構建國家水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺
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跨省界監(jiān)測斷面分布
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平臺監(jiān)測斷面展示
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平臺信息共享圖發(fā)布系統(tǒng)
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松花江流域水生態(tài)功能分區(qū)及其國控斷面
國家重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系是我國環(huán)境管理的重要組成部分。根據(jù)《國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃》和《國家水體污染控制與治理科技重大專項》確定的目標，“十一五”期間初步構建了我國水生態(tài)功能分區(qū)體系。而基于水生態(tài)功能分區(qū)的流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系及技術方法構建還需進一步完善，需要在“分區(qū)、分類、分級、分期”的流域污染控制理念指導下，進一步拓展和完善我國流域水環(huán)境監(jiān)測與評價關鍵技術，構建國家水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡動態(tài)優(yōu)化調(diào)整機制，從而提出國家水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡動態(tài)優(yōu)化調(diào)整方案。
研究初期的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡缺乏系統(tǒng)的網(wǎng)絡布控思想，地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)覆蓋面不全，沒有綜合考慮重點流域水功能分區(qū)，不能有效反映水生態(tài)功能，在生態(tài)文明建設的新時期，原來的監(jiān)測斷面不能滿足管理需求。同時，沒有組建統(tǒng)一的跨省界國家水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，缺乏完整的流域跨省界監(jiān)測體系和有效的跨省界水環(huán)境監(jiān)測機制，部分省界斷面不能得到上下游省份的完全認可。
我國水環(huán)境監(jiān)測信息管理已初步形成了由國家站、省級站、地市級站及部分區(qū)縣級站組成的四級水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與管理平臺。水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集能力也隨之不斷提高，并且在地表水自動監(jiān)測方面取得了長足的進步，為環(huán)境監(jiān)測信息化建設奠定了堅實的基礎。但水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)審核功能還需進一步強化，水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和業(yè)務應用系統(tǒng)相互獨立，亟需進行整合，信息管理亟待規(guī)范，尚未實現(xiàn)智能化和可視化。
“十二五”期間，國家水體污染控制與治理科技重大專項設置了“國家水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺構建技術與業(yè)務化運行示范”課題(2014ZX07502-002)，課題由中國環(huán)境監(jiān)測總站承擔，參與單位有中國環(huán)境科學研究院、吉林省環(huán)境監(jiān)測中心站、黑龍江省環(huán)境監(jiān)測中心站、北京尚洋東方環(huán)境科技股份有限公司。
課題立足于我國流域水環(huán)境監(jiān)測綜合管理問題，緊密圍繞解決流域水環(huán)境綜合管理的需求，經(jīng)過近4年的科研攻關，取得了顯著成果。提出了基于水生態(tài)功能分區(qū)的國家重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡布設原則、水環(huán)境監(jiān)測與評價方法體系，重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)整機制和運行管理機制，指導了國控地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)點位調(diào)整，調(diào)整后國控斷面（點位）為2767個。提出流域跨省界優(yōu)化調(diào)整原則，優(yōu)化調(diào)整了包括299個斷面的重點流域跨省界水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系，編制了聯(lián)合監(jiān)測實施方案并經(jīng)部辦公廳發(fā)布。集成構建了國家水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺并在松花江、太湖流域示范，平臺采用水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)智能審核、流域跨省界水環(huán)境監(jiān)測預警預報、水環(huán)境智能化管理與調(diào)控決策支持系統(tǒng)構建關鍵技術，具備水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、審核、管理、分析、處理、應用和展示等功能。
平臺實現(xiàn)業(yè)務化運行，實現(xiàn)流域內(nèi)重點水污染源動態(tài)管理、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評價、重點飲用水水源地水環(huán)境管理、跨省界水環(huán)境管理、跨省界水環(huán)境預警預報，水環(huán)境管理與調(diào)控等功能，累計向生態(tài)環(huán)境部監(jiān)測司、水司相關司局報送水質(zhì)自動監(jiān)測周報90期、水質(zhì)月報21期及預警快報等，有關監(jiān)測信息通過中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布平臺向公眾發(fā)布，實現(xiàn)了國家層面的水環(huán)境監(jiān)測信息智能化管理。
基于水生態(tài)功能分區(qū)優(yōu)化調(diào)整了重點流域水質(zhì)監(jiān)測斷面，形成了與水生態(tài)功能分區(qū)有效銜接的地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系
1.建立了基于水生態(tài)功能分區(qū)的重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡布設原則、水環(huán)境監(jiān)測與評價體系
基于水生態(tài)功能分區(qū)的重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)布設原則主要包括代表性、連續(xù)性、全面性、多功能性。重點結合流域水環(huán)境監(jiān)測特點，在具體斷面選擇上，考慮以水生態(tài)功能三級、四級分區(qū)設置監(jiān)測斷面；在不同水生態(tài)功能分區(qū)交界處設置斷面，代表相應分區(qū)的水環(huán)境特征等。
基于水生態(tài)功能分區(qū)的水環(huán)境監(jiān)測方法提出了“環(huán)境驅(qū)動因子”概念，研究構建了水生態(tài)功能分區(qū)不同等級的不同要素，為水環(huán)境監(jiān)測方法體系的研究在水生態(tài)功能分區(qū)的角度提出了方向和目標。
基于水生態(tài)功能分區(qū)的流域水環(huán)境監(jiān)測與評價提出了“熵權法”應用，以此方法計算優(yōu)化整理環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算出斷面不同指標的熵和權重。研究構建了以數(shù)理統(tǒng)計學為中心的自動化數(shù)據(jù)處理能力的監(jiān)測業(yè)務化系統(tǒng)，實現(xiàn)斷面優(yōu)化、指標優(yōu)化及賦分不同，從而對不同水生態(tài)功能分區(qū)采取不同的監(jiān)測手段。
上述研究結果通過在松花江流域示范應用，應用綜合評價方法對水生態(tài)功能概念下的水環(huán)境監(jiān)測進行評價，體現(xiàn)了水生態(tài)功能分區(qū)成果。這些成果對未來開展水生態(tài)功能監(jiān)測具有重要的指導意義。
2.提出了重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)整機制和運行管理機制，應用于《“十三五”國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)設置方案》
隨著環(huán)境條件與管理需求的變化，當原來布控的監(jiān)測斷面不能夠代表所在水體的水生態(tài)狀況時，根據(jù)水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡動態(tài)優(yōu)化調(diào)整方案中確立的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整方法、要求以及具體工作辦法進行優(yōu)化調(diào)整，形成例行機制，以確保水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)客觀反映地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，更科學地指導環(huán)境管理工作。對水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整將有效地整合環(huán)境監(jiān)測資源，減少重復投資和建設，以更合理的斷面（點位）布設最大程度地客觀反映地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，更科學地指導環(huán)境管理工作。
課題研究建立了流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡運行管理體系總構架，提出流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)采測分離、異地質(zhì)控、上下游聯(lián)合監(jiān)測等新的監(jiān)測模式，應用到由社會化監(jiān)測機構采樣、地方監(jiān)測站分析的采測分離新模式。
建立“三個中心”實現(xiàn)對水質(zhì)自動站現(xiàn)場運維的遠程化管理、遠程質(zhì)控考核管理以及數(shù)據(jù)的綜合應用。運行維護管理中心負責對日常運維工作進行考核、管理與評價；質(zhì)量控制與保障中心采用系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、自動質(zhì)控、實驗室比對監(jiān)測、數(shù)據(jù)有效性分析等手段對監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行控制與保障；數(shù)據(jù)綜合應用中心負責對現(xiàn)場端上傳的基礎數(shù)據(jù)及相關信息進行深入挖掘應用。
編制了《國家重點流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡建設方案（試行）》，有效支撐了《“十三五”國家地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)設置方案》的編制，指導了國控地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)點位調(diào)整，調(diào)整后國控斷面（點位）為2767個。其中評價、考核、排名斷面1940個，入？刂茢嗝195個（其中85個同時為評價、考核、排名斷面），趨勢科研斷面717個。
提出了流域跨省界優(yōu)化調(diào)整原則，發(fā)布了跨界水體水質(zhì)聯(lián)合監(jiān)測方案，開發(fā)了跨省界水環(huán)境監(jiān)測預警平臺，為跨省界流域水環(huán)境管理提供了有效支撐。
1.基于重點流域跨省界水環(huán)境特征，提出流域跨省界優(yōu)化調(diào)整原則，優(yōu)化調(diào)整了包括299個斷面的重點流域跨省界水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系
根據(jù)跨界水環(huán)境管理需求，課題對現(xiàn)有跨省界監(jiān)測斷面進行評估。根據(jù)“零公里”“入境斷面”“無爭議”原則，經(jīng)過評估原有151個跨省界斷面，有104個符合要求予以繼續(xù)保留，47個需要予以調(diào)整。由于近些年很多跨省界水污染糾紛發(fā)生在支流，因此在三級、四級支流上予以增加跨省界斷面，編制了《重點流域國家跨省界水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡體系方案》。按照“代表性”“連續(xù)性”“零公里”調(diào)整原則，重點流域跨省界斷面共設置299個，其中長江流域78個、黃河流域44個、松花江流域26個、海河流域54個、遼河流域15個、淮河流域34個、珠江流域22個、西南諸河3個、西北諸河2個、浙閩片5個、太湖流域入湖河流16個。
流域跨省界監(jiān)測以自動監(jiān)測（建設214個自動站）為主，手工監(jiān)測為輔。自動監(jiān)測除了常規(guī)9項參數(shù)，還需重點監(jiān)測CODCr、BOD5、石油類、氟化物、揮發(fā)酚、陰離子表面活性劑、硫化物、汞、砷、六價鉻等特征因子。
2.提出了跨界水質(zhì)監(jiān)測運行機制，發(fā)布了《跨界（省界、市界）水體水質(zhì)聯(lián)合監(jiān)測實施方案》
課題提出了建立跨省界水質(zhì)聯(lián)合監(jiān)測、流域信息互通、聯(lián)合監(jiān)測執(zhí)法、基礎設施共建共享等機制，其中聯(lián)合監(jiān)測對提高水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、公正性和權威性具有重要意義。借鑒國內(nèi)已有的聯(lián)合監(jiān)測經(jīng)驗，根據(jù)課題研究成果及管理工作需求，編制了《跨界（省界、市界）水體水質(zhì)聯(lián)合監(jiān)測實施方案》和《跨界（省界、市界）水體水質(zhì)聯(lián)合監(jiān)測實施方案》。原環(huán)境保護部辦公廳發(fā)布了上述方案（環(huán)辦監(jiān)測[2016]28號），指導各省站、市站開展聯(lián)合監(jiān)測工作。通過聯(lián)合監(jiān)測的實施，跨界監(jiān)測工作的準確性、規(guī)范性和科學性得到明顯提升；诼(lián)合監(jiān)測機制，課題進一步提出了部分流域的補償實施方案。
3.集成構建了重點流域跨省界水環(huán)境監(jiān)測預警預報平臺，并在松花江流域進行示范，實現(xiàn)了跨省界水環(huán)境監(jiān)測預警
課題集成研發(fā)了流域跨省界水環(huán)境監(jiān)測預警預報關鍵技術，集成構建了跨省界水環(huán)境監(jiān)測預警預報平臺。平臺采用統(tǒng)計分析、聚類分析、回歸分析、多維空間計算等原理，集成了20多種數(shù)學模型，對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采集與預警。平臺提供了水質(zhì)異常報警分析、監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與智能化審核、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與報表等功能，通過水質(zhì)異常分析模型進行水質(zhì)異常突發(fā)事件報警。
平臺在松花江流域示范應用，依托松花江干流的16個監(jiān)測斷面每月一次的常規(guī)監(jiān)測和5個每四小時監(jiān)測一次的國家自動監(jiān)測站（吉林溪浪口、長春松花江村、松原松林、肇源、同江），充分發(fā)揮常規(guī)監(jiān)測指標全、自動監(jiān)測頻次高的優(yōu)勢，結合流域內(nèi)國控重點污染源的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并集成跨界污染源排放與水質(zhì)變化模型，預測不同污染物排放情況下水質(zhì)變化趨勢，提出流域跨界污染風險預警預報與管理對策。
跨界水環(huán)境監(jiān)測預警預報工作流程
2016年5月4日4:00，松花江流域某自動監(jiān)測斷面開始產(chǎn)生大量氨氮、高錳酸鹽指數(shù)相關的報警，平臺自動歸納為一次水質(zhì)異常事件。報警信息通過郵件、短信等形式通知相關人員。此次事件在36小時后結束。經(jīng)驗證，此次報警反應的是一次污染團過境事件。
集成水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)智能審核等3項關鍵技術，構建國家重點流域水環(huán)境監(jiān)測智能化管理平臺并業(yè)務化示范運行
1.完成國家流域水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺開發(fā)設計等多項指南，規(guī)范了水環(huán)境監(jiān)測信息化管理
國家流域水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺開發(fā)設計相關指南充分考慮了平臺的總體架構、技術路線、關鍵技術、性能指標等內(nèi)容，從系統(tǒng)設計的角度考慮系統(tǒng)模塊的劃分和相關技術的實現(xiàn)方法等。指南主要作為系統(tǒng)研發(fā)人員設計系統(tǒng)時的參考依據(jù)，并對設計的范圍進行約束。
數(shù)據(jù)庫設計指南介紹了平臺所采用的數(shù)據(jù)庫及設計工具，闡述了數(shù)據(jù)庫的命名規(guī)則，并完整的概括了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的邏輯設計與物理設計。此外，還介紹了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶管理方案，并且為數(shù)據(jù)庫管理人員提供了一系列維護和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的方法以供參考。通過指南對本平臺采用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)特點的整體描述和數(shù)據(jù)庫設計方案，用戶可更直觀地了解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用方法，并理解本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設計思想，使用戶在維護管理系統(tǒng)時盡可能做到方便快捷有效。
業(yè)務化運行技指南對平臺的系統(tǒng)安裝部署進行了說明。
2.構建國家重點流域水環(huán)境監(jiān)測智能化管理平臺，應用于國家層面流域水環(huán)境管理相關業(yè)務
課題集成了水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)智能審核、跨界流域水環(huán)境監(jiān)測預警預報、水環(huán)境智能化管理與調(diào)控決策支持系統(tǒng)構建等關鍵技術，構建國家水環(huán)境監(jiān)測智能化管理綜合平臺并進行業(yè)務化運行示范。
水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)智能審核技術主要包括數(shù)據(jù)校驗、自動初步審核、人工復審3個主要過程，采用計算機智能、數(shù)理統(tǒng)計、人工識別等多種途徑，構建精確高效的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)審核體系。
流域跨界預警預報技術通過對大量監(jiān)測數(shù)據(jù)的機器學習，挖掘水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的單指標及多指標特征間的相關性，基于統(tǒng)計分析、聚類分析、回歸分析等原理，研發(fā)實現(xiàn)了20多種數(shù)學模型，自動發(fā)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中存在的異常，并對污染事件進行預警。
平臺共接入重點流域水環(huán)境質(zhì)量手工和自動監(jiān)測數(shù)據(jù)、飲用水水源監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、水生生物監(jiān)測數(shù)據(jù)等，整合各類業(yè)務所需的相關需求，建成了水環(huán)境數(shù)據(jù)庫、知識庫與模型庫，形成了水環(huán)境管理和控制的決策平臺。對水環(huán)境管理和規(guī)范公文業(yè)務流程起到重要作用，同時也大大提高了工作效率。平臺區(qū)別于傳統(tǒng)管理平臺多集中在一個小區(qū)域或流域，并已經(jīng)應用于國家層面的流域水環(huán)境管理當中，實現(xiàn)了業(yè)務化運行。平臺于2018年10月12日通過國家水專項辦組織的第三方評估。
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