隨著環(huán)保信息化管理工作的大力開展，各級環(huán)保管理部門的環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)成指數(shù)級的速度增加，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的范圍也逐步擴大，這些數(shù)據(jù)涵蓋了環(huán)境保護科學、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生對環(huán)境保護管理部門的決策至關(guān)重要，但大部分時間這些數(shù)據(jù)都是以最原始的狀態(tài)存在，數(shù)據(jù)的來源格式多樣，數(shù)據(jù)之間也缺乏共享機制。
1數(shù)字孿生技術(shù)
數(shù)字孿生，是通過對物理世界的人、物、事件、環(huán)境等所有現(xiàn)實世界的各種要素數(shù)字化，在網(wǎng)絡空間映射出一個“虛擬世界”，再造一個與之對應的“虛擬世界”，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融、數(shù)據(jù)交互的格局。其充分利用物理模型、數(shù)學模型、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等多種技術(shù)手段，集成多學科、多理論、多維度的仿真過程。其創(chuàng)造了一個與現(xiàn)實世界同生共存的平行世界，完整的映射現(xiàn)實世界的全生命周期，模擬現(xiàn)實世界的各種行為，在網(wǎng)絡虛擬環(huán)境中創(chuàng)造出一個數(shù)字版的克隆體。
通過數(shù)字孿生技術(shù)可以快速、有效的實現(xiàn)對物理世界的模擬、分析和預測，準確進行空氣動力學、流體力學、景觀生態(tài)學、環(huán)境生態(tài)科學、生命科學、地球地理學等方面的分析和仿真。
2環(huán)境保護信息系統(tǒng)管理現(xiàn)狀
環(huán)境保護管理系統(tǒng)監(jiān)測中的重點包括：重點污染源監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、工況在線監(jiān)控等，在業(yè)務管理的應用包括重點污染物總量控制、排污管理、環(huán)境質(zhì)量管理、環(huán)境應急管理等。
現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)手段的不足，需要在以下方面進行改造和能力提升：
1、對環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時動態(tài)的管理，實現(xiàn)遠程對大氣環(huán)境、地表水環(huán)境、地下水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、土壤環(huán)境、聲環(huán)境、環(huán)境輻射、振動等監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)全要素環(huán)境動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)分析。通過數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量變化與污染物排放量之間的動態(tài)關(guān)聯(lián)。定量分析和預測排污情況變化對環(huán)境質(zhì)量變化的影響，通過信息化手段對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量達標規(guī)劃和污染物總量控制做出明確的要求。
2、對環(huán)境管理的海量監(jiān)控數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析、深度解析，為科學決策和智慧化管理提供依據(jù)。引進先進的數(shù)學模型，物理模型對大氣、水、土壤、聲、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及污染物擴散等變化趨勢進行精準的模擬、分析和預測。改變現(xiàn)有簡單分析和人為經(jīng)驗預測的方式，通過數(shù)學、物理模型對重大環(huán)境污染事件進行分析研判，有效的預測、管控、處置和應急管理。
3數(shù)字孿生技術(shù)在環(huán)境管理中的應用
3.1建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的共享能力
數(shù)字孿生的本質(zhì)是以數(shù)據(jù)的流動實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動和物理世界的資源優(yōu)化，因此通過感知設備采集到的各類環(huán)境數(shù)據(jù)，包括污染源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等各類真實世界的環(huán)境數(shù)據(jù)，可以利用數(shù)字孿生對環(huán)保管理的實體各要素進行動態(tài)監(jiān)測、動態(tài)描述、動態(tài)預測。
3.2建立環(huán)境治理數(shù)學模型支撐
數(shù)字孿生的核心是面向物理實體和邏輯對象建立數(shù)學模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，通過模型支撐從而形成物理空間在模擬空間的虛實交互，通過這些方法可以清晰的描述環(huán)境污染過程中的內(nèi)在關(guān)系和規(guī)律，可以在大范圍內(nèi)對區(qū)域、流域、空間環(huán)境進行數(shù)學模型模擬，并在此過程中對環(huán)境變量、干擾和決策變量進行準確的描述。例如，可以利用數(shù)字孿生技術(shù)建立如下模型推測污染物在環(huán)境介質(zhì)中的傳輸和稀釋擴散特征：
1）推流遷移模型：污染物會隨介質(zhì)運動而發(fā)生的位置變化，在不改變環(huán)境介質(zhì)中污染物的濃度的情況下，通過某斷面單位面積的污染物通量f，利用
，分解到三個坐標軸，則有，，，公式中，u為該處環(huán)境介質(zhì)流速，C為該處污染物濃度。
2）擴散作用預測
污染物在湍流流動的介質(zhì)中，在濃度梯度作用下主要存在三種擴散作用：分子擴散作用、剪切離散作用和紊流擴散作用。通過分析分子擴散，對分子的隨機運動引起的分散現(xiàn)象進行預測，擴散過程服從費克（Fick）定律第一擴散定律，即在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。因此對于這三個坐標軸，有如下公式可以計算：
其中，EM為分子擴散系數(shù)。
3）紊流擴散預測。紊流擴散是紊流流場中質(zhì)點隨機運動引起的一種分散現(xiàn)象。當質(zhì)點的隨機運動是穩(wěn)定的條件下，其系數(shù)是紊流擴散系數(shù)，和分子擴散系數(shù)不同，紊流擴散系數(shù)往往是各向異性的，其數(shù)學模型公式如下：，，，其中C為一定時間周期內(nèi)的平均濃度；
3.3建立預測預警機制
利用數(shù)字孿生建立的數(shù)學模型預測環(huán)境量變化的可能性，在分析過去和預測未來的基礎上，對環(huán)境保護管理的行為進行監(jiān)督、指導和決策。
數(shù)字孿生系統(tǒng)利用分析預測模型進行層次分析并解決問題，最突出的特點是分層比較，綜合優(yōu)化，在計算制定計劃，資源分配，排序，政策分析，決策預報等領(lǐng)域都可以廣泛應用。同時模型還可以依據(jù)目前已有的數(shù)據(jù)對未來的發(fā)展趨勢作出預測，通過選取平均值作為計算的關(guān)鍵量，充分考慮空氣質(zhì)量的人為因素影響，運用平均值預測抵消極端情況，從而預測出空氣質(zhì)量等級分布。
其次還可以運用優(yōu)勢分析的方法，全面地比較所有可能模型，增強預測變量解釋或預測標準變量的相對重要性。數(shù)字孿生系統(tǒng)運用這種方法，為分析和比較環(huán)境保護管理中對特定環(huán)境變量的預測里提供了全新途徑，比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和模擬仿真的方法更加謹慎和可信。
通過數(shù)字孿生技術(shù)及其數(shù)學建模的能力，可以把環(huán)境數(shù)據(jù)的使用率得到不斷提升。鑒于環(huán)境數(shù)據(jù)的不確定性，數(shù)字孿生技術(shù)比傳統(tǒng)的建模仿真更適用解決環(huán)境治理中，傳統(tǒng)機理模型無法解決的非線性、不確定性問題。數(shù)字孿生技術(shù)與機器學習、深度學習構(gòu)成一個不斷進化的系統(tǒng)，對于環(huán)境變量中無法進行有效建模的干擾、非線性提出了有效控制方法，通過發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)回歸特性或關(guān)聯(lián)關(guān)系，極大了提升了信息化手段在環(huán)境保護管理中的作用和價值。
