地理信息系統(tǒng)在水污染控制規(guī)劃中的應(yīng)用

陳偉亞，劉芳芳

（武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

水污染控制規(guī)劃是水環(huán)境保護(hù)與規(guī)劃的重要內(nèi)容，它從水資源的合理利用、水環(huán)境的保護(hù)方面對(duì)區(qū)域的功能分區(qū)、污水處理廠選址等提出建設(shè)性意見；水污染控制規(guī)劃是城市規(guī)劃的重要組成部分，它與城市規(guī)劃相互協(xié)調(diào)，對(duì)提高城市規(guī)劃的可操作性具有重要意義［1］.

水污染控制規(guī)劃中涉及到水文數(shù)據(jù)（如河流位置）、污染源參數(shù)（如排放口位置、控制斷面）、污染負(fù)荷數(shù)據(jù)（如污染物濃度分布）、環(huán)境容量數(shù)據(jù)［2］等，這些數(shù)據(jù)大多屬空間信息并且較為繁瑣.利用地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，以下簡(jiǎn)稱：GIS）技術(shù)，建立水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)更新，水環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)水污染過(guò)程中的共享，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［3］.

1 GIS技術(shù)引入江漢平原河網(wǎng)地區(qū)水污染控制規(guī)劃中的必要性

江漢平原河網(wǎng)區(qū)大小河渠縱橫交織，水環(huán)境規(guī)劃是一個(gè)多層次、多變量、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及的數(shù)據(jù)眾多復(fù)雜.傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手工管理對(duì)適應(yīng)現(xiàn)代化的需要和數(shù)據(jù)的更新要求存在一定的難度.龐大的空間數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)境管理人員來(lái)說(shuō)，完全清楚并充分有效的用于問(wèn)題分析也具有難度.此外，要對(duì)未來(lái)情況做出良好的規(guī)劃，是要求實(shí)時(shí)地利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)特性，從而階段性檢驗(yàn)和修訂措施.隨著技術(shù)的進(jìn)步，需要對(duì)時(shí)空信息進(jìn)行定量化分析，手工數(shù)據(jù)維護(hù)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的.

將地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到江漢平原河網(wǎng)地區(qū)水污染控制規(guī)劃領(lǐng)域，利用其高效的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的維護(hù)能力及強(qiáng)大的檢索查詢功能，為水環(huán)境管理工作者提供一個(gè)有效的工作平臺(tái)和可靠的技術(shù)支持.通過(guò)地理信息系統(tǒng)，可以把空間數(shù)據(jù)（如現(xiàn)有水系、控制斷面的地理位置）和屬性數(shù)據(jù)（如多年的監(jiān)測(cè)資料）儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)需要可以快速、清晰、直觀地查出水環(huán)境檔案及水質(zhì)資料，大大提高了水污染控制規(guī)劃過(guò)程中環(huán)境管理人員的工作效率，實(shí)現(xiàn)了水污染控制規(guī)劃和決策的可視化［4］.

2 QJ市水環(huán)境概況

QJ市地屬江漢平原腹地，位于湖北省中南部.QJ市內(nèi)水域總面積197km2，其中河渠166km2，湖泊31km2.QJ市多年平均年徑流深344mm，地表徑流總量為6.88×108m3.實(shí)測(cè)最大年徑流量為14.8×108m3，實(shí)測(cè)最小年徑流量1.26×108m3.由于徑流年際、年內(nèi)差異大，QJ市水資源的開發(fā)利用主要是筑堤御水，建閘控制，內(nèi)排外引.全市現(xiàn)有引灌渠首涵閘5處，主要引水水源為漢江和長(zhǎng)湖，設(shè)計(jì)流量228m3／s，年均引水設(shè)計(jì)能力7.5×108m3；機(jī)電提灌能力75.2m3／s，平均每年提水量0.68×108m3，主要湖泊有6處，年均蓄水量約1060×104m3；機(jī)井150處，年取水量1647×104m3.全市農(nóng)村取地表水和地下水水廠328處，日供水17.4×104m3，年供水6354×104m3.

QJ市地處江漢平原上，河流的特點(diǎn)是分流較多，變化較大.建國(guó)以來(lái)，江漢平原建立了相對(duì)獨(dú)立完善的防洪、排澇、抗旱工程體系，QJ市共開挖干支渠62條，斗農(nóng)渠4732條，排灌渠道總長(zhǎng)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(zhǎng)渠、漢南河等骨干排灌支干渠.全市水域面積占自然面積的9.8%.QJ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(zhǎng)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.

3 地理信息系統(tǒng)在江漢平原河網(wǎng)地區(qū)水污染控制規(guī)劃中的應(yīng)用

水污染控制規(guī)劃過(guò)程涉及大量的監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及圖表，利用GIS技術(shù)建立水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)到了將這些數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中合理規(guī)范的管理的目的，并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的共享；利用這些數(shù)據(jù)形象快速地表達(dá)出水污染控制規(guī)劃的結(jié)果，極大發(fā)揮了地理信息系統(tǒng)在水污染控制規(guī)劃過(guò)程中的輔助決策功能，充分體現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)在江漢平原河網(wǎng)區(qū)水污染控制規(guī)劃過(guò)程中發(fā)揮的巨大優(yōu)勢(shì)［5］.

3.1 江漢平原河網(wǎng)區(qū)污染源調(diào)查

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所獲得的資料，并利用GIS技術(shù)，可以將這些數(shù)據(jù)分為兩大類：一類是空間數(shù)據(jù)，一類是屬性數(shù)據(jù).空間數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理信息、地圖影像及各種專題圖數(shù)據(jù).屬性數(shù)據(jù)主要包括污染源數(shù)據(jù)、排污口數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)及控制單元（潛江市內(nèi)各河流）數(shù)據(jù)［6］.

3.2 江漢平原河網(wǎng)區(qū)水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

3.2.1 基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)介紹 本次采用湖北省測(cè)繪局編制的1∶10000的CAD格式的數(shù)字地圖，QJ市共103幅，地形數(shù)據(jù)層共有10層.QJ市水環(huán)境規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)的建立需處理的圖層主要包括4大圖層：行政區(qū)（市界、鎮(zhèn)界、管理區(qū)界）、居民點(diǎn)（鎮(zhèn)辦事處、村）、鐵路和公路（顯示到市鎮(zhèn)道）、水系（河流、湖泊）.

3.2.2 底圖數(shù)據(jù)處理

a.CAD格式文件轉(zhuǎn)換：本數(shù)據(jù)庫(kù)是利用美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（Environmental Systems Research Institute，ESRI）研發(fā)的ArcGIS軟件而建立，原始數(shù)據(jù)大多為CAD格式的文件.基于GIS建立水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)不能直接利用CAD格式的文件，因此，建庫(kù)前，必須把CAD格式的文件轉(zhuǎn)換為ArcGIS9.3能直接編輯使用的Shapefile格式的文件［7］.一個(gè)Shape文件一般包括三個(gè)文件：一個(gè)主文件（＊.shp）、一個(gè)索引文件（＊.shx）和一個(gè)dBASE（＊.dbf）表.主文件包含幾何形狀；索引文件包含數(shù)據(jù)的索引；數(shù)據(jù)庫(kù)文件包含形的屬性，包含字段的定義.Shapefile文件將空間和屬性數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并從這兩方面進(jìn)行管理.

CAD格式的文件屬矢量數(shù)據(jù)，一個(gè)文件可以包含多個(gè)圖層，如點(diǎn)圖層（文字注記）、線圖層（水系、公路）、多邊形圖層（行政區(qū)劃），這些不同類型的圖素可以共同構(gòu)成一個(gè)CAD文件，且CAD文件涉及的屬性數(shù)據(jù)較少.而在Shapefile文件中，不同類型的圖素需分層存放，并且分別存放于Shapefile文件中，即須將同一專題的點(diǎn)數(shù)據(jù)（如居民點(diǎn)）存放于一個(gè)點(diǎn)文件，同一專題的線數(shù)據(jù)（如水系）存放于一個(gè)線文件，同一個(gè)專題的多邊形文件（如行政區(qū)）存放于一個(gè)多邊形文件，并且每一個(gè)視圖只能包含一個(gè)專題.所有Shapefile文件可以疊加構(gòu)成一幅完整的地圖［8］.具體轉(zhuǎn)換步驟如下：ArcGIS9.3中，打開 ArcToolbox→到Shapfile→雙擊Feature Class To Shapefile→在“Input feature”輸入要轉(zhuǎn)換的CAD文件→選擇CAD注記要素類→在“Output feature”輸入一個(gè)新建的用于保存成果的文件夾，即將CAD注記要素類轉(zhuǎn)換為了Shapefile格式的點(diǎn)文件.具體如圖1所示.

以上步驟中依次將“選擇CAD注記要素類”換為“選擇CAD點(diǎn)要素類”、“選擇CAD線要素類”、“選擇CAD多邊形要素類”，其他步驟同上，并分別保存在不同的文件夾內(nèi).經(jīng)以上操作，就分別將CAD點(diǎn)要素類、CAD線要素類、CAD多邊形要素類轉(zhuǎn)換為了Shapefile格式的點(diǎn)文件、線文件及多邊形文件.在ArcMap中通過(guò)添加數(shù)據(jù)，分別添加點(diǎn)文件、線文件、多邊形文件，這樣就可以看到一幅完整的地圖［9］.

圖1 CAD格式文件轉(zhuǎn)換為Shapefile格式文件Fig.1 Shapefile format file converted from CAD format file

b.圖層拼接：根據(jù)3.2.2（a）介紹的方法，分別將103幅CAD（＊.dwg）格式的文件轉(zhuǎn)換為Shapefile（＊.shap）格式的文件，再利用ArcToolbox中的追加（Append）命令，分別將103幅點(diǎn)文件、線文件、多邊形文件拼接為一幅點(diǎn)文件、線文件、多邊形文件.下面以103幅線文件的拼接為例，介紹圖層拼接的具體步驟：

雙擊 ArcToolbox→數(shù)據(jù)管理工具（Data Management Tools）→常規(guī)（general）→雙擊追加（Append）→在“輸入數(shù)據(jù)集”依次輸入前102幅＊.shap線文件，然后在目標(biāo)數(shù)據(jù)集輸入最后一幅＊.shap線文件.具體如圖2所示.

右鍵點(diǎn)擊最后一幅線文件，執(zhí)行數(shù)據(jù)→導(dǎo)出數(shù)據(jù)，指定導(dǎo)入數(shù)據(jù)的路徑和名稱.通過(guò)以上操作就完成了將103個(gè)圖層拼接為一個(gè)圖層的處理.

圖2 Shapefile格式的線文件拼接Fig.2 Polyline files of Shapefile format appended

c.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，作為建立水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)的底圖.下面以線文件中提取水系圖層為例，介紹數(shù)據(jù)提取的步驟：

右鍵拼接好的線文件→打開屬性表→雙擊layer字段（字段內(nèi)容即完成分類）→選擇layer字段中所有內(nèi)容為HYDNT（水系）的要素→右鍵拼接好的線文件→數(shù)據(jù)→導(dǎo)出數(shù)據(jù)（導(dǎo)出選中的要素），指定導(dǎo)出數(shù)據(jù)的名稱及路徑，這樣即將選擇的數(shù)據(jù)導(dǎo)出.

3.2.3 從圖形數(shù)據(jù)中提取有效信息 圖形數(shù)據(jù)大多為＊.jpg格式的各類普通地圖及專題地圖文件，其中包含了豐富的地理信息，例如：污染源位置，排污口位置及監(jiān)測(cè)斷面位置等.這些圖像數(shù)據(jù)屬于柵格數(shù)據(jù)，不能直接使用，需配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)中并進(jìn)行矢量化.將柵格數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到與1∶10000基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)相同的坐標(biāo)，通過(guò)手動(dòng)數(shù)字化的方式，分別提取出污染源分布圖層、排污口圖層及監(jiān)測(cè)斷面圖層等.

3.2.4 建立QJ市水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù) QJ市水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)是基于Geodatabase模型而建立的數(shù)據(jù)庫(kù).通過(guò)ArcCatalog建立基于Microsoft Access的Personal Geodatabase，桌面用戶可以通過(guò)ArcGIS Desktop的標(biāo)準(zhǔn)菜單和工具進(jìn)行訪問(wèn)［10］.將處理好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（行政區(qū)、水域、道路）、控制單元數(shù)據(jù)圖層、污染源數(shù)據(jù)圖層、排污口數(shù)據(jù)圖層、監(jiān)測(cè)斷面圖層數(shù)據(jù)移植入庫(kù).在控制單元圖層增加字段：控制單元名稱、河段長(zhǎng)度、流量、流速.在污染源圖層增加污字段：染源名稱、污染源類型、監(jiān)測(cè)時(shí)間、排污量、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，以下簡(jiǎn)稱：COD）濃度、氨氮濃度.在排污口圖層增加字段：排污口名稱、所屬控制單元、監(jiān)測(cè)時(shí)間、COD入河量、氨氮入河量、備注.監(jiān)測(cè)斷面圖層增加字段：監(jiān)測(cè)斷面名稱、COD測(cè)量值、COD評(píng)價(jià)指標(biāo)、氨氮測(cè)量值、氨氮評(píng)價(jià)指標(biāo).將各圖層加載到ArcMap中，并將各圖層屬性信息填充到屬性表格內(nèi).

通過(guò)建立的QJ市水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，GIS可以為水污染控制規(guī)劃其他環(huán)節(jié)如：水環(huán)境功能區(qū)劃，情景控制方案的建立等提供決策分析.分析者可以在QJ市整個(gè)水污染控制規(guī)劃中，實(shí)時(shí)地獲取水環(huán)境綜合信息，并直接在電子地圖上進(jìn)行流域水污染控制.

3.3 GIS在QJ市水污染控制規(guī)劃應(yīng)用的成果表達(dá)

在QJ市水污染控制規(guī)劃中，結(jié)合具體的需求，選擇了用戶界面友好且功能強(qiáng)大的ArcGIS9.3地理信息系統(tǒng)作為研究的平臺(tái).實(shí)踐表明，利用GIS技術(shù)在QJ市水污染控制規(guī)劃中取得了非常好的效果.利用GIS的疊置技術(shù)，建立了QJ市水系分布圖（圖3），可以快速獲得QJ市河網(wǎng)河渠間的相對(duì)位置及其流經(jīng)的區(qū)域等信息.利用GIS技術(shù)，在電子地圖上劃分出QJ市水環(huán)境功能區(qū)劃（圖4），并直觀地表達(dá)出區(qū)劃的結(jié)果.圖4表明：QJ市二類水環(huán)境功能區(qū)有漢江和東荊河，三類水環(huán)境功能區(qū)有田關(guān)河、西荊河、總干渠、興隆河、下東干渠，四類水環(huán)境功能區(qū)有上東干渠、百里長(zhǎng)渠、漢南河，五類水環(huán)境功能區(qū)有城南河.圖5為QJ市排污河渠剩余水環(huán)境容量示意圖，利用GIS的可視化技術(shù)及水環(huán)境容量模型，對(duì)規(guī)劃方案中不同河段的剩余水環(huán)境容量進(jìn)行直觀呈現(xiàn).圖5表明：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.圖6為QJ市水污染控制措施規(guī)劃圖，利用GIS技術(shù)，建立了QJ市水環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并分析出QJ市水污染控制措施——“引水活城”方案的線路及規(guī)劃污染處理廠的位置，進(jìn)而得到了QJ市水污染控制措施規(guī)劃專題圖［11］.圖6表明：QJ市引水活城項(xiàng)目為，東荊河以西，由“引江濟(jì)漢”河渠到興隆河，經(jīng)躍進(jìn)河、荊幺河、下西荊河至中干渠；東荊河以東興建跨東荊河倒虹管和導(dǎo)流明渠，由興隆河引水至百里長(zhǎng)渠.

圖3 QJ市水系分布圖Fig.3 Distribution of river system in QJ

圖4 QJ市水環(huán)境功能區(qū)劃Fig.4 Water environment functional zoning in QJ

圖5 QJ市排污河渠剩余水環(huán)境容量示意圖Fig.5 Residual water environmental capacity of discharged river in QJ

圖6 QJ市水污染控制措施規(guī)劃圖Fig.6 Water pollution control measure planning in QJ

4 結(jié) 語(yǔ)

本次是GIS技術(shù)在江漢平原河網(wǎng)地區(qū)水污染控制規(guī)劃中的首次應(yīng)用.實(shí)踐表明，GIS作為一個(gè)必不可少的工具滲透到水污染控制規(guī)劃過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié).在ArcGIS9.3的環(huán)境中，將環(huán)境監(jiān)測(cè)及環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與具有空間意義的底圖相關(guān)聯(lián)，使數(shù)據(jù)具有空間屬性，為QJ市水環(huán)境數(shù)據(jù)管理、空間圖形表達(dá)和規(guī)劃決策分析提供了有效的工作平臺(tái)和技術(shù)支持.

［1］郭懷成，尚金城，張?zhí)熘?環(huán)境規(guī)劃學(xué)：第二版［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］周瑛，劉衍君.環(huán)境規(guī)劃GIS的應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)施［J］.中山大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，43（增刊）：241－243.

［3］鄭麗波，史麗江，俞立中，等.水污染控制規(guī)劃的GIS輔助技術(shù)研究［J］.長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2009，18（2）：175－179.

［4］王浩，沈宏.GIS技術(shù)在淮河流域片水資源綜合規(guī)劃中的應(yīng)用研究［J］.水文，2005，25（1）：42－45.

［5］金建華，曾德飛，楊曉芳.GIS在水污染控制中的研究與探討［J］.新疆環(huán)境保護(hù)，2004，26（2）：1－4.

［6］羅畏，鄒崢嶸，陳敏，等.水環(huán)境信息可視化決策支持系統(tǒng)的研究［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（9）：139－141.

［7］梁云芳，徐曉波.關(guān)于CAD格式文件轉(zhuǎn)換成 MAPGIS格式文件的探討［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，12：28－29.

［8］陳南南，李篷，周美霞，等.CAD數(shù)據(jù)到GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的探討［J］.北京測(cè)繪，2012，1：15－17.

［9］鄭陽(yáng)陽(yáng).CAD數(shù)據(jù)與ArcGIS數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換及注意事項(xiàng)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，4：25.

［10］宋楊，萬(wàn)幼川.一種新型空間數(shù)據(jù)模型Geodatabase［J］.測(cè)繪通報(bào)，2004，11：31－33.

［11］王光明，梁秀娟，肖長(zhǎng)來(lái)，等.GIS技術(shù)在水文水資源領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.吉林水利，2009，6：1－5.