三峽庫區水環(huán)境累積型風(fēng)險評估與預警平臺業(yè)務(wù)化展示。
近日，由武漢大學(xué)牽頭，聯(lián)合四川省環(huán)境監測總站、重慶市環(huán)境科學(xué)研究院、湖北省環(huán)境監測中心站、長(cháng)江水利委員會(huì )水文局等單位完成的 “三峽庫區及上游流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預警研究”課題，已經(jīng)順利通過(guò)業(yè)務(wù)化平臺第三方評估，即將通過(guò)課題驗收。
本課題是“水體污染控制與治理”國家科技重大專(zhuān)項的課題之一。經(jīng)過(guò)三年的研究，該課題實(shí)現了三峽庫區及上游流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預警業(yè)務(wù)化高精度模型“從無(wú)到有”的突破和業(yè)務(wù)化系統平臺“從有到優(yōu)”的進(jìn)步。課題所取得的標志性成果能滿(mǎn)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)行了示范應用，能及時(shí)、準確、有效地輔助業(yè)務(wù)部門(mén)進(jìn)行風(fēng)險處置，具有重大的環(huán)境效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益。
三峽庫區水環(huán)境亟待專(zhuān)業(yè)化風(fēng)險評估和預警
流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預警是提高國家防災減災能力的重要內容，是確保水環(huán)境安全的前提與基礎。三峽工程是世界聞名的大型水利工程，該工程的實(shí)施以及庫區水位的逐漸提高已導致庫區水文情勢、地形地貌特征等自然條件的變化，在水庫蓄水和運行期間都會(huì )對庫區、影響區乃至長(cháng)江全流域的自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重大影響。
由于庫區快速的城市化和城鎮化，高強度的人類(lèi)活動(dòng)干預，使得在未來(lái)的10—15年間，三峽庫區水環(huán)境保護形勢將發(fā)生巨大變化，庫區支流水華風(fēng)險不斷增加，庫區水體發(fā)生突發(fā)性污染事故的可能性大大增加，庫區的環(huán)境管理出現了新常態(tài)，對環(huán)境保護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)險評估與預警的數據技術(shù)、模擬預測評估技術(shù)和業(yè)務(wù)化系統平臺技術(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)險評估與預警成套設備，在生態(tài)環(huán)境大數據建設、環(huán)境風(fēng)險評估上，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分鐘預測突發(fā)事故未來(lái)兩天演進(jìn)
據課題負責人張萬(wàn)順教授介紹，該課題構建了具有動(dòng)力學(xué)機理的、引入高效能計算技術(shù)的“空—地—水”一體化水環(huán)境模型體系，能實(shí)現兩小時(shí)內預測三峽庫區水體20米精度內未來(lái)兩天的水環(huán)境變化趨勢、5分鐘內模擬預測突發(fā)事故未來(lái)兩天內的演進(jìn)過(guò)程；實(shí)現了對三峽庫區水環(huán)境風(fēng)險的高精度、高效率評估與預警，可以實(shí)時(shí)準確地模擬預測水環(huán)境風(fēng)險的“發(fā)生時(shí)間、發(fā)生區域、影響范圍以及影響程度”，解決了水專(zhuān)項實(shí)施前環(huán)境風(fēng)險預警局限在局部區域和小尺度，且模型模擬精度無(wú)法滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求的問(wèn)題。
該體系將被動(dòng)的水環(huán)境風(fēng)險應急處理提升為自動(dòng)化預測與管理，極大地提升了業(yè)務(wù)部門(mén)對水環(huán)境風(fēng)險的預測能力，有效地保障了庫區的水環(huán)境安全，該體系在技術(shù)上的創(chuàng )新點(diǎn)表現在：
?。?）構建了能按業(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?；诹饔虼髿?、陸地、水體的物質(zhì)能量循環(huán)流動(dòng)機理，通過(guò)改進(jìn)氣象數值模型、陸地模型和水動(dòng)力-水質(zhì)-水生態(tài)模型，針對業(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)現模型間按業(yè)務(wù)需求進(jìn)行耦合以提供針對性的模擬服務(wù)。無(wú)論是突發(fā)事故模擬預測、水華預測預報還是漂浮物風(fēng)險評估或情景模擬，通過(guò)改變模型間的耦合方式，以一套模型實(shí)現模擬預測需求。
?。?）提出了“空—地—水”一體化模型的三級并行耦合計算技術(shù)，實(shí)現了流域水環(huán)境模型的高效能計算。以流域環(huán)境大數據為分析對象，以流域大尺度高精度計算為目標，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算耦合模式?；诳臻g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)模式和分段控制運行方法，實(shí)現模型內部—分塊—模型之間的三級并行耦合計算，將三峽庫區的三維水質(zhì)水生態(tài)計算網(wǎng)格精度提升到20米以?xún)?。水環(huán)境風(fēng)險評估預測精度和速度的提高，滿(mǎn)足了業(yè)務(wù)化管理對模擬預測速度和精度的需求，為“空—地—水”一體化模型支撐業(yè)務(wù)化水環(huán)境管理提供了基礎條件。
“空—地—水”一體化模型體系具有很強的擴展性和可伸縮性，可適應于不同流域。
流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預警智能云平臺：自動(dòng)識別發(fā)現并主動(dòng)監管風(fēng)險
基于SOA和SAAS構架，突破分布式數據庫技術(shù)、模型集成技術(shù)，研究構建了包含數據中心、計算中心、控制中心和業(yè)務(wù)中心的流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預警智能云平臺。智能云平臺涵蓋了環(huán)境大數據下多源異構數據的融合、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算方法，能為流域水環(huán)境風(fēng)險評估提供實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化、智能化、服務(wù)化和業(yè)務(wù)化的支撐。平臺能按需進(jìn)行模塊組裝和集成，實(shí)現業(yè)務(wù)化部署和運行。
四川省環(huán)境監測總站、重慶市環(huán)境科學(xué)研究院、湖北省環(huán)境監測中心站、長(cháng)江水利委員會(huì )水文局的示范平臺自運行以來(lái)，能及時(shí)準確地預測水體內水質(zhì)濃度時(shí)空分布情況，突發(fā)污染風(fēng)險和水華風(fēng)險的發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、發(fā)生范圍以及風(fēng)險程度，針對風(fēng)險自動(dòng)發(fā)出預警。相比于專(zhuān)項開(kāi)始前，將三峽庫區水環(huán)境管理的被動(dòng)監管轉化到自動(dòng)的風(fēng)險識別發(fā)現及主動(dòng)地監控管理，在諸多的風(fēng)險評估與預警業(yè)務(wù)工作中得到了驗證。
平臺能克服傳統流域模型體系由于串行計算引起的等待時(shí)間損耗、大尺度模擬運算速度慢效率低的問(wèn)題，并解決了資源重復建設浪費的問(wèn)題，極大地提高了流域水環(huán)境數據、存儲器和計算器的使用效率。平臺能整合全流域的硬件資源和數據資源、實(shí)現全流域的水環(huán)境現狀評價(jià)、未來(lái)趨勢預測以及突發(fā)事件應急模擬與決策支持，以保障流域水環(huán)境安全。該系統平臺具有以下特點(diǎn)：
1）集成分布式數據庫，所有監測數據、模型數據、地形數據、評價(jià)指標等都存儲在數據中，可適應任意區域內業(yè)務(wù)需求。根據不同數據的不同特征，采用關(guān)系數據庫、空間數據庫、NoSql多種數據庫技術(shù)，構建大數據管理模式，實(shí)現性能穩定、存儲安全、并且彈性可擴展。
2）通過(guò)數據規則引擎對數據進(jìn)行校核，自動(dòng)識別錯誤數據，并進(jìn)行告警；數據不足時(shí)，可根據歷史數據進(jìn)行插補，保證模型可始終穩定運行，從而確保系統的業(yè)務(wù)化實(shí)現。
3）通過(guò)將大區域分割成小區域，大文件分解成小文件，單一進(jìn)程擴充為多進(jìn)程的方式，化整為零、在空-地-水一體化模型的三級動(dòng)態(tài)并行耦合下，平時(shí)能按時(shí)定點(diǎn)穩定預測未來(lái)幾天內水環(huán)境狀況；戰時(shí)能自動(dòng)快速獲取流域內的水文水質(zhì)和氣象數據，實(shí)現對突發(fā)事件的快速評估和預測預警，并指導應急監測與應急處置。
4）平臺以SOA和SAAS的開(kāi)發(fā)理念構建，模塊化和服務(wù)化的開(kāi)發(fā)方式，用戶(hù)能按需進(jìn)行模塊組裝，實(shí)現為不同業(yè)務(wù)部門(mén)的提供針對性的服務(wù)。
5）課題組提出的水環(huán)境風(fēng)險評估與預警數據存儲、管理技術(shù)，高效能高精度的水環(huán)境模型以及“五化”系統平臺，適應我國精細化環(huán)境管理的國家戰略需求和科技需求，能為我國新時(shí)代下的環(huán)境保護、治理與管理提供長(cháng)效的科技和設備支撐。
應大力推廣流域水環(huán)境風(fēng)險評估與監控預警平臺
課題針對流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預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)險的監測、控制、預測、預警，從突發(fā)環(huán)境事件經(jīng)濟損失分析、水環(huán)境質(zhì)量達標經(jīng)濟效應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：
?。?）加強建設生態(tài)環(huán)境監管體制
建設生態(tài)文明，必須建立系統完整的生態(tài)環(huán)境監管體系，堅持用系統論思維，以制度保護生態(tài)環(huán)境，著(zhù)眼政府、企業(yè)、公眾責任主體三方聯(lián)動(dòng)，完善基于政府監管、企業(yè)治理、公眾監督三大責任主體的生態(tài)環(huán)境監管制度體系框架，構建系統完備、科學(xué)合理、運行有效的生態(tài)環(huán)境監管制度體系，完善生態(tài)環(huán)境法律、法規體系，優(yōu)化監管主體結構配置，提高生態(tài)環(huán)境監管執行力，建立地方負責人約談和離任生態(tài)環(huán)境審計制度，暢通公眾參與監管機制。
?。?）加強流域水環(huán)境風(fēng)險評估與監控預警平臺建設
本課題所構建的流域水環(huán)境風(fēng)險評估與預警平臺，經(jīng)過(guò)運行檢驗以后，實(shí)現了三峽庫區水資源水環(huán)境的監控預警業(yè)務(wù)化，平臺具備在線(xiàn)監測、水質(zhì)預報、突發(fā)事件污染模擬、環(huán)境累積性風(fēng)險評估等功能，在重點(diǎn)斷面水質(zhì)預測、污染物遷移轉化模擬等業(yè)務(wù)領(lǐng)域得到較好的運用，對突發(fā)事件應急過(guò)程中的應急監測、應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)濟損失和社會(huì )影響，應在我國大力建設和推廣流域水環(huán)境風(fēng)險評估與監控預警平臺。
?。?）建設流域長(cháng)效保護機制
依靠國家政府實(shí)施環(huán)境經(jīng)濟激勵引導，健全環(huán)境監測預警體系，完善法規，嚴格執法管理，建立“決策者－科學(xué)家－公眾”三位一體的治河隊伍，強化節水型社會(huì )建設，開(kāi)展機制、政策創(chuàng )新，將流域生態(tài)環(huán)境保護管理手段由主要依靠行政辦法的單一手段轉變?yōu)榧纫揽啃姓侄?，又依靠政策、法律、?jīng)濟、技術(shù)等綜合手段，建立流域的長(cháng)效保護機制。
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