成都市水环境信息化建设与研究

刘 凯，彭理谦，闫文生，范勇强

(成都市环境保护信息中心，成都 610041)

1 引 言

1.1 国家、省、市水环境现况

当前，我国水环境质量[1]总体上是向好的，但形势依然严峻，存在流域生态破坏现象依旧较普遍、部分支流和湖泊污染严重等问题，2017年全国地表水污染较严重(Ⅳ～劣V类)的占32%。四川河流众多，水质情况不容乐观，成都是西部地区中心城市，主要水系为岷江和沱江，水资源总量较丰富但人均水量少，存在水环境生态承载力不足等问题，2017年地表水污染较严重的占32%，地下水和黑臭水体问题较多。

1.2 水环境治理目标

为全面提升水环境质量，国家发布了《国务院关于印发水污染防治行动计划的通知》(即国家《水十条》)，四川省和成都市也相应制定了省、市《水十条》，确定了总体目标。成都市针对总体目标发布了污染防治“三大战役”实施方案等文件，进一步细化目标，2019年将全面完成府河、江安河、新津南河、毗河等重点流域治理工作，消除劣V类水体，到2020年岷江、沱江成都流域纳入国家和省考核的断面水质达到考核要求。

1.3 水环境管理信息化建设顶层设计必要性和可行性

1.3.1 必要性

成都市水环境管理信息化建设相比沿海等一线城市较晚，虽然已建立了部分水质监测[2]、污染源填报系统，但这些系统建设较为零散、使用用户有限、不能支持水环境全业务流程、无全局性决策分析等功能。为顺利完成水环境治理战役目标，根据当前成都市经济处于高速发展、污染排放量大、管理人力物力有限的情况，必须通过顶层设计充分利用信息化手段，促进水环境信息化建设，提升管理和决策效能。

1.3.2 可行性

当前，互联网、大数据[3]、物联网等信息化技术为智慧城市建设提供了新思路，成都市政府高度重视城市信息化建设，IT产业发展迅速。水环境管理信息化建设顶层设计具备技术基础。

成都市成立了市大数据办，统筹全市各部门数据共享，可充分利用市大数据办职能，促进部门间业务系统无缝对接。水环境信息化建设顶层设计具备数据和管理基础。

成都市已建起环境数据中心、信息发布平台、环境监察执法、应急管理等信息化系统。水环境信息化建设顶层设计具备项目实施基础。

2 顶层设计

水环境信息化建设是一项综合工程，涉及业务功能、技术架构、规范与制度、用户体验、外部协作等，结合成都市智慧城市建设要求、成都市大数据平台基础，整合各方资源，适应未来3～5年的业务发展，提出成都市水环境信息化建设设计思路[4]。

2.1 建设原则

2.1.1 业务主导，以用定建

为全面提升业务管理工作能力，信息化建设必须始终以应用为主导，深入梳理水环境管理各项业务工作，结合信息化技术，在实现现有工作的基础上，进一步提出优化工作模式，促进管理效率提升。

2.1.2 全面协同，集中共享

水环境管理是一项长期、重点工作，信息化建设须考虑其开放性、兼容性和扩展性，以适应未来工作的扩展、调整和协调。数据是水环境信息化建设的基础和核心，搜集、汇集和共享全市各类涉水数据资源，推动全市协调管理和科学决策。

2.1.3 标准规范，制度保障

建立水环境管理有关技术标准规范和管理制度[5]，确保信息化建设标准化、规范化以及可持续发展。

2.2 业务功能设计

成都市水环境管理对外与国家、省、市、区县(乡镇)、企业互通，以及与市气象、水务、工商等多个部门协同，对内与环境监测、监察执法、应急等多个处室单位交互，用户多、信息来源广。水环境管理重点业务包括：对地表水、饮用水、湖库、地下水及黑臭水体等质量监测，对涉水污染源的监管，水环境业务工作管理及决策分析等。通过对业务需求深入分析、归纳总结，将业务功能设计成水环境质量、涉水污染源和水污染防治管理3大类，如图1。

图1 成都市水环境管理业务分类Fig.1 Classification of water environment management business in Chengdu

2.2.1 水环境质量管理

围绕全面说清成都市水环境质量现况的命题，水环境质量管理工作包括对地表水、饮用水、地下水和黑臭水体的管理，具体工作包括省、市和区县水质手工监测数据、自动监测数据实时显示，水质月报评估、水质变化、趋势分析、预警预报、区县水质评估等。用户主要包括市级领导、其他政府部门、局领导和水环境管理处(即水处)、有关事业单位和区县环保局、涉水企业和社会公众，业务功能设计如图2。

图2 水环境质量管理框架Fig.2 Framework of water environmental quality management

2.2.2 涉水污染源管理

污染源是造成环境污染的主要来源，涉水污染源管理重点工作包括对工业企业、园区、农村污染源及河道排污口等的管理，包括对污染源基本信息、排污信息等情况掌握和监管。用户主要包括局领导和水处、有关事业单位和区县环保局、企业。业务功能设计如图3。

图3 涉水污染源管理框架Fig.3 Framework of water-related pollution sources management

2.2.3 水污染防治管理

水污染防治管理[6]是为改善水质制定的系列政府措施，主要包括成都市“水十条”工作任务、部门与区县目标考核、重点工程项目等。管理用户包括局领导和水处、有关事业单位和区县环保局、企业等。业务功能设计如图4。

图4 水环境污染防治管理框架Fig.4 Framework of prevention and control of water pollution management

2.3 技术架构设计

2.3.1 整体框架设计

成都市水环境管理信息化系统(以下称水系统)整体架构如图5。

图5 成都市水环境管理系统整体架构Fig.5 Overall structure of Chengdu water environmental management system

图5中实线部分是水系统，虚线部分是外部系统。水系统整体框架可分为基础层、数据层、应用层、标准规范和安全运维体系。

基础层是为系统运行所必须的网络、储存、计算等，采用成都市政务资源云平台作为基础层支撑。数据层包括涉水相关的各种监测数据、污染源数据、管理数据等，按照标准规范和流程进行管理。应用层实现水环境管理具体业务功能，根据业务梳理，设计相关子系统。标准规范体系，结合实际制定和完善成都市水环境标准规范。运行维护体系和安全保障体系，根据系统建设规模和安全等级制定详细制度。

2.3.2 技术路线

采用基于信息化通用主流技术、大数据和移动技术。通用技术包括B/S(浏览器/服务器)架构、Web Services技术、XML技术、面向对象、组件式开发等；数据库采用关系型数据库和非关系型数据库的结合；GIS(地理信息系统)采用的主流GIS平台，如Arc GIS等；大数据平台采用成都市政务云平台提供的云计算资源，包括云存储、分布式系统、关联规则分析、机器学习等；移动技术采用主流的移动平台技术，如开源的Android系统。

2.3.3 外部系统对接

水环境系统与多个外部系统对接，根据外部系统的特点，采用不同对接方式，如图6。

图6 水环境管理系统与外部系统对接Fig.6 Structure of interface between water environment management system and external system

由图6可知水系统与外部系统对接，主要采用数据中心交换平台和数据接口2种方式。

2.3.3.1 通过数据中心交换平台对接方式

水系统与局数据中心联通，数据中心再与其他系统对接，通过数据交换的方式，实现业务互通。其中，数据中心交换平台是关键，它通过省政务一体化交换平台、市大数据交换平台与省、市其他系统直接对接或者通过接口直接与其他系统对接。对接技术包括中间数据库、数据接口、标准传输协议[7]等。

系统对接应优先考虑本方式，其优点有：(1)充分利用交换平台资源，节省开发成本。水系统通过标准协议的可迅速实现与交换平台对接，交换平台与其他系统通过自身多种协议实现对接，据统计水系统与10多个其他部门有数据交互，如果直接对接需要开发大量接口程序；(2)有利于系统扩展、数据共享。通过与市大数据交换平台，可与市各部门进行数据共享，避免了业务系统紧耦合和数据孤岛。

2.3.3.2 数据接口方式

水系统通过数据接口直接与其他系统对接。此方式仅适用于水系统与其他系统在业务上有密切业务逻辑关系且实时性要求高的情况，如任务派发、实时办理等。

2.4 标准规范及机制建设

2.4.1 标准规范

水环境信息化标准规范可分为水环境质量、污染源及技术规范[8]等3类，如表1。

表1 水环境标准规范Tab.1 Standards of water environment

2.4.2 机制建设

水环境管理机制建设包括水系统安全运维、数据持续更新、监控值守、预警预报等管理机制，如表2。

表2 水环境机制Tab.2 Mechanism of water environment

3 水环境大数据建设

为全面支撑水环境系统建设，需要构建成都市水环境大数据[9]，融合局内各业务单位、区县环保局、其他政府部门、企业、网站等几十类不同来源数据，数据来源梳理如表3。

表3 水环境大数据Tab.3 Big data of water environment

水环境大数据包括文本、表格等格式化数据，以及图片、视频、网页等非格式化数据，已汇聚数据约1TB,主要为水环境质量和污染源在线监测数据，数据年增长约2TB，增长量主要是在线监测数据和视频图片数据，数据的总量和增长量是水系统持续升级建设的重要依据。

4 重点应用

4.1 水域污染物通量计算

为实时掌握指定区域水污染物产生和流通状况，系统设计了水域污染物通量计算功能[10]。将水系图通过上下游关系进行抽象，监测点形成逻辑上相对出/入水关系，利用污染物因子、浓度、水流量等实时监测值可计算出指定水域的污染源通量。监测站点按行政区划进行空间属性划分，可快速的计算和显示出该区(市)县入境断面、控制断面和出境断面污染情况，如图7。

图7 水域污染物通量计算示意图Fig.7 Diagrammatic sketch of pollutant flux in water

建立全市22个区(市)县水域污染物通量计算功能，结合日/月/季/年统计，能较全面地反映区域、流域水污染情况，替代原手工监测、人工估算方式，极大提高了管理效率和考核准确性。

4.2 水环境综合决策

利用水质监测因子实时值、趋势、同比、环比统计，以及河流水量、周边污染源、考核指标等数据，借助传统水质模型分析、大数据技术等手段，对监测点、河段、流域、区域进行分析，为决策提供支撑，如图8。

图8中显示成都出江铁索桥断面水质类别变化趋势、污染因子变化趋势、断面考核指标等情况，系统结合断面附近污染源空间分布进行分析，得出当前该断面氨氮含量偏高的问题，给出了重点加强该流域氨氮排放管理工作的诊断结论，并列出周边氨氮排放主要污染源企业，为管理和决策者迅速制定精准管控措施提供依据。

图8 水环境综合决策分析Fig.8 Comprehensive analysis and decision of water environment

5 问题与办法

水环境管理每年工作重点不同、管理越来越精细、时效性要求更高，水环境信息化也必须加强系统建设，重点是夯实水环境大数据基础和加强数据分析利用。针对水环境大数据基础薄的问题，一是利用市大数据办统筹协调全市各部门数据资源的优势，全面汇集其他部门涉水数据，二是加强水质监测站点建设，提高水环境数据生产能力。针对数据分析利用水平不高的问题，一是要深入挖掘业务管理需求，通过数据应用解决当前实际问题，二是要利用大数据、互联网等技术引导管理创新，不断提升决策水平。