三峽庫區(qū)水環(huán)境累積型風險評估與預警平臺業(yè)務化展示。
近日，由武漢大學牽頭，聯(lián)合四川省環(huán)境監(jiān)測總站、重慶市環(huán)境科學研究院、湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站、長江水利委員會水文局等單位完成的 “三峽庫區(qū)及上游流域水環(huán)境風險評估與預警研究”課題，已經(jīng)順利通過業(yè)務化平臺第三方評估，即將通過課題驗收。
本課題是“水體污染控制與治理”國家科技重大專項的課題之一。經(jīng)過三年的研究，該課題實現(xiàn)了三峽庫區(qū)及上游流域水環(huán)境風險評估與預警業(yè)務化高精度模型“從無到有”的突破和業(yè)務化系統(tǒng)平臺“從有到優(yōu)”的進步。課題所取得的標志性成果能滿足國家環(huán)保業(yè)務化的需求，在四川、重慶、湖北等地進行了示范應用，能及時、準確、有效地輔助業(yè)務部門進行風險處置，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(qū)水環(huán)境亟待專業(yè)化風險評估和預警
流域水環(huán)境風險評估與預警是提高國家防災減災能力的重要內(nèi)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，該工程的實施以及庫區(qū)水位的逐漸提高已導致庫區(qū)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對庫區(qū)、影響區(qū)乃至長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，高強度的人類活動干預，使得在未來的10—15年間，三峽庫區(qū)水環(huán)境保護形勢將發(fā)生巨大變化，庫區(qū)支流水華風險不斷增加，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，在水環(huán)境風險評估與預警的數(shù)據(jù)技術、模擬預測評估技術和業(yè)務化系統(tǒng)平臺技術上取得了創(chuàng)新性的關鍵技術，形成了具有廣泛適用性的水環(huán)境風險評估與預警成套設備，在生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)建設、環(huán)境風險評估上，提出了科學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)事故未來兩天演進
據(jù)課題負責人張萬順教授介紹，該課題構建了具有動力學機理的、引入高效能計算技術的“空—地—水”一體化水環(huán)境模型體系，能實現(xiàn)兩小時內(nèi)預測三峽庫區(qū)水體20米精度內(nèi)未來兩天的水環(huán)境變化趨勢、5分鐘內(nèi)模擬預測突發(fā)事故未來兩天內(nèi)的演進過程；實現(xiàn)了對三峽庫區(qū)水環(huán)境風險的高精度、高效率評估與預警，可以實時準確地模擬預測水環(huán)境風險的“發(fā)生時間、發(fā)生區(qū)域、影響范圍以及影響程度”，解決了水專項實施前環(huán)境風險預警局限在局部區(qū)域和小尺度，且模型模擬精度無法滿足業(yè)務需求的問題。
該體系將被動的水環(huán)境風險應急處理提升為自動化預測與管理，極大地提升了業(yè)務部門對水環(huán)境風險的預測能力，有效地保障了庫區(qū)的水環(huán)境安全，該體系在技術上的創(chuàng)新點表現(xiàn)在：
（1）構建了能按業(yè)務化需求進行動態(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)流動機理，通過改進氣象數(shù)值模型、陸地模型和水動力-水質(zhì)-水生態(tài)模型，針對業(yè)務化水環(huán)境管理的需要，提出了“空—地—水”一體化水環(huán)境模型的動態(tài)耦合模式，實現(xiàn)模型間按業(yè)務需求進行耦合以提供針對性的模擬服務。無論是突發(fā)事故模擬預測、水華預測預報還是漂浮物風險評估或情景模擬，通過改變模型間的耦合方式，以一套模型實現(xiàn)模擬預測需求。
（2）提出了“空—地—水”一體化模型的三級并行耦合計算技術，實現(xiàn)了流域水環(huán)境模型的高效能計算。以流域環(huán)境大數(shù)據(jù)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。基于空間分塊技術和并行技術，提出了耦合模型的遞進并行啟動模式和分段控制運行方法，實現(xiàn)模型內(nèi)部—分塊—模型之間的三級并行耦合計算，將三峽庫區(qū)的三維水質(zhì)水生態(tài)計算網(wǎng)格精度提升到20米以內(nèi)。水環(huán)境風險評估預測精度和速度的提高，滿足了業(yè)務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)境風險評估與預警智能云平臺：自動識別發(fā)現(xiàn)并主動監(jiān)管風險
基于SOA和SAAS構架，突破分布式數(shù)據(jù)庫技術、模型集成技術，研究構建了包含數(shù)據(jù)中心、計算中心、控制中心和業(yè)務中心的流域水環(huán)境風險評估與預警智能云平臺。智能云平臺涵蓋了環(huán)境大數(shù)據(jù)下多源異構數(shù)據(jù)的融合、集成、挖掘、共享技術體系和空—地—水一體化模型及其高效能計算方法，能為流域水環(huán)境風險評估提供實時化、自動化、智能化、服務化和業(yè)務化的支撐。平臺能按需進行模塊組裝和集成，實現(xiàn)業(yè)務化部署和運行。
四川省環(huán)境監(jiān)測總站、重慶市環(huán)境科學研究院、湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站、長江水利委員會水文局的示范平臺自運行以來，能及時準確地預測水體內(nèi)水質(zhì)濃度時空分布情況，突發(fā)污染風險和水華風險的發(fā)生時間、發(fā)生位置、發(fā)生范圍以及風險程度，針對風險自動發(fā)出預警。相比于專項開始前，將三峽庫區(qū)水環(huán)境管理的被動監(jiān)管轉(zhuǎn)化到自動的風險識別發(fā)現(xiàn)及主動地監(jiān)控管理，在諸多的風險評估與預警業(yè)務工作中得到了驗證。
平臺能克服傳統(tǒng)流域模型體系由于串行計算引起的等待時間損耗、大尺度模擬運算速度慢效率低的問題，并解決了資源重復建設浪費的問題，極大地提高了流域水環(huán)境數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)資源、實現(xiàn)全流域的水環(huán)境現(xiàn)狀評價、未來趨勢預測以及突發(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(tǒng)平臺具有以下特點：
1）集成分布式數(shù)據(jù)庫，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、評價指標等都存儲在數(shù)據(jù)中，可適應任意區(qū)域內(nèi)業(yè)務需求。根據(jù)不同數(shù)據(jù)的不同特征，采用關系數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、NoSql多種數(shù)據(jù)庫技術，構建大數(shù)據(jù)管理模式，實現(xiàn)性能穩(wěn)定、存儲安全、并且彈性可擴展。
2）通過數(shù)據(jù)規(guī)則引擎對數(shù)據(jù)進行校核，自動識別錯誤數(shù)據(jù)，并進行告警；數(shù)據(jù)不足時，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行插補，保證模型可始終穩(wěn)定運行，從而確保系統(tǒng)的業(yè)務化實現(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，單一進程擴充為多進程的方式，化整為零、在空-地-水一體化模型的三級動態(tài)并行耦合下，平時能按時定點穩(wěn)定預測未來幾天內(nèi)水環(huán)境狀況；戰(zhàn)時能自動快速獲取流域內(nèi)的水文水質(zhì)和氣象數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對突發(fā)事件的快速評估和預測預警，并指導應急監(jiān)測與應急處置。
4）平臺以SOA和SAAS的開發(fā)理念構建，模塊化和服務化的開發(fā)方式，用戶能按需進行模塊組裝，實現(xiàn)為不同業(yè)務部門的提供針對性的服務。
5）課題組提出的水環(huán)境風險評估與預警數(shù)據(jù)存儲、管理技術，高效能高精度的水環(huán)境模型以及“五化”系統(tǒng)平臺，適應我國精細化環(huán)境管理的國家戰(zhàn)略需求和科技需求，能為我國新時代下的環(huán)境保護、治理與管理提供長效的科技和設備支撐。
應大力推廣流域水環(huán)境風險評估與監(jiān)控預警平臺
課題針對流域水環(huán)境風險評估與預警所涉及到的管理需求、政策方案以及落實流域水環(huán)境風險的監(jiān)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：
（1）加強建設生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體制
建設生態(tài)文明，必須建立系統(tǒng)完整的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管體系，堅持用系統(tǒng)論思維，以制度保護生態(tài)環(huán)境，著眼政府、企業(yè)、公眾責任主體三方聯(lián)動，完善基于政府監(jiān)管、企業(yè)治理、公眾監(jiān)督三大責任主體的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管制度體系框架，構建系統(tǒng)完備、科學合理、運行有效的生態(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)構配置，提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)管執(zhí)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(jiān)管機制。
（2）加強流域水環(huán)境風險評估與監(jiān)控預警平臺建設
本課題所構建的流域水環(huán)境風險評估與預警平臺，經(jīng)過運行檢驗以后，實現(xiàn)了三峽庫區(qū)水資源水環(huán)境的監(jiān)控預警業(yè)務化，平臺具備在線監(jiān)測、水質(zhì)預報、突發(fā)事件污染模擬、環(huán)境累積性風險評估等功能，在重點斷面水質(zhì)預測、污染物遷移轉(zhuǎn)化模擬等業(yè)務領域得到較好的運用，對突發(fā)事件應急過程中的應急監(jiān)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)濟損失和社會影響，應在我國大力建設和推廣流域水環(huán)境風險評估與監(jiān)控預警平臺。
（3）建設流域長效保護機制
依靠國家政府實施環(huán)境經(jīng)濟激勵引導，健全環(huán)境監(jiān)測預警體系，完善法規(guī)，嚴格執(zhí)法管理，建立“決策者－科學家－公眾”三位一體的治河隊伍，強化節(jié)水型社會建設，開展機制、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(zhuǎn)變?yōu)榧纫揽啃姓侄危忠揽空摺⒎伞⒔?jīng)濟、技術等綜合手段，建立流域的長效保護機制。
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