城市化進程中的水環(huán)境質(zhì)量預警研究

■顧濤

（昌吉州環(huán)境污染監(jiān)控中心新疆昌吉831100）

城市化進程中的水環(huán)境質(zhì)量預警研究

■顧濤

（昌吉州環(huán)境污染監(jiān)控中心新疆昌吉831100）

隨著工業(yè)進步和社會發(fā)展，水污染問題日趨嚴重，加強水質(zhì)的預測預警、防治水污染是水資源保護的一項緊迫而又重要的任務。本文對昌吉州頭屯河流域的水環(huán)境質(zhì)量，構建了基于GIS平臺的水污染預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了水質(zhì)模型與GIS的集成，為確定水污染事故影響程度及范圍、制定和實施污染事故應急預案提供了可靠依據(jù)。

水環(huán)境質(zhì)量預警GIS

1　系統(tǒng)設計

GIS平臺的水污染預警系統(tǒng)模塊主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理模塊、預測分析方法庫模塊、監(jiān)測預警分析模塊、系統(tǒng)輸出模塊四部分組成。其系統(tǒng)功能主要包括：數(shù)據(jù)編輯功能、河道網(wǎng)格自動剖分功能、預測分析功能、水質(zhì)評價及預警分析功能、可視化顯示及查詢功能、輸出功能。

2　系統(tǒng)實現(xiàn)中的主要問題

2.1河道網(wǎng)格剖分

2.1.1獲取河道邊界及河道軸線控制點

河道邊界主要用于控制劃分計算網(wǎng)格的范圍，河道邊界的控制點應盡量能反映河道真實邊界，若控制點不能與河道的邊界較好地擬合，可增加控制點直至滿意為止，并不要求左右兩岸河道邊界的控制點數(shù)目相同。河道軸線上的控制點應盡可能描述河流主要流向及位置。

2.1.2劃分河道軸線

根據(jù)順河流方向指定單元長度l，將河道軸線劃分為等距離的若干段n，并獲取每段節(jié)點坐標（x，y）。河道軸線的總長度為L，根據(jù)河道軸線控制點坐標A（aix，aiy）計算相鄰兩控制點間的距離li，。

2.1.3求取河道軸線上垂線與河道邊界的交點

根據(jù)求得的河道軸線分段節(jié)點坐標（xj，yj），求經(jīng)過該點并垂直該段軸線的直線與兩岸河道邊界的交點（bix，biy）。簡化該模型，即為求一條直線與一條多段線的交點坐標。判斷直線與多段線上每段直線的關系，若相交則求其交點，該交點即為直線與多段線的交點。

2.1.4形成網(wǎng)格

由河道軸線上分段節(jié)點坐標C（xj，yj）、河道邊界交點B（bix，biy）及垂直軸線方向網(wǎng)格數(shù)目p，將分段節(jié)點C與河道邊界交點B的連線分成p等份，其節(jié)點坐標為D（xk，yk），則四個節(jié)點D1（xk，yk）、D2（xk+1，yk+1）、D3（xk+p+1，yk+p+1）、D4（xk+p+2，yk+p+2）可形成一個四邊形網(wǎng)格。

2.2水質(zhì)模型與河道計算網(wǎng)格的集成

水質(zhì)模型的計算對象為河道計算網(wǎng)格的單元，根據(jù)水質(zhì)模型中各參數(shù)的含義，在生成河道計算網(wǎng)格過程中，需同時記錄單元所在河道位置的斷面寬度Width、單元形心坐標值CenterXY、單元形心沿河流方向的距離DeltaX、單元形心至河道軸線的距離DelatY。在生成河道計算網(wǎng)格時，為單元添加這些屬性字段，并將這些記錄的參數(shù)保存至相應的屬性字段中。

為避免每次預測分析污染物時都重復河道計算網(wǎng)格劃分，可先將整個流域的河道進行網(wǎng)格剖分。在預測分析時，根據(jù)污染源的空間位置在河道計算網(wǎng)格上進行空間查詢，查詢到該污染源對應河道計算網(wǎng)格中的單元并獲取該單元形心沿河流方向的距離DeltaX，則河道計算網(wǎng)格中所有DeltaX值大于該值的單元均為本次預測分析的對象。在確定預測分析的計算對象后，即可根據(jù)水質(zhì)模型及每個計算對象的屬性值進行計算分析。

3　應用實例

3.1工程概況

頭屯河發(fā)源于天格爾達坂的北麓，是介于昌吉和烏魯木齊之間的一條界河，由位于高中山帶的七大支流匯集而成，經(jīng)過喬楞格爾、八一農(nóng)學院林場、金澇壩、廟爾溝、硫磺溝，由西南向東北，穿過山澗，于哈地坡流出山口，穿過山前平原，流入西戈壁。頭屯河全長179km，平均寬度240m，集水面積1562km2，流域面積2880km2，頭屯河年均徑流量2.34億m3，最大徑流量3.148億m3，最小徑流量1.63億m3，年平均流量7.42m/s，水位標高為573.457m，屬老年期河床。頭屯河水系從上游到頭屯河水庫，到新疆八一鋼鐵廠附近，再到新疆電線電纜廠以南，最后流經(jīng)昌吉市，河水的水質(zhì)經(jīng)歷了污染、自凈、再污染、再自凈的過程，即該水系水質(zhì)在新疆八一鋼鐵廠以上較好，可做多種用途的供水水源，新疆八一鋼鐵廠以下，雖然整體水質(zhì)達到地表水水質(zhì)Ⅲ標準，但部分水質(zhì)指標已呈現(xiàn)逐年遞增趨勢，如不加以管控，未來可能會出現(xiàn)超出地表水水質(zhì)Ⅲ標準的情況。

3.2河道網(wǎng)格自動剖分

在河道網(wǎng)格剖分過程中，網(wǎng)格間距的選取將直接關系到生成網(wǎng)格所需時間及生成的單元數(shù)目。網(wǎng)格間距越大，生成網(wǎng)格所需時間越短，生成單元數(shù)目越少，水質(zhì)模擬的精度會隨之降低。因此，本文從頭屯河選取一段長約14.5km的河段為研究對象，順河流方向單元50 m，垂直軸線方向網(wǎng)格數(shù)目10，共生成239 360個單元。

3.3水污染預測分析

水污染預測分析主要根據(jù)水質(zhì)模型及污染源相關信息計算河道網(wǎng)格單元。目前，本系統(tǒng)已集成河流二維穩(wěn)態(tài)混合衰減模型、二維瞬時點排放模型、河流一維水質(zhì)模型及多污染源污染分析模型。為適應不斷發(fā)展和完善的水質(zhì)模型理論，本系統(tǒng)還提供了開放的算法模型接口，具有很好的通用性和擴展性。

3.4可視化顯示與查詢

系統(tǒng)以ArcGISEngine為GIS開發(fā)平臺，使用MapControl等控件來實現(xiàn)流域地理信息的可視化展示及GIS數(shù)據(jù)管理。在系統(tǒng)中，通過ArcGIS Engine提供的地圖瀏覽工具可實現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)加載、地圖縮放、平移、數(shù)據(jù)查詢等功能。

4　結語

構建了基于GIS平臺的昌吉市頭屯河段水污染預警分析系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了河道計算網(wǎng)格自動剖分功能，還實現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測信息的空間數(shù)據(jù)查詢、可視化展示和動態(tài)演示等功能，顯著增強了水質(zhì)預測分析及預警分析的直觀性和水污染管理的高效性。

［1］王劍利，石為人，蔡章利，等.預警系統(tǒng)中GIS與水質(zhì)預測模型的集成應用研究 ［J］.儀器儀表學報，2008，29（8）.

［2］曾雨.基于GIS的閩江流域水污染事故預警應急系統(tǒng)研究 ［D］.福州：福建師范大學，2008.

P41［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-417-1

顧濤（1976～），男，本科，副高級工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境污染監(jiān)控等。