湛青青

摘 要：水污染作為人類面臨最為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，水污染檢測(cè)的技術(shù)和方法成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文在其他學(xué)者的研究基礎(chǔ)之上，闡述了典型的WASP水質(zhì)模型原理、結(jié)構(gòu)，將WASP水質(zhì)模型與GIS空間分析技術(shù)在水污染監(jiān)測(cè)中集成應(yīng)用，并分析地理信息系統(tǒng)與水質(zhì)模型集成存在一些問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：WASP水質(zhì)模型 GIS空間分析 水污染監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（a）-0012-03

Abstract：Water pollution as one of the most serious environmental problems facing humanity，testing technology and methods of the water pollution is becoming a hot spot of current research.Based on other scholars research，this paper expounds the principle，structure，typical WASP water quality model，The WASP water quality model and GIS spatial analysis technology integration application in water pollution monitoring， and analysis of the geographic information system and there exist some problems in the integration of water quality model.

Key Words：WASP water quality model；GIS spatial analysis；Water pollution monitoring

污染物排入水環(huán)境后，進(jìn)行物理、化學(xué)和生物作用的綜合效應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的水污染，由于其過(guò)程變化十分復(fù)雜，污水的組成成分難以辨識(shí)，所以水污染防治問(wèn)題上涉及的區(qū)域范圍較廣、數(shù)量較大，因素較多?？茖W(xué)的水質(zhì)模擬模型對(duì)污染物水環(huán)境的行為進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)，可分析水污染的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。GIS空間分析是基于地理對(duì)象的位置和形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)[4]，近年來(lái)，GIS空間分析在水污染、地質(zhì)災(zāi)害與損失估計(jì)、洪水災(zāi)害分析等領(lǐng)域有較多應(yīng)用、礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)、道路交通管理、地形地貌分析、輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)管理的領(lǐng)域[5-6]。

該文利用GIS空間分析技術(shù)應(yīng)用到水污染監(jiān)測(cè)中，集成常用的WASP水質(zhì)模型，形成水污染監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程，為水環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)提供構(gòu)想，并分析地理信息系統(tǒng)與水質(zhì)模型集成存在的一些問(wèn)題。

1 水質(zhì)模擬模型構(gòu)造及其監(jiān)測(cè)

水質(zhì)模型是描述參加水環(huán)境水體中的各組成所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物和生態(tài)學(xué)等諸多方面變化規(guī)律和相互影響的數(shù)學(xué)方法，任何水質(zhì)模型都是依據(jù)物質(zhì)質(zhì)量守恒的能量守恒原理，通過(guò)流體力學(xué)中的連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程推導(dǎo)得出[7]。常見(jiàn)的水質(zhì)模型有Streeter-Phelps模型[8]、QUAL模型體系[8]、BASINS模型體系[9]、WASP模擬模型[10]。

WASP（The water query analysis simulation program，水質(zhì)分析模擬程序）是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局提出的水質(zhì)模型系統(tǒng)，能夠用于不同環(huán)境污染決策系統(tǒng)中分析和預(yù)測(cè)由于自然和人為污染造成的各種水質(zhì)狀況，可以模擬水文動(dòng)力學(xué)、河流一維不穩(wěn)定流、湖泊和河口三維不穩(wěn)定流、常規(guī)污染物（包括溶解氧、生物耗氧量、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及海藻污染）和有毒污染物（包括有機(jī)化學(xué)物質(zhì)、金屬和沉積物）在水中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律，被稱為萬(wàn)能水質(zhì)模型[10]。WASP包括兩個(gè)部分，DYNHYD水動(dòng)力程序和WASP水質(zhì)程序，前者可模擬水體運(yùn)動(dòng)特征并獲取水文參數(shù)，后者和模擬污染物的運(yùn)動(dòng)、演變及相互作用。

EUTRO和TOXI是WASP水質(zhì)程序的兩個(gè)子模型，其中TOXI可以模擬有毒物質(zhì)的污染，包括有機(jī)化合物、金屬及泥沙；EUTRO用來(lái)分析傳統(tǒng)污染，包括溶解氧、生化需氧量、營(yíng)養(yǎng)素等。WASP水質(zhì)模型結(jié)構(gòu)如圖1。

河流水質(zhì)模擬的主要對(duì)象是有機(jī)污染物，它是一種典型的水體污染，常用的有BOD-DO（生物需氧量-溶解氧）模型、CODMn（高錳酸鉀指數(shù)）模型、BODPNH3-NPNO2-NPNO3-NPDO模型等[11]。目前，衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量多少的指標(biāo)常常采用COD（Chemical Oxygen Demand，化學(xué)需氧量）值，其值越大，水體受有機(jī)物污染越嚴(yán)重，反之則說(shuō)明水體受有機(jī)物的污染越輕微，測(cè)定方法是酸性高錳酸鉀氧化法與重鉻酸鉀氧化法。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者應(yīng)用WASP模型在河流水域綜合治理方面取得了成績(jī)，振良等[12]。利用WASP模型進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，建立了蘇州河水質(zhì)模型，并運(yùn)用該模型對(duì)蘇州河環(huán)境綜合整治一期工程中有關(guān)工程和方案進(jìn)行了模擬計(jì)算；楊家寬等[13]運(yùn)用WAST6預(yù)測(cè)南水北調(diào)后襄樊段的水質(zhì)。

2 GIS空間分析方法

（1）空間表達(dá)的變換分析。將空間數(shù)據(jù)從一種表達(dá)方式變換為另一種表達(dá)方式，常常能凸顯出空間數(shù)據(jù)的另外一些特征信息。在江河水污染檢測(cè)中對(duì)遙感影像或者掃描圖像進(jìn)行矢量化，提取河岸線矢量數(shù)據(jù)，也可對(duì)不同程度污染的水域賦予不同深度的顏色，突出污染的范圍和污染程度。

（2）空間幾何關(guān)系的分析?？臻g幾何分析是分析空間目標(biāo)的位置、形狀、距離、方位等基本幾何特征相關(guān)聯(lián)的空間關(guān)系，主要包括緩沖分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析等。緩沖分析可用于分析某一被污染的河流水域?qū)χ車鷳B(tài)植物的影響；疊置分析可將歷年江河水質(zhì)受污染情況進(jìn)行比較，分析水污染擴(kuò)展的方向、速度和程度。網(wǎng)絡(luò)分析可追蹤河流的污染源，河流污水出口等情況。

（3）空間統(tǒng)計(jì)分析?？臻g統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可研究河流水污染的變化規(guī)律，根據(jù)多年的數(shù)據(jù)和算法，對(duì)河流水污染進(jìn)行建模和分析，例如可根據(jù)某一河流十年的水質(zhì)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出水體污染物類別，含量，增減狀況，為后期河流污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

3 水質(zhì)模型與GIS空間分析集成

WASP模型具有良好的靈活性[1]，能與其它模型很好地耦合，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使水質(zhì)模擬達(dá)到更加完善的效果。將GIS與WASP模型集成進(jìn)行研究是今后主要的研究方向之一，這項(xiàng)研究已在許多實(shí)際工程中得到了廣泛地應(yīng)用，并取得了良好的成效。馬蔚純[14]等基于GIS平臺(tái)運(yùn)用WASP模型對(duì)上海市蘇州河進(jìn)行水質(zhì)模擬；江毓武[15]等在廈門海域運(yùn)用GIS于水質(zhì)模型集成；張行南[16]等通過(guò)對(duì)水質(zhì)模型在GIS平臺(tái)上的集成進(jìn)行研究，建設(shè)了江蘇省水環(huán)境容量信息管理系統(tǒng)等，都取得了良好結(jié)果。

水污染是一項(xiàng)綜合整治項(xiàng)目，涉及人與環(huán)境的各個(gè)方面，需要建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)等，全流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)布局、人口數(shù)量、人文信息、用水程度，水體自凈能力和水體的功能、級(jí)別等建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)；航空影像、衛(wèi)星影像、各種專題圖、地形圖、GPS實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)及各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)；建立有關(guān)的自然經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息數(shù)據(jù)庫(kù)建立整個(gè)流域范圍及各相關(guān)城鎮(zhèn)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)各種水質(zhì)模型建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)。將GIS空間分析技術(shù)與水質(zhì)模型集成，建立各種水質(zhì)評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)模型進(jìn)行多模型的綜合評(píng)價(jià)，減少單一模型方法的缺陷提高水質(zhì)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。構(gòu)思如圖2所示。

在水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)中，GIS作為水質(zhì)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具。水質(zhì)模型建立之初所需的大量相關(guān)的地形、水、土壤、氣候以及經(jīng)濟(jì)、人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以通過(guò)建立GIS數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理空間和屬性特征數(shù)據(jù)[17]。GIS確定水域研究區(qū)域邊界，控制單元?jiǎng)澐?。在水質(zhì)二維模型的建立中，GIS對(duì)研究地區(qū)進(jìn)行格網(wǎng)的剖分，并且自動(dòng)獲得網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)或中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用來(lái)表示各種模型參數(shù)的空間分布[18]。水質(zhì)模型的模擬結(jié)果的可視化表達(dá)[19]。利用GIS，水質(zhì)模型計(jì)算得到的模擬結(jié)果為離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，可經(jīng)過(guò)插值算法得到污染物濃度的等值線圖。如根據(jù)污染物濃度值的大小以顏色的深淺顯示（濃度越高顏色越深）。這些等值線有利于直觀地進(jìn)行模型正確性的驗(yàn)證，為環(huán)境水質(zhì)預(yù)測(cè)提供可靠依據(jù)。

4 地理信息系統(tǒng)與水質(zhì)模型集成存在一些問(wèn)題

（1）是數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換問(wèn)題，由于模型和GIS之間通常選取了不同形式和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，它們之間的數(shù)據(jù)交換是很難實(shí)現(xiàn)；（2）GIS的數(shù)據(jù)模型仍與各種環(huán)境模型的時(shí)空數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不匹配，GIS軟件系統(tǒng)還不具備能夠同時(shí)高效處理空間和時(shí)間數(shù)據(jù)的能力；（3）系統(tǒng)的集成并不是GIS模塊與模型系統(tǒng)模塊以及其他軟件模塊之間的簡(jiǎn)單堆疊，而是各種模塊經(jīng)過(guò)修改后有機(jī)地組合過(guò)程。（4）GIS與水質(zhì)模型的集成的另一技術(shù)困難為計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的選擇。并且，要求模型建模人員必須熟悉GIS的基本功能，并充分考慮GIS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)， 從而在彼此之間找到共同的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

水質(zhì)模型是一種數(shù)學(xué)模型，它在數(shù)值計(jì)算、參數(shù)率定上具有長(zhǎng)處，但在數(shù)據(jù)管理和維護(hù)、模擬結(jié)果表現(xiàn)及空間分析上能力有限，為了提高水質(zhì)模型的預(yù)測(cè)、模擬能力及易用性，將水質(zhì)模型與地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)集成，按照集成程度的不同可采用松散的集成、緊密的耦合或者完全集成的三種方式[20]，不僅提高水質(zhì)模型的應(yīng)用效率，也充分發(fā)揮了GIS空間分析的功能。這是該文探討的思路來(lái)源，也是解決水污染監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案，文中將GIS空間分析技術(shù)用于水污染監(jiān)測(cè)中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)的建立，最后得到水污染的監(jiān)測(cè)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋國(guó)浩，張?jiān)茟?水質(zhì)模型研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（2）：32-36.

[2] 郭勁松，李勝海.水質(zhì)模型及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（2）：109-115.

[3] 汪家權(quán)，陳眾，武君.河流水質(zhì)模型及其發(fā)展趨勢(shì)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，27（3）：242-247.

[4] 黃杏元，馬勁松.地理信息系統(tǒng)概論[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5] 姜亞莉，關(guān)澤群，鄭彩霞.GIS空間分析在水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2004（3）：32-33.

[6] 姜亞莉，張延輝.GIS空間分析的應(yīng)用領(lǐng)域[J].四川測(cè)繪，2004，27（3）：99-102.

[7] 謝永明.環(huán)境水質(zhì)模型概論[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

[8] 葉常明.水環(huán)境數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1993，（1）：74-81.

[9] 徐祖信，廖振良.水質(zhì)數(shù)學(xué)模型研究的發(fā)展階段與空間層次[J].上海環(huán)境科學(xué)，2003，22（2）：79-85.

[10] 陳美丹，姚琪，徐愛(ài)蘭.WASP水質(zhì)模型及其研究進(jìn)展[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2006，12（7）：420-422.

[11] 秦昆，萬(wàn)幼川，關(guān)澤群，等.江河流域水污染防治規(guī)劃GIS系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù)，2001（12）：25-28.

[12] 廖振良，徐祖信，高廷耀.蘇州河環(huán)境綜合整治一期工程水質(zhì)模型分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（4）：499-502.

[13] 楊家寬，肖波，劉年豐，等.WASP6預(yù)測(cè)南水北調(diào)后襄樊段的水質(zhì)[J].中國(guó)給水排水，2006，21（9）：103-104.

[14] 馬蔚純，張超.基于GIS的水質(zhì)數(shù)值模擬——以上海市蘇州河為例[J].地理學(xué)報(bào)，2005，53（B12）：67-75.

[15] 江毓武，洪華生.地理信息系統(tǒng)（GIS）在廈門海域水質(zhì)模型中的應(yīng)用[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1999，38（1）：90-95.

[16] 張行南，耿慶齋，逄勇.水質(zhì)模型與地理信息系統(tǒng)的集成研究[J].水利學(xué)報(bào)，2004（1）：90-94.

[17] 鄭澤梅，夏斌，張俊嶺.GIS與水質(zhì)模型集成研究與實(shí)踐[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28（B06）：10-11.

[18] 孫水裕，王孝武.環(huán)境信息系統(tǒng)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[19] 譚衢霖，邵蕓.遙感技術(shù)在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2000，15（4）：246-251.

[20] 萬(wàn)洪濤，周成虎，萬(wàn)慶，等.地理信息系統(tǒng)與水文模型集成研究述評(píng)[J].水科學(xué)進(jìn)展，2001，12（4）：560-568.