2023优秀案例丨地下水环境监控预警平台

地下水环境监控预警平台

孙美琴   王  卫   胡  鹏

武汉智博创享科技股份有限公司

水是人类生存的必要条件，它既是生命的源泉，也是工农业生产中不可替代的重要资源。在水资源匮乏的北方地区，地下水是社会发展和环境保护的重要战略资源；在储量丰富的南方地区，地下水作为水资源重要组成部分，是保障居民生活用水，支持社会经济发展，维持生态平衡等重要环境要素，更需要得到充分的重视。

近年来，随着工业化发展和城镇化速度的加快，地下水污染形势日益严峻。工农业的迅速发展，特别是工业污染物的大量排放，已经严重地污染了地下水源。农业发展过程中，化肥和农药的大量使用，会造成地下水氨氮超标，水有异味。含有各种洗涤剂的居民生活用水的大量排放，以及生活中使用的化工产品，如电池、塑料、重金属等也造成严重的地下水污染。垃圾填埋场渗滤液、农药、石油及化工产品等难降解有机污染物渗透到地下含水层中，对区域的地下水造成了严重的污染，被污染地下水不仅已检出的污染组分越来越多、越来越复杂，而且污染程度和深度也在不断增加，特别是“三致”（致癌、致畸、致突变）有机污染物已经在部分区域地下水中被频繁检出。更为严峻的是，地下水污染由于其隐蔽性的特点，不像地表水那样容易被看到、被关注，发现时往往已造成严重后果。此外，地下水流动缓慢，不像流动的地表河流有很好的自净能力，地下水污染修复起来也很困难。

目前我国地下水环境管理基础相当薄弱，地下水基础环境状况不清，法律法规和标准建设滞后，水环境监管体系不完善，威胁着经济社会发展、饮水安全保障，制约着经济、社会和环境协调发展。

2021年10月29日，国务院公布了《地下水管理条例》，对地下水监测站网建设和监测信息共享、监测设施保护等方面提出了要求。一是强调了监测站网的建设。水利部、自然资源部、生态环境部等部门要建立统一的国家地下水监测站网和地下水监测信息共享机制，对地下水实行动态监测。二是明确了地下水监测设施设备保护的要求。规定任何单位和个人不得侵占、毁坏或者擅自移动地下水监测设施设备及其标志。三是强化了地下水监测数据的权威性。规定任何单位和个人不得篡改伪造地下水监测数据。这些规定既是工作实践总结，也是开展地下水调查评价、治理保护的现实需要。

因此，通过信息化、大数据等手段构建地下水监测体系和平台，辅助管理者提升管理效率、增强管控手段，及时发现地下水环境动态变化情况，保障地下水环境安全具有重大意义。

统筹考虑地下水资源和环境的管理需求，汇集区域、饮水源、污染源地下水环境监测信息，搭建地下水环境监控预警平台，加强对历史资料和监测数据的分析，实现各类监测数据的集成应用和地下水环境监测信息的充分共享，达到对地下水环境质量的预测预警。系统建设内容包括系统基础信息集成、总体框架搭建、环境监控预警平台功能模块开发、地下水环境数字决策大屏展示。

1. 基础信息集成

根据监控预警系统建设需求，在遵循数据资源标准化原则的前提下形成完整数据资源信息，实现基础信息标准化建设，为后续的数据资源共享交互提供数据支撑。基础信息集成区域基础地理信息、水文地质信息、地下水监测井点位信息和监测数据、饮用水源地信息、地下水污染源信息、地下水环境调查监测成果，构建地下水基础信息数据库。实现国家地下水监测工程、省级地下水监测工程等监测井基础信息，以及地下水污染跟踪监测井、地下水型饮用水源开采井、土壤污染状况详查监测井和地下水基础环境状况调查评估监测井等基础信息的汇聚。

2. 总体框架搭建

结合地下水污染防治相关要求和监控预警系统建设目的，依托地下水基础环境状况信息资料，系统分析平台业务需求，设计开发地下水环境监控预警平台，集成地下水监测、调查等基础数据，实现地下水环境信息化、智能化管理。平台总体设计包括总体架构设计、数据库设计、性能设计、接口设计、系统集成设计、系统安全设计等内容。

3. 环境监控预警平台功能模块开发

监控预警系统实现地下水生态环境基础数据填报、查询、统计、展示，并通过智能分析、模型模拟等方法，为不同尺度的地下水生态环境管理、应用和决策提供技术支持。为地下水精细化管理提供地下水数据的管理、分析、评价及预警，通过实施“预防为主、分级管控、及时发现，避免扩大”的地下水污染防治策略，达到精细化管控的目标。一是建立地下水监测数据分析评估模块，实现地下水水位监测数据地下水监测井点位及监测指标信息进行地图的直观展示；二是建立地下水污染预测报警模块，通过地下水在线监测系统，通过地下水在线监测数据的异常报警设置，包括阈值设置、报警内容等的设置，提供数据异常或超限报警。

4. 地下水环境数字决策大屏展

地下水环境数据决策大屏充分基于GIS、Web等相关技术，利用屏幕大、可展示信息多的特点，根据用户关注功能进行设计、开发，将复杂、抽象的内容通过可视化更加直观的方式，以易于理解的形式帮助人们更好决策。

可视化大屏地下水环境数字决策大屏按照监测主题、地下水重点污染源主题、地下水型饮用水源地主题、预测预警主题等进行直观、统一融合展示，实现地下水环境监测数据接收—综合分析—图形输出—综合展示，具有监控、填报、统计、查询、数据分析、综合展示等多种功能。通过大屏展示地下水环境关键数据内容，实现地下水环境信息的现状展示、数据统计分析、监控预警消息轮流展示。

1. 地下水环境数字决策大屏

根据地下水污染防治管理需求，将基础地理数据与地下水环境监测井、地下水饮用水源地、地下水污染源等信息、地下水监测井、地下水考核点、地下水项目等在GIS地图通过数字大屏（见图1）进行可视化管理、展示，不同监测位置图标与水质类别图例颜色对应，可按照市名、编号进行展示过滤展示。

2. 地下水环境分析评价

基于地下水监测、调查等基础数据，设计开发地下水环境监管平台业务功能模块，辅助地下水环境管理人员更好地开展相关业务工作，实现地下水环境数字化、智能化管理。

基于地下水监测数据与水文监测数据的实时接入，实现地下水监测数据的分析统计（见图2）。

基础统计分析：展示不同监测指标最大值、最小值、平均值；

时间序列分析：以行政区域、时间段（年、季、月、周、日）等规则对地下水数据进行统计，支持以饼状图、柱状图的形式对数据进行分析展示（见图3）；

空间统计分析：以地不同空间范围尺度、分区进行地下水环境监测数据进行统计分析。

收集地下水环境状况调查数据，对照地下水环境质量标准开展地下水污染状况评价。实现接入地下水生态环境监测数据库中相关数据，做好地下水环境状况评价前期数据准备。地下水环境监测数据包括上传的和实时接入的数据，主要包括监测点位基础信息和各监测点位地下水环境各监测指标信息。

对于监测井内地下水质量、水质变化趋势和首要污染物，可以按照设定时段来展示地下水监测井水质级别及首要污染物组成和各监测井水质随时间变化趋势。根据地下水污染状况评价结果，从不同维度进行统计分析，并对结果以地图、图表等方式进行可视化展示。

主要参考《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）开展类别评价，采用污染指数Pki 法进行地下水污染评价（见图4）。

3. 地下水环境监测预警

利用地下水自动监测站和自动监测探头，收集地下水监测数据、水文地质条件、污染源等相关信息；利用地下水模型分析工具，耦合与集成地下水污染快速预警核心算法，开发地下水污染快速预警模块，并进行影响预测，实现污染源周边地下水污染预测预警功能（见图5），为管理者决策提供有效的支撑依据和参考。

针对地下水型饮用水水源地，以《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）Ⅲ类标准限值作为预警阈值，超过Ⅲ类标准时，开展地下水水质变化趋势分析及成因解析。

针对重点工业园，以《地下水质量标准》（GB/T14848—2017）Ⅳ类标准限值作为预警阈值，超过Ⅳ类标准时，开展地下水水质变化趋势分析及成因解析。

当超标因子发生变化、超标倍数发生变化，监测因子水质类别不变，但较以往数据变幅较大，进行预警。

项目通过整合各类地下水相关数据，搭建统一的地下水数据中心，收集整理已有地下水调查、监测工作成果，统一纳入数据中心进行数据资源整合后集中存储，为用户提供清晰详细的数据目录及数据服务，也可为其他相关业务部门分析决策提供重要的数据支撑服务，从而有效降低维护成本，节约政府开支。同时，通过地下水监测预警系统的建设，对地下水环境行业数据深入挖掘和分析，使得相关管理机构可以更好地了解地下水环境规律、行业趋势，针对自身存在的问题，有针对性地制定相关的措施去解决这些问题，节约时间成本，避免试错成本，有效提升工作效率，降低运营和运维成本。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出：“深入打好污染防治攻坚战，建立健全环境治理体系，推进精准、科学、依法、系统治污，协同推进减污降碳，不断改善空气、水环境质量，有效管控土壤污染风险。”通过项目建设，为地下水监测管理提供高效可靠的信息技术支持，提高功能区环境管控能力，进一步提升生态环境可持续发展能力，极大提高管理部门的决策能力和服务水平，将地下水分析评价与监测预警相结合的管理模式可起到示范作用，带动全国地下水监测保护与管理工作新局面。通过整合公众对环境问题的反馈，应用到城市环境质量改善、环境污染应急中，完善从感知环境到参与环境质量改善的公众参与过程，提升公众的参与度，同时提高环境污染事件的监管力度，缓解政府机构的监管压力，提升生态环境可持续发展能力。

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