趙 穎，邢 昱，孔海燕，孫 燕，王建英

（河南省環(huán)境監(jiān)測中心，鄭州 450004）

流域是一種地理單元。流域有著豐富的水資源，在農耕時代，對人們的生活、生產影響極大，流域構成的生態(tài)系統(tǒng)能凈化環(huán)境，集聚人類，產生了很多古老文明。伴隨著社會的發(fā)展和工業(yè)的進步，人類活動對流域生態(tài)產生了不良的影響，導致了很多水環(huán)境問題的產生，如水土流失、水質惡化等。流域水環(huán)境評價是解決流域水環(huán)境問題的基礎。水環(huán)境質量評價結果的好壞取決于監(jiān)測的數(shù)據(jù)和所采取的評價方法。GIS具有呈現(xiàn)和表達信息更直觀以及分析功能更強大等優(yōu)勢，在監(jiān)測和評價上得到廣泛的應用。

1 流域水環(huán)境水質評價中存在的問題

1.1 基于整個流域評價的斷面布控數(shù)量不足

根據(jù)2014年中國環(huán)境質量報告，國家地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)由覆蓋十大流域的423條河流和62座湖泊（水庫）的972個斷面（點位）組成[1]。平均一條河流的監(jiān)測斷面不足2個?；春恿饔虮O(jiān)測斷面94個，干流全長超過1 000 km，而水質監(jiān)測斷面只有10個；珠江流域監(jiān)測斷面54個，干流長達2 000 km，水質監(jiān)測斷面只有18個；遼河流域監(jiān)測斷面55個，干流長度超過1 000 km，水質監(jiān)測斷面只有14個。由此可以看出，我國主要流域水質監(jiān)測斷面數(shù)量嚴重不足，斷面少獲得的數(shù)據(jù)就少，數(shù)據(jù)少會對數(shù)據(jù)的準確性產生很大影響，影響數(shù)據(jù)的解讀，影響相關環(huán)境保護政策的制定。

1.2 流域水質在線監(jiān)測難以普及

流域水質的在線監(jiān)測建設和運行管理等需要投入大量的人力、物力和財力，需要花費大量的資金，也需要專業(yè)的人才來使用和維護。一些經濟落后的地區(qū)根本沒有配置相關設施設備，有些地區(qū)雖然配置了相關設施設備，但也缺乏這方面的專業(yè)人才。有些監(jiān)測站沒有相關的無線數(shù)據(jù)傳輸設備，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。由于設施設備、人員問題，以及相關的監(jiān)督機制不健全，一些地區(qū)流域水質在線監(jiān)測難以普及，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時、有效利用起來，評價缺乏依據(jù)。

1.3 流域水質評價缺乏整體管理性

我國的環(huán)境監(jiān)測起步晚，無論是技術水平，還是從業(yè)人員數(shù)量、質量，制度建設都與發(fā)達國家有一定差距。水質監(jiān)測網(wǎng)絡的落后已成為從根本上改善水環(huán)境的重大阻礙。我國有世界第三長的河流長江，也有很多有名的河流，如黃河、珠江、松花江等，這些河流哺育了文明、促進了社會的繁榮發(fā)展，而關于它們整體的水質監(jiān)測網(wǎng)絡不見成形。我國的環(huán)境治理、保護以行政區(qū)域為主，各行政監(jiān)測單位各自為政，缺乏聯(lián)動，對流域水環(huán)境的監(jiān)測、評價存在明顯的區(qū)域化，缺乏整體性。

2 GIS技術在水環(huán)境中的應用

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種在計算機軟硬件的支持下，對地理數(shù)據(jù)進行獲取、存儲、分析、顯示、輸出的信息系統(tǒng)。流域水環(huán)境水質狀況隨空間分布變化，空間特征強，而GIS技術對空間數(shù)據(jù)處理、分析能力強大。將GIS技術結合水質評價模型就可以把流域水環(huán)境水質變化特征通過圖形形式展現(xiàn)出來，這種方法直觀、有效，不失為流域水環(huán)境評價的好方法。表1是一些常見的用于水環(huán)境評價的水質模型。

表1 水環(huán)境評價的水質模型及其主要功能

20世紀80年代末，上海環(huán)境管理部門開始將GIS應用于黃浦江流域，用作該流域水環(huán)境水質的實時監(jiān)測和預測。此后，GIS憑借其強大的空間分析功能，廣泛用于水污染控制、水質評價以及水環(huán)境功能區(qū)劃中。目前，GIS在水環(huán)境中主要應用于水污染防治方案規(guī)劃、水污染事故應急、水環(huán)境管理、水質評價等方面。

2.1 水污染防治規(guī)劃

水污染防治規(guī)劃的制定涉及污染指標數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)指標的分析存儲、污染規(guī)律的模擬、防治規(guī)劃的效果預測以及多種控制方案的比較。GIS應用于水污染防治規(guī)劃，可以將多個污染指標和數(shù)據(jù)進行分層管理，將數(shù)據(jù)進行前處理及直觀的呈現(xiàn)，使污染防治規(guī)劃更加合理。

2.2 水污染事故應急

水污染突發(fā)事故通常會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成較大威脅，在水污染事故發(fā)生時，應及時作出反應，對污染事故作出處理。人們要具備應急處理能力，及時了解突發(fā)水污染事故準確的發(fā)生地點、精確的發(fā)生時間以及明確的發(fā)生原因和污染發(fā)展方向。GIS可對突發(fā)的水污染事故進行模擬，迅速確定污染波及的范圍和對環(huán)境造成的影響，為事故的處理提供依據(jù)。

2.3 水環(huán)境管理

GIS可進行疊置分析、距離分析以及包含分析等。在水環(huán)境管理中，應用GIS技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理、查詢、輸出和預測，可以給水環(huán)境管理以及水環(huán)境決策提供依據(jù)。

2.4 水質評價

流域水環(huán)境污染受到時間和空間的影響，在水質評價時通常所獲取的數(shù)據(jù)是特定的地點和時間，為綜合評價流域的水環(huán)境質量，需要對這些單獨的數(shù)據(jù)進行綜合評價，用以獲得流域水質在時間和空間上的演變特征。GIS技術結合水質評價模型，可形成流域內水質在空間上的分布規(guī)律，還可對未監(jiān)測區(qū)域的水質進行評價。

盡管GIS技術結合一些水質評價模型能夠很好地應用到水質綜合評價中，但這種方法還有一定缺陷，需要進行深入的研究。

水環(huán)境的時空特征要求GIS能對三維、四維空間進行分析，而現(xiàn)在的GIS技術在這方面還存在一些難以解決的問題；水環(huán)境數(shù)據(jù)可能來源不同，會導致精度不同、格式不同，如何消除原始數(shù)據(jù)對水環(huán)境評價的影響值得深入研究；GIS進行水環(huán)境評價通常結合一些水質評價模型，這些模型結構復雜，建設周期長，模型的數(shù)據(jù)格式不一定能和GIS數(shù)據(jù)格式進行匹配，因此研究水質評價模型的數(shù)據(jù)格式與GIS數(shù)據(jù)格式也是一大課題；流域水環(huán)境特征不同于街道網(wǎng)絡、資源分配等網(wǎng)絡類型，它的時空特征很強，需改進GIS網(wǎng)絡分析模型，使GIS更適合水環(huán)境評價。

3 GIS在流域水環(huán)境水質時空演變中的應用研究

水環(huán)境質量存在空間的差異，這些差異由自然環(huán)境和人類活動共同構成，了解這些分布差異，有助于探究污染的形成原因并根據(jù)污染特點制定差異化的解決措施。在時間上，探究水環(huán)境質量的變化規(guī)律可對污染控制方法的有效性作出評價，可縱向探究人類活動和自然環(huán)境改變對水質的影響。因此，流域水環(huán)境水質的時空演變特征對污染源的發(fā)現(xiàn)、水環(huán)境質量的發(fā)展變化以及預測有重要意義。常見的時空分析包括污染物和水質的空間分布研究、水質類型空間分布研究、污染物空間擴散研究、水質變化過程模擬研究等。目前，水環(huán)境時空研究主要有數(shù)理統(tǒng)計法、水質模型法、遙感方法、地理信息技術以及多種方法相結合。GIS因其強大的空間處理能力，在水環(huán)境水質的時空演變上有著明顯優(yōu)勢，其主要功能體現(xiàn)在緩沖區(qū)分析、多邊形疊置分析、空間數(shù)據(jù)內插等技術上。

國內外學者對GIS應用于水環(huán)境水質時空演變做了大量研究，研究結果表明，應用GIS可以直觀地表示流域水環(huán)境水質的時空演變規(guī)律。胡連伍應用GIS技術結合簡化的USLE模型分析了杭埠-豐樂河流域的非點源污染，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域對巢湖水質環(huán)境有重要影響，該區(qū)域非點源污染的動力學因子是土地利用和覆蓋，該法可以用來研究土地利用情況對非點源污染時空變化的影響[2]。王少平將非點源污染模型經過模擬試驗進行修正，結合GIS技術發(fā)現(xiàn)村鎮(zhèn)是蘇州河非點源污染的重要區(qū)域，畜牧禽類糞便是村鎮(zhèn)的首要污染物、魚塘污染負荷大，他提出為了達到蘇州河水質目標，應該對村鎮(zhèn)垃圾進行集中處理，人畜糞便可用于肥田，可以通過改變魚飼料結構來改善魚塘水質等[3]。程軍蕊將集成水質模型結合GIS技術，模擬寧波市皎口水庫流域水質時空變化特征，發(fā)現(xiàn)模擬指標濃度趨勢變化和實際測量結果趨勢一致，基于GIS技術進行的水質模擬能反映實際流域水質狀況，這種技術能夠為環(huán)境治理、保護決策提供依據(jù)[4]。田帥應用GIS技術結合多層前饋網(wǎng)絡模型對雅安市雨城區(qū)地下水水質狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)此方法比較直觀，結果符合實際[5]。GIS技術能很清晰地再現(xiàn)地下水水質分布情況，對水問題深入研究意義重大。

4 結語

對流域水環(huán)境質量進行評價需要各行政區(qū)域環(huán)保人員的合作。運用GIS技術結合水環(huán)境模型對流域水環(huán)境水質評價，結果可靠、直觀，可以為環(huán)境治理、環(huán)境保護決策提供依據(jù)。需要注意的是，在對流域水環(huán)境質量進行評價時，各單元板塊要注意數(shù)據(jù)的兼容，GIS技術需挖掘三維、四維空間處理能力以及改進網(wǎng)絡分析模型。

1 中華人民共和國環(huán)境保護部.2014年中國環(huán)境質量報告[R].北京：中國環(huán)境出版社，2015.

2 胡連伍，王學軍，羅定貴，等.基于GIS的流域非點源污染潛在風險區(qū)識別[J].水土保持通報，2007，27（3）：107-110.

3 王少平，俞立中，許世遠，等.基于GIS的蘇州河非點源污染的總量控制[J].中國環(huán)境科學，2002，22（6）：520-524.

4 程軍蕊，王 侃，馮秀麗，等.基GIS的流域水質模擬及可視化應用研究[J].水利學報，2014，45（11）：1352-1360.

5 田 帥，劉國東，倪福全.BP與GIS耦合的地下水水質綜合分析評價[J].水電能源科學，2012，30（2）：38-40.