周帆琦，李志雄，沙 茜

(1.武漢市生態(tài)環(huán)境科技中心，湖北 武漢 430010；2.華中師范大學(xué)，湖北 武漢 430079)

0 引言

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)而生。狹義的大數(shù)據(jù)定義為：增幅更快、覆蓋更廣及更加新穎的數(shù)據(jù)群；廣義定義為：基于各種現(xiàn)代化的先進(jìn)信息技術(shù)，對(duì)特定的對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)搜索、整理、分析而獲得的相關(guān)大量數(shù)據(jù)群，進(jìn)一步總結(jié)、探索及預(yù)測(cè)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)及規(guī)律。因此，大數(shù)據(jù)技術(shù)具有高速化、多樣化、海量化和商品化等突出特征，在各行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用，可對(duì)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、企業(yè)生產(chǎn)管理及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生積極作用。生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜、時(shí)變的問(wèn)題，涉及到多部門、多地區(qū)、多個(gè)方面。本文以灤河濕地為例，探討了運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將各種數(shù)據(jù)資源集成，構(gòu)建了一個(gè)濕地生態(tài)環(huán)保大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和核心技術(shù)[1]。

1 大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)保護(hù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用價(jià)值

1.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)生態(tài)保護(hù)研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)各行各業(yè)逐步在實(shí)施大數(shù)據(jù)治理。就環(huán)境問(wèn)題來(lái)說(shuō)，目前的大數(shù)據(jù)技術(shù)還停留在數(shù)據(jù)采集與分析層面，例如采集和分析大氣環(huán)境數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)的非系統(tǒng)化運(yùn)用，只能解決一個(gè)特定領(lǐng)域的問(wèn)題，無(wú)法適應(yīng)整體的生態(tài)環(huán)境治理工作，從而對(duì)生態(tài)環(huán)保治理工作產(chǎn)生一定影響[2]。

1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在生態(tài)環(huán)保治理中的應(yīng)用價(jià)值

早在2015年，我國(guó)就出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》的通知(國(guó)發(fā)〔2015〕50號(hào))，大數(shù)據(jù)技術(shù)已得到了廣泛運(yùn)用，并將其推廣到各行各業(yè)，其中包括生態(tài)環(huán)保等諸多方面。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效緩解當(dāng)前生態(tài)環(huán)保領(lǐng)域的“海量信息與信息孤島”“生態(tài)與群眾需求”“技術(shù)提升與服務(wù)水平”三大矛盾，可提高環(huán)保工作的效率及質(zhì)量，使其健康、持續(xù)性發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，大數(shù)據(jù)技術(shù)在濕地生態(tài)環(huán)保中的運(yùn)用效率得到了極大提高。隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷完善，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能不斷提高，成本不斷下降，為環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境方面的推廣提供了有力保障。例如 PM2.5監(jiān)控裝置方面，貝塔射線監(jiān)測(cè)儀、微量震蕩天平這樣的高檔標(biāo)準(zhǔn)儀器，數(shù)年前一般都是十幾萬(wàn)到一千萬(wàn)不等的價(jià)格，因?yàn)閮r(jià)格高昂，所以一般都是通過(guò)國(guó)家采購(gòu)，數(shù)量很??；在一個(gè)地區(qū)，一般只有一家或數(shù)家監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)大氣污染監(jiān)測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、密集大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。但是，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的今天，利用光學(xué)輻射技術(shù)進(jìn)行空氣監(jiān)控，效率和效果大大提升。與大氣監(jiān)控系統(tǒng)類似，依靠著強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，許多環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以在網(wǎng)上進(jìn)行自動(dòng)、持續(xù)監(jiān)控[3]。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)在濕地生態(tài)環(huán)保治理中的應(yīng)用

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)控濕地水環(huán)境污染

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境污染是指在濕地周邊的生產(chǎn)企業(yè)污水排放口附近安裝監(jiān)測(cè)裝置，并對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程中的污水和廢氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前，隨著環(huán)保技術(shù)與裝備水平的不斷提高，將會(huì)在關(guān)鍵部位安裝視頻監(jiān)控裝置，對(duì)廠區(qū)出入水口、廠區(qū)周邊濕地等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，環(huán)保部門會(huì)將各生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)視，環(huán)保設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳遞到當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的相關(guān)監(jiān)控平臺(tái)中，生態(tài)環(huán)境保護(hù)部門可以根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)濕地周邊各生產(chǎn)廠家的污水排放和環(huán)境狀況進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置違法的污水排放[4]。

2.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)控濕地大氣環(huán)境污染

由于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)在環(huán)保方面的應(yīng)用日益廣泛，目前普遍使用兩級(jí)多重監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行濕地生態(tài)大氣污染的監(jiān)測(cè)，也就是利用標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)儀器建立一級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)；基于低功耗的環(huán)境感知系統(tǒng)，構(gòu)建了基于環(huán)境保護(hù)的二重監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。從而可以在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)站和幾百個(gè)小監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成的多維監(jiān)測(cè)網(wǎng)中，對(duì)各重點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行集中、平均、集中監(jiān)測(cè)，提高了各地區(qū)大氣環(huán)境的采集效率和準(zhǔn)確性。并以GIS為基礎(chǔ)，構(gòu)架監(jiān)控后臺(tái)，并將污染源地圖、地形地圖、區(qū)域行政地圖與實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，將監(jiān)控、地圖及數(shù)據(jù)分析有效整合，從而形成動(dòng)態(tài)化、可視化的大氣污染趨勢(shì)圖。監(jiān)管部門可以實(shí)時(shí)掌握被監(jiān)控地區(qū)大氣環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，為確定污染來(lái)源和制訂相應(yīng)的防治措施提供依據(jù)。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控非常有用[5]。

2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)監(jiān)控濕地生態(tài)

監(jiān)測(cè)濕地生態(tài)的方式多樣，可通過(guò)監(jiān)控設(shè)備對(duì)濕地生態(tài)布設(shè)智能化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地與保護(hù)區(qū)的空氣質(zhì)量、土壤環(huán)境、氣象環(huán)境及水質(zhì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效獲得PM2.5值、土壤電導(dǎo)率及水酸堿度等數(shù)據(jù)。濕地管護(hù)員可通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行濕地巡查，通過(guò)設(shè)備接收?qǐng)?zhí)行相關(guān)任務(wù)，并對(duì)巡查線上的濕地資源、環(huán)境狀況及破壞情況進(jìn)行記錄，并進(jìn)行上報(bào)，從而形成基于空間位置的濕地時(shí)空數(shù)據(jù)群。

3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的灤河濕地生態(tài)保護(hù)治理系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 灤河濕地生態(tài)現(xiàn)狀

灤河三角洲濱海濕地地處河北省東部沿海地區(qū),秦皇島市昌黎縣與唐山市樂(lè)亭縣境內(nèi)。北起昌黎塔子溝,南至樂(lè)亭浪窩口,西起昌黎縣境內(nèi)的王家鋪與樂(lè)亭縣境內(nèi)的蓮花池村、新甜村、第二節(jié)村、趙家鋪一線,東至灤河口近海海岸,總面積7 602.73hm2,其中,陸域面積7 393.01hm2,海域面積209.72hm2。

3.2 近岸環(huán)境污染

20世紀(jì)80年代以來(lái)，灤河三角洲濱海濕地的池塘養(yǎng)殖面積迅速擴(kuò)大，對(duì)灤河口附近的海域環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)一定影響。從生態(tài)學(xué)角度講，灘涂圍墾養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的生物群落結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，在灘涂養(yǎng)殖過(guò)程中，動(dòng)物生長(zhǎng)排放的糞便、投放的餌料、消毒劑、驅(qū)除養(yǎng)殖病害的藥物、抗生素等殘留會(huì)形成一定的污染物。這些污染物會(huì)誘發(fā)海域環(huán)境污染，打破近海域生態(tài)系統(tǒng)中的微生態(tài)環(huán)境平衡，并對(duì)物質(zhì)生產(chǎn)、能量循環(huán)產(chǎn)生一定干擾。隨著近些年淹水田的面積不斷擴(kuò)大，作物的生長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生一些污染物，并排放入近海域中，從而對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成影響。種植稻谷時(shí)，為了提高稻田的產(chǎn)量，需要使用一些化學(xué)制劑，以及某些農(nóng)藥、化肥或其他有機(jī)化合物，這些均會(huì)產(chǎn)生一定污染，并留在土壤中，不能被水生植物完全吸收。無(wú)機(jī)污染物在暴雨的影響下或通過(guò)農(nóng)田灌溉、地表徑流、地下水滲流等方式排入天然水體。

3.3 海域非生物環(huán)境破壞

P、N、Si等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是海洋生物中的細(xì)胞核及蛋白質(zhì)的重要組成，當(dāng)P、N含量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)呼吸作用、光合作用及浮游植物吸收產(chǎn)生直接性的影響，從而影響到海洋生物。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)河流攜帶的泥沙量減少時(shí)，河流攜帶到近海的P、N、Si等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量也會(huì)減少。隨著灤河入海沖積物量逐年減少而急劇增加，造成污染。造成這種現(xiàn)象的主要原因是沼澤和河口的垃圾量增加，稻田面積的增加，以及大量工農(nóng)業(yè)及生活垃圾的倒入，隨著灤河流入近海水中，近岸海域的富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)非常嚴(yán)重[6]。

3.4 天然異質(zhì)性降低

近代，灤河三角洲濱海濕地環(huán)境出現(xiàn)了異質(zhì)性下降，其表現(xiàn)為濕地景觀類型、空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。1991-2019年間，自然濕地面積呈持續(xù)減少趨勢(shì)，池塘及田間面積程不斷增加趨勢(shì)，景觀類型呈減少趨勢(shì)，異質(zhì)性的自然版本逐漸的減少，自我調(diào)節(jié)、抗干擾及生態(tài)恢復(fù)能力急劇下降，從而使海岸穩(wěn)定性降低。濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)而演變成為高度脆弱的狀態(tài)，濕地對(duì)環(huán)境格局演變的反應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)烈。

3.5 基于大數(shù)據(jù)的灤河濕地生態(tài)保護(hù)治理系統(tǒng)構(gòu)建

基于大數(shù)據(jù)的灤河濕地生態(tài)治理系統(tǒng)主要有如下幾項(xiàng)功能，首先是濕地視頻管理功能，主要功能是采集不同時(shí)間不同地點(diǎn)的濕地生態(tài)情況，匯總給濕地管理人員，方便濕地管理人員實(shí)時(shí)掌控濕地生態(tài)情況；其次是濕地空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要通過(guò)濕地周圍架設(shè)的傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)濕地周圍空氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，方便濕地管理人員查看[7]。

以灤河濕地為突破口，通過(guò) HDFS技術(shù)可以構(gòu)建一個(gè)基于 Hadoop的濕地監(jiān)測(cè)信息平臺(tái)。今后，利用該平臺(tái)構(gòu)建的灤河濕地生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，能夠較好地預(yù)測(cè)灤河濕地環(huán)境污染的源頭。同時(shí)，該模型的開(kāi)發(fā)也為今后更大范圍的綜合分析和利用奠定了理論依據(jù)。所有的資料都會(huì)儲(chǔ)存在一個(gè)統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中。在此基礎(chǔ)上，提出了基于Hadoop的分布式集群架構(gòu)。利用100部PC機(jī)組成一個(gè)分布的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存群組，這些組網(wǎng)分別負(fù)責(zé)運(yùn)算與儲(chǔ)存。將灤河濕地的污染數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中。元數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)各種不同類型的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)中的拷貝分布。元數(shù)據(jù)輔助性結(jié)點(diǎn)具有與元數(shù)據(jù)主結(jié)點(diǎn)相似的功能，在元數(shù)據(jù)主結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可以再啟元數(shù)據(jù)。在這些元數(shù)據(jù)的主結(jié)點(diǎn)中，存儲(chǔ)了對(duì)HDFS檔案的所有索引，這些索引的內(nèi)容大多來(lái)自于元數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)所產(chǎn)生的元資料。為了更改元資料主結(jié)點(diǎn)的資訊，可將對(duì)應(yīng)的紀(jì)錄插入到交易日志中。

4 灤河濕地生態(tài)保護(hù)治理策略

4.1 植物群落治理

在濕地景觀設(shè)計(jì)和水質(zhì)凈化實(shí)踐方面，應(yīng)用最為廣泛的是天然植物群落凈化方法。選擇適合水生環(huán)境的原生植物和植物，不僅可以減輕水體異質(zhì)景觀的壓力，為河岸植物創(chuàng)造獨(dú)特的緩沖區(qū)，而且在水質(zhì)凈化方面也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。園林進(jìn)水口與植樹(shù)相結(jié)合，通過(guò)下水道的設(shè)計(jì)，使受污染的河水流經(jīng)水質(zhì)沉積區(qū)(沉降篩選)，進(jìn)入水平面濕地(過(guò)濾平行)。地下濕地蘆葦風(fēng)機(jī)可以延長(zhǎng)廢物在原地停留的時(shí)間，從而提高凈化效率。到達(dá)濕地多層面流(重力過(guò)濾)后，通過(guò)水滴多的池底，促使水團(tuán)垂直流動(dòng)，過(guò)濾水質(zhì)。通過(guò)植物清洗(生物過(guò)濾)區(qū)對(duì)潮濕的植物群落進(jìn)行處理再利用的藝術(shù)效果，通過(guò)沉積物、水生微生物和水的協(xié)同作用，種植具有較強(qiáng)綜合廢水吸收能力和減少水中有害物質(zhì)快速釋放的水生植物動(dòng)物。集中過(guò)濾，同時(shí)根據(jù)不同的濕植物生物群落，營(yíng)造出游客可依循的特色鮮明的濕地景觀。為了最大限度地凈化水，水從公園的西南角流出，返回城市的長(zhǎng)河區(qū)。

4.2 開(kāi)放空間的系統(tǒng)規(guī)劃

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，豐富景觀形態(tài)，制定合理的景觀框架，形成山體浸水的景觀模型，將水系置于山前水中，形成開(kāi)放空間的系統(tǒng)規(guī)劃。不同的用途與不同形式的水有關(guān)。水系通過(guò)橋梁、堤壩和大梁、灤河的疏浚和連接水系的方式，將水系分為開(kāi)放空間和封閉空間。濕地西北部合理利用城市建設(shè)廢棄地，順應(yīng)并延續(xù)地形景觀特征，營(yíng)造不一樣的空間體驗(yàn)。

4.3 公共設(shè)施的保護(hù)性設(shè)計(jì)

作為一種現(xiàn)代生態(tài)景觀模型，濕地要在創(chuàng)造新的濕地系統(tǒng)的需要和公共開(kāi)放空間的需要之間取得平衡。濕地保護(hù)區(qū)和城市環(huán)境之間的過(guò)渡緩沖區(qū)，模糊了公園和城市之間的界限。嚴(yán)格控制建設(shè)密度和規(guī)模，設(shè)置濕地文化展廳(農(nóng)業(yè)文化、漁船文化、濕地文化和民俗文化)、游客中心、商業(yè)土地儲(chǔ)備、會(huì)議功能時(shí)，可人工干預(yù)控制工程，填充該區(qū)域以減少對(duì)核心濕地區(qū)域的干擾。微濾、納濾、超濾、反滲透等技術(shù)是最為常用的膜分離方法。膜處理主要用于回收各種高分子原料，處理過(guò)程中可能會(huì)引入一些其他雜質(zhì)。大分子和小分子可以相互分離。成本高、壽命短、易污染的膜在一定程度上限制了該技術(shù)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種方法將有更廣闊的應(yīng)用空間。

5 結(jié)語(yǔ)

灤河濕地的保護(hù)與修復(fù)，會(huì)更有效地保護(hù)野生動(dòng)物資源及濕地生態(tài)系統(tǒng)，從而使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的功能增強(qiáng)及完善，生物資源不斷豐富，生物多樣性得到保護(hù)，蓄水和抗洪能力也將增強(qiáng)。進(jìn)而提高灤河自然保護(hù)區(qū)在國(guó)內(nèi)外的知名度、影響力，并促進(jìn)整個(gè)灤河地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

當(dāng)前，在生態(tài)環(huán)保中運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)已成為時(shí)代潮流。生態(tài)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)應(yīng)充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)的作用，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境治理工作的智能化、系統(tǒng)化、高效化。在生態(tài)環(huán)境的維護(hù)中，獲取更豐富、更準(zhǔn)確、更及時(shí)的資料，完善生態(tài)環(huán)境治理體系。通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保與社會(huì)發(fā)展的良性循環(huán)。