劉芳芳，黃升謀，陳偉亞，楊永濤

（1.湖北文理學(xué)院 化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，湖北 襄陽 441053；2.武漢工程大學(xué) 環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國鐵建十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074）

1 引言

水污染控制規(guī)劃是在污染源調(diào)查和水質(zhì)現(xiàn)狀評價的基礎(chǔ)上，依照國家或城市對相應(yīng)水體功能的環(huán)境質(zhì)量要求，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出水體中各污染物的最大排放量（即水環(huán)境容量），然后根據(jù)規(guī)劃水平年預(yù)測的污染負(fù)荷計(jì)算出污染物消減量，以使水域功能滿足所要求的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并提出最近的水污染控制規(guī)劃方案。在水污染控制規(guī)劃成果的基礎(chǔ)上，將GIS應(yīng)用與污染源調(diào)查、水環(huán)境功能區(qū)劃、水環(huán)境容量計(jì)算及規(guī)劃措施的提出等各個過程，提高了水污染控制規(guī)劃的數(shù)據(jù)管理能力和規(guī)劃水平[1]。

水污染控制規(guī)劃涉及的數(shù)據(jù)較繁瑣，利用GIS技術(shù)，建立水環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，可以將空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)及新生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理規(guī)范的管理；水環(huán)境信息可以隨時更新，水環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了在整個水污染過程中的共享；將規(guī)劃成果制成專題圖，并實(shí)現(xiàn)可視化查詢，為水污染控制規(guī)劃決策者提供了直觀可視的工作界面，大大提高了工作效率[2]。

潛江市位于湖北省中南部江漢平原腹地，東經(jīng)112°29′～113°01′，北緯30°04′～30°39′，境內(nèi)地勢平坦，地面高程在26～31m之間。潛江地處河口三角洲上，河流的特點(diǎn)是分流較多，變化較大。建國以來，全市建立了相對獨(dú)立完善的防洪、排澇、抗旱工程體系，共開挖干支渠62條，斗農(nóng)渠4732條，排灌渠道總長6276km。全市現(xiàn)建有提排泵站171處，提灌泵站40處。因此，全市有天然和人工兩大類河渠，天然河渠有漢江和東荊河；人工河渠主要有田關(guān)河、下西荊河、總干渠、城南河、百里長渠、漢南河等骨干排灌支干渠。全市水域面積占自然面積比例為9.8%。潛江市屬漢江流域，其中東荊河以西為四湖流域，主要納污水體為西荊河、總干渠、興隆河、東干渠；東荊河以西為漢南片區(qū)，主要納污水體為城南河、百里長渠和漢南河。潛江市內(nèi)大小溝渠縱橫交織，具有典型的江漢平原河網(wǎng)特征。

2 水環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立及污染源調(diào)查

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立和污染源調(diào)查是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)工作，涉及大量的地理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。地理信息系統(tǒng)可以將兩者相關(guān)聯(lián)，建立水環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫[3]。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行污染源調(diào)查，使水環(huán)境功能區(qū)的劃分、水環(huán)境容量的計(jì)算及水污染控制措施的成果直觀呈現(xiàn)。

本研究是通過現(xiàn)場調(diào)研的方式獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要有：潛江市環(huán)保局提供的由湖北省測繪局編制的1∶1萬CAD格式的數(shù)字地圖，潛江市共103幅，地形數(shù)據(jù)圖層共有10層；各類普通地圖及專題地圖（包括潛江市主要污染源分布圖、監(jiān)測斷面分布圖）；各類監(jiān)測數(shù)據(jù)（潛江市環(huán)保局提供的潛江市河網(wǎng)河渠例行監(jiān)測點(diǎn)的污染物的監(jiān)測值）[4]。

調(diào)研所得數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步處理，建立數(shù)據(jù)庫，才能進(jìn)行污染源分析、水環(huán)境規(guī)劃和決策。本研究通過ArcCatalog建立Personal Geodatabase，即建立空間數(shù)據(jù)庫；通過Microsoft Acess建立屬性數(shù)據(jù)庫。

2.1 空間數(shù)據(jù)庫的建立

2.1.1 CAD格式文件轉(zhuǎn)換

本數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)為103幅CAD格式的文件，不能被ArcGIS軟件直接使用，需轉(zhuǎn)換為地理信息系統(tǒng)可以直接使用的Shapefile格式的文件。將一幅CAD格式的文件導(dǎo)入ArcMap中，在ArcMap中即自動被轉(zhuǎn)換為＊.dwg格式的點(diǎn)文件、線文件、多邊形文件。利用ArcToolbox，分別將CAD（＊.dwg）格式的點(diǎn)文件、線文件、多邊行文件轉(zhuǎn)換為Shapefile（＊.shap）格式點(diǎn)文件、線文件、多邊行文件，并導(dǎo)出轉(zhuǎn)換后的文件，分別存儲于3個圖層中[5]。

2.1.2 圖層拼接

利用AcrToolbox的Apend（追加）命令，分別將103幅Shapefile格式的點(diǎn)文件、線文件、多變形文件拼接為一幅Shapefile格式的點(diǎn)、線、多變形圖層文件。

2.1.3 提取有效數(shù)據(jù)

已經(jīng)拼接好的一幅線文件圖層包含水系、行政區(qū)界、公路等空間實(shí)體，點(diǎn)文件圖層包含居民點(diǎn)、取水點(diǎn)等空間實(shí)體。分別在線文件中提取出水系、行政區(qū)界、公路作為單獨(dú)的Shape文件，在點(diǎn)文件圖層中提取居民點(diǎn)、取水點(diǎn)作為單獨(dú)的Shape文件。

2.1.4 柵格數(shù)據(jù)矢量化

將調(diào)研所得的圖片經(jīng)掃描成為＊.jpg格式的圖件，即為柵格數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到ArcMap中，通過“影像配準(zhǔn)”工具，配準(zhǔn)到與1：1萬基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)相同的坐標(biāo)系，通過手動錄入的方式，對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，例如提取出主要工業(yè)污染源分布圖層、涵閘分布圖層、監(jiān)測斷面分布圖層等。將以上所有圖層導(dǎo)入到ArcGIS9.3，建立空間數(shù)據(jù)庫。將從基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)提取出的潛江市的水系圖層及行政區(qū)劃圖層導(dǎo)入ArcMap中，見圖1。

圖1 潛江市水系圖

2.2 屬性數(shù)據(jù)庫的建立

采集來的調(diào)查數(shù)據(jù)存儲在Excel表格中，導(dǎo)入Mcrosoft ACESS 2003數(shù)據(jù)庫，并建立主鍵，建立屬性數(shù)據(jù)庫[6]。矢量空間數(shù)據(jù)庫中，對每一圖層，添加字段，并確定主鍵。將屬性數(shù)據(jù)庫與矢量空間數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)。水環(huán)境功能區(qū)屬性數(shù)據(jù)庫在ArcGIS9.3系統(tǒng)中的后臺屬性數(shù)據(jù)庫見圖2。

圖2 屬性數(shù)據(jù)庫

3 水環(huán)境功能區(qū)的劃分

對潛江市水系進(jìn)行水環(huán)境功能區(qū)劃，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838——2002），采用收集資料以及實(shí)地調(diào)查方法，結(jié)合其現(xiàn)狀功能和發(fā)展規(guī)劃，初步劃分功能區(qū)，在此基礎(chǔ)上與當(dāng)?shù)丨h(huán)境管理和有關(guān)部門協(xié)商，廣泛征求意見，最后確定功能區(qū)的大小、范圍及級別。并對各功能區(qū)進(jìn)行水質(zhì)達(dá)標(biāo)分析和主要污染源調(diào)查[7]。

目前潛江市水環(huán)境功能區(qū)劃主要有Ⅱ類水環(huán)境功能區(qū)、Ⅲ類水環(huán)境功能區(qū)、Ⅳ類水環(huán)境功能區(qū)、Ⅴ類水環(huán)境功能區(qū)。利用地理信息系統(tǒng)，將不同水環(huán)境功能區(qū)用不同顏色表示，可以一目了然的將不同水環(huán)境功能區(qū)進(jìn)行劃分。并且將水環(huán)境功能區(qū)的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)（環(huán)境功能類型、功能區(qū)劃）相關(guān)聯(lián)，可以隨時查詢各水環(huán)境功能的屬性數(shù)據(jù)。潛江市水環(huán)境功能區(qū)劃成果圖見圖3。

圖3 水環(huán)境功能區(qū)劃成果圖

4 水環(huán)境容量的計(jì)算

水環(huán)境容量是指在給定水域范圍和水文條件，規(guī)定排污方式和水質(zhì)目標(biāo)的前提下，單位時間內(nèi)該水域最大允許納污量。潛江市河網(wǎng)河渠水源排灌時期河網(wǎng)涵閘開放，河道流量較大，一般不低于30m3／s；其他時期涵閘關(guān)閉，河道基本處于封閉狀態(tài)，流速緩慢，流量明顯減小，降至不到6m3／s，有些河渠甚至出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。因此，針對潛江市不同時期兩種不同的水文特點(diǎn)，對潛江市閉閘期和排灌期分別計(jì)算其水環(huán)境容量[8]。根據(jù)存儲在地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，各河渠水文特征、水質(zhì)目標(biāo)、排污方式，采用一維水質(zhì)河流模型，確定了各水環(huán)境功能區(qū)水環(huán)境容量，扣除入河污染物量，得到各納污河渠剩余水環(huán)境容量，作為水污染物總量控制的依據(jù)。各水環(huán)境功能區(qū)水環(huán)境容量計(jì)算結(jié)果存儲于水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，利用地理信息系統(tǒng)的可視化技術(shù)，得到剩余水環(huán)境容量柱狀圖，見圖4。在此基礎(chǔ)上確定各水環(huán)境功能區(qū)允許納污量或者污染物須削減量。

5 水污染控制措施的確立

根據(jù)各納污河渠剩余水環(huán)境容量的計(jì)算結(jié)果，潛江市中干渠剩余水環(huán)境容量為負(fù)值，其他河渠剩余水環(huán)境容量雖為正值，但都較小。根據(jù)調(diào)研所得資料，潛江市境內(nèi)包含大小鄉(xiāng)鎮(zhèn)共10余個，目前僅建成城東污水處理廠和城西污水處理廠。根據(jù)《潛江市城市總體規(guī)劃（2008－2020）》，到2020年，潛江市將建成市政及工業(yè)園區(qū)污水處理廠共14座，計(jì)劃截止至2015年，在周磯興建潛江市新區(qū)污水處理廠，在潛江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)興建城北污水處理廠，在江漢鹽化工業(yè)園興建江漢鹽化工業(yè)園污水處理廠，遠(yuǎn)期（至2020年）在王場、浩口、張金、熊口、龍灣、老新、漁洋、后湖農(nóng)場、運(yùn)糧湖農(nóng)場等幾個重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)新建污水處理廠。新建污水處理廠要采取二級強(qiáng)化處理工藝，去除有機(jī)物質(zhì)和脫氮、除磷，建設(shè)污水處理廠在線監(jiān)控設(shè)施，加強(qiáng)污水處理廠的環(huán)境監(jiān)管，以保證處理后的污水達(dá)標(biāo)排放。并配套建設(shè)污水截排管網(wǎng)，實(shí)行雨污分流，提高污水處理效率。利用地理信息系統(tǒng)，將規(guī)劃污水處理廠屬性信息存儲于水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，并制作出污水處理廠分布圖。見圖5所示，可以清楚地獲得規(guī)劃污水處理廠的分布信息，并查詢其屬性信息[9]。

圖4 潛江市排污河渠剩余水環(huán)境容量示意圖

針對納污河渠排灌期和閉閘期流量差異大，人工調(diào)控水平高的特點(diǎn)，對中干渠、東干渠、百里長渠、漢南河等納污水體，在嚴(yán)格控制污染物入河量的前提下，通過調(diào)水充盈河渠，利用水體的稀釋和自凈能力凈化污染物，增加水環(huán)境容量。因此，以興隆水利樞紐工程和“引江濟(jì)漢”工程建設(shè)為契機(jī)，在潛江建設(shè)“引水活城”工程，加大從漢江引水量，合理分配和調(diào)度，將江河湖渠聯(lián)通起來，提高地表水體納污能力。利用地理信息系統(tǒng)的可視化工具，制作了“引水活城”項(xiàng)目的路線圖，見圖6，使規(guī)劃措施更加直觀。

圖5 污水處理廠分布圖

圖6 “引水活城”項(xiàng)目路線圖

6 結(jié)語

本研究以湖北省潛江市河網(wǎng)為例，介紹了地理信息系統(tǒng)在水污染控制規(guī)劃中的輔助應(yīng)用。在ArcGIS 9.3的環(huán)境中，完成了將水污染控制規(guī)劃涉及的空間數(shù)據(jù)（如河流位置、排污口位置、監(jiān)測斷面位置、污染源參數(shù)）及其屬性數(shù)據(jù)存儲于地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并實(shí)現(xiàn)了水污染控制規(guī)劃成果的可視化顯示、查詢和統(tǒng)計(jì)，為潛江市水環(huán)境數(shù)據(jù)管理和水污染控制規(guī)劃提供了有效的技術(shù)支持[10]。

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