地下水环境智慧监管技术集成与平台应用研究

易树平,方 铖,刘君全,龚曼妮,周兰兰,邓 易

1.南方科技大学,广东 深圳 518055

2.国家环境保护流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室,广东 深圳 518055

3.浙江省台州生态环境监测中心,浙江 台州 318000

4.深圳市南科环保科技有限公司,广东 深圳 518055

5.重庆邮电大学,重庆 400065

地下水是保障我国经济社会可持续发展的重要资源,也是维系生态环境安全的关键要素[1-3]。相对于地表水,地下水污染的发生过程隐蔽、不易发现,且治理难度大、成本高,这就对科学开展地下水监管和污染防治提出了更高的要求。随着2021年《地下水管理条例》的实施,地下水监管和污染防治开始进入新一轮的发展阶段。

我国于2015年启动了国家地下水监测工程建设,共建设完成20 469个监测站点,初步建立了全国性的地下水监测网。相关生态环境状况公报显示：2020年开展监测的20 413个地下水监测点中,Ⅴ类水质点位占30.65%[4];2021年开展监测的1 900个国家地下水环境质量考核点位中,Ⅴ类水质点位占20.6%[5]。这表明我国地下水污染加剧的趋势得到初步遏制。依据《地下水污染防治实施方案》,我国地下水污染防治工作将以扭住“双源”(集中式地下水型饮用水源和地下水污染源)为重点,以加快监管基础能力建设、建立健全法规标准体系、加强污染源源头防治和风险管控为指导思想,持续开展地下水环境状况调查评估,加强地下水环境监管,完善地下水环境监测体系,加强地下水污染风险防控体系建设,完善地下水污染防治目标责任制,建立责任追究体系,保障地下水型饮用水源环境安全,严控地下水污染源,切实提升地下水污染防治水平。

国际地下水污染防治经验表明,我国地下水污染防治需“以防为主、以治为辅”。“十四五”时期,生态环境部将按照“监测先行、监测灵敏、监测准确”的总体思路,构建面向生态环境治理体系与治理能力现代化的智慧监测体系,以实现决策智慧化、执法精准化、信息公开化、服务便民化[6]。然而,国内在“双源”地下水环境管理、污染防治、预测预警和应急处理等方面仍缺乏科学可靠的技术手段,这也成为我国地下水环境污染防治当前面临的巨大挑战。

基于此,本文针对“双源”地下水环境监管需求,开展了地下水环境智慧监管技术集成与平台应用研究,通过耦合集成在线监测、数值模拟、多维数据分析、可视化及平台开发等技术,主要实现如下管理功能：①地下水环境动态实时监测、评价分析与分级预警;②地下水环境大数据自动化和人工智能计算与模拟,包括污染路径溯源和污染羽迁移预测预警;③地下水环境移动式、可视化监管和决策。通过将上述功能在手机、平板电脑、台式计算机等全平台落地应用,实现对地下水环境的固定和移动式监管,提升地下水环境监管的科技水平,推进“双源”地下水污染防治。

1 智慧监管平台技术及架构设计

我国现有地下水信息应用服务系统的功能主要集中在数据接收、数据分析、成果发布方面。结合地下水最新监管要求,还需要深入研究利用环境信息进行智能化处理和智能模型分析,以进一步提高对环境的风险预警和决策管理强度。

本研究耦合集成物联网、地下水数值模拟、大数据、云计算、三维可视化等技术,构建集在线监测、预测预警、溯源计算、三维可视化于一体的地下水环境智慧监管平台。基于地下水系统水文地质条件和污染源分布情况,构建污染源数据库,筛选重点污染源,建立地下水在线监测站。通过物联网传输技术将监测站(感知系统)监测数据实时传输至数据库服务器,在服务提供域通过数据整合与清洗,利用地下水数值模拟和科学计算可视化等技术,实现对地下水环境的实时监测评价与预警、污染预测与应急支撑、路径溯源计算和三维可视化,从而为地下水生态环境管理、预警和决策提供支撑,全面提升地下水污染突发状况下的事件应急、事件联动、事件处理的决策、管理和执行能力,深入推动地下水污染防治工作。平台架构设计如图1所示[7-10]。

图1 平台总体架构设计

2 智慧监管平台算法耦合与技术集成

智慧监管平台包含地下水环境感知、数据集成与计算、可视化管理3个方面,以及相互之间的数据传输与耦合等技术。其中,地下水环境感知、数据传输、数据分析与管理等目前已经有较为成熟的经验[11-12],本文不再赘述。下面重点对平台耦合的地下水数值模型及其预测应急、路径溯源算法,以及地表-地下三维管理技术进行介绍。

2.1 地下水数值模型开发与耦合

2.1.1 污染预测与应急数值模型

基于园区水文地质条件和现场调查情况,结合工业园区范围,确定地下水数值模型的边界条件。对地层结构及含水层属性、边界条件、源汇项、地下水水流特征等信息进行概化,采用国际认可的地下水模拟专业软件MODFLOW与MT3D-USGS,构建地下水水流模型和地下水溶质迁移模型[13-15]。将模拟结果与实测结果对比分析,进行参数调整和模型校正,并对模型进行灵敏度分析和验证,以进一步提高模型的置信度。

平台以MODFLOW与MT3D-USGS为核心,构建地下水污染预测模型计算服务引擎,实现在线监测数据与污染预测计算的无缝连接,并以二维和三维可视化技术实现地下水数值模型的前后文件处理与结果呈现。用户可通过网页浏览器操作部署于服务器的地下水数值模型,并采用电子地图应用程序接口与三维渲染引擎实现在浏览器前端对数值模型的二维、三维可视化呈现。

2.1.2 污染路径溯源数值模型

地下水污染溯源研究已有近30年的历史,目前主要的数学方法可分为模拟-优化方法、解析方法、直接法和随机理论方法。其中,国内外学者普遍采用模拟-优化方法开展地下水污染溯源和监测井监测范围确定。模拟-优化方法中的优化算法包括遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、粒子群算法等,但这些优化算法普遍存在精度不稳定、计算时间长、计算量巨大等问题[16-17]。

平台将模拟植物生长算法与地下水溶质运移数值模型相耦合：首先,基于地下水水流及溶质模拟模型所形成的目标渗流区二维或三维空间离散网格,构建模拟植物生长算法的生长环境,形成优化问题的解空间,并将地下水溶质运移模型作为植物生长的向光性评价规则,将每个新生长点单元格假设为污染源进行溶质运移模拟,检测污染羽是否流经单元格,以确定新的植物生长点。然后,将监测井所在位置的单元格确定为植物生长细胞,提取生长细胞的邻域,基于向光性评价规则计算每个新生长点的形态素浓度,确定新的植物生长点。最后,基于植物不断向光生长的特性,反复进行模拟植物生长算法优化计算,直至某轮计算提取到的领域单元格中的所有单元格的污染羽全部都不流经监测井单元格,说明已经无法识别到新的监测范围,植物已经无法产生新的生长点,新枝生长结束。此时即可停止循环计算,确定该地下水监测井的可监测范围,并配合潜在污染源数据库,通过空间检索锁定潜在的污染源分布区域,实现污染溯源计算。

平台应用Java后端,采用Spring Cloud框架,结合Vue前端框架,利用前后端分离技术,设计并开发污染溯源计算系统。该系统采用完好封装、松散耦合、规范化协议等方式,整合企业污染源信息数据库和地下水在线监测数据库,依据国家地下水环境质量标准和相关评价技术导则,形成知识库与推理机,实现污染溯源功能的在线计算网络服务。

2.2 地表-地下三维模型开发

2.2.1 地表空间三维建模

应用无人机倾斜摄影技术,通过多旋翼无人机上的五目摄像机,同时从垂直、前方、后方、左侧、右侧5个不同的角度采集影像,获取“双源”管理区域地表空间的多角度影像数据,并采用专业倾斜摄影三维建模软件,通过几何处理、多视匹配、三角网构建、自动赋予纹理等步骤,构建地表空间的三维实景模型。

2.2.2 地下空间三维建模

平台将水文地质空间数据、在线监测得到的表格式时间序列数据,以及污染预测与溯源计算得到的矩阵与数组数据,经过科学计算与处理,形成含水系统特征分布、污染分布、时空变化、污染预测、污染溯源等图形图像应用,实现监测数据可视化。在污染预测与溯源计算中,基于概念模型中的空间离散数据,可以获得各个地层的二维矩阵数据。将一系列二维矩阵数据进行插值计算与处理,便可以生成地下空间的三维模型。

3 地下水环境智慧监管平台功能模块

3.1 地下水环境态势感知系统

通过构建地下水污染源信息、特征污染物信息、在线监测数据等数据库,利用在线监测系统梳理重点污染源及周边的地下水污染状况,加强地下水环境监管,完善地下水环境监测体系。拟实现的功能主要包括：

1)监测数据可视化。实现站点数据实时分析,构建站点数据历史趋势图、地下水整体水质改善情况分析图等多样化可视图表,将数据的价值展现到最大,充分落实环保“一张图”的管理理念。

2)地下水环境质量及动态变化可视化。将监测数据实时进行克里金插值计算,通过不同颜色反映水质状态,实现所有监测指标空间分布及动态变化趋势的可视化呈现(图2)。

图2 水质空间分布

3)自动分级预警。设置分级预警条件,当站点监测到的有效数据达到预警条件后,系统自动分级预警,并形成预警记录。通过预警记录,可以快速定位到预警站点及预警指标(图3)。

图3 通过预警记录定位到站点

3.2 地下水污染预测系统

通过对地下水污染预测数值模型进行构建与网络服务开发,研发基于网页端的污染预测系统,建设地下水污染风险防控体系。拟实现的功能主要包括：

1)智能预测。收到站点在线监测数据超标自动预警后,系统自动计算污染预测结果。

2)自定义预测。用户通过自定义功能设置污染源坐标、污染指标浓度、预测时长等参数后,系统开始计算预测结果。

3)污染羽变化趋势预测。在网页地图上通过将污染羽图形化的方式,展示污染预测结果(图4)。

图4 污染羽迁移预测及敏感受体污染趋势预警

4)敏感受体污染趋势预警。在污染或事故条件下,点击附近敏感受体坐标,查询、分析该敏感受体的污染指标变化趋势(图4)。

3.3 地下水污染溯源系统

通过对地下水污染溯源数值模型进行构建与网络服务开发,研发基于网页端的污染溯源系统,建立地下水污染责任追究体系。拟实现的功能主要包括：

1)智能溯源。收到地下水监测数据超标自动预警后,系统自动计算污染路径溯源结果。

2)自定义溯源。自定义任意关注点位,输入污染指标浓度、溯源时长等参数后,系统计算并展示路径溯源结果。

3)污染责任主体分析。结合溯源路径计算结果、企业分布特征及污染指标,以及可能产生污染的时间,分析、匹配污染责任主体(图5)。

3.4 多维数据智能管理应用模块

通过地下水质量标准数据库对比、图表及报告自动生成,实现多维数据智能分析与管理应用,综合分析水文地质条件和地下水污染特征,为污染防治对策的制定提供数据支撑。拟得到的主要成果包括：

1)自动生成统计图、统计表、柱状图、折线图、站点指标对比图。通过自定义选择数据维度,获取同一指标的时间、空间多维度分析结果,以及不同指标的同一维度分析结果,实现对地下水环境的便捷和高效管理。

2)自动生成水环境变化智能分析报告。结合周、月度、季度管理需求,自动生成并导出地下水各指标变化趋势分析报告,协助管理人员对地下水环境状况进行研判,为污染预测预警提供数据支撑。

3)自动生成溯源、预测智能分析报告。自动生成地下水平台运行期间的溯源与预测事件分析报告(图6),帮助管理人员洞悉地下水污染超标与预警规律,提高管理者对突发性地下水污染事件的处理效率,更好地辅助应急与管理决策。

图6 溯源统计分析报告

3.5 地表-地下空间三维可视化系统

通过开发地表-地下三维可视化模型,构建地表-地下空间三维可视化系统,直观展示区域地层地貌,为管理部门提供更好的地层视觉辅助与工程实施依据。拟实现的主要功能包括：

1)基于网页浏览器的地表空间三维建模结果查看(图7),并支持对模型文件进行缩放、平移及360度旋转浏览。

图7 地下空间可视化

2)基于网页浏览器的地表与地下三维模型平移、缩放、旋转与切分。

3)污染预测与溯源结果在地下三维模型中的动画展示与点击查询。

4 地下水环境智慧监管平台应用——以某工业园区为例

选取某工业园区,对该平台进行了应用试验。通过园区地下水环境基础调查与分析、在线监测站点建设,以及搭建地下水环境智慧监管平台,实现了对该工业园区地下水环境的在线监测评价、监控预警、预测溯源和三维可视化管理。运行期间,平台在监控到其中一个在线监测站点的氨氮和总磷含量出现显著变化后,启动了预警提示,并进行了污染预测和溯源计算。根据系统显示的溯源路径,结合现场排查结果,精准定位到上游的一个违规养殖场,其产生的污染物已严重影响周边地下水水质。将结果上报环境管理部门后,环境执法人员立即依法处理,防止了污染的进一步扩散。综上,该平台为园区地下水环境监管提供了科学、有效的技术支撑。

5 结论

通过耦合物联网、云计算、三维可视化等技术,本研究构建了集地下水污染在线监测评价与预警、污染路径溯源计算、污染事故预测及应急支撑等功能于一体的地下水智慧监管平台,实现了对地下水环境变化的实时监测。同时,平台一旦发现监测指标超标,可以快速对超标站点进行定位,并可自动或人工启动污染物迁移预测和污染路径溯源计算,通过地表-地下三维可视化模型展示污染迁移路径及范围,为地下水污染责任主体追查及应急预警提供高效的技术支撑。该平台兼容手机、平板电脑、台式计算机等固定和移动设备,有助于管理部门快速掌握地下水环境污染状况、预测溯源结果、智能分析结果,为我国地下水污染监管提供实时、高效的科技支撑。