三峽庫區水環境累積型風險評估與預警平臺業務化展示。
近日，由武漢大學牽頭，聯合四川省環境監測總站、重慶市環境科學研究院、湖北省環境監測中心站、長江水利委員會水文局等單位完成的 “三峽庫區及上游流域水環境風險評估與預警研究”課題，已經順利通過業務化平臺第三方評估，即將通過課題驗收。
本課題是“水體污染控制與治理”國家科技重大專項的課題之一。經過三年的研究，該課題實現了三峽庫區及上游流域水環境風險評估與預警業務化高精度模型“從無到有”的突破和業務化系統平臺“從有到優”的進步。課題所取得的標志性成果能滿足國家環保業務化的需求，在四川、重慶、湖北等地進行了示范應用，能及時、準確、有效地輔助業務部門進行風險處置，具有重大的環境效益、生態效益和經濟效益。
三峽庫區水環境亟待專業化風險評估和預警
流域水環境風險評估與預警是提高國家防災減災能力的重要內容，是確保水環境安全的前提與基礎。三峽工程是世界聞名的大型水利工程，該工程的實施以及庫區水位的逐漸提高已導致庫區水文情勢、地形地貌特征等自然條件的變化，在水庫蓄水和運行期間都會對庫區、影響區乃至長江全流域的自然生態環境產生重大影響。
由于庫區快速的城市化和城鎮化，高強度的人類活動干預，使得在未來的10—15年間，三峽庫區水環境保護形勢將發生巨大變化，庫區支流水華風險不斷增加，庫區水體發生突發性污染事故的可能性大大增加，庫區的環境管理出現了新常態，對環境保護工作提出了更高的要求。
在此背景下，本課題于2013年正式啟動，在水環境風險評估與預警的數據技術、模擬預測評估技術和業務化系統平臺技術上取得了創新性的關鍵技術，形成了具有廣泛適用性的水環境風險評估與預警成套設備，在生態環境大數據建設、環境風險評估上，提出了科學合理的管理政策與建議。
“空—地—水”一體化水環境模型體系：5分鐘預測突發事故未來兩天演進
據課題負責人張萬順教授介紹，該課題構建了具有動力學機理的、引入高效能計算技術的“空—地—水”一體化水環境模型體系，能實現兩小時內預測三峽庫區水體20米精度內未來兩天的水環境變化趨勢、5分鐘內模擬預測突發事故未來兩天內的演進過程；實現了對三峽庫區水環境風險的高精度、高效率評估與預警，可以實時準確地模擬預測水環境風險的“發生時間、發生區域、影響范圍以及影響程度”，解決了水專項實施前環境風險預警局限在局部區域和小尺度，且模型模擬精度無法滿足業務需求的問題。
該體系將被動的水環境風險應急處理提升為自動化預測與管理，極大地提升了業務部門對水環境風險的預測能力，有效地保障了庫區的水環境安全，該體系在技術上的創新點表現在：
（1）構建了能按業務化需求進行動態耦合的“空—地—水”一體化模型體系。基于流域大氣、陸地、水體的物質能量循環流動機理，通過改進氣象數值模型、陸地模型和水動力-水質-水生態模型，針對業務化水環境管理的需要，提出了“空—地—水”一體化水環境模型的動態耦合模式，實現模型間按業務需求進行耦合以提供針對性的模擬服務。無論是突發事故模擬預測、水華預測預報還是漂浮物風險評估或情景模擬，通過改變模型間的耦合方式，以一套模型實現模擬預測需求。
（2）提出了“空—地—水”一體化模型的三級并行耦合計算技術，實現了流域水環境模型的高效能計算。以流域環境大數據為分析對象，以流域大尺度高精度計算為目標，研究流域陸地模型、水動力模型和水質水生態模型的集成接口和并行計算耦合模式。基于空間分塊技術和并行技術，提出了耦合模型的遞進并行啟動模式和分段控制運行方法，實現模型內部—分塊—模型之間的三級并行耦合計算，將三峽庫區的三維水質水生態計算網格精度提升到20米以內。水環境風險評估預測精度和速度的提高，滿足了業務化管理對模擬預測速度和精度的需求，為“空—地—水”一體化模型支撐業務化水環境管理提供了基礎條件。
“空—地—水”一體化模型體系具有很強的擴展性和可伸縮性，可適應于不同流域。
流域水環境風險評估與預警智能云平臺：自動識別發現并主動監管風險
基于SOA和SAAS構架，突破分布式數據庫技術、模型集成技術，研究構建了包含數據中心、計算中心、控制中心和業務中心的流域水環境風險評估與預警智能云平臺。智能云平臺涵蓋了環境大數據下多源異構數據的融合、集成、挖掘、共享技術體系和空—地—水一體化模型及其高效能計算方法，能為流域水環境風險評估提供實時化、自動化、智能化、服務化和業務化的支撐。平臺能按需進行模塊組裝和集成，實現業務化部署和運行。
四川省環境監測總站、重慶市環境科學研究院、湖北省環境監測中心站、長江水利委員會水文局的示范平臺自運行以來，能及時準確地預測水體內水質濃度時空分布情況，突發污染風險和水華風險的發生時間、發生位置、發生范圍以及風險程度，針對風險自動發出預警。相比于專項開始前，將三峽庫區水環境管理的被動監管轉化到自動的風險識別發現及主動地監控管理，在諸多的風險評估與預警業務工作中得到了驗證。
平臺能克服傳統流域模型體系由于串行計算引起的等待時間損耗、大尺度模擬運算速度慢效率低的問題，并解決了資源重復建設浪費的問題，極大地提高了流域水環境數據、存儲器和計算器的使用效率。平臺能整合全流域的硬件資源和數據資源、實現全流域的水環境現狀評價、未來趨勢預測以及突發事件應急模擬與決策支持，以保障流域水環境安全。該系統平臺具有以下特點：
1）集成分布式數據庫，所有監測數據、模型數據、地形數據、評價指標等都存儲在數據中，可適應任意區域內業務需求。根據不同數據的不同特征，采用關系數據庫、空間數據庫、NoSql多種數據庫技術，構建大數據管理模式，實現性能穩定、存儲安全、并且彈性可擴展。
2）通過數據規則引擎對數據進行校核，自動識別錯誤數據，并進行告警；數據不足時，可根據歷史數據進行插補，保證模型可始終穩定運行，從而確保系統的業務化實現。
3）通過將大區域分割成小區域，大文件分解成小文件，單一進程擴充為多進程的方式，化整為零、在空-地-水一體化模型的三級動態并行耦合下，平時能按時定點穩定預測未來幾天內水環境狀況；戰時能自動快速獲取流域內的水文水質和氣象數據，實現對突發事件的快速評估和預測預警，并指導應急監測與應急處置。
4）平臺以SOA和SAAS的開發理念構建，模塊化和服務化的開發方式，用戶能按需進行模塊組裝，實現為不同業務部門的提供針對性的服務。
5）課題組提出的水環境風險評估與預警數據存儲、管理技術，高效能高精度的水環境模型以及“五化”系統平臺，適應我國精細化環境管理的國家戰略需求和科技需求，能為我國新時代下的環境保護、治理與管理提供長效的科技和設備支撐。
應大力推廣流域水環境風險評估與監控預警平臺
課題針對流域水環境風險評估與預警所涉及到的管理需求、政策方案以及落實流域水環境風險的監測、控制、預測、預警，從突發環境事件經濟損失分析、水環境質量達標經濟效應分析以及流域污染源解析和防治措施等方面提出了政策建議。包括：
（1）加強建設生態環境監管體制
建設生態文明，必須建立系統完整的生態環境監管體系，堅持用系統論思維，以制度保護生態環境，著眼政府、企業、公眾責任主體三方聯動，完善基于政府監管、企業治理、公眾監督三大責任主體的生態環境監管制度體系框架，構建系統完備、科學合理、運行有效的生態環境監管制度體系，完善生態環境法律、法規體系，優化監管主體結構配置，提高生態環境監管執行力，建立地方負責人約談和離任生態環境審計制度，暢通公眾參與監管機制。
（2）加強流域水環境風險評估與監控預警平臺建設
本課題所構建的流域水環境風險評估與預警平臺，經過運行檢驗以后，實現了三峽庫區水資源水環境的監控預警業務化，平臺具備在線監測、水質預報、突發事件污染模擬、環境累積性風險評估等功能，在重點斷面水質預測、污染物遷移轉化模擬等業務領域得到較好的運用，對突發事件應急過程中的應急監測、應急處置可起到輔助決策作用。為減輕全國流域水環境突發環境事件造成的經濟損失和社會影響，應在我國大力建設和推廣流域水環境風險評估與監控預警平臺。
（3）建設流域長效保護機制
依靠國家政府實施環境經濟激勵引導，健全環境監測預警體系，完善法規，嚴格執法管理，建立“決策者－科學家－公眾”三位一體的治河隊伍，強化節水型社會建設，開展機制、政策創新，將流域生態環境保護管理手段由主要依靠行政辦法的單一手段轉變為既依靠行政手段，又依靠政策、法律、經濟、技術等綜合手段，建立流域的長效保護機制。
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