創(chuàng)新構(gòu)建沿海城市水環(huán)境智慧管控技術(shù)體系

黃丹雯

近年來，沿海城市面臨密集點源排放與復雜分散面源污染交織、黑臭水體治理后反彈、近海水質(zhì)水生態(tài)受損等問題。與此同時，國家對新污染物治理也有了新的部署，這對城市水環(huán)境監(jiān)管提出了更高要求。

為解決沿海城市水環(huán)境智慧化管理中的痛點、難點問題，南方科技大學環(huán)境科學與工程學院教授鄭一帶領(lǐng)研發(fā)團隊，通過創(chuàng)新應用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對數(shù)據(jù)采集、模型算法、系統(tǒng)集成、運維監(jiān)管等模塊進行研發(fā)，逐一解決沿海城市在水污染防治、水環(huán)境管控工作中的“卡脖子”難題，成功構(gòu)建了沿海城市“源-河-灣”全過程水環(huán)境智慧管控技術(shù)體系，該技術(shù)于2023年5月獲“廣東省環(huán)境保護科學技術(shù)獎一等獎”。

大數(shù)據(jù)采集的新方法

“傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測主要依賴職能部門進行的常規(guī)性監(jiān)測，而相關(guān)行業(yè)企業(yè)在進行工程項目建設時，常常面臨水質(zhì)數(shù)據(jù)短缺的問題?！编嵔淌诒硎尽?/p>

傳統(tǒng)的監(jiān)測手段受限于成本及人力，所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往面臨監(jiān)測頻率不高，空間覆蓋不全的問題，這對解決實際管理的問題來講，還遠遠不夠，得有創(chuàng)新性手段來獲取更多的水環(huán)境數(shù)據(jù)。而近年來大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，為水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集帶來新的機遇。對此，研發(fā)團隊嘗試利用計算機視覺技術(shù)，在企業(yè)工藝流程中增加數(shù)據(jù)采集設備，通過開發(fā)攝像頭拍攝與視頻解譯方法，實現(xiàn)低成本獲取數(shù)量更大、覆蓋范圍更廣的水質(zhì)信息。

“利用普通監(jiān)控攝像頭進行拍攝，監(jiān)測成本從幾千上萬元降至幾百元，適用于現(xiàn)實生活中的場景?！编嵔淌诒硎?，利用計算機視覺技術(shù)提取水質(zhì)相關(guān)信息的做法，在幾年前還是一項前沿探索，該成果證明了利用成本低、可覆蓋面廣的普通攝像頭獲取有效數(shù)據(jù)的可行性，是非常具有啟發(fā)性的一項工作。

據(jù)了解，歷史觀測資料不足是沿海地區(qū)水環(huán)境預測和管理中最常見的難題，而利用計算機視覺技術(shù)提取特征，能夠生成時空分辨率統(tǒng)一的高質(zhì)量模型驅(qū)動數(shù)據(jù)，并驅(qū)動高精度水文水質(zhì)深度學習模型同時，在數(shù)據(jù)豐富的區(qū)域建立的模型，通過人工智能賦能，可以在無或缺數(shù)據(jù)區(qū)域也能有效應用。

基于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)采集工業(yè)污染源高頻數(shù)據(jù)，可以提取污染源的企業(yè)畫像，基于污染源排放行為特征（如節(jié)假日特征、偷漏排行為等），用于管理片區(qū)的污水收集集中調(diào)節(jié)。

這些環(huán)境大數(shù)據(jù)采集的新方法，支撐了“污染源-城市水系-海灣”的全過程監(jiān)管。除了污染源和城市水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集，鄭教授團隊還基于海洋浮標獲取高頻原位水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，再利用機器學習方法進行多源數(shù)據(jù)融合，進而驅(qū)動水質(zhì)參數(shù)的短期預報模型，助力生態(tài)環(huán)境監(jiān)管部門做好海灣水質(zhì)監(jiān)管。

在研發(fā)過程中，研發(fā)團隊利用亞洲、歐洲、北美洲等不同大陸的跨流域數(shù)據(jù)集對流域水文、水質(zhì)的“黑箱”深度學習模型進行訓練，使之具備優(yōu)秀的空間泛化能力。此外，還通過深度學習反向解譯、深度學習與物理過程模型共生融合兩類技術(shù)路徑，實現(xiàn)深度學習模型在物理層面具有可解釋性，從而確?！昂谙洹蹦Ｐ驮趯嶋H應用中的可靠性。

智慧化決策的新技術(shù)

“在這個系統(tǒng)中，我們研發(fā)了智慧化決策新技術(shù)，針對河道水質(zhì)、海灣赤潮等異常情況的預警，決策系統(tǒng)會根據(jù)模擬結(jié)果提供應對方案，最后再由決策者進行把關(guān)?！编嵔淌诮榻B道。

基于信息熵的監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析偷排漏排的溯源技術(shù)等，“源-河-灣”全過程水環(huán)境管控技術(shù)體系融合了原位監(jiān)測、數(shù)據(jù)同化、模擬分析、預警預報等多項技術(shù)，支撐了水質(zhì)“監(jiān)測-預警-溯源”的一體化實施。

其中，水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡精準設計技術(shù)涵蓋了日常管理、應急污染追蹤、應急污染溯源三類監(jiān)測需求。通過面向污染追蹤預警的監(jiān)測網(wǎng)絡時空布設算法，搭建了面向數(shù)值溯源的應急監(jiān)測網(wǎng)絡。

在預警環(huán)節(jié)，研發(fā)團隊則構(gòu)建了城市水體“水質(zhì)預報-異常報警-風險告警”綜合預警體系，開發(fā)出的水質(zhì)預報模型能夠?qū)崿F(xiàn)對水體中溶解氧、COD和氨氮等水質(zhì)指標的預報。通過水污染事故期動態(tài)風險預警框架，還能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流進行有效整合，形成風險圖譜進行可視化展示。

“在溯源環(huán)節(jié)，我們提出了場景異化的溯源思路和定性定量耦合溯源技術(shù)，可以實現(xiàn)污染源分布和污染過程的可視化?！编嵔淌诒硎尽?/p>

在“監(jiān)測-預警-溯源”的一體化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，結(jié)合水環(huán)境管控的決策優(yōu)化技術(shù)、多污染源河段季節(jié)性管理技術(shù)等支撐技術(shù)，系統(tǒng)還可以自動作出應急處置工程風險評估，篩選出應急處置方案。

政校企合作的新模式

“全過程水環(huán)境管控技術(shù)體系是我們與政府部門、與企業(yè)經(jīng)過多個合作項目所取得的成果匯集而成的。在這個過程中，我們也與深圳市環(huán)境科學研究院、相關(guān)高新技術(shù)企業(yè)構(gòu)建了‘管理驅(qū)動-科技創(chuàng)新-工程實踐的合作研發(fā)新模式。”鄭教授表示。

南方科技大學團隊致力于方法創(chuàng)新與技術(shù)攻關(guān)，與生態(tài)環(huán)境管理職能部門及支撐單位合作，搭建起管理與科技之間的橋梁。

據(jù)介紹，項目團隊參加了中國最大的智慧環(huán)保單體軟件工程項目（投資1.42億元）深圳市智慧環(huán)保一期工程建設，負責智慧應用平臺（四平臺之一）中水環(huán)境管理應用系統(tǒng)的建設。該平臺目前在深圳市生態(tài)環(huán)境局智慧管控中心運行，整體平臺入選2021年度智慧環(huán)保創(chuàng)新十大案例，IDC亞太區(qū)智慧城市大獎暨中國智慧城市行業(yè)大獎“優(yōu)秀獎”。水環(huán)境管理應用系統(tǒng)建設案例吸引了中節(jié)能集團大數(shù)據(jù)公司、中電建生態(tài)環(huán)境集團等央企前來參觀學習交流。

項目團隊研發(fā)的水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)模擬、污染源識別等技術(shù)，以及陸海統(tǒng)籌一體化平臺建設的思路，被引入深圳市“十四五”海洋生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃深圳試點項目、陸海統(tǒng)籌的海洋生態(tài)環(huán)境保護修復機制建設技術(shù)服務和深圳市入海排口分類管理體系構(gòu)三個建設建議服務項目，助力深圳市生態(tài)環(huán)境部門全面厘清了深圳海域水質(zhì)情況及入海河流及排污口情況，并通過近十年的數(shù)據(jù)描述了深圳海域水質(zhì)變化趨勢，分析了深圳海域不同海灣面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題，打通了從陸域到海域環(huán)境治理的重要環(huán)節(jié)，形成陸海統(tǒng)籌的環(huán)境污染治理體系。

“除了管理部門，一些高新環(huán)保企業(yè)在工程實踐中也勇于嘗試人工智能等新技術(shù)。新技術(shù)幫助解決了企業(yè)生產(chǎn)中遇到的問題，企業(yè)也為我們提供了重要的技術(shù)應用成效反饋?！编嵔淌诒硎?。

據(jù)了解，近年來深圳衡偉環(huán)境技術(shù)有限公司、深圳市廣匯源環(huán)境水務有限公司和深圳市智薯環(huán)?？萍加邢薰救疑钲诒就粮咝颅h(huán)保企業(yè)，與南方科技大學均有長期合作，深圳市光明新區(qū)鳳凰城項目就是其中之一。“該項目在海綿城市建設背景下進行研發(fā)，我們將地理信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、水動力模擬方法、網(wǎng)絡和移動應用與城市水務管理進行有機融合，構(gòu)建了全方位的智慧海綿城市系統(tǒng)。”

據(jù)介紹，該技術(shù)成果主要應用于《光明新區(qū)智慧海綿城市信息化建設項目服務項目》，該項目由深圳衡偉環(huán)境技術(shù)有限公司負責實施，項目組通過安裝部署155個監(jiān)測點位，在海綿城市試點區(qū)域內(nèi)進行液位、水質(zhì)、流量等的實時監(jiān)測，集成了城市洪澇模型、海綿設施效能模型等，構(gòu)建了智慧海綿信息化管控平臺。

該技術(shù)成果的應用，實現(xiàn)了光明新區(qū)海綿城市試點區(qū)域的建設效果評價和信息化管理，建立了以監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、分析判別、平臺預警通知、規(guī)范化的監(jiān)測運維機制。不僅如此，項目的成功實施，也助力光明新區(qū)通過了第二批國家海綿城市建設試點的終期考核，并取得了全國第一名的好成績。