大數(shù)據(jù)平臺

AR平臺

課題組在永定河

大數(shù)據(jù)平臺

京津冀水生態(tài)功能分區(qū)

課題組在北運河
 

京津冀區(qū)域是我國水資源匱乏、水環(huán)境污染、水生態(tài)破壞問題最為突出的區(qū)域之一。為深入推進(jìn)區(qū)域水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善，水體污染控制與治理科技重大專項（簡稱“水專項”）設(shè)置了“京津冀區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量綜合管理與制度創(chuàng)新研究”項目（2018ZX07111）。

項目負(fù)責(zé)人、生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院王東研究員介紹，來自18家單位的500名科研人員通過研究，系統(tǒng)識別了京津冀區(qū)域水生態(tài)環(huán)境退化問題成因，從分區(qū)及目標(biāo)制定、承載力評估和預(yù)警、污染源清單制定、排污許可和排放標(biāo)準(zhǔn)制定、水質(zhì)水量聯(lián)合生態(tài)補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域開展了關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，開發(fā)了京津冀區(qū)域水環(huán)境綜合管理大數(shù)據(jù)平臺，并編制了區(qū)域水環(huán)境中長期保護(hù)戰(zhàn)略和“十四五”水質(zhì)改善行動方案，為京津冀區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供強(qiáng)有力的科技支撐。

需 求

協(xié)同解決京津冀“三水”問題的管理體系尚不完善

王東介紹說，經(jīng)過多年治理，京津冀區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量顯著改善，但依然是全國水資源最短缺、水污染最嚴(yán)重、資源環(huán)境與發(fā)展矛盾最為尖銳的地區(qū)之一。

一是水污染依然突出。大清河等部分河段水質(zhì)仍為劣V類，薊運河等部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)出現(xiàn)降類問題。

二是河流斷流干涸嚴(yán)重。1960年~2018年，京津冀區(qū)域75條主要河流、共8718公里河段內(nèi)，干涸河流占比由13%增加到55%，干涸河長占比由10%增加到37%，平均干涸天數(shù)由37天增加到107天。

三是水生態(tài)嚴(yán)重受損。白洋淀濕地總面積較1990年峰值時期縮小比例超過30%，水生生物資源急劇衰退。大清河歷史上有記載的魚類共9目18科77種，2019年通過野外調(diào)查及走訪當(dāng)?shù)貪O民統(tǒng)計，魚類種類僅剩7目12科33種，減少接近三分之二。

《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》對京津冀水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提出了更高要求，并提出以有序疏解北京非首都功能、解決北京“大城市病”為基本出發(fā)點，營造京津冀目標(biāo)同向、措施一體、優(yōu)勢互補(bǔ)、互利共贏的協(xié)同發(fā)展新格局。但區(qū)域現(xiàn)有的水生態(tài)環(huán)境管理技術(shù)體系仍然存在“三水”統(tǒng)籌系統(tǒng)性不足、管理精細(xì)化程度較低等問題，較難支撐水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。

“因此，亟需對京津冀區(qū)域開展水環(huán)境綜合管理與制度創(chuàng)新研究，推動解決區(qū)域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)困境。”王東說。

成 果

京津冀區(qū)域水環(huán)境綜合管理關(guān)鍵技術(shù)和大數(shù)據(jù)平臺研發(fā)

空分辨率水污染物源清單，搭建了基于GIS的污染源分布動態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為綜合分析流域工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變化對流域污染排放特征的影響提供便利。

在水環(huán)境綜合管理大數(shù)據(jù)平臺支撐技術(shù)方面，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以自主創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)虛擬化及云計算技術(shù)為核心，結(jié)合高性能計算網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，打造一體化全新的面向京津冀區(qū)域水環(huán)境管理大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)水環(huán)境綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的信息匯集、存儲、管理、交換等服務(wù)功能，促進(jìn)數(shù)據(jù)信息資源的有效利用。

在水環(huán)境綜合管理大數(shù)據(jù)平臺智能綜合決策分析技術(shù)方面，依托圖卷積、ESN、隨機(jī)森林集成、NLP等大數(shù)據(jù)算法和核密度分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等技術(shù)方法，實現(xiàn)斷面水質(zhì)預(yù)測、突發(fā)性水質(zhì)變化預(yù)警、基于水質(zhì)的污染源排放動態(tài)管控、黑臭水體空間分布識別、河湖緩沖帶土地利用變化識別、監(jiān)督投訴舉報深度分析等高精度綜合決策分析功能。

第二，分別開展了治理和管理技術(shù)集成，支撐京津冀區(qū)域成果總結(jié)應(yīng)用。

項目共統(tǒng)計整理“十一五”至“十三五”期間京津冀區(qū)域水專項產(chǎn)出關(guān)鍵技術(shù)近300項，形成京津冀區(qū)域水專項治理技術(shù)體系及水專項技術(shù)成果案例庫。

在治理技術(shù)體系集成方面，以“十一五”至“十三五”期間區(qū)域主要環(huán)境問題、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更替及技術(shù)需求變化為導(dǎo)向，將治理技術(shù)整理成城市污水處理技術(shù)、村鎮(zhèn)污水處理技術(shù)、工業(yè)廢水處理技術(shù)、海綿城市技術(shù)、農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)、濕地水質(zhì)凈化技術(shù)、河道水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)技術(shù)、地下水污染控制技術(shù)等八大類，詳細(xì)梳理各項技術(shù)的技術(shù)原理與內(nèi)涵、具體參數(shù)、技術(shù)流程圖、技術(shù)難點與創(chuàng)新點等，整理技術(shù)應(yīng)用的示范工程概況、進(jìn)展與推廣應(yīng)用情況等，總結(jié)技術(shù)成果和工程成效。同時，構(gòu)建了成果集成AR展示系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)治理技術(shù)成果聲光電相結(jié)合的多維展示。

在管理體系集成方面，項目集成了水專項“十一五”以來區(qū)域內(nèi)水質(zhì)目標(biāo)管理核心技術(shù)5項、關(guān)鍵技術(shù)30余項。從永定河、大清河、北運河三條廊道出發(fā)，總結(jié)京津冀區(qū)域水生態(tài)環(huán)境問題診斷與治理策略、水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系、水生態(tài)功能分區(qū)成果、生態(tài)水量確定技術(shù)、環(huán)境容量與污染物總量控制技術(shù)示范、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度技術(shù)示范，管理政策制度等成果。從“水資源、水生態(tài)、水環(huán)境”出發(fā)，分析流域水質(zhì)目標(biāo)管理主要技術(shù)環(huán)節(jié)在京津冀區(qū)域的適用性，提出區(qū)域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)框架體系，形成京津冀區(qū)域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)模式與實施指導(dǎo)方案及政策制度改革路線圖。

第三，開發(fā)了京津冀水環(huán)境管理大數(shù)據(jù)平臺，提升精細(xì)化管理水平。

針對京津冀區(qū)域水環(huán)境管理業(yè)務(wù)實際需求，以實現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量綜合管理為目標(biāo)，構(gòu)建了京津冀區(qū)域水環(huán)境管理大數(shù)據(jù)平臺。綜合運用大數(shù)據(jù)方法，開發(fā)了水質(zhì)評估預(yù)測、污染源動態(tài)管控、遙感監(jiān)測、監(jiān)督投訴舉報、信息公開等功能模塊，實現(xiàn)了污染排放熱點區(qū)域識別、監(jiān)測斷面水質(zhì)預(yù)測、斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)考核、突發(fā)性斷面水質(zhì)變化預(yù)警、基于水質(zhì)的污染源排放動態(tài)管控、黑臭水體空間分布識別、河湖緩沖帶土地利用變化監(jiān)測、飲用水水源地風(fēng)險評估、水質(zhì)水量動態(tài)模擬、投訴舉報深度分析、輿情文本數(shù)據(jù)分析等功能，并集成了“水資源、水環(huán)境、水生態(tài)”綜合模擬預(yù)測子平臺和大清河（白洋淀）流域環(huán)境風(fēng)險決策支持系統(tǒng)及流域水生態(tài)環(huán)境管理智慧子平臺。

從數(shù)據(jù)規(guī)范與共享角度出發(fā)，平臺同時構(gòu)建了京津冀水環(huán)境管理分布式大數(shù)據(jù)庫，制定了主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集入庫規(guī)范，數(shù)據(jù)清洗、交換與共享規(guī)范和功能服務(wù)模塊接口規(guī)范，研究制定了京津冀區(qū)域水環(huán)境非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)收集、異源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了水環(huán)境管理空間數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有機(jī)融合；構(gòu)建了北京市、天津市和河北省相關(guān)水環(huán)境業(yè)務(wù)平臺的數(shù)據(jù)銜接與交換，促進(jìn)信息的共享和應(yīng)用。

王東介紹說，基于京津冀區(qū)域“三水”問題，項目完成了8項水環(huán)境綜合管理關(guān)鍵技術(shù)和1個大數(shù)據(jù)平臺研發(fā)。

首先，在8項關(guān)鍵技術(shù)方面實現(xiàn)創(chuàng)新突破，支撐構(gòu)建水環(huán)境管理技術(shù)體系。

在水生態(tài)功能分區(qū)管理及目標(biāo)制定技術(shù)方面，按照國家提出的“流域統(tǒng)籌、區(qū)域落實”要求，以保護(hù)水體生態(tài)環(huán)境功能、明晰各級行政區(qū)域責(zé)任為目的，建立包括流域—水功能區(qū)—控制單元—行政轄區(qū)四個層級的空間管控體系，在京津冀區(qū)域劃分了10個水功能區(qū)、53個控制單元、261個斷面匯水范圍；以此為基礎(chǔ)，融合水生態(tài)健康及功能評價結(jié)果，在京津冀區(qū)域率先建立統(tǒng)籌水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的指標(biāo)體系，提出11項水生態(tài)環(huán)境保護(hù)指標(biāo)并初步確定了2025年目標(biāo)建議值，在海河流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十四五”規(guī)劃的分區(qū)管控和目標(biāo)制定中得到應(yīng)用。

在基于水環(huán)境質(zhì)量的流域排放標(biāo)準(zhǔn)制定與排污許可管理技術(shù)方面，將水體水質(zhì)—污染源響應(yīng)關(guān)系拆分為水體水質(zhì)—排污口、排污口—污染源兩個層面，通過水體水質(zhì)改善需求的多層識別，建立多級優(yōu)化的響應(yīng)關(guān)系識別鏈，反演基于水質(zhì)的污染物排放限值要求。通過推薦多元化的模型模擬方法及分配方法，將污染物允許排放量分配到各排污單位，推動基于水質(zhì)的排污許可落地。

在水環(huán)境承載力評估與預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)方面，針對現(xiàn)有水環(huán)境承載力評價目的、對象模糊不清及指標(biāo)體系龐雜等問題，基于“水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和土地生態(tài)服務(wù)功能”多維度水環(huán)境承載力評估指標(biāo)之間的量化關(guān)系，識別影響流域水環(huán)境承載力及其開發(fā)利用潛力的關(guān)鍵因子，明確差異化預(yù)警閾值確定方法，建立流域水環(huán)境承載力動態(tài)評估和預(yù)警指標(biāo)體系。這項技術(shù)支撐生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《水環(huán)境承載力評價方法（試行）》（環(huán)辦水體函〔2020〕538號），為各區(qū)縣落實《水污染防治行動計劃》中“完成水環(huán)境承載能力現(xiàn)狀評價”任務(wù)提供技術(shù)指引；并在河北省水環(huán)境承載評價中得到應(yīng)用，評價結(jié)果納入河北省水生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十四五”規(guī)劃。

在再生水價格制定技術(shù)方面，針對當(dāng)前再生水定價以政府指導(dǎo)為主、靈活性低的問題，依托成本定價、自主定價、比價定價、支付意愿法等定價方法，根據(jù)生態(tài)補(bǔ)水、景觀用水、工業(yè)再生水、城市雜用水等不同再生利用類型，制定用戶導(dǎo)向、水質(zhì)導(dǎo)向的再生水定價方法和保障激勵方案，為推動再生水利用、緩解區(qū)域水資源短缺現(xiàn)狀提供政策調(diào)控建議。

在跨界水質(zhì)—水量聯(lián)合生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算技術(shù)方面，識別了京津冀區(qū)域水生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償?shù)闹攸c問題，基于生態(tài)補(bǔ)償利益相關(guān)方補(bǔ)償意愿，構(gòu)建了跨界水質(zhì)—水量聯(lián)合生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)核算體系，并核算了京津冀區(qū)域跨界斷面補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化了京津冀區(qū)域水生態(tài)環(huán)境補(bǔ)償監(jiān)測方案、補(bǔ)償資金籌措管理機(jī)制和區(qū)際生態(tài)補(bǔ)償協(xié)商機(jī)制。

在高時空分辨率水環(huán)境污染源清單構(gòu)建技術(shù)方面，采用直接調(diào)查與間接計算相結(jié)合的方法，綜合考慮工業(yè)企業(yè)、污水處理設(shè)施、集約化畜禽養(yǎng)殖企業(yè)，以及農(nóng)村生活、種植業(yè)、分散畜禽養(yǎng)殖等污染來源，編制了流域尺度上的長時間序列、高時

示 范

專項研究為三條廊道水生態(tài)環(huán)境管理提供科技支撐

“除了完成了京津冀區(qū)域水環(huán)境綜合管理關(guān)鍵技術(shù)和大數(shù)據(jù)平臺研發(fā)，項目還為永定河、北運河、大清河三條廊道水生態(tài)環(huán)境管理提供科技支撐。”王東介紹說。

一是強(qiáng)化生態(tài)涵養(yǎng)功能，構(gòu)建永定河流域水質(zhì)目標(biāo)管理體系。

永定河是京津冀區(qū)域重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障，也是北京市的母親河，被定位為“京津冀生態(tài)主軸上的重要生態(tài)功能區(qū)”，對京津冀區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展意義重大。

永定河面臨著流域水資源短缺、生態(tài)水量不足、水環(huán)境承載力較弱、水陸生態(tài)系統(tǒng)退化、生態(tài)空間不足等十分嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，流域協(xié)同治理制度不完善，缺乏健全的流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)協(xié)作機(jī)制，嚴(yán)重制約了永定河流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。針對永定河流域水生態(tài)環(huán)境問題的復(fù)雜性和艱巨性，在充分集成“十一五”和“十二五”期間水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)體系基礎(chǔ)上，項目基于“三水統(tǒng)籌”“山水林田湖”理念開展永定河流域水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)研究。

在水生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)制定方面，針對永定河流域水生態(tài)分區(qū)、各個水生態(tài)改善階段，提出“水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)、最小生態(tài)需水目標(biāo)、河岸帶生態(tài)空間管控”的“三位一體”水生態(tài)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)體系。

在水生態(tài)環(huán)境管理措施方面，按照“山水林田湖”的系統(tǒng)論理念和方法，以永定河流域為一個完整的整體，綜合考慮上游山區(qū)生態(tài)涵養(yǎng)、平原地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會優(yōu)化發(fā)展和水環(huán)境改善、濱海生態(tài)安全的需求，兼顧地表—地下水質(zhì)安全與風(fēng)險防控，以“水污染控制、生態(tài)空間管控、生態(tài)水量優(yōu)化配置”三大支柱，構(gòu)建永定河流域水環(huán)境承載力模型，并以流域排放標(biāo)準(zhǔn)和排污許可、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控、生態(tài)空間優(yōu)化配置和生態(tài)水量優(yōu)化調(diào)控等措施為抓手和著眼點，支撐流域水環(huán)境承載能力的優(yōu)化調(diào)控和不斷提升，形成一套完整的水質(zhì)目標(biāo)管理技術(shù)方案。

在政策制度創(chuàng)新方面，提出流域排放標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則與方法，編制了國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)《流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ945.3-2020），對于規(guī)范和指導(dǎo)地方制訂流域標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。此外，課題提出永定河流域跨省界水質(zhì)—水量雙補(bǔ)償機(jī)制，向相關(guān)部門提交了永定河流域水質(zhì)水量生態(tài)補(bǔ)償試點咨詢建議，有效支持有關(guān)部門管理和決策。

二是結(jié)合城市型河流多閘壩、多水源補(bǔ)給特征，構(gòu)建北運河流域水質(zhì)目標(biāo)管理體系。

北運河流域多為城市典型河流，水生態(tài)環(huán)境問題依然突出；部分河段生態(tài)流量難以保障，水體自凈能力差；水生態(tài)嚴(yán)重受損，水生物種資源嚴(yán)重衰退，干流浮游植物主要以藍(lán)藻、綠藻為主，浮游動物、底棲動物以耐污物種為主。

在北運河流域水環(huán)境與水生態(tài)詳細(xì)現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上，項目開展了流域水系統(tǒng)與水環(huán)境承載力時空演變趨勢動態(tài)評估，建立水環(huán)境承載力評估、預(yù)警技術(shù)方案體系，預(yù)判北運河污染來源演化趨勢；提出北運河流域近10年污染源清單；構(gòu)建了基于水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)目標(biāo)的多閘壩調(diào)控、多水源補(bǔ)給下北運河流域生態(tài)流量核算方法，制定了生態(tài)流量保障方案；基于現(xiàn)有排污許可證系統(tǒng)，提出了氮磷點源排污許可管理制度；綜合實施控源減污和生態(tài)流量調(diào)控等管控策略，以建立并完善流域水生態(tài)環(huán)境長效管控機(jī)制與綜合考核評價指標(biāo)體系等內(nèi)容為重點，構(gòu)建了“河長制”的技術(shù)支撐體系；提出了“十四五”水質(zhì)持續(xù)改善方案以及適合城市河流的“一體化”綜合管控策略。

三是結(jié)合敏感水域服務(wù)功能，構(gòu)建大清河流域（白洋淀）水質(zhì)目標(biāo)管理體系。

大清河作為海河流域五大河之一，水系縱橫交錯，水環(huán)境系統(tǒng)高度復(fù)雜，周邊地區(qū)污染輸入日趨嚴(yán)重。隨著京津冀協(xié)同發(fā)展、雄安新區(qū)建設(shè)等國家戰(zhàn)略對流域環(huán)境保護(hù)提出的更高要求，項目針對大清河流域（白洋淀）水環(huán)境系統(tǒng)特點，構(gòu)建基于水質(zhì)目標(biāo)的水環(huán)境管理體系。

項目以污染源高效管控和水環(huán)境承載力優(yōu)化調(diào)控作為當(dāng)前流域進(jìn)一步提升水環(huán)境品質(zhì)、保證水生態(tài)安全的核心途徑與重要抓手，通過構(gòu)建缺水型河湖濕地水系的水生態(tài)健康綜合評估方法，完成了水生態(tài)功能四級分區(qū)水環(huán)境功能定位、水質(zhì)目標(biāo)與水質(zhì)現(xiàn)狀評估；構(gòu)建了長時間序列的流域污染源數(shù)據(jù)庫和流域污染源清單；通過基于水質(zhì)反演的多準(zhǔn)則、多指標(biāo)、多污染源總量分配及動態(tài)管控技術(shù)，建立了流域污染物總量—水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系模型，確定基于水質(zhì)目標(biāo)的水污染物總量控制方案，并構(gòu)建了基于水質(zhì)目標(biāo)的排放標(biāo)準(zhǔn)體系；構(gòu)建了流域水環(huán)境承載力預(yù)警指標(biāo)體系，完成了主要流域承載力預(yù)警評估，提出了白洋淀流域產(chǎn)業(yè)與水環(huán)境保護(hù)發(fā)展模式和建議；構(gòu)建了支撐流域綜合管理的流域水生態(tài)環(huán)境管理智慧平臺，支撐流域水環(huán)境質(zhì)量綜合管理向智能化、精細(xì)化、高效化的新模式邁進(jìn)。 劉曉星

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