智慧流域管理系统在海南“六水共治”中的应用与分析——以万泉河为例

覃茂运，王敏英

（海南省环境科学研究院，570105，海口）

一、背景及意义

2022年开始，海南省以水环境综合治理为突破口，全面开展治污水、保供水、排涝水、防洪水、抓节水、优海水“六水共治”攻坚战，将治水作为贯彻落实习近平总书记关于海南生态文明建设的重要指示批示精神和推进国家生态文明试验区建设的重大举措，要求各市县以流域为单元，将局部问题放在整个流域生态系统中去把握和解决，强化多污染源协同控制和区域协同治理。

目前，海南省各个流域水环境监管主要存在水质监测能力不足、流域生态环境数据共享程度低、流域协同治理尚未形成合力等问题。因此，有必要建立智慧流域信息平台，对流域相关数据进行综合处理和统计分析，为流域综合治理和监管提供数据与技术支持。本文结合海南省“六水共治”的部署要求，在省内率先以流域为单元，在分析万泉河流域信息化建设现状和存在问题的基础上，通过建立万泉河流域水环境综合管理系统和开展示范应用，为万泉河流域“六水共治”智慧化管理探索经验，同时也为数字孪生流域建设提供参考。

二、现状及存在问题

万泉河流域涉及琼海、万宁、琼中等6个市县，流域面积约3 692 km2。近年来，有关市县通过水质自动监测站、污染源自动监控平台、污水处理在线监管系统等系统建设和运用，水环境治理现代化水平得到明显提升。但对标“六水共治”、流域生态环境保护、数字孪生流域建设、经济社会高质量发展等要求，与突飞猛进的先进信息技术相比，万泉河流域在信息化建设、智慧决策等方面存在以下短板。

1.信息化建设方面

万泉河流域建立了多个水质自动监控站、水文监测站和污染源在线监控平台，但仍存在水质监测密度不足、水质自动监测程度低、预警能力较弱、感知体系不健全、治水工程智能控制与联合调度能力不足、水旱灾害防御及水资源管理与调配的信息化程度不高、信息基础设施薄弱、流域水环境信息共享模式尚未形成等问题，如流速、泥沙等水文要素监测依然以人工为主，信息资源分析利用水平较低，有必要建立流域生态环境信息系统，对各类数据进行集成处理、规范管理和挖掘分析，为水环境管理、水资源调度、水生态保护等提供数据与技术支持。

2.智慧决策方面

为共同打击环境违法和生态破坏行为，2019年12月，琼海、万宁、琼中三市县统筹上下游、左右岸，建立了以跨行政区域相邻属地市县政府为主体的“省、市、县、乡”四级跨区域万泉河流域水环境执法协作机制，协调解决万泉河流域水环境违法问题，取得了良好成效。然而，由于缺乏流域水环境管理的顶层设计、水环境信息化建设水平不高、水环境监测监管监察协同模式尚未形成、治水管理手段缺乏现代化科技支撑等因素，导致万泉河流域水环境管理仍处于较低水平，流域综合整治、业务协同、综合调控及辅助决策水平等能力亟待提高。

三、系统概述

1.建设目标

以实现流域数据共享、业务联动协同、辅助决策智能化为目标，研发具有监测预警、环境监察、生态补偿、水资源调度、项目管理、统计分析和“一张图”等功能的万泉河流域水环境综合管理系统，整合流域各类数据资源，实现水质监测数据动态管理与应用、治水业务与信息技术的融合应用、流域生态保护治理状态快速感知，为流域水环境管理提供业务支撑、服务支持、辅助决策与综合运维的基础能力，提升流域水治理体系和治理能力现代化水平。

2.总体架构

以数据为基础，以应用支撑为驱动，利用人工智能、大数据、GIS（地理信息系统）等技术，以标准规范体系、安全保障体系和运行维护体系为建设标准，通过对各类数据的收集、交换、集成、清洗和转换利用，实现各类业务数据的存储和管理，依托现有的信息化设施构建万泉河流域水环境综合管理系统，系统总体架构图如图1所示。

①感知层。担负着流域水环境监测数据采集和控制命令的执行功能，主要包括水质自动监测站、污染源在线监控设备、各种环境参数监测采集设备等，为系统提供环境监测数据来源。

②传输层。包括政务网、视频专网、运营商公共网络等，为数据传输、存储与处理提供网络通信保障。

③支撑层。包括工作流引擎、统一用户管理、CA（数字证书颁发机构）认证服务、空间服务引擎等一系列成熟的功能组件，实现整合集成，减少系统间的耦合度，便于系统功能扩充。

④数据层。包括流域水环境信息和基础地理信息数据集，提供数据审核、统计查询和综合展示等数据服务。

⑤应用层。采用J2EE开发平台（Java 2 Platform Enterprise Edition），研发监测预警、环境监察、生态补偿、水资源管理、“一张图”和系统运维管理等功能。

⑥服务层。系统用户主要包括流域治理相关的生态环境、水务、农业农村、综合执法等部门管理人员，为有关部门提供流域数据服务和技术支撑。

图1系统总体架构图

3.建设内容

（1）完善流域信息基础设施

采用人工智能、物联网等信息技术，在万泉河流域完善生态环境及水文监测信息基础设施，主要包括：①完善万泉河汀洲水环境国控监测站、红星饮用水水质自动监测站、牛路岭水库生态补偿自动监测站、汀洲水量监测站等自动监测平台及网络基础设施，并将河湖长制、地下水、村镇集中式饮用水、土壤监控点等各类环境监测数据以接口服务方式进行集成，实现各类环境监测网络互联互通，提高流域水质监测和预警提醒能力，为“治污水、保供水”提供可靠的数据来源；②充分利用琼海市、万宁市现有的计算、存储等基础设施资源，提高政务网、互联网带宽，改造网络核心设备和网信安全设备，打造高速、灵活、安全的万泉河水环境信息网；③基于数字海南地理空间框架的琼海市主城区三维地形场景及城市实景三维数据，采用三维建模技术，构建万泉河流域水系、排水管网、重点治水项目、排污口、污染源等重点对象的三维模型，形成万泉河流域二三维一体化应用场景，构建万泉河流域的数字底座，为“排涝水、防洪水”提供技术支撑。

（2）建设流域综合数据库

从万泉河流域“六水共治”业务需求和水环境监管应用角度出发，综合应用空间数据库、GIS、大数据、虚拟现实、多源异构时空数据融合等技术，以流域管理规则为指导，将分散在生态环境、自然资源、水利、农业农村、住房与城乡建设等部门的各种数据资源进行统一集成管理，建立流域综合数据库，构建万泉河流域水环境目录体系，形成流域数据中心。流域综合数据库主要包括水环境监测、治水项目、农业种养殖、第二次全国污染物普查（简称“二污普”）、重点排污单位、居住点、敏感源、入河排污口、取水口、农村污水处理设施、城镇污水处理设施、市政管网、环保督察项目、生态保护修复项目、水文地质、巡河记录、监管执法、生物多样性、生态保护补偿指标及其他类型数据。

（3）建设流域水环境管理系统

采用大数据、GIS、人工智能等先进技术，以实现流域数据共享、流域监管业务联动协同、流域管理决策智能化为目标，基于现有的各类生态环境数据服务资源，建设万泉河流域水环境综合管理系统，提供监测预警、环境监管、生态补偿、数据管理、综合查询、应急指挥和“一张图”等功能，科学、准确地反映万泉河流域水环境及变化趋势，为流域水环境综合监管执法、水生态保护、水资源优化配置和调度等提供基础数据和决策支撑。系统功能主要包括：

①构建万泉河流域知识库。以流域地理空间、环境监测、“六水共治”业务数据为基础，以水环境治理、水资源配置、水生态保护为主线，利用图谱分析展示流域水环境业务数据的整体知识架构，应用知识图谱技术串起“六水共治”业务、水资源调度、重点治水项目、水质监测、水文气象等相关知识，实现万泉河流域生态环境知识的共建共享与便捷查询。

②监测预警管理。以服务“治污水”为目标，系统在集成管理流域各类监测数据的基础上，通过建设水环境质量预警规则库和污染源监控预警规则库，提供监测站点、水质监测、污染源监控、数据分析、超标预警、监测评估、规则库管理等功能，实现从监测数据的收集分析、质量评价、超标预警到环境治理的智慧化管理，形成水环境管理“指挥部”，为科学治污提供数据支撑。同时，系统也提供定时任务配置、实时任务配置、模型预警任务、任务推送、执行监督、执行日志功能，建立环境预警处理和应急响应机制，为决策提供科学依据，实现环境预警任务的信息化全周期管理。

③污染源管理。以流域内重点排污单位为管理对象，系统提供污染源管理、在线监测、环境监管、监察执法、环保档案、信息公开、“一张图”等功能，通过集成“二污普”“三线一单”、环境统计、企业事业环境公开等相关信息，结合入河排污口调查数据和污染源自动监控数据，对入河污染物进行多层次、分行业对比分析，统计入河主要污染物总量与浓度，辅助生态环境部门强化排污许可证后监管，确保入河污染物达标排放。

④应急管理。以服务“排涝水、防洪水”为目标，基于琼海市主城区三维应用场景，以三维地形及市政排水管网为重点，系统提供监测预警、排水管网、三维地形、水淹模拟、疏散路线、应急处置、应急预案、应急知识库、统计分析等功能，通过建立万泉河流域应急响应策略库，为流域内暴雨排涝、城市积水、突发水环境污染、山洪暴发等环境事件的趋势判断、应急指挥管理提供辅助决策支持。

⑤生态补偿管理。结合河长制和湾长制的协同创新管理模式，以万泉河监测断面设置、考核指标和考核目标为基础，构建评价模型和自动计算功能，辅助市县相关部门动态掌握各个生态补偿监测断面的水质水量情况，及时采取相关治理措施，对各项生态保护补偿重点项目进行信息化档案管理，辅助开展流域上下游横向生态补偿评估。

⑥水资源管理与调配。以服务“保供水、抓节水”为目标，通过集成琼中县、万宁市和琼海市的取水监测断面、水文监测断面、取水口、地下水等站点的流量、水量等信息，接入自来水厂水量、各水库库容、村镇集中式饮用水水量统计等数据，动态掌握流域水资源总量、分布、实际用水需求等信息，辅助各市县协同制定和优化水资源调度预案，对水资源进行科学调配；开展水资源管控和节水行动，科学测算万元GDP用水量，指导各行业绿色发展，为推进水资源节约集约利用提供智慧化决策支持。

⑦水环境污染溯源分析。以服务“优海水”为目标，在开展全流域入河、入海排污口调查和建档管理的基础上，系统提供排污口监管、污染源分布、污染物排放监管、浓度分析、溯源管理、环境承载力分析等功能，辅助建立水网数据处理、河段划分、汇水区处理以及溯源关系，将万泉河流域划分为若干网格，形成水环境监管网格图；依托水质自动监测站，实时监控流域水环境中多种污染物的浓度水平和分布规律，科学评估流域水环境承载力；辅助生态环境部门对环境影响较大的排污口开展监督性监测，分析排污口的空间分布及排放规律对流域水质的影响，追踪污染来源和分析源强，促进入海污染物减排。

⑧“一张图”管理。采用GIS技术，以数字海南地理空间框架成果地图数据为底图，将监测站点、排污口、污染源、重点项目、市政管网等各类水环境对象在地图上进行逐一标注，编绘流域一张图，提供地图浏览、信息查询、坐标定位、图表统计、专题图制作等功能。

⑨App移动终端。系统提供了移动版App，通过将在线监测、环境监管与行政执法体系有机融合，管理人员通过App可实时掌握各个监测断面水质、水质超标信息、治水项目进展情况、污染源在线监测、入河入海排污口分布、企业环保档案等情况，辅助开展巡河、行政执法、排污许可证后监管、超标预警处置等业务，提升流域水环境治理现代化水平。

四、示范应用效果

通过在琼海市开展示范应用，为万泉河流域“六水共治”提供支撑平台，初步取得成效。

①首次在海南省提出流域水环境多源异构数据的集成管理和更新策略，在数据分类、分层的基础上，开展空间归一化和时间一致化的多源数据融合方法研究，突破多源、多维、异构的水环境数据使用技术限制，实现流域水环境标准化建库管理，便于有关市县对流域水环境各类数据进行规范管理、动态更新和共享应用，为加强万泉河流域生态环境保护顶层规划提供数据支撑。

②初步构建流域水环境立体监测模式。针对万泉河流域水网覆盖面广、污染源数量多、污染排放随机性、应急事件突发性、环境监管困难等难题，系统采用“空-天-水”立体监测网络与信息管理技术，通过集成卫星遥感监测、无人机巡查、水质在线监测等监测模式，接入污染源在线监控、水环境在线监测、水文气象等数据服务，及时获取水质超标信息和提供预警服务，辅助相关部门及时开展环境整治和应急处置，为“治污水、保供水、优海水”等业务提供技术支撑。

③完善流域水环境综合监管执法协作工作联席会议机制。通过系统应用，基于水质自动监控、污染源在线监测和监督性监测，以及排污口调查等数据，通过构建污染物传输扩散模型，初步实现水质污染物溯源，为流域污染控制提供数据参考，也可作为流域环境管理联动协同、环境问题跨界诊断的有力抓手，有利于完善流域水环境监测监管执法协同机制，形成流域水环境治理合力，推进“六水共治”；也有利于通过流域上下游生态补偿相关指标的智能计算，探索万泉河流域生态补偿分析，辅助有关市县协同开展水环境综合治理，促进流域生态产品价值实现。

④为流域“六水共治”成效评估提供平台支撑。在集成流域各类环境监测数据和重点治水项目信息化监管的基础上，通过动态评估万泉河流域生态环境质量状况，可以对有关市县开展的重点项目进行调度评估和成效考核，初步建立涵盖流域监管、势态研判、综合决策的“六水共治”应用支撑体系和业务协同机制，填补海南省智慧流域信息化平台的空白。

五、结 语

万泉河流域水环境管理系统是补齐万泉河流域信息化短板、提升流域水质监测预警能力、防御水旱洪涝灾害、落实水资源刚性约束制度、提升流域监察执法协同等业务工作的重要赋能手段，对于提升万泉河“六水共治”具有重要的辅助作用。在未来研究中，可在万泉河流域“六水共治”智慧化、数字孪生流域建设、流域生态环境保护规划、流域生态产品价值实现等方面开展积极探索。 ■