运行效果监测。

环境因子现状评价提供地表水水质现状评价，提供水生生态多样性评价、陆生生态生境质量指数(HJ 192—2015)计算功能、提供水土流失强度分级及水土流失量预测功能、局地气候因子秩相关性系数等评价功能。

水质水温模拟推演结合环境流体动力学(EFDC)模型[3]，实现水质水温模拟在线计算。水质模拟在线计算用户可选择系统预制的水质模型，通过输入模型基本参数和模型边界条件，模拟平水期、枯水期、丰水期模拟区域不同时段化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)的浓度值；水温可以模拟不同边界条件下坝前沿程及垂向水温的变化。模拟结果提供模拟值与实测值的对比展示，模拟结果的图表及地图展示，及模型边界条件查看等功能。

环保工程运行效果监测展示环保措施运行工艺3D动画，展示各梯级电站生产废水、生活污水出口各监测指标达标情况。

(4)系统维护。系统维护子系统提供角色(权限)管理、数字字典管理及数据备份管理。

3.3 数据库设计

根据数据最终应用目的的不同，将系统数据库从逻辑上划分为：基础信息数据库、监测信息数据库、档案数据库、水质水温模拟数据库、模型及分析评价结果库以及系统管理数据库。基础信息数据库存储流域基础地理数据、干支流信息、监测站网信息、监测断面信息、梯级电站信息及库区环境信息；监测信息数据库存储流域环境监测信息及梯级电站环境监测信息；水质水温模拟数据库存储不同算例方案水质、水温模拟结果，边界条件，模型基本信息等；模型数据库中存储水质、陆生生态、水生生态、水土保持、局地气候等评价分析用到的各种模型、计算方法、计算结果等信息；系统管理数据库主要存储用户权限数据，系统运行日志数据及系统数据字典数据。

本项目中结构化数据存储在关系型数据库中，空间数据采用关系型数据库加空间数据引擎的方式存储管理，非结构化数据如文档数据、视频数据、影像数据文件等，使用分布式文件管理系统进行存储和管理。

3.4 生态一张图建设

系统基于生态一张图展示的需求，设计制作基础地理及生态环境专题地图，并发布成遵循开放地理空间信息联盟(OGC)标准的地图服务，为流域生态环境变化展示提供一张图服务。电子地图包含的具体内容包括：

(1)基础地理数据：包括长江流域水系、省级行政区划、居民地、注记、地貌晕渲等，金沙江下游流域水系、县级行政区划数据等。

(2)专题地理数据：包括长江流域国家重点水文站、水位站、雨量站，长江流水资源分区；金沙江下游流域梯级电站、水下地形测量断面，监测断面等数据。

(3)水质水温模拟数据：一二维水质模拟计算格网；水温模拟计算格网；水电站地形晕渲；水质、水温模型涉及水系及模型边界节点数据。

4 系统技术架构及功能实现

4.1 系统技术架构

金沙江生态环境系统建设采用基于全新的互联网架构和技术体系，以分布式、服务化为基本原则，在技术路线和架构上以开源、开放、自主可控为导向。整个平台的技术架构采用了目前主流的互联网技术体系，具体如图2所示。

图2 系统技术架构

整个平台以Zookeeper为核心进行服务的注册、协调；以微服务框架为基石进行业务服务和组件服务的封装和调用；以基础支撑服务与通用服务组件为业务应用提供支撑；在资源层由统一数据访问服务和资源库管理系统对数据进行统一管理，包括数据访问、存储、服务等，并对外提供标准的ODATA、JSON、WS服务接口；在界面层以JSP、JS、HTML为基础进行UI的开发；在门户层集成了三峡监管公司统一门户系统；在前端接入以Nginx为代理进行反向代理；在性能优化方面以Redis缓存为框架为平台及应用提供缓存服务。

4.2 系统关键技术

金沙江下游流域生态环境管理信息系统研发具有以下几方面的创新：

(1)揭示金沙江下游梯级水库水质水温空间分布特征及演变规律。系统构建金沙江梯级水库全域和局部江段水质模型，通过模型研究可揭示天然水流沿河道的演进过程、污染物在水体中随时间和空间迁移过程，可预测不同水期(丰平枯)的水质变化特征；构建了金沙江梯级水库坝前水温模型，可对坝前水温的演变趋势和垂向分布进行定量预测，可预测不同水期(丰平枯)的坝前水温变化特征。

(2)实现了金沙江下游流域水质、水温模型的联机在线运算。金沙江下游流域生态环境管理信息系统采用半紧密式集成方式集成功能强大、源代码开放的EFDC模型[4-5]，实现了金沙江下游流域水质、水温模型的联机在线运算。即：水质水温模拟核心计算功能由EFDC提供，通过Java编程语言编制EFDC模型和推演系统之间的接口，将水质水温模拟推演核心计算模型和信息系统串连起来，该种集成方式保障了原有专业模型的正确性和可靠性，并降低了开发难度。研发成果实现专业模型软件的业务化运行，方便金沙江流域管理人员使用。

(3)基于WebGIS实现了水质、水温模型计算结果可视化展示。为了解决EFDC模型在模拟结果表现和空间分析能力上的不足，系统采用了基于WebGIS的EFDC水质、水温模型计算结果可视化展示方法[6]，通过EFDC模型计算网格GIS化、EFDC模型计算结果的存储优化设计、查询接口返回值的数据结构优化设计，Web前端渲染优化设计等手段实现了EFDC计算结果的高效存储、查询、传输及基于WebGIS可视化展示。

(4)实现了环境监测指标的一张展示[7]。系统从评价单元、图形符号、分级数和分级界限4个方面，设计了金沙江下游流域生态环境评价可视化方法，实现了环境因子沿程变化的地图展示。地表水水质根据查询时测站水质单因子评价结果，对测站所在水系进行渲染；水温根据查询时段测站水温最大值、最小值或平均值对测站所在水系进行分级渲染；气体过饱和根据查询时段测站DO/TGP饱和度，在100%、100%～110%及110%以上3个区间的测次占比对测站进行渲染；水生生态对珍稀特有鱼在监测时段不同断面的种类数进行渲染，对重要经济鱼在监测时段不同断面的样本量进行渲染，对产卵场空间分布进行渲染；陆生生态对不同样地的植被覆盖等级进行渲染；局地气候根据不同测站的温度、湿度、降雨量等监测信息进行专题图渲染。

4.3 系统功能实现

系统已于2019年4月研发完毕， 并在业主单位部署应用。 系统对流域生态环境管理、 监测数据进行分类组织， 设计并建设了结构合理、 信息完整的生态环境数据库， 提供环境管理数据的整合入库及后续的监测指标查询分析、 一张图展示、 环境影响综合评价(水质单因子及富营养化评价[8]、 珍稀特有鱼LCA资源评估[9]、 陆生生态生境质量指数计算[10])以及超标预警等功能。 系统的应用将辅助水电工程环保部门生态环境管理工作科学、 高效的开展。系统典型界面如图3所示。

图3 系统典型界面Fig.3 Typical interface of the system

5 结 语

金沙江下游流域生态环境管理信息系统的建设和实施，实现流域生态环境管理信息和监测数据的统一收集、存储、分析和管理。目前开发完成的流域生态环境系统是以三峡集团建设管理公司环保中心的日常业务管理为导向进行开发和设计的，主要面向基层管理人员，对于上层管理层的需求考虑不足。后续开发将结合最新互联网技术，加强对宏观统计指标，监测指标的年际变化趋势，以及不同监测指标之间的相关性进行分析，拓展环境监测大数据智慧化应用，为管理层决策提供宏观、直观信息服务、变化模拟及趋势分析。