创新构建沿海城市水环境智慧管控技术体系

黄丹雯

近年来，沿海城市面临密集点源排放与复杂分散面源污染交织、黑臭水体治理后反弹、近海水质水生态受损等问题。与此同时，国家对新污染物治理也有了新的部署，这对城市水环境监管提出了更高要求。

为解决沿海城市水环境智慧化管理中的痛点、难点问题，南方科技大学环境科学与工程学院教授郑一带领研发团队，通过创新应用人工智能、大数据、物联网技术等，对数据采集、模型算法、系统集成、运维监管等模块进行研发，逐一解决沿海城市在水污染防治、水环境管控工作中的“卡脖子”难题，成功构建了沿海城市“源-河-湾”全过程水环境智慧管控技术体系，该技术于2023年5月获“广东省环境保护科学技术奖一等奖”。

大数据采集的新方法

“传统的水环境监测主要依赖职能部门进行的常规性监测，而相关行业企业在进行工程项目建设时，常常面临水质数据短缺的问题。”郑教授表示。

传统的监测手段受限于成本及人力，所获得的监测数据往往面临监测频率不高，空间覆盖不全的问题，这对解决实际管理的问题来讲，还远远不够，得有创新性手段来获取更多的水环境数据。而近年来大数据、物联网技术等新技术的发展，为水质监测数据采集带来新的机遇。对此，研发团队尝试利用计算机视觉技术，在企业工艺流程中增加数据采集设备，通过开发摄像头拍摄与视频解译方法，实现低成本获取数量更大、覆盖范围更广的水质信息。

“利用普通监控摄像头进行拍摄，监测成本从几千上万元降至几百元，适用于现实生活中的场景。”郑教授表示，利用计算机视觉技术提取水质相关信息的做法，在几年前还是一项前沿探索，该成果证明了利用成本低、可覆盖面广的普通摄像头获取有效数据的可行性，是非常具有启发性的一项工作。

据了解，历史观测资料不足是沿海地区水环境预测和管理中最常见的难题，而利用计算机视觉技术提取特征，能够生成时空分辨率统一的高质量模型驱动数据，并驱动高精度水文水质深度学习模型同时，在数据丰富的区域建立的模型，通过人工智能赋能，可以在无或缺数据区域也能有效应用。

基于环境物联网采集工业污染源高频数据，可以提取污染源的企业画像，基于污染源排放行为特征（如节假日特征、偷漏排行为等），用于管理片区的污水收集集中调节。

这些环境大数据采集的新方法，支撑了“污染源-城市水系-海湾”的全过程监管。除了污染源和城市水质数据的采集，郑教授团队还基于海洋浮标获取高频原位水质监测数据，再利用机器学习方法进行多源数据融合，进而驱动水质参数的短期预报模型，助力生态环境监管部门做好海湾水质监管。

在研发过程中，研发团队利用亚洲、欧洲、北美洲等不同大陆的跨流域数据集对流域水文、水质的“黑箱”深度学习模型进行训练，使之具备优秀的空间泛化能力。此外，还通过深度学习反向解译、深度学习与物理过程模型共生融合两类技术路径，实现深度学习模型在物理层面具有可解释性，从而确保“黑箱”模型在实际应用中的可靠性。

智慧化决策的新技术

“在这个系统中，我们研发了智慧化决策新技术，针对河道水质、海湾赤潮等异常情况的预警，决策系统会根据模拟结果提供应对方案，最后再由决策者进行把关。”郑教授介绍道。

基于信息熵的监测网络优化技术、大数据分析偷排漏排的溯源技术等，“源-河-湾”全过程水环境管控技术体系融合了原位监测、数据同化、模拟分析、预警预报等多项技术，支撑了水质“监测-预警-溯源”的一体化实施。

其中，水环境监测网络精准设计技术涵盖了日常管理、应急污染追踪、应急污染溯源三类监测需求。通过面向污染追踪预警的监测网络时空布设算法，搭建了面向数值溯源的应急监测网络。

在预警环节，研发团队则构建了城市水体“水质预报-异常报警-风险告警”综合预警体系，开发出的水质预报模型能够实现对水体中溶解氧、COD和氨氮等水质指标的预报。通过水污染事故期动态风险预警框架，还能实现对数据流进行有效整合，形成风险图谱进行可视化展示。

“在溯源环节，我们提出了场景异化的溯源思路和定性定量耦合溯源技术，可以实现污染源分布和污染过程的可视化。”郑教授表示。

在“监测-预警-溯源”的一体化监控的基础上，结合水环境管控的决策优化技术、多污染源河段季节性管理技术等支撑技术，系统还可以自动作出应急处置工程风险评估，筛选出应急处置方案。

政校企合作的新模式

“全过程水环境管控技术体系是我们与政府部门、与企业经过多个合作项目所取得的成果汇集而成的。在这个过程中，我们也与深圳市环境科学研究院、相关高新技术企业构建了‘管理驱动-科技创新-工程实践的合作研发新模式。”郑教授表示。

南方科技大学团队致力于方法创新与技术攻关，与生态环境管理职能部门及支撑单位合作，搭建起管理与科技之间的桥梁。

据介绍，项目团队参加了中国最大的智慧环保单体软件工程项目（投资1.42亿元）深圳市智慧环保一期工程建设，负责智慧应用平台（四平台之一）中水环境管理应用系统的建设。该平台目前在深圳市生态环境局智慧管控中心运行，整体平台入选2021年度智慧环保创新十大案例，IDC亚太区智慧城市大奖暨中国智慧城市行业大奖“优秀奖”。水环境管理应用系统建设案例吸引了中节能集团大数据公司、中电建生态环境集团等央企前来参观学习交流。

项目团队研发的水质监测、水质模拟、污染源識别等技术，以及陆海统筹一体化平台建设的思路，被引入深圳市“十四五”海洋生态环境保护规划深圳试点项目、陆海统筹的海洋生态环境保护修复机制建设技术服务和深圳市入海排口分类管理体系构三个建设建议服务项目，助力深圳市生态环境部门全面厘清了深圳海域水质情况及入海河流及排污口情况，并通过近十年的数据描述了深圳海域水质变化趋势，分析了深圳海域不同海湾面临的主要生态环境问题，打通了从陆域到海域环境治理的重要环节，形成陆海统筹的环境污染治理体系。

“除了管理部门，一些高新环保企业在工程实践中也勇于尝试人工智能等新技术。新技术帮助解决了企业生产中遇到的问题，企业也为我们提供了重要的技术应用成效反馈。”郑教授表示。

据了解，近年来深圳衡伟环境技术有限公司、深圳市广汇源环境水务有限公司和深圳市智薯环保科技有限公司三家深圳本土高新环保企业，与南方科技大学均有长期合作，深圳市光明新区凤凰城项目就是其中之一。“该项目在海绵城市建设背景下进行研发，我们将地理信息技术、传感器技术、水动力模拟方法、网络和移动应用与城市水务管理进行有机融合，构建了全方位的智慧海绵城市系统。”

据介绍，该技术成果主要应用于《光明新区智慧海绵城市信息化建设项目服务项目》，该项目由深圳衡伟环境技术有限公司负责实施，项目组通过安装部署155个监测点位，在海绵城市试点区域内进行液位、水质、流量等的实时监测，集成了城市洪涝模型、海绵设施效能模型等，构建了智慧海绵信息化管控平台。

该技术成果的应用，实现了光明新区海绵城市试点区域的建设效果评价和信息化管理，建立了以监测数据采集、分析判别、平台预警通知、规范化的监测运维机制。不仅如此，项目的成功实施，也助力光明新区通过了第二批国家海绵城市建设试点的终期考核，并取得了全国第一名的好成绩。