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应对水污染 构建水环境的安全屏障

2017-01-09 09:55 来源:科技日报

  三峡库区水环境累积型风险评估与预警平台业务化展示。

  近日,由武汉大学牵头,联合四川省环境监测总站、重庆市环境科学研究院、湖北省环境监测中心站、长江水利委员会水文局等单位完成的 “三峡库区及上游流域水环境风险评估与预警研究”课题,已经顺利通过业务化平台第三方评估,即将通过课题验收。

  本课题是“水体污染控制与治理”国家科技重大专项的课题之一。经过三年的研究,该课题实现了三峡库区及上游流域水环境风险评估与预警业务化高精度模型“从无到有”的突破和业务化系统平台“从有到优”的进步。课题所取得的标志性成果能满足国家环保业务化的需求,在四川、重庆、湖北等地进行了示范应用,能及时、准确、有效地辅助业务部门进行风险处置,具有重大的环境效益、生态效益和经济效益。

  三峡库区水环境亟待专业化风险评估和预警

  流域水环境风险评估与预警是提高国家防灾减灾能力的重要内容,是确保水环境安全的前提与基础。三峡工程是世界闻名的大型水利工程,该工程的实施以及库区水位的逐渐提高已导致库区水文情势、地形地貌特征等自然条件的变化,在水库蓄水和运行期间都会对库区、影响区乃至长江全流域的自然生态环境产生重大影响。

  由于库区快速的城市化和城镇化,高强度的人类活动干预,使得在未来的10—15年间,三峡库区水环境保护形势将发生巨大变化,库区支流水华风险不断增加,库区水体发生突发性污染事故的可能性大大增加,库区的环境管理出现了新常态,对环境保护工作提出了更高的要求。

  在此背景下,本课题于2013年正式启动,在水环境风险评估与预警的数据技术、模拟预测评估技术和业务化系统平台技术上取得了创新性的关键技术,形成了具有广泛适用性的水环境风险评估与预警成套设备,在生态环境大数据建设、环境风险评估上,提出了科学合理的管理政策与建议。

  “空—地—水”一体化水环境模型体系:5分钟预测突发事故未来两天演进

  据课题负责人张万顺教授介绍,该课题构建了具有动力学机理的、引入高效能计算技术的“空—地—水”一体化水环境模型体系,能实现两小时内预测三峡库区水体20米精度内未来两天的水环境变化趋势、5分钟内模拟预测突发事故未来两天内的演进过程;实现了对三峡库区水环境风险的高精度、高效率评估与预警,可以实时准确地模拟预测水环境风险的“发生时间、发生区域、影响范围以及影响程度”,解决了水专项实施前环境风险预警局限在局部区域和小尺度,且模型模拟精度无法满足业务需求的问题。

  该体系将被动的水环境风险应急处理提升为自动化预测与管理,极大地提升了业务部门对水环境风险的预测能力,有效地保障了库区的水环境安全,该体系在技术上的创新点表现在:

  (1)构建了能按业务化需求进行动态耦合的“空—地—水”一体化模型体系。基于流域大气、陆地、水体的物质能量循环流动机理,通过改进气象数值模型、陆地模型和水动力-水质-水生态模型,针对业务化水环境管理的需要,提出了“空—地—水”一体化水环境模型的动态耦合模式,实现模型间按业务需求进行耦合以提供针对性的模拟服务。无论是突发事故模拟预测、水华预测预报还是漂浮物风险评估或情景模拟,通过改变模型间的耦合方式,以一套模型实现模拟预测需求。

  (2)提出了“空—地—水”一体化模型的三级并行耦合计算技术,实现了流域水环境模型的高效能计算。以流域环境大数据为分析对象,以流域大尺度高精度计算为目标,研究流域陆地模型、水动力模型和水质水生态模型的集成接口和并行计算耦合模式。基于空间分块技术和并行技术,提出了耦合模型的递进并行启动模式和分段控制运行方法,实现模型内部—分块—模型之间的三级并行耦合计算,将三峡库区的三维水质水生态计算网格精度提升到20米以内。水环境风险评估预测精度和速度的提高,满足了业务化管理对模拟预测速度和精度的需求,为“空—地—水”一体化模型支撑业务化水环境管理提供了基础条件。

  “空—地—水”一体化模型体系具有很强的扩展性和可伸缩性,可适应于不同流域。

  流域水环境风险评估与预警智能云平台:自动识别发现并主动监管风险

  基于SOA和SAAS构架,突破分布式数据库技术、模型集成技术,研究构建了包含数据中心、计算中心、控制中心和业务中心的流域水环境风险评估与预警智能云平台。智能云平台涵盖了环境大数据下多源异构数据的融合、集成、挖掘、共享技术体系和空—地—水一体化模型及其高效能计算方法,能为流域水环境风险评估提供实时化、自动化、智能化、服务化和业务化的支撑。平台能按需进行模块组装和集成,实现业务化部署和运行。

  四川省环境监测总站、重庆市环境科学研究院、湖北省环境监测中心站、长江水利委员会水文局的示范平台自运行以来,能及时准确地预测水体内水质浓度时空分布情况,突发污染风险和水华风险的发生时间、发生位置、发生范围以及风险程度,针对风险自动发出预警。相比于专项开始前,将三峡库区水环境管理的被动监管转化到自动的风险识别发现及主动地监控管理,在诸多的风险评估与预警业务工作中得到了验证。

  平台能克服传统流域模型体系由于串行计算引起的等待时间损耗、大尺度模拟运算速度慢效率低的问题,并解决了资源重复建设浪费的问题,极大地提高了流域水环境数据、存储器和计算器的使用效率。平台能整合全流域的硬件资源和数据资源、实现全流域的水环境现状评价、未来趋势预测以及突发事件应急模拟与决策支持,以保障流域水环境安全。该系统平台具有以下特点:

  1)集成分布式数据库,所有监测数据、模型数据、地形数据、评价指标等都存储在数据中,可适应任意区域内业务需求。根据不同数据的不同特征,采用关系数据库、空间数据库、NoSql多种数据库技术,构建大数据管理模式,实现性能稳定、存储安全、并且弹性可扩展。

  2)通过数据规则引擎对数据进行校核,自动识别错误数据,并进行告警;数据不足时,可根据历史数据进行插补,保证模型可始终稳定运行,从而确保系统的业务化实现。

  3)通过将大区域分割成小区域,大文件分解成小文件,单一进程扩充为多进程的方式,化整为零、在空-地-水一体化模型的三级动态并行耦合下,平时能按时定点稳定预测未来几天内水环境状况;战时能自动快速获取流域内的水文水质和气象数据,实现对突发事件的快速评估和预测预警,并指导应急监测与应急处置。

  4)平台以SOA和SAAS的开发理念构建,模块化和服务化的开发方式,用户能按需进行模块组装,实现为不同业务部门的提供针对性的服务。

  5)课题组提出的水环境风险评估与预警数据存储、管理技术,高效能高精度的水环境模型以及“五化”系统平台,适应我国精细化环境管理的国家战略需求和科技需求,能为我国新时代下的环境保护、治理与管理提供长效的科技和设备支撑。

  应大力推广流域水环境风险评估与监控预警平台

  课题针对流域水环境风险评估与预警所涉及到的管理需求、政策方案以及落实流域水环境风险的监测、控制、预测、预警,从突发环境事件经济损失分析、水环境质量达标经济效应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议。包括:

  (1)加强建设生态环境监管体制

  建设生态文明,必须建立系统完整的生态环境监管体系,坚持用系统论思维,以制度保护生态环境,着眼政府、企业、公众责任主体三方联动,完善基于政府监管、企业治理、公众监督三大责任主体的生态环境监管制度体系框架,构建系统完备、科学合理、运行有效的生态环境监管制度体系,完善生态环境法律、法规体系,优化监管主体结构配置,提高生态环境监管执行力,建立地方负责人约谈和离任生态环境审计制度,畅通公众参与监管机制。

  (2)加强流域水环境风险评估与监控预警平台建设

  本课题所构建的流域水环境风险评估与预警平台,经过运行检验以后,实现了三峡库区水资源水环境的监控预警业务化,平台具备在线监测、水质预报、突发事件污染模拟、环境累积性风险评估等功能,在重点断面水质预测、污染物迁移转化模拟等业务领域得到较好的运用,对突发事件应急过程中的应急监测、应急处置可起到辅助决策作用。为减轻全国流域水环境突发环境事件造成的经济损失和社会影响,应在我国大力建设和推广流域水环境风险评估与监控预警平台。

  (3)建设流域长效保护机制

  依靠国家政府实施环境经济激励引导,健全环境监测预警体系,完善法规,严格执法管理,建立“决策者-科学家-公众”三位一体的治河队伍,强化节水型社会建设,开展机制、政策创新,将流域生态环境保护管理手段由主要依靠行政办法的单一手段转变为既依靠行政手段,又依靠政策、法律、经济、技术等综合手段,建立流域的长效保护机制。

(责任编辑:王蔚)

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