流域生态环境治理体系构建研究——以南流江为例

姜代炜，谭太恒，陈婉莹，唐长增

（1. 广西壮族自治区自然资源信息中心，广西 南宁 530023）

生态环境监测是生态环境保护的基础，是生态文明建设的重要支撑[1]。近年来，随着位置服务[2-3]、边缘感知[4]、物联网[5-6]和云雾计算[7]等技术融合发展，生态环境监测正在向立体化、实时化、智能化方向发展[8-12]，生态环境监测支撑能力明显加强。当前生产、生活污水排放飙升，河流污染已成为生态环境治理的一个重要问题。针对该问题，相关部门开展了长江、黄河、珠江等七大流域的生态环境监测工作，组建了覆盖面广的稀疏水质站点监测体系[1]，建立了综合性较强的流域生态环境管理平台[13-17]，在水环境、水生态和水资源“三水共治”方面取得了较好的工作成效[18]。由于流域具有空间跨度大、监测时间持续长、污染来源复杂等特性，流域生态环境总体监测服务供给不足、支撑水平有待提高的局面没有改变[19]，在精准监控、科学预警与协同治理等方面还有进一步完善的空间。本文以广西南流江为例，开展流域生态环境治理体系建设，从时空信息角度构建流域生态环境监测、模拟、预警和治理的全链条技术栈，为流域生态环境监管赋能，提供可借鉴的中小流域生态环境治理经验。

1 流域生态环境治理体系建设

流域治理是区域统筹、部门合作、协同推进生态环境治理的重要场所，现代流域治理逐渐从单一要素向全要素、全过程、全流域协同治理模式转变。运用系统论思想，以水环境改善和水生态修复为目标，构建水污染整治、水资源利用和水生态保护有机结合的流域治理体系；以信息协同为纽带，理顺流域上下游与执法主体的衔接关系，推动流域治理由“九龙治水”向“系统治水”升维，形成“三水统筹”治理格局。

1）建立“天—空—地—人—网”流域立体监测技术手段。利用遥感、物联网、位置服务等技术手段进行全流域要素监测，获取水色、水温、pH 值、总磷、总氮、蓝绿藻等水环境、水生态参量信息。

2）建立水生态健康和水环境总量控制评价指标。评估流域水生态承载力，确立水环境质量基准指标，明晰污染削减与水环境总量控制的关系。

3）建立水循环时空模拟和水环境风险预警系统。空间识别重点风险源，对水环境进行时空模拟和风险预警，为日常监管、依法查处水污染提供支持。

4）建立流域点面污染源防治和水生态修复耦合的多元治理模式。划分流域生态功能区，优化生产生活空间布局，重点开展流域工业污染控制、农业面源治理和生物技术工程，系统性修复水生态。

2 总体思路

南流江流经玉林、钦州、北海3 市6 县，是广西南部独流入海河流中流程最长、流域面积最广、水量最丰富的河流[20]，需要综合考虑治理主体、治理对象、治理工具与治理过程之间的有机联系，以时空信息流贯通立体监测、精细管理、预报预警和协同治理全过程，形成流域生态环境治理闭环，南流江流域生态环境信息化治理思路为：

1）扩充现有监测装备，立体监测流域生态环境，集成基础地理信息、水文水质、污染源等数据，构建流域时空信息数据库，重建流域三维实景，提供多维度时空信息服务，解决“数出多门”“标准不一”“难以共享”等问题，实现流域信息的统一存储、统一管理、统一应用和统一展示。

2）结合多源时空信息，通过流域水污染总量控制指标对污染源、水环境容量和水环境风险等进行时空分析，构建多模态水质时空演化模型，计算水环境的纳污承载力，以GIS 可视化手段提供点面源污染分析、水质预报预警和环境治理决策等服务。

3）开发边缘端应用系统，为管理者提供流域环境直观展现、水环境质量精准预测、生态环境科学决策的管理系统，为调查者提供污染源精确发现、环境污染事件查处的监察系统，协同开展流域生态环境治理工作，构建全流域生态环境治理体系。南流江生态环境治理系统总体架构见图1。

图1 南流江生态环境治理系统总体架构

3 关键技术

3.1 多层次立体监测

扩充现有装备，合理布设流域防污设施，构建立体监测体系，多层次采集流域治理对象信息，整体掌握流域水资源分布、污染源情况等。

1）建立星载遥感、机载遥感、地面自动监测站和和移动监测设备等多层次立体监测体系，大范围获取国产高分辨率遥感影像，中范围获取无人机航空影像，小范围获取水文、水质和污染源数据，兼顾周期性、应急性和实时性监测，通过有线或无线网络数据传输，将流域治理对象纳入到整体监测视野中（表1）。

表1 南流江生态环境监测方式

2）使用空间分析方法合理布设自动监测站、污水处理厂和垃圾处理站等防污设施，划定流域畜禽限养区、农药化肥严管区，在密集养殖区建立粪污集中处理中心，提供高精度、定量化的产品服务。

3）规范数据采集、加工和建库流程，构建流域时空数据库，实现多源时空数据的有效整编。其中，App 采集端重点调查工业废水、生活污水和畜禽养殖等信息，质量合格后传入污染源数据库中。

3.2 多维度流域对象精细管理

集成基础地理信息、水文水质和污染源等数据，阐释多类型时空数据的语义关联和时空尺度约束关系[21]，为流域生态环境精确画像（图2）。

图2 南流江多维度精细管理

1）利用基础地理信息构建地形级、对象级流域管理单元；基于空间数据组织，解决数据规模过大引起的图形冲突、属性不一致和版本迭代等问题；基于空间数据索引，以流数据的方式进行网络传输，采用多级网格模型重建南流江三维实景。

2）顾及自动监测站的空间表达需要，对物联网设备进行识别和认证，通过控制层、传输层汇聚至三维实景，“一张图”展示联网监测终端，实现对物联网终端的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

3）针对重点目标、重大污染源，开展全景影像、倾斜摄影测量工作，以二三维一体化方式展示重要河段、防污设施和畜禽养殖等信息，提供点面源污染分析、水质预报预警和环境治理决策等服务。

3.3 多模态水质时空模拟与预警

为描述水体中污染物随时间、空间的运动变化规律，国内外学者利用河流水文、流体动力学等理论进行了大量水质模型研究工作[22]（表2），并应用于水质模拟评价、预报预警等领域，随着实时监测数据的丰富、空间并行计算能力的增强，以Delft3D、SWAT为代表的空间插值方法弥补了传统水质模型的缺陷[23-26]，较大程度地提升了污染物组分的时空计算精度。

表2 常用水质模型

1）根据《第一次全国污染源普查工作手册》的相关标准，换算工业废水、生活污水、畜禽养殖和农业面源等污染系数，建立南流江水污染总量控制指标体系。

2）结合地形因子、水文因子、气候因子和实时监测数据等，采用空间插值构建多模态水质时空演化模型，核算水环境容量和纳污承载力，以时空演化的视角模拟流域污染物的空间分布、历史过程和演变趋势等，识别优先管控的河段和污染因子，进行水质污染溯源分析，为监管者制定环境风险评估、治理决策和污染事故处突方案，提供水环境预警与决策支持服务。

3）建立污染实时发现、信息上传下达、任务快速执行和治理全程监督的协同工作机制，当系统触发水污染预警时，能及时地将相关信息传递给执法人员，执法人员依法查处环境污染事件。南流江水污染精准治理应用见图3。

图3 南流江水污染精准治理

3.4 多类型信息服务切分与聚合

为满足多维度、多场景和多功能的应用需求，采用微服务架构对流域信息服务进行拆分与聚合（图4），提高信息服务的利用率和整体质量。

图4 系统信息服务切分与聚合示意图

1）在服务端将大型单体应用切分为细粒度、灵活组装的服务，服务间通过轻量级通信机制相互协作，利用“天地图·广西”地理信息服务引擎进行信息服务发布，根据信息服务访问的多寡动态调整计算资源，扩充单个微服务集群的规模，不会因单一数据或功能失灵而导致系统整体宕机。

2）在边缘端按业务需求调用信息服务，将分散、简单的细粒度服务聚合成复杂、具有新功能的信息服务，灵活组装应用系统，即便有新的信息服务需求，也能反馈给服务端开发新的服务，系统能从服务链中挑选可用信息服务，保障应用层业务的连续性。

4 实践效果

通过应用生态环境管理系统、微信版污染防治监察系统、污染源和水质采集系统App等，工作人员共采集相关企业231家，畜禽养殖点26 129个，在40条干支流设置监控点位110个，全面掌握流域水质变化、污染排放和治理情况。系统一旦触发水污染预警，立即锁定污染源范围，派出水污染防治攻坚队伍协同作战，依法查处污水、养殖场乱建等环境违法行为。

南流江横塘国家考核断面水质从2018年年初的劣Ⅴ类提升至2019年12月的Ⅲ类，水质持续好转，110个自动监测站点中江口大桥近4 年来平均水质断面监测情况见表3，各项指标均在Ⅰ～Ⅲ类之间。

5 结 语

为较好地配合南流江生态环境治理工程，通过南流江生态环境治理系统建立区、市、县、乡4 级协同机制，对流域生态环境进行精细管理，建立了一批污水处理厂、养殖废弃物收运合作社和有机肥加工厂，整体治理效果明显提升。该模式已推广至广西钦州江、九洲江流域。同时，流域生态环境治理是一项长期任务，更是一项复杂的系统工程，需要多方面着手才能治本清源。

1）对工业废水排放严重的企业进行重点整治，提高工业废水处理设备的使用率，安装环保部门规定的在线联网水污染物自动监测设备，严查私设排污口、超标排放物的环境违法行为。

2）对城镇污水处理厂进行提标改造，提高污水处理厂进水量，提升污水处理厂运行负荷率，减少城镇径流污染物的排放量。

3）划定流域畜禽禁养区和限养区，杜绝粪污和沼液直排现象，对传统养殖场进行生态养殖模式改造，在密集养殖区建立粪污集中处理中心，将粪污转化为有机粪肥，提高流域畜禽粪污综合利用率。

4）开展农业面源污染防治工程，划定农药化肥严管区，建设初排径流水回用系统、水田生态沟渠和面源拦截生态沟，推广有机肥和生态农药的使用。