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  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

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莱州湾陆海污染源多级监测和评价分析系统

杨启成 于晓霞 聂婕 宋德瑞 刘成 王成贺 时津津 王修林

引用本文:
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莱州湾陆海污染源多级监测和评价分析系统

    作者简介: 杨启成(1997-),男,山西大同人,硕士,主要研究方向为近海环境演变分析与可视化,E-mail:yqc@stu.ouc.edu.cn;
    通讯作者: 聂 婕(1984-),女,山东济宁人,副教授,主要研究方向为人工智能和海洋环境预测预报,E-mail:niejie@ouc.edu.cn 宋德瑞(1978-),男,主要研究方向为海洋生态环境监测监管信息化,E-mail:drsong@nmemc.org.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金面上项目(62072418);中央高校基本科研业务费专项(202042008);山东省重大创新工程项目(2019JZZY020705)
  • 中图分类号: X84

Laizhou Bay’s multi-level monitoring and evaluation analysis system for land and sea pollution sources

图(8)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-07-20
  • 录用日期:  2021-09-15
  • 刊出日期:  2021-12-20

莱州湾陆海污染源多级监测和评价分析系统

    作者简介:杨启成(1997-),男,山西大同人,硕士,主要研究方向为近海环境演变分析与可视化,E-mail:yqc@stu.ouc.edu.cn
    通讯作者: 聂 婕(1984-),女,山东济宁人,副教授,主要研究方向为人工智能和海洋环境预测预报,E-mail:niejie@ouc.edu.cn
    通讯作者: 宋德瑞(1978-),男,主要研究方向为海洋生态环境监测监管信息化,E-mail:drsong@nmemc.org.cn
  • 1. 中国海洋大学 信息科学与工程学部,山东 青岛 266100
  • 2. 山东省生态环境规划研究院,山东 济南 250101
  • 3. 国家海洋环境监测中心,辽宁 大连 116023
  • 4. 中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100
  • 5. 中国海洋大学 化学化工学院,山东 青岛 266100
  • 6. 中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东 青岛 266100
  • 7. 深海圈层与地球系统前沿科学中心,山东 青岛 266100
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(62072418);中央高校基本科研业务费专项(202042008);山东省重大创新工程项目(2019JZZY020705)

摘要: 渤海是我国唯一半封闭型内海,是我国近岸海域环境问题最为突出的海区之一。近年来由于国家对渤海环境保护和治理工作不断重视,其水质恶化势头得到遏制,但由于缺乏陆海统筹、部门区域联动的控制机制,制约了减排措施的有效实施。而构建支撑陆海协同监控和评价的信息化和智能化系统是解决该问题的关键措施。本文以莱州湾为典型应用场景,通过构建陆海污染源多级监测和评价分析系统,实现高精度多级陆海联动的入海通量监测评估、污染源解析、海域水质变化和入海排污响应分析等主要功能,进而为阐明渤海水质变化和陆源排污关系,建立污染物入海总量控制技术体系和高效精准的减排方案提供参考决策平台。

English Abstract

  • 渤海是我国唯一的半封闭型内海,其自然生态环境是环渤海地区经济社会发展的关键支撑系统。随着环渤海地区经济和人口高速发展,陆源入海污染物排放量居高不下,渤海以不到全国3%的海域面积,容纳了全国30%以上的入海污染物,导致渤海成为我国近岸海域环境问题最突出的海区之一,近海环境的持续恶化给海洋经济的可持续发展带来了巨大挑战[1-2]。近年来,环渤海环境保护和治理工作受到高度关注,工业源头治理、公共污水处理系统建设等一系列陆源减排治理措施相继开展。然而,调查数据显示,渤海水质恶化势头虽然得到遏制,但仍缺乏对其水质改善发挥关键效能的有效机制[3]。其主要原因是尚未形成陆海统筹、部门区域联动的控制机制。

    党的十九大报告指出:“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国。”因此,需要站在陆海统筹的角度,流域海域协同治理,重点强化近海陆域和近岸海域污染防治顶层设计和系统谋划[4-5]。因此,构建支撑陆海协同监控和评价的信息化和智能化系统是解决该问题的关键措施。20世纪90年代以来,环境管理信息系统已经被广泛地应用于美国和欧盟的水环境管理,如美国环保局针对切萨皮克湾开发了在线评价与决策支持系统(COAST),用于辅助该区域最大日负荷量项目(TMDLs)的执行[6]。借鉴美国、欧盟等先进经验,自然资源部、生态环境部等相继开发了“全国海洋生态环境监督管理系统”“国家地表水水质自动监测信息管理系统”等管理系统[7-8]。针对陆海统筹需求,朱振卿等[9]提出水污染防治规划GIS系统,可以实现全流域用水状况、排污现状、水环境质量的综合分析、评价、预测、查询。宋军等[10]建立了海洋污染综合应急决策支持系统,实现海洋污染物监测、污染物超标预警、海域污染物扩散路径与影响区域分析、污染源头推测和决策支撑。但受限于监测要素片面、分析视角局限、时空精度不高、覆盖范围盲点等关键挑战,尚未实现有效的陆海统筹信息服务支撑。

    因此,针对以上问题,基于陆海统筹协同治理的实际需求,本文提出了陆海污染源多级监测和评价分析系统。《2020年中国海洋生态环境状况公报》显示,渤海的劣四类水质主要分布在莱州湾和黄河口近岸海域,由于莱州湾西岸处于黄河口,包含了黄河口近岸大部分劣四类水质,因此选取莱州湾作为典型应用海域。

    本文提出的莱州湾陆海污染源多级监测和评价分析系统是基于陆海协同的全链条监测、溯源和评价分析系统,该系统的主要优势包括以下三个方面。其一,通过陆海统筹,实现污染物输海路径全过程监测和分析,即污染物的产生、削减、排污和纳污阶段污染物数量的监测和统计。通过陆域行政区单元和排污入海口、排污入海口和海域水质响应区两层链接,实现海域水质演变和陆域污染物排放的响应分析机制。其二,采用多级陆域排污监测和核算方式,填补监测站点稀疏造成的数据缺失。目前,陆源产排污多采用监测数据进行核算,受限于站点布设不足,往往造成计算偏差。本系统采用两种陆源污染物排放核算方式,包括基于监测数据的流域模型和基于经济统计数据的统计模型,两种方式不仅可以相互校核,后者还可以突破监测时空覆盖盲点和要素监测片面的挑战。其三,采用空间计量单元作为陆域划分的基本单元,该计量单元兼顾行政区划和流域归属的双重性质,既满足流域分析和溯源的约束,又符合我国行政区划分原则,便于开展以地区为单元的行政管理。同时,该计量单元粒度合理,精度较高,为实现精准的总量控制和减排措施制定提供了基础支撑。

    • 莱州湾陆海污染源多级监测和评价分析系统,通过协同基于经济统计模型的产污核算方式和基于流域模型的核算方式,实现陆源污染物输海路径全过程监测和分析;通过陆域行政区单元和排污入海口、排污入海口和海域水质响应区两层链接,阐明重点海域水质变化和多级陆域行政单元污染物产排污关系;最后为相关政府职能部门和科研工作者制定总量控制目标、分配方案提供辅助决策和数据支持。因此,首先,该系统需要构建陆域社会经济统计数据、陆海监测/观测数据双线数据链条的数据采集和管理,实现流域模型与统计模型两种核算方式下的数据互校;其次,该系统需要对陆域行政区计量单元、排污入海口、海域水质响应区等空间实现实体管理和关联映射,实现精细化多层级的污染溯源和责任分担管理;最后,该系统需要利用可视化和空间插值方法实现污染物多级分布、水质时空分布、污染源陆海源解析等可视化功能,为污染责任的追溯和污染防治措施的制定提供方便易读的交互手段。

    • 本系统采用多层级体系架构,共分为五层,分别为数据层、业务支撑层、服务层、应用层、用户层,如图1所示。其中,数据层是多级监测和评价分析系统的最底层架构,包含所有基础数据库;业务支撑层是支持系统运行的必要的支撑中间件;服务层是应用功能实现的最小粒度模块,容纳通用的算法库和模型库;应用层面向监测、溯源、评价、预测等特定功能,实现定向设计与开发;用户层针对不同用户角色,进行权限和功能定制。

      图  1  系统架构

      Figure 1.  System architecture

      (1)数据层

      系统数据来源主要有三类。(1)产污数量来自2007年和2017年第一次和第二次全国污染源普查数据,普查对象是我国境内排放污染物的工业污染源、农业污染源、生活污染源和集中式污染治理设施,普查内容包括各类污染源的基本情况、主要污染物的产生和排放数量、污染治理情况等。(2)海域污染物浓度分布数据来自2007年和2017年国家自然资源部。(3)入海河口污染物通量数据来自2007年和2017年国家海洋局北海分局发布的《海洋环境质量公报》《渤海海洋环境质量公报》,统计周期为年,从中筛选莱州湾相关数据作为该系统的源数据。依据不同的划分方式,基础数据划分为四源数据和四类数据两大类。其中,四类数据包括观测数据、计算数据、调查数据和网络数据。四源数据包括地图数据、陆域环境数据、海域环境数据和经济统计数据。地图数据主要有点源、面源等GIS数据;陆域环境数据主要有重点污染源监测数据、莱州湾入海河流国控/省控断面的监测数据等;海域环境数据主要有水文监测数据和水域污染物浓度等环境监测数据;经济统计数据主要有污染源普查数据、环境统计数据等。

      (2)业务支撑层

      业务支撑层通过收集、整理各来源数据,为上层应用模块提供基础数据操作服务。业务支撑层主要包括信息采集、分析查询、检索引擎、流程定义、数据共享和数据清洗等功能。

      (3)服务层

      依据业务需求和功能差异,服务层划分为功能计算模块、动力学模型和计算方法库。功能计算模块包括校核模块、插值模块、统计模块、评价模块等;动力学模型包括生态环境过程数值模型、三维水动力模型、流域模型、流域−海域偶联模型等;计算方法库包括产污数量核算方法、海域环境质量判别方法、污染物浓度网格离散化方法、污染物削减数量核算方法等。

      (4)应用层

      应用层具有高精度多级陆海联动入海通量监测评估、污染源解析、海域水质分析评价和入海排污响应分析等业务功能,并为用户提供统一的访问与操作界面。

      (5)用户层

      用户层管理、记录用户基本操作。依据不同用户角色设定相应的操作权限,以应对不同等级用户的服务需求。

    • 陆海污染源多级监测和评价分析系统在B/S架构基础上设计功能,服务端提供数据处理服务,客户端实现结果数据的可视化表达。本系统的功能模块架构包括陆域污染物数量时空分布管理、海域生态环境要素时空分布管理、陆海污染溯源和责任分担管理,如图2所示。

      图  2  功能模块架构

      Figure 2.  The frame of functional module

      (1)陆域污染物数量时空分布管理

      明确陆域污染物数量分布情况是陆海统筹污染源多级监测的基础。因此,针对陆域空间计量单元,本系统采用基于监测数据和经济统计数据的两种陆源污染物排放核算方式对其排污数量进行互校,最终计算较为准确的陆域污染物排放数量。该模块的功能设计基于陆域污染物入海输移路径,即陆域产污、削污、排污三个阶段,包括陆源污染物产生数量时空分布、污水收集处理系统工程削减数量分布、陆源主要污染物入河排放数量时空分布、陆源主要污染物入海排放数量时空分布。

      陆源污染物产生数量时空分布包括多级行政区排污数量核算与排污浓度评价两个部分。该模块首先计算市、区县、空间计量单元的排污总量,在此基础上计算相应的单位面积污染物浓度,并依据浓度分布比例对排污数量核算结果进行等级划分,最终实现对多级行政区污染物分布的权重可视化表达;污水收集处理系统工程削减数量分布模块主要体现削污过程,实现对各计量单元工程削减数量分布的可视化表达;陆源主要污染物入河、入海排放数量时空分布主要是利用河流输减数量核算方法、污染物入海数量核算方法等,实现氮、磷等污染物排放数量在重点河流断面和入海排污口的可视化结果。

      (2)海域生态环境要素时空分布管理

      海域生态环境要素时空分布管理模块主要实现海洋生态环境质量综合评价,包括莱州湾水动力场时空分布、水质时空分布和富营养化时空分布管理。该模块的实现依赖于入渤海河流水动力−水质耦合、渤海三维水动力−生物地球化学过程耦合等相关水质模型。水动力场时空分布包括莱州湾流场、潮流、余流时空分布。水质时空分布在采集的月际监测数据基础上,利用国家海洋局发行的水质评价模型对莱州湾海域水质进行评估,分为一类、二类、三类、四类、劣四类五个质量等级,最终采用克里金插值方法和GIS手段实现水质时空分布的动态发布。鉴于海洋环境质量评价从以往单一的污染状况评价发展到海洋生态环境质量综合评价,因此,本模块依据复合富营养化指数(CEI)[11],嵌入富营养化时空分布模块,从而全面了解莱州湾的海洋生态环境状况。

      (3)陆海污染溯源和责任分担管理

      该模块实现了污染物输海路径的全过程监测和分析,即污染物的产生、削减、排污和纳污阶段,主要包括目标行政区属地责任分担管理、重点产业行业分布管理和重点污染源单元主体责任清单管理。通过陆域计量单元和排污入海口、排污入海口和海域水质响应区两层链接,实现了海域水质演变和陆域污染物排放的响应分析机制,并可进一步追溯到重点产业行业。两层链接机制可追溯到目标行政区的计量单元和相应产业行业具体产污责任百分比,从而有针对性地为管理部门的责任清单管理和污染防治措施提供参考,实现真正意义上的陆海统筹污染物管理。

    • 源数据按类别可划分为四类,包括地图数据、经济统计数据、陆域环境数据、海域环境数据,依据四类数据建立相应的数据库。地图数据库,也称矢量数据库,包括行政区、全流域、水文矢量数据库。经济统计数据库主要包括人口、国内生产总值(GDP)、工业、农业、服务业等行业普查数据。陆域环境数据库依据所监测的陆源污染物从产生经削污、排放到纳污的全过程的入海输移路径(如图3)来构建,包括产污数量、工减数量、土壤输减数量、河流输减数量系列矩阵和入海数量矩阵。海域环境数据库包括海域污染物分布数据。通过对陆域和海域环境数据库进行概念上的抽象和表达,依据不同对象表征数据实体,定义对象属性,表征各实体之间的联系,最终确定该系统数据的逻辑结构。图4为部分数据库逻辑设计图。其中,工业和畜禽养殖业对象以“多对一”关联到污水处理厂对象,污水处理厂对象以“多对一”关联到流域对象,流域对象和入海口对象的关系是“一对一”,最后入海口对象又以“多对一”关联到海域响应区对象。

      图  3  污染物入海输移路径

      Figure 3.  Pollutant transport path into the sea

      图  4  数据库逻辑设计

      Figure 4.  Database logic design diagram

    • 目前,污染物核算方法包括两种计算模型,基于监测数据的流域模型和基于经济统计数据的统计模型。其中,基于监测数据的流域模型是基于两类监测数据,包括污水处理厂进出口污染物浓度和通量监测、入海河口污染物浓度及通量监测。现行监测数据难以实现流域源区内污染源的空间全覆盖,因此,基于经济统计数据的统计模型成为目前较流行的方法,可以计算乡镇污染物产生和排放数量。该方法使用经济统计年鉴数据结合产污系数来核算产污数量,其中,产排污系数取自生态环境部发布的产排污系数手册,计算尺度范围从乡镇到省级行政区。在本系统中,采用两种模型结合的方法来实现陆源污染物排放数量的精确核算,该方法既结合了经济规模因子统计数据产排污系数核算方法,又应用流域模型概化方法计算土壤、河流中的输减数量,两种方法相互结合得到精确的源区计量单元的陆源入海排放数量,同时又实现了源区计量单元“产污−工减−输减−入海”排放路径的全覆盖。基于校核结果,该系统既可以从细粒度考虑污染物数量时空分布,即计量单元的污染物数量时空分布的可视化表达,也可以从区县、市级的宏观角度对污染物数量进行可视化表达(图5)。另外,该系统利用专题图和饼状图的形式表达污染物产生数量浓度的高低情况和各类污染源浓度占比情况。

      图  5  陆源污染物数量多级统计分布

      Figure 5.  Multidimensional statistical results of pollutant quantity

    • 用户通过选择日期,能够清晰地查看当前莱州湾以及整个渤海的通过量化的海水等级分布情况(图6)。水质信息可视化可以形象地标识出不达标水质的区域,同时利用右侧统计分析栏的饼状图呈现各类水质面积占比,直观地反应海域整体水质情况。该系统用绿色点标识了入海口位置信息,将该信息与水质分布信息进行叠加,可以直观地标明该海域污染物可能经由哪些入海口排入。

      图  6  水质分布

      Figure 6.  The water distribution

      富营养化是莱州湾最主要的生态风险之一。该系统将富营养化分布情况与地图信息进行叠加,直观地显示各海域的富营养化状况,为制定治理方案提供依据。同时,系统展示的CEI[11]月际变化可以对未来富营养化变化趋势做出预测,如图7所示。

      图  7  CEI月际变化

      Figure 7.  CEI changes monthly

    • 该模块统筹陆域行政区单元和排污入海口、排污入海口和海域水质响应区两层链接,实现海域水质演变和陆域污染物排放的响应分析机制,具体实现流程分为四步。首先,计算响应系数场。以各排污口实际排放量作为输入量,分别计算各排污口单独排放下的浓度场,取其与实际排放量的比值作为各排污口的单独响应系数场,将全部单独响应系数场线性叠加即可得到复合响应系数场。其次,确定纳污海域并设置水质控制条件。纳污海域范围采用污染物复合响应系数场计算结果进行细化确定,并在纳污海域外边界确定的基础上,在边界处设置控制点,其中各水质控制点数值限值应小于等于《山东省海洋功能区划(2011-2020)》规定的污染物浓度限值。再次,计算海洋环境容量。采用Li等建立的浓度梯度积分法[12]计算莱州湾环境容量。最后,计算最终分配容量。利用海域三维水动力耦合过程水质数值模型[13]计算入海排污口的分配容量,归结到其所属的计量单元,即可得到污染源区的分配容量,实现最终分配容量的可视化表达(如图8)。系统左侧将分配容量和基础地图信息进行叠加,标识出相关污染源区的地理位置以及贡献率分布情况;系统右侧会以统计图的形式表达各入海口以及各污染源区对当前水质响应区污染物的排放贡献率。

      图  8  源解析

      Figure 8.  Sources analysis

    • 本文以莱州湾为典型应用场景,构建陆海污染源多级监测和评价分析系统来促进和提升减排措施的有效实施。该系统通过基于监测数据和基于经济统计数据的两种陆源污染物排放核算方式的互相校核,根据污染物的产生、削减、排污和纳污阶段的梳理结果,统筹陆域行政区单元和排污入海口、排污入海口和海域水质响应区两层链接,实现了高精度多级陆海联动,进一步阐明了渤海水质变化和陆源排污的关系响应。该系统能够为建立污染物入海总量控制技术体系和制定高效精准的减排方案提供参考决策平台。该系统接下来的目标是从陆海统筹、多源协同防治行动的方向出发,完善陆海统筹污染防治目标、目标行政区污染防治约束性指标、污染防治优化配置技术指标措施等,最终从专业领域并结合相关知识给出合理的决策方案。

参考文献 (13)

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