基于物联网和大数据技术的立体化水环境监管系统建设

魏建勋 张楠

（1. 辽宁省阜新生态环境监测中心，辽宁阜新 123000；2. 阜新市生态环境保护服务中心，辽宁阜新 123000）

1 引言

阜新市位于辽宁省西北部、内蒙古科尔沁沙漠南缘，是半干旱缺水型城市。细河是大凌河一级支流，也是阜新市城区及下游沿岸主要纳污河流，由于污水排放治理滞后，曾长期处于重污染状态。“十二五”以来，阜新市开展了大规模细河综合整治工作，细河水质明显改善，但由于细河流域生态水极度匮乏，细河水量少且主要来源于城市污水处理厂及下游产业园区排水，污染源排放变化极易造成细河水质波动。与此同时，阜新市现有污水处理厂运行过程缺乏精细化控制，水环境和污染源监测、监控能力欠缺，数据整合与综合分析手段应用不足，无法有效实现环境问题的实时预警和应急响应。为此，搭建“天地空”立体化监控管理体系［1］，提高流域水环境和污染源智慧化管理水平，对于细河流域水环境质量管理具有重要意义。

2 水环境监管系统组成及功能

围绕实现细河水质稳定达标和不断改善，阜新市结合现行环保政策和环境管理实际需求，通过新建及整合细河流域监测、监控手段，依托物联网、云计算、大数据等信息化技术，搭建了由软件平台、现场监控端、手机APP 等组成的水环境立体化监管系统，具备实时监控、综合分析、信息报告、辅助决策等功能，极大地提升了服务于水环境管理的监管水平［2-3］。

2.1 软件平台

2.1.1 污染源信息系统

以污染源信息库为基础，对污染源基本信息、排放信息等进行管理。基于电子地图，实现污染源信息管理和分析统计的可视化。通过排放量对比分析、行业分析、综合分析等方式，实现污染源统计分析。利用综合达标评价、单项达标评价、综合达标率评价、单项达标率评价等方法，对污染源进行达标评价。同时，对污染源在线数据进行异常分析、研判、预警，为细河流域环境管理提供直观、高效、便捷、综合性的管理手段。

2.1.2 水环境质量系统

基于GIS 系统，实现流域水质自动监测站的布局，完成从监测数据的收集、质量评价到水环境质量数据统计分析等管理功能，对水质监测异常数据进行分析、研判、审核修正和超标报警。系统汇集了细河流域水文、水质监测数据和水环境质量基本信息，已初步形成水环境“数据舱”，具备水环境质量和污染物排放等数据统计功能、水质变化趋势和污染物浓度变化等分析功能、水环境质量评价和水质达标限值展示功能。系统整合了细河流域视频监控资源，实现了监控图像实时查看、监控画面采集、历史图像查询等功能。通过3D 技术实现了水质自动监测站房三维可视，有效提高了信息的可读性和交互效率。

2.1.3 水环境预警应急系统

结合历年细河流域相关数据和统计资料，基于现有的数据和模型元数据库、样例数据库和模型库以及数据标准研究成果和国家相关标准，对细河流域各种已有基础数据及环境专题数据审核，进行异常数据校准、修正、整合处理，建立了完善的细河流域生态数据库。依据细河流域内的工业源、农业源、生活源、集中式污染治理设施等，综合考虑社会经济发展、水资源保障、污染源和水质等方面因素，建立细河流域的动态风险源数据库，实现风险源基本信息管理和污染源等级判定。建立细河流域应急响应策略库，为流域突发水污染环境事件的趋势判断、污染溯源，突发事故应急指挥管理提供决策分析。

2.1.4 水环境监管决策系统

基于流域水质和污染源数据库，实现水环境质量综合管理、辅助决策、水质考核及跨界调处等功能。根据排污许可限定的排污浓度和排放量，结合污染源在线监控数据，实现浓度、总量“双控制”。以流域监测数据为基础，采用可视化动态模拟污染物扩散建模技术，实现污染物传输轨迹路线模拟和特征污染物溯源。河流污染物传输扩散模型依据瞬时点源排放模型，设定河流为顺直均匀的一维河流，按下式计算：

式中，C（x，t）为瞬时点源下游距离x 处、时间t 时的浓度，mg/L；u 为河流流速，m/s；M 为溶解的污染物总量（小于或等于排放量），g；AC为河流横断面面积，m2；DL为河流纵向离散系数，m2/s；K 为衰减系数。

2.2 现场监控端

2.2.1 水质自动监测站

水质监测是反映河流水质情况的最直观表现手段。随着自动化技术、计算机应用技术的不断发展以及智慧监管概念的深入，水质监测方法也不再局限于传统的定时采样、实验室分析，而是进一步扩充到水质自动在线监测［4］。阜新市现有国家级水质自动监测站1 个，监测项目包括高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮和常规五参数等指标。由于细河沿线较长，跨多个县区，为了实时掌握细河主要河段水质情况，阜新市在细河干流建设3 个市级水质自动监测站，并增加氟化物等特征污染物监测指标，实现重点断面水质实时监测，及时发现问题并精确锁定污染河段，辅助考核。

2.2.2 污染源在线监测系统

污染源在线监测是对点源进行监控的重要手段，可以实时、远程监控污染源排放情况。阜新市现有54 家排水企业在线监控设施，通过建立机制对各污染源在线监测设施实施常态化、规范化管理，实现对企业排水及时预警和科学管理。当断面水质发生异常变化时，可通过污染源在线监测数据辅助开展污染追溯，反之，也可以按照河流水质变化动态控制污染源源头排放，实现对排污企业精细化管理。

2.2.3 污水处理厂过程监管系统

阜新市细河流域现有城市污水处理厂5 座、园区污水处理厂3 座。细河水量的2/3 以上来自于污水处理厂排水，污水处理厂运行与排放水平对细河水质达标具有重要影响。新建立的污水处理厂过程监管系统则是通过对污水处理厂全过程各关键节点安装数据采集等设备，通过专家算法，实现各关键节点参数实时监控、收集分析、研判预警，帮助运营单位实现工艺运行优化和节能减排，实现环保监管由末端排水向工艺过程前移，能够有效预防排水异常问题出现。

2.2.4 视频监控天眼

细河城市下游沿岸既有重污染的氟化工和皮革等众多企业，也涉及大面积的农业种植、畜禽养殖等产业和生活污染源，如果疏于监管则存在河道和沿岸偷排偷放的风险隐患。传统环境执法涉及环保、水利、农业等部门，责任交叉，既耗费大量人力资源，且时效性较差，因此，存在“发现目标难，确定位置难，分析空间信息难”等特点［5］。阜新市在细河流域重点河段、主要排污口、近河主要路口和各产业园区等处布设50 套视频监控设施，构建立体化监控网络，实现24 h 实时监控。通过污染源、断面与流域内的视频监控有效关联，大大提高了环境执法的效率，有效降低了环境违法行为的发生。

2.2.5 无人机遥感监测

由于地形复杂、植被影响等，河流的排污监管人员往往无法方便进入现场，致使排污口情况掌握不清；部分企业私设暗管，污水不经处理直接排入市政管网或地表水体，持续带来污染影响。随着科技水平的不断提高，无人机被广泛应用于生态环境领域，较好地解决了因地形复杂难以实施检查等问题，降低了户外调查工作量，提升了环境执法管理的工作效率［6］。为此，阜新市配备了2 套无人机及热成像设备以及1 套智能全影像探测雷达，用于河流排污口巡查和陆域污水私接偷排管线的检测排查，全面提升了执法监测技术水平。

2.2.6 水文数据自动监测

细河下游未设置水文监测站，因缺少水文数据使污染物排放总量分析和控制带有一定局限性。阜新市环保部门在细河干流关键位置安装了2 套水文监测设备，实现流量等水文数据的实时监测、实时传输，使污染负荷、污染贡献量分析更加科学，污染物排放量控制更加精准。

2.3 掌上APP 移动办公系统

APP 客户端具备实时多点接收、流动查看等功能，针对日常办公的需要，打破了空间和时间的限制，使管理人员能够第一时间了解水质监测与预警情况、污染源超标情况、视频监控图像情况，可以利用空间地图的方式查看水质自动监测站及污染源在线监测数据情况，更加直观、便捷地实现移动化管理功能。同时，基于Quartz.NET 构建统一任务调度中心，实现数据自动提取。通过企业微信API 中间件，将数据及时推送到用户微信，实现预警预报功能，并利用单应用的OAuth2.0 授权机制，保证数据的安全。

3 应用效果

细河流域水环境监控管理系统已应用于阜新市生态环境执法和管理等领域。系统自运行以来，各子系统在统一平台下有效融合，数据源无缝连接，实现了不同应用系统之间数据和功能的互操作，打破了“信息孤岛”，实现数据共享。基于污染源基础信息、水质监测数据和河流污染物传输扩散模型，实现水质污染物溯源，为流域污染控制提供科学依据。浓度、总量双控制等辅助决策功能，支撑水环境管理从目标总量管理向容量总量管理转变，从特征污染物管理向水质管理转变。基于“互联网＋环保”新路径，将线上监测、监控与线下网格化监管体系有机融合，管理人员通过访问系统平台和手机APP 便可实时掌握细河水质和污染源情况，实现了流域污染源和水环境质量实时动态监控、监管。同时，系统通过微信群功能，自动推送水质和污染源超标等信息，实现及时预警预报功能。系统的有效运用，全面提升了流域水环境现代化综合管理水平。

4 结论与展望

构建“监管、应急、服务”三位一体的智慧化水环境监控管理系统，并应用于环境管理领域，在推动阜新市水环境质量持续改善等方面发挥了积极作用，对于北方缺水型城市具有典型的借鉴意义。系统目前还存在一定的制约因素，如部分环境信息尚未实现联网、水质预警预报模型的建立和水环境分析评价基础上的治理决策综合支撑功能还存在一定的局限性。随着“十四五”环境治理能力现代化建设推进，以及物联网、大数据、人工智能同生态环保领域的深度融合，数据的互通互联共享将进一步深化，水环境质量预报预警技术将逐步提升，移动站、微型站、无人船遥感技术等监测手段也将更加普遍地应用于水环境监测和监管领域。智能化环境监测监管系统将进一步拓展应用于生态环境各领域，使环境治理更加规范化、精准化和科学化，最终实现环境治理能力现代化。