《武汉工程大学学报》 2013年01期
21-26
出版日期：2013-01-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
地理信息系统在水污染控制规划中的应用
0引言水污染控制规划是水环境保护与规划的重要内容，它从水资源的合理利用、水环境的保护方面对区域的功能分区、污水处理厂选址等提出建设性意见；水污染控制规划是城市规划的重要组成部分，它与城市规划相互协调，对提高城市规划的可操作性具有重要意义\[1\].水污染控制规划中涉及到水文数据（如河流位置）、污染源参数（如排放口位置、控制断面）、污染负荷数据（如污染物浓度分布）、环境容量数据\[2\]等，这些数据大多属空间信息并且较为繁琐.利用地理信息系统（Geographic Information System,以下简称：GIS）技术，建立水环境信息数据库，可以将空间数据及属性数据、原始数据及新生成的数据进行合理规范的管理；水环境信息可以随时更新，水环境数据实现了在整个水污染过程中的共享，为水污染控制规划决策者提供了直观可视的工作界面，大大提高了工作效率\[3\].1GIS技术引入江汉平原河网地区水污染控制规划中的必要性江汉平原河网区大小河渠纵横交织，水环境规划是一个多层次、多变量、多目标的复杂系统，涉及的数据众多复杂.传统的数据手工管理对适应现代化的需要和数据的更新要求存在一定的难度.庞大的空间数据对环境管理人员来说，完全清楚并充分有效的用于问题分析也具有难度.此外，要对未来情况做出良好的规划，是要求实时地利用动态数据分析系统特性，从而阶段性检验和修订措施.随着技术的进步，需要对时空信息进行定量化分析，手工数据维护几乎是不可能实现的.将地理信息系统应用到江汉平原河网地区水污染控制规划领域，利用其高效的空间数据和属性数据的维护能力及强大的检索查询功能，为水环境管理工作者提供一个有效的工作平台和可靠的技术支持.通过地理信息系统，可以把空间数据（如现有水系、控制断面的地理位置）和属性数据（如多年的监测资料）储存在数据库中，根据需要可以快速、清晰、直观地查出水环境档案及水质资料，大大提高了水污染控制规划过程中环境管理人员的工作效率，实现了水污染控制规划和决策的可视化\[4\].2QJ市水环境概况QJ市地属江汉平原腹地，位于湖北省中南部.QJ市内水域总面积197 km2，其中河渠166 km2，湖泊31 km2.QJ市多年平均年径流深344 mm，地表径流总量为6.88×108 m3.实测最大年径流量为14.8×108 m3，实测最小年径流量1.26×108 m3.由于径流年际、年内差异大，QJ市水资源的开发利用主要是筑堤御水，建闸控制，内排外引.全市现有引灌渠首涵闸5处，主要引水水源为汉江和长湖，设计流量228 m3/s，年均引水设计能力7.5×108 m3；机电提灌能力75.2 m3/s，平均每年提水量0.68×108 m3，主要湖泊有6处，年均蓄水量约1 060×104 m3；机井150处，年取水量1 647×104 m3.全市农村取地表水和地下水水厂328处，日供水17.4×104 m3，年供水6 354×104 m3.QJ市地处江汉平原上，河流的特点是分流较多，变化较大.建国以来，江汉平原建立了相对独立完善的防洪、排涝、抗旱工程体系，QJ市共开挖干支渠62条，斗农渠4 732条，排灌渠道总长6 276 km.全市现建有提排泵站171处，提灌泵站40处.因此，全市有天然和人工两大类河渠，天然河渠有汉江和东荆河；人工河渠主要有田关河、下西荆河、总干渠、城南河、百里长渠、汉南河等骨干排灌支干渠.全市水域面积占自然面积的9.8%.QJ市属汉江流域，其中东荆河以西为四湖流域，主要纳污水体为西荆河、总干渠、兴隆河、东干渠；东荆河以西为汉南片区，主要纳污水体为城南河、百里长渠和汉南河.潜江市内大小沟渠纵横交织，具有典型的江汉平原河网特征.第1期陈伟亚，等：地理信息系统在水污染控制规划中的应用武汉工程大学学报第35卷3地理信息系统在江汉平原河网地区水污染控制规划中的应用水污染控制规划过程涉及大量的监测统计数据及图表，利用 GIS技术建立水环境信息数据库，达到了将这些数据在计算机中合理规范的管理的目的，并且实现了数据信息的共享；利用这些数据形象快速地表达出水污染控制规划的结果，极大发挥了地理信息系统在水污染控制规划过程中的辅助决策功能，充分体现了地理信息系统在江汉平原河网区水污染控制规划过程中发挥的巨大优势\[5\].3.1江汉平原河网区污染源调查通过现场调研所获得的资料，并利用GIS技术，可以将这些数据分为两大类：一类是空间数据，一类是属性数据.空间数据主要包括基础地理信息、地图影像及各种专题图数据.属性数据主要包括污染源数据、排污口数据、监测断面数据及控制单元（潜江市内各河流）数据\[6\].3.2江汉平原河网区水环境信息数据库的建立3.2.1基础地图数据介绍本次采用湖北省测绘局编制的1∶10000的CAD格式的数字地图，QJ市共103幅，地形数据层共有10层.QJ市水环境规划数据库的建立需处理的图层主要包括4大图层：行政区（市界、镇界、管理区界）、居民点（镇办事处、村）、铁路和公路（显示到市镇道）、水系（河流、湖泊）.3.2.2底图数据处理a.CAD格式文件转换:本数据库是利用美国环境系统研究所（Environmental Systems Research Institute，ESRI）研发的ArcGIS软件而建立，原始数据大多为CAD格式的文件.基于GIS建立水环境信息数据库不能直接利用CAD格式的文件，因此，建库前，必须把CAD格式的文件转换为ArcGIS9.3能直接编辑使用的Shapefile格式的文件\[7\].一个Shape文件一般包括三个文件：一个主文件(*.shp)、一个索引文件(*.shx)和一个dBASE(*.dbf)表.主文件包含几何形状；索引文件包含数据的索引；数据库文件包含形的属性，包含字段的定义.Shapefile文件将空间和属性数据有机地结合起来，并从这两方面进行管理. CAD格式的文件属矢量数据，一个文件可以包含多个图层，如点图层（文字注记）、线图层（水系、公路）、多边形图层（行政区划），这些不同类型的图素可以共同构成一个CAD文件，且CAD文件涉及的属性数据较少.而在Shapefile文件中，不同类型的图素需分层存放，并且分别存放于Shapefile文件中，即须将同一专题的点数据（如居民点）存放于一个点文件，同一专题的线数据（如水系）存放于一个线文件，同一个专题的多边形文件（如行政区）存放于一个多边形文件，并且每一个视图只能包含一个专题.所有Shapefile文件可以叠加构成一幅完整的地图\[8\].具体转换步骤如下：ArcGIS9.3中，打开ArcToolbox→到Shapfile→双击Feature Class To Shapefile→在“Input feature”输入要转换的CAD文件→选择CAD注记要素类→在“Output feature”输入一个新建的用于保存成果的文件夹，即将CAD注记要素类转换为了Shapefile格式的点文件.具体如图1所示.以上步骤中依次将“选择CAD注记要素类”换为“选择CAD点要素类”、“选择CAD线要素类”、“选择CAD多边形要素类”，其他步骤同上,并分别保存在不同的文件夹内.经以上操作，就分别将CAD点要素类、CAD线要素类、CAD多边形要素类转换为了Shapefile格式的点文件、线文件及多边形文件.在ArcMap中通过添加数据，分别添加点文件、线文件、多边形文件，这样就可以看到一幅完整的地图\[9\].图1CAD格式文件转换为Shapefile格式文件Fig.1Shapefile format file converted from CAD format fileb.图层拼接:根据3.2.2(a)介绍的方法，分别将103幅CAD（ *.dwg）格式的文件转换为Shapefile(*.shap)格式的文件，再利用ArcToolbox中的追加（Append）命令，分别将103幅点文件、线文件、多边形文件拼接为一幅点文件、线文件、多边形文件.下面以103幅线文件的拼接为例，介绍图层拼接的具体步骤：双击 ArcToolbox→数据管理工具（Data Management Tools）→常规（general）→双击追加（Append）→在“输入数据集”依次输入前102幅*.shap线文件，然后在目标数据集输入最后一幅*.shap线文件.具体如图2所示.右键点击最后一幅线文件，执行数据→导出数据，指定导入数据的路径和名称.通过以上操作就完成了将 103 个图层拼接为一个图层的处理.图2Shapefile格式的线文件拼接Fig.2Polyline files of Shapefile format appendedc.提取有效数据:已经拼接好的一幅线文件图层包含水系、行政区界、公路等空间实体，点文件图层包含居民点、取水点等空间实体.分别在线文件中提取出水系、行政区界、公路作为单独的Shape文件，在点文件图层中提取居民点、取水点作为单独的Shape文件，作为建立水环境信息数据库的底图.下面以线文件中提取水系图层为例，介绍数据提取的步骤：右键拼接好的线文件→打开属性表→双击layer字段（字段内容即完成分类）→选择layer字段中所有内容为HYDNT（水系）的要素→右键拼接好的线文件→数据→导出数据（导出选中的要素），指定导出数据的名称及路径,这样即将选择的数据导出.3.2.3从图形数据中提取有效信息图形数据大多为*.jpg格式的各类普通地图及专题地图文件，其中包含了丰富的地理信息，例如：污染源位置，排污口位置及监测断面位置等.这些图像数据属于栅格数据，不能直接使用，需配准到标准坐标中并进行矢量化.将栅格数据配准到与1∶10000基础地图数据相同的坐标，通过手动数字化的方式，分别提取出污染源分布图层、排污口图层及监测断面图层等.3.2.4建立QJ市水环境信息数据库QJ市水环境信息数据库是基于 Geodatabase 模型而建立的数据库.通过ArcCatalog建立基于Microsoft Access 的 Personal Geodatabase，桌面用户可以通过 ArcGIS Desktop 的标准菜单和工具进行访问\[10\].将处理好的基础数据（行政区、水域、道路）、控制单元数据图层、污染源数据图层、排污口数据图层、监测断面图层数据移植入库.在控制单元图层增加字段：控制单元名称、河段长度、流量、流速.在污染源图层增加污字段：染源名称、污染源类型、监测时间、排污量、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，以下简称：COD）浓度、氨氮浓度.在排污口图层增加字段：排污口名称、所属控制单元、监测时间、COD入河量、氨氮入河量、备注.监测断面图层增加字段：监测断面名称、COD测量值、COD评价指标、氨氮测量值、氨氮评价指标.将各图层加载到ArcMap中，并将各图层属性信息填充到属性表格内.通过建立的QJ市水环境信息数据库，GIS可以为水污染控制规划其他环节如：水环境功能区划，情景控制方案的建立等提供决策分析.分析者可以在QJ市整个水污染控制规划中，实时地获取水环境综合信息，并直接在电子地图上进行流域水污染控制.3.3GIS在QJ市水污染控制规划应用的成果表达在QJ市水污染控制规划中，结合具体的需求，选择了用户界面友好且功能强大的ArcGIS9.3地理信息系统作为研究的平台.实践表明，利用GIS技术在QJ市水污染控制规划中取得了非常好的效果.利用GIS的叠置技术，建立了QJ市水系分布图（图3），可以快速获得QJ市河网河渠间的相对位置及其流经的区域等信息.利用GIS技术，在电子地图上划分出QJ市水环境功能区划（图4），并直观地表达出区划的结果.图4表明：QJ市二类水环境功能区有汉江和东荆河，三类水环境功能区有田关河、西荆河、总干渠、兴隆河、下东干渠，四类水环境功能区有上东干渠、百里长渠、汉南河，五类水环境功能区有城南河.图5为QJ市排污河渠剩余水环境容量示意图，利用GIS的可视化技术及水环境容量模型，对规划方案中不同河段的剩余水环境容量进行直观呈现.图5表明：中干渠剩余水环境容量为负值，其他河渠剩余水环境容量虽为正值，但都较小.图6为QJ市水污染控制措施规划图，利用GIS技术，建立了QJ市水环境信息数据库，并分析出QJ市水污染控制措施——“引水活城”方案的线路及规划污染处理厂的位置，进而得到了QJ市水污染控制措施规划专题图\[11\].图6表明：QJ市引水活城项目为，东荆河以西，由“引江济汉”河渠到兴隆河，经跃进河、荆幺河、下西荆河至中干渠；东荆河以东兴建跨东荆河倒虹管和导流明渠，由兴隆河引水至百里长渠.ig.6Water pollution control measure planning in QJ4结语本次是GIS技术在江汉平原河网地区水污染控制规划中的首次应用.实践表明，GIS作为一个必不可少的工具渗透到水污染控制规划过程的每一个环节.在ArcGIS9.3的环境中，将环境监测及环境统计数据与具有空间意义的底图相关联，使数据具有空间属性，为QJ市水环境数据管理、空间图形表达和规划决策分析提供了有效的工作平台和技术支持.致谢QJ市环保局的工作人员在数据资料收集时给予支持及帮助，武汉工程大学环境与城市建设学院王威老师在GIS方面给予技术指导，在此一并致以衷心的感谢！