基于大数据技术的湿地生态保护治理研究

周帆琦，李志雄，沙 茜

(1.武汉市生态环境科技中心，湖北 武汉 430010；2.华中师范大学，湖北 武汉 430079)

0 引言

随着现代信息化技术的不断发展，大数据应运而生。狭义的大数据定义为：增幅更快、覆盖更广及更加新颖的数据群；广义定义为：基于各种现代化的先进信息技术，对特定的对象进行实时搜索、整理、分析而获得的相关大量数据群，进一步总结、探索及预测其未来的发展趋势及规律。因此，大数据技术具有高速化、多样化、海量化和商品化等突出特征，在各行业中得到广泛运用，可对产业转型、企业生产管理及经济发展产生积极作用。生态环境问题是一个复杂、时变的问题，涉及到多部门、多地区、多个方面。本文以滦河湿地为例，探讨了运用大数据技术，将各种数据资源集成，构建了一个湿地生态环保大数据的系统结构和核心技术[1]。

1 大数据技术生态保护研究现状及应用价值

1.1 大数据技术生态保护研究现状

目前，我国各行各业逐步在实施大数据治理。就环境问题来说，目前的大数据技术还停留在数据采集与分析层面，例如采集和分析大气环境数据、水资源数据、土壤环境数据。大数据技术的非系统化运用，只能解决一个特定领域的问题，无法适应整体的生态环境治理工作，从而对生态环保治理工作产生一定影响[2]。

1.2 大数据技术在生态环保治理中的应用价值

早在2015年，我国就出台了《国务院关于印发促进大数据发展行动纲要》的通知(国发〔2015〕50号)，大数据技术已得到了广泛运用，并将其推广到各行各业，其中包括生态环保等诸多方面。大数据技术可以有效缓解当前生态环保领域的“海量信息与信息孤岛”“生态与群众需求”“技术提升与服务水平”三大矛盾，可提高环保工作的效率及质量，使其健康、持续性发展。随着互联网技术的不断发展和推广，大数据技术在湿地生态环保中的运用效率得到了极大提高。随着环境监测系统的不断完善，环境监测系统的性能不断提高，成本不断下降，为环境监测技术在生态环境方面的推广提供了有力保障。例如 PM2.5监控装置方面，贝塔射线监测仪、微量震荡天平这样的高档标准仪器，数年前一般都是十几万到一千万不等的价格，因为价格高昂，所以一般都是通过国家采购，数量很小；在一个地区，一般只有一家或数家监测点可以实现大气污染监测，无法实现大规模、密集大气环境监测。但是，在物联网技术发展的今天，利用光学辐射技术进行空气监控，效率和效果大大提升。与大气监控系统类似，依靠着强大的网络技术和大数据技术，许多环境监控系统可以在网上进行自动、持续监控[3]。

2 大数据技术在湿地生态环保治理中的应用

2.1 大数据技术监控湿地水环境污染

实时监测水环境污染是指在湿地周边的生产企业污水排放口附近安装监测装置，并对其生产过程中的污水和废气进行实时监测。目前，随着环保技术与装备水平的不断提高，将会在关键部位安装视频监控装置，对厂区出入水口、厂区周边湿地等进行实时监测。为了保证实时数据的准确性，环保部门会将各生产厂商的生产设备的运行状态进行在线实时监视，环保设备出现故障时，会将实时监控数据通过互联网传递到当地环保部门的相关监控平台中，生态环境保护部门可以根据这个数据，对湿地周边各生产厂家的污水排放和环境状况进行即时监测，及时发现并处置违法的污水排放[4]。

2.2 大数据技术监控湿地大气环境污染

由于物联网与大数据技术在环保方面的应用日益广泛，目前普遍使用两级多重监测系统来进行湿地生态大气污染的监测，也就是利用标准的监测仪器建立一级监测网；基于低功耗的环境感知系统，构建了基于环境保护的二重监控网络。从而可以在多个标准监测站和几百个小监测点组成的多维监测网中，对各重点地区进行集中、平均、集中监测，提高了各地区大气环境的采集效率和准确性。并以GIS为基础，构架监控后台，并将污染源地图、地形地图、区域行政地图与实时监控数据进行叠加，通过大数据技术，将监控、地图及数据分析有效整合，从而形成动态化、可视化的大气污染趋势图。监管部门可以实时掌握被监控地区大气环境的动态变化，为确定污染来源和制订相应的防治措施提供依据。因此，利用物联网技术和大数据技术对大气环境进行实时监控非常有用[5]。

2.3 大数据技术监控湿地生态

监测湿地生态的方式多样，可通过监控设备对湿地生态布设智能化的实时监测网络，可实现对湿地与保护区的空气质量、土壤环境、气象环境及水质环境的实时监测，有效获得PM2.5值、土壤电导率及水酸碱度等数据。湿地管护员可通过移动终端设备进行湿地巡查，通过设备接收执行相关任务，并对巡查线上的湿地资源、环境状况及破坏情况进行记录，并进行上报，从而形成基于空间位置的湿地时空数据群。

3 基于大数据技术的滦河湿地生态保护治理系统构建

3.1 滦河湿地生态现状

滦河三角洲滨海湿地地处河北省东部沿海地区,秦皇岛市昌黎县与唐山市乐亭县境内。北起昌黎塔子沟,南至乐亭浪窝口,西起昌黎县境内的王家铺与乐亭县境内的莲花池村、新甜村、第二节村、赵家铺一线,东至滦河口近海海岸,总面积7 602.73hm2,其中,陆域面积7 393.01hm2,海域面积209.72hm2。

3.2 近岸环境污染

20世纪80年代以来，滦河三角洲滨海湿地的池塘养殖面积迅速扩大，对滦河口附近的海域环境质量带来一定影响。从生态学角度讲，滩涂围垦养殖生态系统的生物群落结构十分简单，在滩涂养殖过程中，动物生长排放的粪便、投放的饵料、消毒剂、驱除养殖病害的药物、抗生素等残留会形成一定的污染物。这些污染物会诱发海域环境污染，打破近海域生态系统中的微生态环境平衡，并对物质生产、能量循环产生一定干扰。随着近些年淹水田的面积不断扩大，作物的生长也会产生一些污染物，并排放入近海域中，从而对海洋生态环境造成影响。种植稻谷时，为了提高稻田的产量，需要使用一些化学制剂，以及某些农药、化肥或其他有机化合物，这些均会产生一定污染，并留在土壤中，不能被水生植物完全吸收。无机污染物在暴雨的影响下或通过农田灌溉、地表径流、地下水渗流等方式排入天然水体。

3.3 海域非生物环境破坏

P、N、Si等营养物质是海洋生物中的细胞核及蛋白质的重要组成，当P、N含量发生变化时，会对呼吸作用、光合作用及浮游植物吸收产生直接性的影响，从而影响到海洋生物。通常来说，当河流携带的泥沙量减少时，河流携带到近海的P、N、Si等营养物质的含量也会减少。随着滦河入海冲积物量逐年减少而急剧增加，造成污染。造成这种现象的主要原因是沼泽和河口的垃圾量增加，稻田面积的增加，以及大量工农业及生活垃圾的倒入，随着滦河流入近海水中，近岸海域的富营养化趋势非常严重[6]。

3.4 天然异质性降低

近代，滦河三角洲滨海湿地环境出现了异质性下降，其表现为湿地景观类型、空间结构发生了变化。1991-2019年间，自然湿地面积呈持续减少趋势，池塘及田间面积程不断增加趋势，景观类型呈减少趋势，异质性的自然版本逐渐的减少，自我调节、抗干扰及生态恢复能力急剧下降，从而使海岸稳定性降低。湿地生态系统进而演变成为高度脆弱的状态，湿地对环境格局演变的反应越来越强烈。

3.5 基于大数据的滦河湿地生态保护治理系统构建

基于大数据的滦河湿地生态治理系统主要有如下几项功能，首先是湿地视频管理功能，主要功能是采集不同时间不同地点的湿地生态情况，汇总给湿地管理人员，方便湿地管理人员实时掌控湿地生态情况；其次是湿地空气监测系统，主要通过湿地周围架设的传感器，实时对湿地周围空气进行监测，并将数据传输到系统中，方便湿地管理人员查看[7]。

以滦河湿地为突破口，通过 HDFS技术可以构建一个基于 Hadoop的湿地监测信息平台。今后，利用该平台构建的滦河湿地生态环境监测预警系统，能够较好地预测滦河湿地环境污染的源头。同时，该模型的开发也为今后更大范围的综合分析和利用奠定了理论依据。所有的资料都会储存在一个统一的大数据系统中。在此基础上，提出了基于Hadoop的分布式集群架构。利用100部PC机组成一个分布的数据储存群组，这些组网分别负责运算与储存。将滦河湿地的污染数据存储在不同的数据节点中。元数据主要存储各种不同类型的数据在数据结点中的拷贝分布。元数据辅助性结点具有与元数据主结点相似的功能，在元数据主结点出现故障时，可以再启元数据。在这些元数据的主结点中，存储了对HDFS档案的所有索引，这些索引的内容大多来自于元数据预处理时所产生的元资料。为了更改元资料主结点的资讯，可将对应的纪录插入到交易日志中。

4 滦河湿地生态保护治理策略

4.1 植物群落治理

在湿地景观设计和水质净化实践方面，应用最为广泛的是天然植物群落净化方法。选择适合水生环境的原生植物和植物，不仅可以减轻水体异质景观的压力，为河岸植物创造独特的缓冲区，而且在水质净化方面也有独特优势。园林进水口与植树相结合，通过下水道的设计，使受污染的河水流经水质沉积区(沉降筛选)，进入水平面湿地(过滤平行)。地下湿地芦苇风机可以延长废物在原地停留的时间，从而提高净化效率。到达湿地多层面流(重力过滤)后，通过水滴多的池底，促使水团垂直流动，过滤水质。通过植物清洗(生物过滤)区对潮湿的植物群落进行处理再利用的艺术效果，通过沉积物、水生微生物和水的协同作用，种植具有较强综合废水吸收能力和减少水中有害物质快速释放的水生植物动物。集中过滤，同时根据不同的湿植物生物群落，营造出游客可依循的特色鲜明的湿地景观。为了最大限度地净化水，水从公园的西南角流出，返回城市的长河区。

4.2 开放空间的系统规划

通过现场勘测，丰富景观形态，制定合理的景观框架，形成山体浸水的景观模型，将水系置于山前水中，形成开放空间的系统规划。不同的用途与不同形式的水有关。水系通过桥梁、堤坝和大梁、滦河的疏浚和连接水系的方式，将水系分为开放空间和封闭空间。湿地西北部合理利用城市建设废弃地，顺应并延续地形景观特征，营造不一样的空间体验。

4.3 公共设施的保护性设计

作为一种现代生态景观模型，湿地要在创造新的湿地系统的需要和公共开放空间的需要之间取得平衡。湿地保护区和城市环境之间的过渡缓冲区，模糊了公园和城市之间的界限。严格控制建设密度和规模，设置湿地文化展厅(农业文化、渔船文化、湿地文化和民俗文化)、游客中心、商业土地储备、会议功能时，可人工干预控制工程，填充该区域以减少对核心湿地区域的干扰。微滤、纳滤、超滤、反渗透等技术是最为常用的膜分离方法。膜处理主要用于回收各种高分子原料，处理过程中可能会引入一些其他杂质。大分子和小分子可以相互分离。成本高、寿命短、易污染的膜在一定程度上限制了该技术的发展。随着科学技术的发展，这种方法将有更广阔的应用空间。

5 结语

滦河湿地的保护与修复，会更有效地保护野生动物资源及湿地生态系统，从而使湿地生态系统的功能增强及完善，生物资源不断丰富，生物多样性得到保护，蓄水和抗洪能力也将增强。进而提高滦河自然保护区在国内外的知名度、影响力，并促进整个滦河地区经济社会可持续发展。

当前，在生态环保中运用大数据技术已成为时代潮流。生态环境保护机构应充分发挥大数据的作用，促进生态环境治理工作的智能化、系统化、高效化。在生态环境的维护中，获取更丰富、更准确、更及时的资料，完善生态环境治理体系。通过预测未来的发展态势，制定生态环境保护规划，实现生态环保与社会发展的良性循环。