胡琦，匡天琪，杜景龍*，張志敏，陳德超

（1.溧陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇常州213300；2.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件，環(huán)境污染已經(jīng)成為威脅人類生存的重大問(wèn)題之一，尤其是水環(huán)境污染更是直接危及到人類的生命和健康。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，水環(huán)境問(wèn)題變得越來(lái)越突出，長(zhǎng)期的無(wú)效治理，導(dǎo)致某些地區(qū)的水體污染較以往更加嚴(yán)重。近年，隨著對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的重視，水污染問(wèn)題逐步得到控制，而研究工作更多的轉(zhuǎn)移至對(duì)水質(zhì)分析及污染物擴(kuò)散過(guò)程模擬領(lǐng)域。地理信息系統(tǒng)（GIS）由于具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)可視化和分析能力，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境質(zhì)量分析和水體污染物擴(kuò)散模擬。

愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)都柏林學(xué)院研究開(kāi)發(fā)的流域水管理決策支持系統(tǒng)（DSS-CWM）是GIS用于區(qū)域水環(huán)境管理的一個(gè)典型范例[1]；2010年，Loos等人[2]采用GIS技術(shù)調(diào)查和分析了歐洲地下水污染情況，并建立了泛歐地區(qū)地下水水質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)；2003年，丁賢榮等人[3]選用一維水流二維擴(kuò)散模型，將GIS與水污染模型相結(jié)合，對(duì)水污染事故進(jìn)行模擬分析，從時(shí)間和空間上反映污染事件造成的水污染及污染事件的變化過(guò)程；付俊娥等人[4]以3S技術(shù)為支撐建立了復(fù)雜水流條件和水質(zhì)調(diào)度要求的水污染模擬仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水污染的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件應(yīng)急決策處理；2009年，吳迪軍等人[5]采用一維水質(zhì)模型模擬河流突發(fā)性水污染，并在ArcGIS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了污染計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化。以上研究主要從水污染模型和模擬分析的角度出發(fā)，在單機(jī)或者局域網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)水體污染的一維模擬，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)水體污染的二維模擬；而且鑒于目前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，有必要將互聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。因此，基于WebGIS的水污染模擬分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為迫切。

筆者以江蘇省溧陽(yáng)市為例，對(duì)溧陽(yáng)市69個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面（包括水十條考核斷面、區(qū)域補(bǔ)償斷面、例行監(jiān)測(cè)斷面和鎮(zhèn)區(qū)考核斷面四類監(jiān)測(cè)斷面）的水質(zhì)年度變化、季節(jié)變化進(jìn)行分析，并對(duì)水污染事故應(yīng)急分析中的一、二維水體污染擴(kuò)散的模擬實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，提出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案采用Client／Server計(jì)算模式，整個(gè)系統(tǒng)由分布在Internet上的客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器組成?？蛻舳藢?shí)現(xiàn)矢量地圖和柵格地圖的無(wú)縫疊加和可視化展示，并可進(jìn)行放大、縮小、漫游、查詢、分析、模擬等操作。下面將介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)技術(shù)及主要功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中研究的水污染模擬分析系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、支撐層和應(yīng)用層構(gòu)成，如圖1所示。

各層次的主要功能簡(jiǎn)述如下：

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層用于存儲(chǔ)和提供系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)，包括斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、排污口數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水資源專題數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是該系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，溧陽(yáng)市的斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照管理類別分為區(qū)域補(bǔ)償斷面、例行監(jiān)測(cè)斷面、水十條斷面和鎮(zhèn)區(qū)考核斷面四類斷面，共69個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，其中水十條斷面和例行監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷、pH、重金屬等29項(xiàng)污染物；區(qū)域補(bǔ)償斷面只監(jiān)測(cè)了高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷三項(xiàng)污染物；鎮(zhèn)區(qū)考核斷面監(jiān)測(cè)了高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和溶解氧四項(xiàng)污染物。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了上述四類斷面2010年以來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）支撐層。支撐層是系統(tǒng)建設(shè)所需要的各類軟硬件環(huán)境，包括GIS軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、編程語(yǔ)言、水污染擴(kuò)散計(jì)算模型等。該系統(tǒng)采用ArcGIS軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理，并把制作的各類GIS圖層發(fā)布為地圖服務(wù)，調(diào)用百度API，實(shí)現(xiàn)ArcGIS的地圖服務(wù)與百度地圖無(wú)縫鏈接；數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用的是微軟公司的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，通過(guò)空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無(wú)縫對(duì)接；文中系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用的是JavaScript；采用公認(rèn)的污染物運(yùn)移擴(kuò)散模型對(duì)河流污染物擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層為用戶提供交互式界面，包括各類斷面水質(zhì)分析、水污染動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果展示、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交互應(yīng)用、信息動(dòng)態(tài)發(fā)布以及應(yīng)急預(yù)案決策支持等。斷面水質(zhì)分析實(shí)現(xiàn)了四類監(jiān)測(cè)斷面的各類監(jiān)測(cè)污染物的年度、季度分析；水污染動(dòng)態(tài)模擬實(shí)現(xiàn)了污染物擴(kuò)散過(guò)程的一維和二維模擬。

2 水污染擴(kuò)散分析模型

在水環(huán)境問(wèn)題研究中，水質(zhì)模型是進(jìn)行水質(zhì)分析與預(yù)測(cè)的主要技術(shù)手段。斯特里特-費(fèi)爾普斯（Streeter-Phelps）在研究美國(guó)俄亥俄河污染問(wèn)題時(shí)建立了第一個(gè)水質(zhì)模型[6]，即經(jīng)典的Streeter-Phelps水質(zhì)模型（簡(jiǎn)稱“S-P”模型）。隨后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水質(zhì)模型的開(kāi)發(fā)研究方面做了大量的工作[7-10]，產(chǎn)生了一系列可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算的水質(zhì)模型，如零維河流水質(zhì)模型、一維河流水質(zhì)模型、二維河流水質(zhì)模型、河口水質(zhì)模型、湖（庫(kù)）均勻混合衰減模型、非均勻混合模型、富營(yíng)養(yǎng)化模型等。文中采用的一維河流水質(zhì)模型和二維河流水質(zhì)模型因考慮了污染物濃度及其擴(kuò)散參數(shù)在河流縱向和橫向上的變化，而且特別適合與GIS技術(shù)結(jié)合，是國(guó)內(nèi)河流污染擴(kuò)散模擬較為常用的分析模型。

根據(jù)溧陽(yáng)市河流的水文特點(diǎn)[11－12]，采用四邊形網(wǎng)格法對(duì)研究和模擬的河道進(jìn)行空間離散化，使用一維和二維瞬時(shí)排放水質(zhì)模型與GIS集成，實(shí)現(xiàn)水污染事故的模擬，并實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)演示。文中所需要的資料包括溧陽(yáng)市遙感影像圖、水系圖、監(jiān)測(cè)斷面圖、污染源分布圖、行政區(qū)劃圖，以及水文數(shù)據(jù)、斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。在ArcGIS中對(duì)各類基礎(chǔ)圖件進(jìn)行數(shù)字化，水文數(shù)據(jù)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入到SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.1 一維河流水質(zhì)模型

一維水質(zhì)模型是水環(huán)境模型中相對(duì)簡(jiǎn)單的一種，是河流或湖泊遭受污染時(shí)，實(shí)際的斷面濃度分布與斷面濃度的平均值偏差不大時(shí)常采用的一種水污染預(yù)測(cè)模型，它主要研究污染物濃度分布沿程的變化以及各個(gè)斷面上污染物濃度隨時(shí)間的變化[13]。一維模型僅考慮污染物濃度及其擴(kuò)散參數(shù)在縱向，即水流方向（一般設(shè)為x軸）的遷移和分布特征。污染物在河道運(yùn)移時(shí)，不僅要考慮水流作用，還要考慮河流的自凈作用，相應(yīng)的水質(zhì)模型[13－15]為

其中，C表示河流中污染物的濃度，t表示時(shí)間，Ex表示x方向的彌散擴(kuò)散系數(shù)，Ux表示平均流量，k為污染物的衰減速率系數(shù)。

由于有限差分法便于進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建，因此，選擇有限差分法進(jìn)行模型的數(shù)值差分，經(jīng)推導(dǎo)整理可得

式中，Ei為第i河段縱向彌散系數(shù)；ui為第i河段平均流速；ki為第i河段污染物衰減系數(shù)；Δx為x方向的步長(zhǎng)，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；i為第i河段，j為第j時(shí)刻。

由上式可見(jiàn)第i斷面（j+1）時(shí)刻的濃度值，可由前一時(shí)刻即j時(shí)刻的（i+1）、（i-1）斷面的濃度值以及其他參數(shù)（彌散系數(shù)Ei，平均流速u(mài)i，時(shí)間步長(zhǎng)Δt與位置步長(zhǎng)Δx以及污染物衰減系數(shù)ki）迭代計(jì)算而得。

2.2 二維河流水質(zhì)模型

污染物進(jìn)入水體后，不可能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到全斷面濃度混合均勻，當(dāng)在縱向和橫向上都存在比較顯著的差異時(shí)，一維模型不能滿足需要，需要用二維模擬[9]，河流二維水質(zhì)模型[16-17]的基本形式如下

式中Ex、Ey分別為x和y方向的彌散系數(shù)，Ux為x方向的流速分量，k為污染物衰減速率系數(shù)。由于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的實(shí)質(zhì)是微分方程組，二維河流水質(zhì)模型的有限差分解為

2.3 模型與GIS的集成

模型與GIS的集成是實(shí)現(xiàn)污染物擴(kuò)散過(guò)程模擬的難點(diǎn)[18]，在模型中，有空間變量X、Y和時(shí)間變量t，因此，模型中的參數(shù)X、Y和GIS中的坐標(biāo)（x，y）之間的聯(lián)系成為模型和GIS集成的關(guān)鍵。文中通過(guò)河道空間離散化的方法建立水質(zhì)模型中的空間變量X、Y和GIS中的坐標(biāo)（x，y）之間的關(guān)系。

首先，生成河道二維格網(wǎng)。該過(guò)程的目標(biāo)是將河流面數(shù)據(jù)進(jìn)行格網(wǎng)劃分，具體步驟為：（1）獲取河流邊界及河流中軸線控制點(diǎn)；（2）劃分河流中軸線；（3）求河流軸線上垂線與河流邊界的交點(diǎn)；（4）劃分河流各垂線；（5）形成網(wǎng)格。上述工作可在ArcGISDesktop中實(shí)現(xiàn)。其次，是地圖坐標(biāo)與模型坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。模型計(jì)算要求將排污點(diǎn)置于預(yù)測(cè)模型坐標(biāo)系中，形成的排污點(diǎn)具有地理坐標(biāo)系和模型坐標(biāo)系，因此，須將各離散點(diǎn)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成河流網(wǎng)格坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換公式為

式中，θ為旋轉(zhuǎn)角度；x、y為點(diǎn)在原坐標(biāo)系（地圖坐標(biāo)系）下的坐標(biāo)；a、b為新坐標(biāo)系原點(diǎn)（污染事故點(diǎn)）在原坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

最后，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化。GIS的可視化表達(dá)通過(guò)對(duì)空間信息的某一屬性字段的數(shù)值分級(jí)，并使用不同顏色表示各個(gè)級(jí)別的過(guò)程。因此，首先應(yīng)計(jì)算出各網(wǎng)格中心點(diǎn)處污染物濃度值，并將其存入網(wǎng)格數(shù)據(jù)集的屬性表中，然后利用GIS的渲染功能實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的可視化表達(dá)，并通過(guò)各個(gè)時(shí)刻計(jì)算結(jié)果的快速自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)演示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S開(kāi)發(fā)框架，前臺(tái)采用了Bootstrap和Dojo實(shí)現(xiàn)頁(yè)面動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)；后端運(yùn)用Spring MVC、My-Batis進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，以及ArcMap、SQL Server、ArcGISSever進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)還運(yùn)用了ArcGISAPI for Java Script技術(shù)實(shí)現(xiàn)地圖渲染、緩沖區(qū)分析、水污染模型構(gòu)建等功能，并結(jié)合Echarts圖表可視化組件進(jìn)行分析結(jié)果的直觀展示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了環(huán)境基礎(chǔ)信息的GIS查詢顯示、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析及水污染擴(kuò)散的模擬等功能。

3.1 環(huán)境基礎(chǔ)信息的GIS查詢顯示

主要包括地圖瀏覽與操作、距離與面積量測(cè)、信息的分類查詢與檢索、疊加分析、緩沖區(qū)分析、熱力圖展示、雷達(dá)圖對(duì)比分析、專題圖展示等GIS基礎(chǔ)功能。該功能基于環(huán)保一張圖，為用戶提供了展示和分析溧陽(yáng)市水環(huán)境現(xiàn)狀信息的可視化手段。上述GIS功能可在ArcGIS桌面軟件中實(shí)現(xiàn)，如緩沖區(qū)分析，通過(guò)Geoprocessor調(diào)用ArcGISToolBox里的緩沖區(qū)分析工具，創(chuàng)建并發(fā)布一個(gè)GP服務(wù)到服務(wù)器端，用戶只需在界面上設(shè)置緩沖區(qū)距離與單位，對(duì)相應(yīng)水系進(jìn)行描畫(huà)，即可動(dòng)態(tài)生成流域緩沖區(qū)。

3.2 水質(zhì)分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溧陽(yáng)市水十條斷面、區(qū)域補(bǔ)償斷面、例行監(jiān)測(cè)斷面、鎮(zhèn)區(qū)考核斷面等水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水質(zhì)年度變化分析、季節(jié)變化分析、月度變化分析及基于空間統(tǒng)計(jì)單元的分析等，并實(shí)現(xiàn)了分析功能的多元可視化。為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可視化效果，該項(xiàng)目引入了開(kāi)源圖表庫(kù)ECharts來(lái)繪制各種分析圖表。ECharts以web服務(wù)和JavaScript包的形式為用戶提供數(shù)據(jù)可視化服務(wù)，JavaScript包默認(rèn)保存在web服務(wù)端，在進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化時(shí)，以Echart.js圖形庫(kù)為模板，引入相應(yīng)的js文件，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，以參數(shù)的形式傳入已經(jīng)封裝好的圖形庫(kù)中，在web服務(wù)端完成數(shù)據(jù)的展示，可實(shí)現(xiàn)柱狀圖、折線圖、散點(diǎn)圖、餅狀圖、熱力圖、雷達(dá)圖、K線圖等多種數(shù)據(jù)可視化功能。圖2為采用折線圖對(duì)區(qū)域補(bǔ)償斷面的各類污染物年度和季節(jié)性變化的分析，展示了各污染物隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

圖2 溧陽(yáng)市區(qū)域補(bǔ)償斷面（塘東橋斷面）污染物隨時(shí)間的變化趨勢(shì)分析

3.3 水污染擴(kuò)散模擬

系統(tǒng)集成了水污染擴(kuò)散模型，提供了一維、二維的水污染擴(kuò)散模擬，用戶只需指定河流中污染源的位置（或污染事件發(fā)生的位置），通過(guò)設(shè)置不同的參數(shù)，如污染物濃度、彌散系數(shù)、污染物衰減系數(shù)等，系統(tǒng)能夠自動(dòng)模擬各種情況下不同污染物的擴(kuò)散情況及影響范圍。具體做法是：將河流或水庫(kù)劃分成10 m×10 m的格網(wǎng)，并設(shè)置不同污染物濃度區(qū)間所對(duì)應(yīng)的顏色，以用戶選擇點(diǎn)為原點(diǎn)，通過(guò)上述模型計(jì)算當(dāng)前模擬參數(shù)狀態(tài)下不同時(shí)段對(duì)應(yīng)的空間范圍（即每個(gè)格網(wǎng)）內(nèi)污染物的濃度，并以梯度顏色和形狀渲染在地圖中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)地圖的可視化仿真，動(dòng)態(tài)模擬污染擴(kuò)散的全過(guò)程。此外，該模型還可以折線圖和數(shù)據(jù)表等方式，顯示污染源濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)與具體數(shù)值，定量的展現(xiàn)了污染物在水體中的擴(kuò)散情況。

如圖3、圖4所示，地圖窗口高亮顯示的部分是污染點(diǎn)源，“污染濃度分析”窗口下方可以進(jìn)行污染源濃度及水流流速等相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，點(diǎn)擊開(kāi)始分析按鈕，動(dòng)態(tài)折線圖中會(huì)顯示污染源濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，污染物濃度報(bào)表中同時(shí)顯示出每個(gè)單位時(shí)間內(nèi)濃度的具體數(shù)值，并可導(dǎo)出至Excel中。再次選擇分析時(shí)間，點(diǎn)擊draw按鈕，河道中將會(huì)以梯度顏色直觀地渲染出水污染在指定時(shí)間內(nèi)的擴(kuò)散情況及影響范圍。

圖3 一維污染擴(kuò)散模擬

圖4 二維污染擴(kuò)散模擬

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)采用B/S模式，結(jié)合GIS技術(shù)，以江蘇省溧陽(yáng)市為例，研制和開(kāi)發(fā)了一款適用于城市河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)及水污染擴(kuò)散分析與模擬系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)環(huán)保工作頭緒繁瑣、耗時(shí)久、出錯(cuò)率高、反饋慢的工作模式。該系統(tǒng)覆蓋面廣，涉及到水環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)的各個(gè)方面，既是一個(gè)環(huán)保信息展示平臺(tái)，也是一個(gè)協(xié)同辦公工作平臺(tái)；既可為環(huán)保工作者提供便捷的日常管理服務(wù)，也可為部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)提供決策信息化支撐服務(wù)。