任唯敏

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

基于GIS構(gòu)建的西安市地下水污染防治方法研究

任唯敏

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

以西安市地下水污染防治GIS系統(tǒng)的構(gòu)建設(shè)想為例，根據(jù)GIS軟件平臺(tái)的要求采用基于轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)融合，將所搜集到的不同格式的空間數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)一的交換格式轉(zhuǎn)換成為GIS軟件平臺(tái)所能識(shí)別的格式，并將所有空間和屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入到統(tǒng)一的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)水文地質(zhì)空間和屬性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和調(diào)用。通過(guò)將GIS控件與其它非GIS控件集成起來(lái)，形成完整的預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為西安市水污染防治輔助決策支持系統(tǒng)提供有力支持，實(shí)現(xiàn)地下水污染信息管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化及規(guī)范化。

水污染防治;GIS;構(gòu)建

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，人類面臨著能源匱乏和環(huán)境污染兩大問(wèn)題。同時(shí)，人們對(duì)水量和水質(zhì)的要求也不斷提高。地下水資源是一種寶貴的資源，隨著工業(yè)的發(fā)展，由于污水的不合理排放，造成了地下水污染問(wèn)題已經(jīng)普遍存在，為人們的生活帶來(lái)嚴(yán)重困擾。地下水資源問(wèn)題是當(dāng)前水資源的一個(gè)核心問(wèn)題。在新的形勢(shì)下，運(yùn)用科學(xué)技術(shù)手段，監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)地下水變化情況，是當(dāng)前水資源管理的一個(gè)重要問(wèn)題，也是具有實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義的研究問(wèn)題。由于城市地下水管網(wǎng)的復(fù)雜性，地下水管理工作成為一項(xiàng)繁重而復(fù)雜的工作，而地理信息系統(tǒng) GIS技術(shù)的快速發(fā)展為此提供了技術(shù)支持［1－2］。GIS可以模擬地下水流，是地下水流模型具有可視性和可操作性，使水污染治理的行政人員可以及時(shí)、深入的了解城市地下水的存儲(chǔ)、運(yùn)動(dòng)情況，為地下水的管理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 地下水地理信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代到80年代末，計(jì)算方法、GIS和遙感技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了地理信息系統(tǒng)在水資源環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末，國(guó)際上開始研究GIS與水文模型的集成問(wèn)題，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)這個(gè)時(shí)期地下水地理信息系統(tǒng)的發(fā)展起了積極的引導(dǎo)作用。20世紀(jì)90年代以來(lái)，GIS應(yīng)用一直是水資源環(huán)境學(xué)科中的一個(gè)熱點(diǎn)課題，1993年，在美國(guó)亞拉巴馬州比爾市舉行了“地理信息系統(tǒng)和水資源專題討論會(huì)”，涉及地下水模型、水質(zhì)和水資源利用等方面研究。1996年又在維也納召開了GIS在水文學(xué)及水資源中的應(yīng)用專題學(xué)術(shù)國(guó)際會(huì)議。同時(shí)一些發(fā)達(dá)國(guó)家在地下水領(lǐng)域廣泛的開發(fā)和應(yīng)用各種不同用途的地理信息系統(tǒng)軟件，使該領(lǐng)域發(fā)生了深刻的變化。此外，一些GIS軟件商還定期召開用戶交流會(huì)，如 ESRI(Environmental Systems Research Institute)公司每年都召開全球及區(qū)域性的GIS用戶交流會(huì)，水資源是其一單獨(dú)主題。

我國(guó)在20世紀(jì)90年代陸續(xù)開始有關(guān)于地理信息系統(tǒng)在地下水領(lǐng)域應(yīng)用的論文公開發(fā)表。最初主要是一些有關(guān)國(guó)內(nèi)外地理信息系統(tǒng)在地下水領(lǐng)域應(yīng)用情況的介紹，到90年代后期，開始進(jìn)行了有關(guān)地下水地理信息系統(tǒng)開發(fā)和研制的工作。同時(shí)地理信息系統(tǒng)在地下水資源環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用的深度和范圍也不斷擴(kuò)大，如地理信息系統(tǒng)在地下水資源管理、地下水檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、地下水?dāng)?shù)值模擬、地下水資源評(píng)價(jià)、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)、地下水補(bǔ)給區(qū)保護(hù)、地下水資源量計(jì)算與制圖、地下水模擬及可視化、地下水三維可視化以及城市地下水資源管理等方面不斷有新的進(jìn)展［3］。

2 地下水污染概念及西安市地下水污染現(xiàn)狀

2.1 地下水污染概念

地下水的污染是指由于人類活動(dòng)直接或間接地影響，致使水的可能利用范圍與原來(lái)的水質(zhì)相比受到了全部的限制。費(fèi)里德(Fried，1975)認(rèn)為:污染是指水的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的改變，因而限制或妨礙它在各方面的正常應(yīng)用。因此，地下水的污染是指由于人類活動(dòng)使地下水的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)發(fā)生改變，因而限制或妨礙它在各方面的正常應(yīng)用［4］。

2.2 西安市地下水污染現(xiàn)狀

西安市水資源總量為31.46×108m3(包括河川徑流量和地下水資源量)，可開采的地下水量約14×108m3。城市供水主要靠開采地下水，市區(qū)周圍的灞、灃、渭河等，是西安市市區(qū)用水的主要供水源地。由于需要量越來(lái)越大，補(bǔ)給量有限，嚴(yán)重的超采造成深層承壓水位大幅度下降，加上水質(zhì)污染，水的供需矛盾相當(dāng)突出。地下水的過(guò)度開采，使地表受污染的水補(bǔ)充到地下水中，從而使得地下水也受到了不同程度的污染。地下的潛水、承壓水都有污染，而以潛水的污染最為突出。污染的表現(xiàn)是礦化度普遍提高，以城區(qū)和北郊污灌區(qū)最高，超過(guò)1.5 g/L，最高為3.1 g/L，隨著礦化度的增加，潛水的化學(xué)類型也由重碳酸型水，逐步轉(zhuǎn)化為氯化物型水。氮素污染加劇，根據(jù)觀測(cè)資料，城區(qū)和近郊區(qū)潛水中硝氮含量平均為189mg/L，已經(jīng)大大超過(guò)背景值。目前年平均增高2mg以上，污染在逐年加重，水質(zhì)趨于惡化。現(xiàn)在西安市城區(qū)潛水污水日益加重，有害物質(zhì)已達(dá)20多種，重污染區(qū)已達(dá)120km2。承壓水地下水位深，主要受六價(jià)鉻、砷、酚、汞、氟以及有機(jī)物污染。監(jiān)測(cè)表明:六價(jià)鉻污染區(qū)，在南郊、東郊和東北郊已連成片，面積達(dá)44.4km2;砷污染區(qū)在西郊及城西南已連成片，污染面積達(dá)56.81km2;酚污染分布在東郊，面積19.7km2;氟污染區(qū)分布在南郊西影路地段、東郊胡家廟和長(zhǎng)樂(lè)坡一帶，西郊也有零散分布。1997年與1979年比，西安市的廢污水排出量整整翻了一番，而污水的集中處理率增長(zhǎng)幅度很小(見表1)。1998年西安市每天排放的工業(yè)廢水和生活污水約72×104t，其中僅有1/7進(jìn)入一級(jí)污水廠處理［5］。

表1 西安市區(qū)廢水排放和治理率

3 西安市地下水污染防治GIS構(gòu)建流程

3.1 構(gòu)建水污染 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)

3.1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

GIS數(shù)據(jù)包括空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)，其中空間特征數(shù)據(jù)包括行政圖、地形圖和污染源、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、水功能區(qū)等專題圖，負(fù)責(zé)研究區(qū)內(nèi)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的管理;屬性特征數(shù)據(jù)主要包括污染物濃度匯總數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、水功能區(qū)數(shù)據(jù)等負(fù)責(zé)所對(duì)應(yīng)空間位置的屬性數(shù)據(jù)的管理。

3.1.2 建立 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)MapGIS或Super Map將原有的地形圖、水文地質(zhì)圖矢量化，對(duì)其進(jìn)行空間分析，同時(shí)將各種污染物的標(biāo)準(zhǔn)輸入，建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 構(gòu)建模型、方法庫(kù)

進(jìn)行地下水污染防治過(guò)程中，需要評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)地下水的現(xiàn)狀及未來(lái)年份的水質(zhì)信息，據(jù)此制定水污染的防治方案。水質(zhì)預(yù)測(cè)一般包括兩方面內(nèi)容:一是污染物排放量的預(yù)測(cè)，二是區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的預(yù)測(cè)，通過(guò)污染物的排放量來(lái)推斷水質(zhì)變化的方向和程度［6］。水質(zhì)預(yù)測(cè)的一般方法是通過(guò)已取得的情報(bào)資料和監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)水污染的現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，以此作為基準(zhǔn)年的水質(zhì)狀況，然后根據(jù)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展規(guī)劃中各水平年的發(fā)展目標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)模型，對(duì)將來(lái)或求知的水質(zhì)前景進(jìn)行估計(jì)和推測(cè)。

科學(xué)的水質(zhì)預(yù)測(cè)是水質(zhì)管理的依據(jù)，利用模糊數(shù)學(xué)、殘差分析［7］等數(shù)學(xué)工具對(duì)地下水水質(zhì)模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型有基于模糊權(quán)的回歸預(yù)測(cè)模型、基于殘差改正的灰色模型等。從水質(zhì)模型的空間維數(shù)來(lái)看，應(yīng)用一維水質(zhì)模型，輸入地下河流平均流速、上游來(lái)水水質(zhì)濃度、衰減系數(shù)等參數(shù)值，模擬計(jì)算出下游河段各分段的濃度值的大小，利用空間插值方法對(duì)地下水的污染程度進(jìn)行分析，以計(jì)算出未知點(diǎn)的污染度。二維水質(zhì)模型是將橫向與縱向綜合考慮，而三維水質(zhì)模型是在二維模型的基礎(chǔ)上加上一個(gè)時(shí)間軸，從而分析地下水中污染物隨時(shí)間變化的規(guī)律。實(shí)現(xiàn)水質(zhì)模型與GIS的有效連接，不僅可以提高信息系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)功能，而且也便于水質(zhì)模型的推廣應(yīng)用，強(qiáng)化水質(zhì)模型的預(yù)測(cè)效率，增加地下水污染的評(píng)價(jià)精度。

一個(gè)全面的水質(zhì)評(píng)價(jià)，理應(yīng)反映出水質(zhì)的污染程度，污染范圍和污染歷時(shí)等三方面的內(nèi)容。在地下水評(píng)價(jià)方法中一般采用，一般統(tǒng)計(jì)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法。但已有的評(píng)價(jià)方法，大都僅在一定程度上反映水體污染程度，而對(duì)其他兩方面反應(yīng)得很不夠，因此需要多種方法的綜合使用。

3.3 構(gòu)建知識(shí)庫(kù)

知識(shí)庫(kù)主要有基本理論、法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、專家知識(shí)。基本理論主要包含地下水知識(shí)領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)化知識(shí)。法規(guī)、行業(yè)規(guī)范主要是對(duì)地下水質(zhì)量、狀況等的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一些規(guī)定。專家知識(shí)主要是針指對(duì)非結(jié)構(gòu)化問(wèn)題的處理和判斷。如地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)采用國(guó)家《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T14848—93。

圖1 西安市水污染防治GIS系統(tǒng)構(gòu)建流程

4 西安市地下水污染信息的集成管理系統(tǒng)構(gòu)建

在上述構(gòu)建庫(kù)的基礎(chǔ)上，以 GIS軟件 MapInfo為集成平臺(tái)，從而構(gòu)建西安市地下水資源信息管理系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)圖如圖2。系統(tǒng)由五個(gè)主要模塊組成，分別負(fù)責(zé)信息輸入、維護(hù)、查詢檢索應(yīng)用分析和信息輸出功能［8］。

圖2 西安市地下水污染信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)信息輸入模塊:用戶通過(guò)這一模塊輸入信息，系統(tǒng)的圖形庫(kù)支持各種圖形輸入方式，概括有四種:數(shù)字化輸入、自動(dòng)掃描輸入、計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖以及其他系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)入。

(2)信息維護(hù)模塊:用戶通過(guò)這一模塊對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯。GIS的圖形庫(kù)具有強(qiáng)大的圖形編輯功能，可以滿足不同用戶的圖形編輯需要。用戶通過(guò)信息維護(hù)功能模塊，可以修改、增加和刪除地圖元素(點(diǎn)、線、面)或整個(gè)圖形對(duì)象，還可以對(duì)圖形進(jìn)行分割、旋轉(zhuǎn)機(jī)互相轉(zhuǎn)化等操作。

(3)地下水信息查詢檢索:系統(tǒng)充分發(fā)揮集成系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的綜合管理能力，開發(fā)了功能強(qiáng)大的查詢模塊，用戶可以通過(guò)一個(gè)SQL查詢對(duì)話框同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，另外還提供了方便快捷的查詢工具，使對(duì)具體空間對(duì)象的信息查詢簡(jiǎn)單到只需點(diǎn)擊對(duì)象即可完成。

(4)地下水管理與應(yīng)用分析:用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，在GIS軟件強(qiáng)大的空間分析(如疊加分析、緩沖區(qū)分析、統(tǒng)計(jì)分析等)和空間操作(旋轉(zhuǎn)、縮放、投影變換等)功能的支持下，完成各種分析，為西安市地下水的評(píng)價(jià)、管理和決策服務(wù)。

(5)地下水污染信息輸出模塊:可以根據(jù)用戶的需要，把分析結(jié)果以數(shù)據(jù)、報(bào)表、專題圖鑒等形式，在屏幕上顯示，或輸出到打印機(jī)、或繪圖儀上，或存儲(chǔ)在磁盤上。

5 結(jié)語(yǔ)

GIS在地下水資源環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，在許多情況下已成為地下水資源環(huán)境研究必要的工具。未來(lái)地下水地理信息系統(tǒng)的研究應(yīng)從以下方面努力:基于GIS、遙感的分布式地下水文模型研究，地下水模型庫(kù)的研究，地下水地理信息系統(tǒng)的三維可視化研究，將地下水地理信息系統(tǒng)的發(fā)展納入“數(shù)字地球”、“數(shù)字流域”建設(shè)的高度，綜合運(yùn)用3S、虛擬現(xiàn)實(shí)、決策支持等技術(shù)手段，研制和開發(fā)流域水資源環(huán)境管理的綜合決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)流域水資源環(huán)境的統(tǒng)一管理。

總之，利用GIS技術(shù)、數(shù)學(xué)模型技術(shù)建立有專家知識(shí)支持的空間輔助決策支持系統(tǒng)，地下水污染防治、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可大大提高地下水水質(zhì)模型應(yīng)用效率，能夠?qū)崿F(xiàn)西安市地下水污染信息管理的科學(xué)化、現(xiàn)代化及規(guī)范化。利用可視化技術(shù)可以增強(qiáng)信息系統(tǒng)界面的友好性、交互性，使其具有形象化的特征，以便于用戶使用系統(tǒng)功能。

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Study on Groundwater Pollution Prevention and Control Method Based on GIS in Xi’an City

REN Wei－min
(College of Urban and Environment;Northwest University，Xi an 710127，Shaanxi)

As GIS construction idea which is about groundwater pollution prevention and control as an example in Xi’an city，according to the requirements of GIS software platform based on data fusion，transfer different format spatial data to the format which GIS software platform can identify through the unified exchange format conversion，then import all spatial data and attribute data to unity relational database，in order to management and call the hydrogeology space database and attribute data. Through the integration of GIS controls and non GIS controls，forming a complete prediction and evaluation system which provide powerful support for the prevention and control of water pollution in Xi’an city，realize groundwater pollution information management scientific，modernization and standardization.

Water pollution control;GIS and construct

P641.69

A

1004－1184(2011)06－0057－03

2011－06－01

任唯敏(1984－)，女，陜西涇陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向:遙感與GIS應(yīng)用。