實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型建立及在水環(huán)境管理中的應(yīng)用

付紅彬

摘 要：在水環(huán)境管理中，建立水環(huán)境要素與水體的關(guān)聯(lián)關(guān)系尤為重要?；趯?shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型解決了水環(huán)境信息與河流空間位置的復(fù)雜對(duì)應(yīng)關(guān)系及通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助污染溯源等難題，并在GEF珠江三角洲環(huán)境項(xiàng)目中的應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了流域水環(huán)境信息綜合管理與共享。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)分段、河段編碼、匯水分析、河流網(wǎng)絡(luò)、污染溯源、GEF

食物及食用油在烹制過程中不可避免發(fā)生熱分解或裂解，產(chǎn)生氣、液、固三相有機(jī)物混合的油煙霧[1]。如今餐飲抽排油煙霧設(shè)備 （抽油煙霧機(jī)、排風(fēng)扇等）多是將廚房操作間內(nèi)產(chǎn)生的油煙霧直排至大氣中，由于油煙霧含有苯、亞硝酸鹽等有害有毒化學(xué)成分，未經(jīng)處理直排至大氣中會(huì)造成嚴(yán)重污染[2]。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，餐飲油煙的污染問題也逐步受到社會(huì)關(guān)注。針對(duì)此問題，本文將介紹當(dāng)前主要油煙霧凈化技術(shù)現(xiàn)狀及前景。

1. 引言

水資源與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)水的需求量日益增加，同時(shí)對(duì)水質(zhì)要求也不斷提高，但是隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加劇以及城市化進(jìn)程的加快，水環(huán)境污染問題日益加劇，許多河流基本喪失了飲用水功能，加上水環(huán)境污染事故頻發(fā)，水環(huán)境安全管理關(guān)系到人民身體健康與社會(huì)安定，顯得越來越重要。在水環(huán)境的日常管理工作中，由于缺少統(tǒng)一的河流編碼規(guī)范，企業(yè)填報(bào)的排污去向五花八門，排污口與河流水體之間沒有明確的的對(duì)應(yīng)關(guān)系，特別是在珠三角的復(fù)雜河網(wǎng)區(qū)域，更無法判斷企業(yè)排出的廢水流向哪里。在發(fā)生水體污染時(shí)，無法快速地排查出可疑污染源企業(yè)。同時(shí)各類水環(huán)境要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動(dòng)站、集中式排污口、水源地取水口等）之間缺少一致有效的空間關(guān)系而難以進(jìn)行流域水質(zhì)數(shù)據(jù)綜合分析。因此，需要建立一種基于空間關(guān)系的流域數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)將污染源以及水環(huán)境相關(guān)的各類要素與水體進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，為流域水環(huán)境信息的綜合分析以及污染物的追蹤與溯源提供技術(shù)手段。本文以珠江三角洲水環(huán)境管理系統(tǒng)為實(shí)例介紹了一種基于實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合建立流域模型的創(chuàng)新方法，評(píng)述了建立實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的關(guān)鍵過程以及二者的結(jié)合應(yīng)用模式與應(yīng)用效果。并介紹了如何通過動(dòng)態(tài)分段編碼方式實(shí)現(xiàn)污染源、監(jiān)測斷面、排污口等水環(huán)境要素與水體之間的空間關(guān)聯(lián)。

2. 研究現(xiàn)狀

近年來，在流域模型方面有了很多進(jìn)展，已經(jīng)先后研制建立了一些流域水文模型，例如美國地質(zhì)調(diào)查局的NHD（國家水文數(shù)據(jù)集），其中包括了湖泊，溪流，河流，水壩等空間要素等，通過河流建立了水文網(wǎng)絡(luò)，可以用于河流上下游追蹤分析，流域邊界的劃分等。國內(nèi)也有一些類似的研究，例如海河流域NHD編碼系統(tǒng)，該編碼系統(tǒng)是借鑒NHD的設(shè)計(jì)原理，并以其為原型設(shè)計(jì)，通過實(shí)測河網(wǎng)建立的海河流域的水文數(shù)據(jù)方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并建立了一套比較完整的流域地表水河段編碼系統(tǒng)；另外還有一些研究是基于DEM提取的流域水文模型，這種方法自身存在著許多不足和局限性，例如特別是DEM中閉合洼地和平坦區(qū)域的處理、流向的確定以及DEM分辨率的大小都直接影響著流域水系特征提取的質(zhì)量與效率，特別是對(duì)于平坦地區(qū)水道的提取與表達(dá)會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏離，因此這種方法在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步研究。

3. 基于實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)結(jié)合的流域模型的建立

在水文領(lǐng)域的流域模型中，是按照河流的自然屬性對(duì)河流進(jìn)行等級(jí)劃分，但是在環(huán)境領(lǐng)域，很多污染嚴(yán)重但是等級(jí)很低的的小河流卻是管理的重點(diǎn)，因此，純粹通過實(shí)測河網(wǎng)建立的流域模型并不能完全滿足管理需要；然而對(duì)于通過DEM提取的模擬河網(wǎng)，由于可以通過參數(shù)調(diào)節(jié)生成河網(wǎng)的密度，剛好可以彌補(bǔ)實(shí)測河網(wǎng)空間覆蓋范圍不足的缺陷。

3.1 實(shí)測河網(wǎng)的建立

1、面狀水體的中心線提取

實(shí)際的河流數(shù)據(jù)一般分為線狀與面狀兩類，要建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，首先需要將面狀要素（如雙線河、水庫等）的中心線提取出來，與線狀要素進(jìn)行合并。提取面狀要素中心線所采用的傳統(tǒng)方法有垂線族法、柵格形態(tài)變換法及約束Delaunay/Voronoi圖法，在這里主要采用柵格形態(tài)變換法，具體流程見圖1。

圖 1 河流中心線提取流程

在圖形柵格化步驟中很難設(shè)置合適的參數(shù)將所有相鄰的圖形區(qū)分開，則在自動(dòng)矢量化步驟中會(huì)產(chǎn)生一些不符合實(shí)際情況的轉(zhuǎn)換，有一些情況需要進(jìn)行手工檢查修正，如圖2所示。

圖 2 中心線修正

2、河段編碼

實(shí)測河網(wǎng)的構(gòu)建流程如圖3所示

圖3 實(shí)測河網(wǎng)的構(gòu)建流程圖

首先將中心線與單線河流進(jìn)行合并，對(duì)合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)湫拚?，保證線段之間的連通，需要滿足的拓?fù)湟?guī)則包括兩端懸掛、重合線、線交叉與自交叉等。然后根據(jù)支流匯入主干流，主干流排海的規(guī)則，確定河流的流向，調(diào)整方向錯(cuò)誤的河流，使河流的繪制方向與河流流向方向一致。

在實(shí)際的環(huán)境管理工作中，水環(huán)境信息具有屬地管理的特征，因此需要通過行政區(qū)界線對(duì)跨行政區(qū)的河流進(jìn)行分割，將河流交匯處節(jié)點(diǎn)與河流與行政區(qū)界線的交點(diǎn)作為分割點(diǎn)將所有河流分割成最小單元——河段，在分割后的河段上添加相應(yīng)的屬性，包括河段編碼、河段類別（河流、水庫、運(yùn)河）、左右岸行政區(qū)等。河段編碼采用線分類分段等長11位編碼的方式：

河段編碼前8位采用全國環(huán)境系統(tǒng)河流代碼的標(biāo)準(zhǔn)，其中前面兩位是流域、流域的大干流和支系干流代碼，對(duì)環(huán)境系統(tǒng)而言，河流流向關(guān)系信息比河流的等級(jí)更重要，這樣會(huì)使大流域的二、三級(jí)支流能向前排到第三四位或五六位，與小流域的一、二級(jí)支流相當(dāng)。最后3位為河段的順序碼，具體的編碼工作通過自編程序進(jìn)行半自動(dòng)化操作，如圖4所示。

圖 4 河段編碼輔助工具

例如鑒江流域生成的河段編碼如表1所示。

表 1 鑒江流域河段編碼表

3、實(shí)測河網(wǎng)數(shù)據(jù)集

河段編碼完成后，是建立可以用于流域上下游網(wǎng)絡(luò)分析的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，在Geodatabase中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集主要分為傳輸網(wǎng)絡(luò)（Network Analyst）和效用網(wǎng)絡(luò)（Utility Network Analyst）兩種，傳輸網(wǎng)絡(luò)主要用于交通網(wǎng)絡(luò)分析，效用網(wǎng)絡(luò)關(guān)注要素之間的連通性，主要用于水、電、氣管網(wǎng)的連通性分析。因此，將河段數(shù)據(jù)建立效用網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)流域的上下游網(wǎng)絡(luò)分析。endprint

3.2 模擬河網(wǎng)的建立

模擬河網(wǎng)通過DEM（數(shù)字高程模型）提取獲得，提取過程如圖5所示：

圖5 模擬河網(wǎng)的提取流程

由于一些真實(shí)地形（如喀斯特地貌）或者其它因素的影響，在內(nèi)插生成DEM時(shí)會(huì)存在一些凹陷區(qū)域（洼地），這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流分析時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水流流向計(jì)算錯(cuò)誤。因此，在進(jìn)行流向計(jì)算之前，應(yīng)該首先對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充處理。無洼地的DEM數(shù)據(jù)可以計(jì)算每個(gè)柵格的水流方向，通過將中心柵格的8個(gè)鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一個(gè)值來確定，方向值按照順時(shí)針以2的冪值指定，如圖6所示：

圖 6 流向編碼規(guī)則示意圖

中心柵格的流向通過與其周圍的柵格的高程比較，流向與中心柵格的落差最大的鄰域柵格，圖7中DEM中心柵格流向左側(cè)高程為4的柵格，則此柵格的流向值為16。在柵格水流方向不能確定的情況下將幾個(gè)方向的值相加作為其流向值。

匯流累積量是在假設(shè)DEM中每個(gè)柵格點(diǎn)都有一個(gè)單位水量，按照從高處往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流向數(shù)據(jù)累計(jì)經(jīng)過每一處水量和，最后得到所有柵格點(diǎn)匯流累積量，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量，當(dāng)水流量達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，就認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是我們需要提取的模擬河網(wǎng)。

在提取了模擬河網(wǎng)之后，需要進(jìn)行流域分割，在自然界中的河流從被分水線包圍起來的區(qū)域來獲得水量的補(bǔ)給，這個(gè)區(qū)域稱為河流的匯水區(qū)或者集水區(qū)，即這段河流的流域范圍。大的流域是由若干小流域組合而成。首先是要確定小級(jí)別的流域的出水口的位置，流域分割的方法在指定距離內(nèi)搜索具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)做為河段的出水點(diǎn)，該點(diǎn)是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，最終確定子流域的范圍。

3.3 實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的耦合分析

從本質(zhì)上說，模擬河網(wǎng)主要是用來補(bǔ)充實(shí)測河網(wǎng)在空間上覆蓋不足的問題，需要從生成的模擬河網(wǎng)中提取出沒有被實(shí)測河網(wǎng)覆蓋到的范圍內(nèi)的河段，然后與實(shí)測和網(wǎng)一起構(gòu)成獨(dú)立的分析網(wǎng)絡(luò)，但這樣的處理涉及到河網(wǎng)的融合編輯以及匯水區(qū)的對(duì)應(yīng)編輯調(diào)整，還需要建立河段與匯水區(qū)出水口之間的拓?fù)潢P(guān)系，需要非常大的編輯工作量。在實(shí)際應(yīng)用中，通過兩個(gè)河網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)分析，可以實(shí)現(xiàn)相同的分析效果。

例如在進(jìn)行排放去向分析時(shí)，首先確定將用戶輸入的位置所在的子流域，從而確定其在模擬河網(wǎng)中的起點(diǎn)，在向下游搜索的過程中，判斷模擬河段有沒有與實(shí)際河段相交，如果有相交的實(shí)際河段，則將其做為起點(diǎn)在實(shí)際河網(wǎng)中進(jìn)行流向分析，最后將兩部分路徑進(jìn)行合并形成完整的排放去向路徑。反之亦然。

4. 綜合應(yīng)用

在GEF珠三角水環(huán)境項(xiàng)目中，基于實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型與編碼系統(tǒng)得到了初步的應(yīng)用，通過空間關(guān)聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)分析，可以實(shí)現(xiàn)各類環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)編碼，建立要素之間的關(guān)聯(lián)，如水質(zhì)監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、取水口、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)以及地表水環(huán)境功能區(qū)劃等，由于結(jié)合了模擬河網(wǎng)，對(duì)于距離河流較遠(yuǎn)的污染源也能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。流域模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用如圖7所示。

4.1 動(dòng)態(tài)分段編碼

圖 7 流域模型應(yīng)用示意圖

動(dòng)態(tài)分段數(shù)據(jù)模型包含路徑（Path）、度量（Measurement）與事件（Event）三個(gè)要素，其中路徑用來表達(dá)弧段與弧段首尾連接形成的線狀要素，如一條河流；測量是指將一條路徑從起點(diǎn)開始看做一個(gè)一維坐標(biāo)系，路徑上的任意一點(diǎn)可以通過一個(gè)度量值來定位；事件則是表達(dá)在路徑上的任意點(diǎn)狀要素或者線狀要素的附加屬性，如建在河流上的水質(zhì)監(jiān)測站、取水口或者一段地表水功能區(qū)劃等，如圖8所示，圖中弧段1、弧段2與弧段4構(gòu)成一條路徑，假如路徑上的弧段總度量值為500，那么附加在路徑上的點(diǎn)事件與線事件就可以使用其在路徑中的相對(duì)坐標(biāo)位置來描述，如圖中的取水口與此路徑的關(guān)系可以描述為：路徑的275位置，功能區(qū)的線事件可以描述為：路徑的135至205位置。

圖 8 動(dòng)態(tài)分段示意圖

與河段相關(guān)的要素（如水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃等）都可定義為河段事件，按要素特征可以分為點(diǎn)事件、線事件與面事件。對(duì)于每個(gè)河段已經(jīng)擁有唯一的河段編碼，事件則通過河段編碼及在河段上的起止位置（從河段上游起的相對(duì)位置）進(jìn)行編碼表示。通過事件的編碼可以很方便地識(shí)別該事件在河段上的空間位置，例如表2所示為鑒江流域水環(huán)境要素的事件編碼，編碼HE04000042-04500-2中，HE04000042為起始點(diǎn)所在河段的編碼，04500表示位于該河段從上游起的45%的位置，最后一位表示該位置在河段的左岸（1）、右岸（2）或者河中（0）。

表 2 鑒江流域水環(huán)境要素事件編碼表

動(dòng)態(tài)分段技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠充分反映河網(wǎng)中的各條河流之間的關(guān)系，包括河流的流向，上下游之間的拓?fù)潢P(guān)系等；河網(wǎng)中的每一個(gè)河段都具有唯一的識(shí)別碼，可以在不影響現(xiàn)有編碼的情況下增刪河段，與河段相關(guān)的要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、水源保護(hù)區(qū)等）都可以通過河段編碼映射到河段中的對(duì)應(yīng)位置，避免數(shù)據(jù)精度不同造成的位置誤差，更容易實(shí)現(xiàn)要素間的關(guān)聯(lián)查詢與分析。

4.2 污染溯源分析與廢水排放去向分析

在對(duì)水環(huán)境要素進(jìn)行事件編碼后，可以通過河網(wǎng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速的上下游檢索，例如在江口門的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)，就可以通過流域網(wǎng)絡(luò)查詢出此監(jiān)測斷面上游的匯水區(qū)范圍，再結(jié)合污染源數(shù)據(jù)庫檢索出所有可能排放鎘的污染源，從而縮小排查范圍，提高事故的處置速度。 反之，可以通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污染源的廢水排放去向分析，同時(shí)可以通過時(shí)間編碼快速關(guān)聯(lián)污染源可能影響到的環(huán)境敏感要素。

6. 結(jié)語

通過將實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的方式建立的流域網(wǎng)絡(luò)模型，可以更全面的覆蓋地表空間，在此基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)分段編碼相比單獨(dú)將實(shí)測河網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼的應(yīng)用范圍更廣，可以用來解決在水環(huán)境管理中的各類相關(guān)要素之間的空間關(guān)聯(lián)問題，特別是可以有效地建立污染源與河段之間的空間關(guān)系，為流域的污染排放分析提供基礎(chǔ)的支持手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建新，曹國榮，余向勇.基于動(dòng)態(tài)分段的河流編碼技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，水文，2010.8：72-75.

[2] 羅翔宇，賈仰文，王建華，等.基于DEM與實(shí)測河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006.17（2）：259-264.endprint

3.2 模擬河網(wǎng)的建立

模擬河網(wǎng)通過DEM（數(shù)字高程模型）提取獲得，提取過程如圖5所示：

圖5 模擬河網(wǎng)的提取流程

由于一些真實(shí)地形（如喀斯特地貌）或者其它因素的影響，在內(nèi)插生成DEM時(shí)會(huì)存在一些凹陷區(qū)域（洼地），這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流分析時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水流流向計(jì)算錯(cuò)誤。因此，在進(jìn)行流向計(jì)算之前，應(yīng)該首先對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充處理。無洼地的DEM數(shù)據(jù)可以計(jì)算每個(gè)柵格的水流方向，通過將中心柵格的8個(gè)鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一個(gè)值來確定，方向值按照順時(shí)針以2的冪值指定，如圖6所示：

圖 6 流向編碼規(guī)則示意圖

中心柵格的流向通過與其周圍的柵格的高程比較，流向與中心柵格的落差最大的鄰域柵格，圖7中DEM中心柵格流向左側(cè)高程為4的柵格，則此柵格的流向值為16。在柵格水流方向不能確定的情況下將幾個(gè)方向的值相加作為其流向值。

匯流累積量是在假設(shè)DEM中每個(gè)柵格點(diǎn)都有一個(gè)單位水量，按照從高處往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流向數(shù)據(jù)累計(jì)經(jīng)過每一處水量和，最后得到所有柵格點(diǎn)匯流累積量，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量，當(dāng)水流量達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，就認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是我們需要提取的模擬河網(wǎng)。

在提取了模擬河網(wǎng)之后，需要進(jìn)行流域分割，在自然界中的河流從被分水線包圍起來的區(qū)域來獲得水量的補(bǔ)給，這個(gè)區(qū)域稱為河流的匯水區(qū)或者集水區(qū)，即這段河流的流域范圍。大的流域是由若干小流域組合而成。首先是要確定小級(jí)別的流域的出水口的位置，流域分割的方法在指定距離內(nèi)搜索具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)做為河段的出水點(diǎn)，該點(diǎn)是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，最終確定子流域的范圍。

3.3 實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的耦合分析

從本質(zhì)上說，模擬河網(wǎng)主要是用來補(bǔ)充實(shí)測河網(wǎng)在空間上覆蓋不足的問題，需要從生成的模擬河網(wǎng)中提取出沒有被實(shí)測河網(wǎng)覆蓋到的范圍內(nèi)的河段，然后與實(shí)測和網(wǎng)一起構(gòu)成獨(dú)立的分析網(wǎng)絡(luò)，但這樣的處理涉及到河網(wǎng)的融合編輯以及匯水區(qū)的對(duì)應(yīng)編輯調(diào)整，還需要建立河段與匯水區(qū)出水口之間的拓?fù)潢P(guān)系，需要非常大的編輯工作量。在實(shí)際應(yīng)用中，通過兩個(gè)河網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)分析，可以實(shí)現(xiàn)相同的分析效果。

例如在進(jìn)行排放去向分析時(shí)，首先確定將用戶輸入的位置所在的子流域，從而確定其在模擬河網(wǎng)中的起點(diǎn)，在向下游搜索的過程中，判斷模擬河段有沒有與實(shí)際河段相交，如果有相交的實(shí)際河段，則將其做為起點(diǎn)在實(shí)際河網(wǎng)中進(jìn)行流向分析，最后將兩部分路徑進(jìn)行合并形成完整的排放去向路徑。反之亦然。

4. 綜合應(yīng)用

在GEF珠三角水環(huán)境項(xiàng)目中，基于實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型與編碼系統(tǒng)得到了初步的應(yīng)用，通過空間關(guān)聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)分析，可以實(shí)現(xiàn)各類環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)編碼，建立要素之間的關(guān)聯(lián)，如水質(zhì)監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、取水口、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)以及地表水環(huán)境功能區(qū)劃等，由于結(jié)合了模擬河網(wǎng)，對(duì)于距離河流較遠(yuǎn)的污染源也能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。流域模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用如圖7所示。

4.1 動(dòng)態(tài)分段編碼

圖 7 流域模型應(yīng)用示意圖

動(dòng)態(tài)分段數(shù)據(jù)模型包含路徑（Path）、度量（Measurement）與事件（Event）三個(gè)要素，其中路徑用來表達(dá)弧段與弧段首尾連接形成的線狀要素，如一條河流；測量是指將一條路徑從起點(diǎn)開始看做一個(gè)一維坐標(biāo)系，路徑上的任意一點(diǎn)可以通過一個(gè)度量值來定位；事件則是表達(dá)在路徑上的任意點(diǎn)狀要素或者線狀要素的附加屬性，如建在河流上的水質(zhì)監(jiān)測站、取水口或者一段地表水功能區(qū)劃等，如圖8所示，圖中弧段1、弧段2與弧段4構(gòu)成一條路徑，假如路徑上的弧段總度量值為500，那么附加在路徑上的點(diǎn)事件與線事件就可以使用其在路徑中的相對(duì)坐標(biāo)位置來描述，如圖中的取水口與此路徑的關(guān)系可以描述為：路徑的275位置，功能區(qū)的線事件可以描述為：路徑的135至205位置。

圖 8 動(dòng)態(tài)分段示意圖

與河段相關(guān)的要素（如水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃等）都可定義為河段事件，按要素特征可以分為點(diǎn)事件、線事件與面事件。對(duì)于每個(gè)河段已經(jīng)擁有唯一的河段編碼，事件則通過河段編碼及在河段上的起止位置（從河段上游起的相對(duì)位置）進(jìn)行編碼表示。通過事件的編碼可以很方便地識(shí)別該事件在河段上的空間位置，例如表2所示為鑒江流域水環(huán)境要素的事件編碼，編碼HE04000042-04500-2中，HE04000042為起始點(diǎn)所在河段的編碼，04500表示位于該河段從上游起的45%的位置，最后一位表示該位置在河段的左岸（1）、右岸（2）或者河中（0）。

表 2 鑒江流域水環(huán)境要素事件編碼表

動(dòng)態(tài)分段技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠充分反映河網(wǎng)中的各條河流之間的關(guān)系，包括河流的流向，上下游之間的拓?fù)潢P(guān)系等；河網(wǎng)中的每一個(gè)河段都具有唯一的識(shí)別碼，可以在不影響現(xiàn)有編碼的情況下增刪河段，與河段相關(guān)的要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、水源保護(hù)區(qū)等）都可以通過河段編碼映射到河段中的對(duì)應(yīng)位置，避免數(shù)據(jù)精度不同造成的位置誤差，更容易實(shí)現(xiàn)要素間的關(guān)聯(lián)查詢與分析。

4.2 污染溯源分析與廢水排放去向分析

在對(duì)水環(huán)境要素進(jìn)行事件編碼后，可以通過河網(wǎng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速的上下游檢索，例如在江口門的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)，就可以通過流域網(wǎng)絡(luò)查詢出此監(jiān)測斷面上游的匯水區(qū)范圍，再結(jié)合污染源數(shù)據(jù)庫檢索出所有可能排放鎘的污染源，從而縮小排查范圍，提高事故的處置速度。 反之，可以通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污染源的廢水排放去向分析，同時(shí)可以通過時(shí)間編碼快速關(guān)聯(lián)污染源可能影響到的環(huán)境敏感要素。

6. 結(jié)語

通過將實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的方式建立的流域網(wǎng)絡(luò)模型，可以更全面的覆蓋地表空間，在此基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)分段編碼相比單獨(dú)將實(shí)測河網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼的應(yīng)用范圍更廣，可以用來解決在水環(huán)境管理中的各類相關(guān)要素之間的空間關(guān)聯(lián)問題，特別是可以有效地建立污染源與河段之間的空間關(guān)系，為流域的污染排放分析提供基礎(chǔ)的支持手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建新，曹國榮，余向勇.基于動(dòng)態(tài)分段的河流編碼技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，水文，2010.8：72-75.

[2] 羅翔宇，賈仰文，王建華，等.基于DEM與實(shí)測河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006.17（2）：259-264.endprint

3.2 模擬河網(wǎng)的建立

模擬河網(wǎng)通過DEM（數(shù)字高程模型）提取獲得，提取過程如圖5所示：

圖5 模擬河網(wǎng)的提取流程

由于一些真實(shí)地形（如喀斯特地貌）或者其它因素的影響，在內(nèi)插生成DEM時(shí)會(huì)存在一些凹陷區(qū)域（洼地），這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流分析時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水流流向計(jì)算錯(cuò)誤。因此，在進(jìn)行流向計(jì)算之前，應(yīng)該首先對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充處理。無洼地的DEM數(shù)據(jù)可以計(jì)算每個(gè)柵格的水流方向，通過將中心柵格的8個(gè)鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一個(gè)值來確定，方向值按照順時(shí)針以2的冪值指定，如圖6所示：

圖 6 流向編碼規(guī)則示意圖

中心柵格的流向通過與其周圍的柵格的高程比較，流向與中心柵格的落差最大的鄰域柵格，圖7中DEM中心柵格流向左側(cè)高程為4的柵格，則此柵格的流向值為16。在柵格水流方向不能確定的情況下將幾個(gè)方向的值相加作為其流向值。

匯流累積量是在假設(shè)DEM中每個(gè)柵格點(diǎn)都有一個(gè)單位水量，按照從高處往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流向數(shù)據(jù)累計(jì)經(jīng)過每一處水量和，最后得到所有柵格點(diǎn)匯流累積量，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量，當(dāng)水流量達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，就認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是我們需要提取的模擬河網(wǎng)。

在提取了模擬河網(wǎng)之后，需要進(jìn)行流域分割，在自然界中的河流從被分水線包圍起來的區(qū)域來獲得水量的補(bǔ)給，這個(gè)區(qū)域稱為河流的匯水區(qū)或者集水區(qū)，即這段河流的流域范圍。大的流域是由若干小流域組合而成。首先是要確定小級(jí)別的流域的出水口的位置，流域分割的方法在指定距離內(nèi)搜索具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)做為河段的出水點(diǎn)，該點(diǎn)是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，最終確定子流域的范圍。

3.3 實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的耦合分析

從本質(zhì)上說，模擬河網(wǎng)主要是用來補(bǔ)充實(shí)測河網(wǎng)在空間上覆蓋不足的問題，需要從生成的模擬河網(wǎng)中提取出沒有被實(shí)測河網(wǎng)覆蓋到的范圍內(nèi)的河段，然后與實(shí)測和網(wǎng)一起構(gòu)成獨(dú)立的分析網(wǎng)絡(luò)，但這樣的處理涉及到河網(wǎng)的融合編輯以及匯水區(qū)的對(duì)應(yīng)編輯調(diào)整，還需要建立河段與匯水區(qū)出水口之間的拓?fù)潢P(guān)系，需要非常大的編輯工作量。在實(shí)際應(yīng)用中，通過兩個(gè)河網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)分析，可以實(shí)現(xiàn)相同的分析效果。

例如在進(jìn)行排放去向分析時(shí)，首先確定將用戶輸入的位置所在的子流域，從而確定其在模擬河網(wǎng)中的起點(diǎn)，在向下游搜索的過程中，判斷模擬河段有沒有與實(shí)際河段相交，如果有相交的實(shí)際河段，則將其做為起點(diǎn)在實(shí)際河網(wǎng)中進(jìn)行流向分析，最后將兩部分路徑進(jìn)行合并形成完整的排放去向路徑。反之亦然。

4. 綜合應(yīng)用

在GEF珠三角水環(huán)境項(xiàng)目中，基于實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型與編碼系統(tǒng)得到了初步的應(yīng)用，通過空間關(guān)聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)分析，可以實(shí)現(xiàn)各類環(huán)境要素的動(dòng)態(tài)編碼，建立要素之間的關(guān)聯(lián)，如水質(zhì)監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測站、取水口、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)以及地表水環(huán)境功能區(qū)劃等，由于結(jié)合了模擬河網(wǎng)，對(duì)于距離河流較遠(yuǎn)的污染源也能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。流域模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用如圖7所示。

4.1 動(dòng)態(tài)分段編碼

圖 7 流域模型應(yīng)用示意圖

動(dòng)態(tài)分段數(shù)據(jù)模型包含路徑（Path）、度量（Measurement）與事件（Event）三個(gè)要素，其中路徑用來表達(dá)弧段與弧段首尾連接形成的線狀要素，如一條河流；測量是指將一條路徑從起點(diǎn)開始看做一個(gè)一維坐標(biāo)系，路徑上的任意一點(diǎn)可以通過一個(gè)度量值來定位；事件則是表達(dá)在路徑上的任意點(diǎn)狀要素或者線狀要素的附加屬性，如建在河流上的水質(zhì)監(jiān)測站、取水口或者一段地表水功能區(qū)劃等，如圖8所示，圖中弧段1、弧段2與弧段4構(gòu)成一條路徑，假如路徑上的弧段總度量值為500，那么附加在路徑上的點(diǎn)事件與線事件就可以使用其在路徑中的相對(duì)坐標(biāo)位置來描述，如圖中的取水口與此路徑的關(guān)系可以描述為：路徑的275位置，功能區(qū)的線事件可以描述為：路徑的135至205位置。

圖 8 動(dòng)態(tài)分段示意圖

與河段相關(guān)的要素（如水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃等）都可定義為河段事件，按要素特征可以分為點(diǎn)事件、線事件與面事件。對(duì)于每個(gè)河段已經(jīng)擁有唯一的河段編碼，事件則通過河段編碼及在河段上的起止位置（從河段上游起的相對(duì)位置）進(jìn)行編碼表示。通過事件的編碼可以很方便地識(shí)別該事件在河段上的空間位置，例如表2所示為鑒江流域水環(huán)境要素的事件編碼，編碼HE04000042-04500-2中，HE04000042為起始點(diǎn)所在河段的編碼，04500表示位于該河段從上游起的45%的位置，最后一位表示該位置在河段的左岸（1）、右岸（2）或者河中（0）。

表 2 鑒江流域水環(huán)境要素事件編碼表

動(dòng)態(tài)分段技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠充分反映河網(wǎng)中的各條河流之間的關(guān)系，包括河流的流向，上下游之間的拓?fù)潢P(guān)系等；河網(wǎng)中的每一個(gè)河段都具有唯一的識(shí)別碼，可以在不影響現(xiàn)有編碼的情況下增刪河段，與河段相關(guān)的要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、水源保護(hù)區(qū)等）都可以通過河段編碼映射到河段中的對(duì)應(yīng)位置，避免數(shù)據(jù)精度不同造成的位置誤差，更容易實(shí)現(xiàn)要素間的關(guān)聯(lián)查詢與分析。

4.2 污染溯源分析與廢水排放去向分析

在對(duì)水環(huán)境要素進(jìn)行事件編碼后，可以通過河網(wǎng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速的上下游檢索，例如在江口門的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)，就可以通過流域網(wǎng)絡(luò)查詢出此監(jiān)測斷面上游的匯水區(qū)范圍，再結(jié)合污染源數(shù)據(jù)庫檢索出所有可能排放鎘的污染源，從而縮小排查范圍，提高事故的處置速度。 反之，可以通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污染源的廢水排放去向分析，同時(shí)可以通過時(shí)間編碼快速關(guān)聯(lián)污染源可能影響到的環(huán)境敏感要素。

6. 結(jié)語

通過將實(shí)測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的方式建立的流域網(wǎng)絡(luò)模型，可以更全面的覆蓋地表空間，在此基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)分段編碼相比單獨(dú)將實(shí)測河網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編碼的應(yīng)用范圍更廣，可以用來解決在水環(huán)境管理中的各類相關(guān)要素之間的空間關(guān)聯(lián)問題，特別是可以有效地建立污染源與河段之間的空間關(guān)系，為流域的污染排放分析提供基礎(chǔ)的支持手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建新，曹國榮，余向勇.基于動(dòng)態(tài)分段的河流編碼技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，水文，2010.8：72-75.

[2] 羅翔宇，賈仰文，王建華，等.基于DEM與實(shí)測河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006.17（2）：259-264.endprint