基于GIS的流域水環(huán)境水質(zhì)時空演變特征及其綜合評價

趙 穎，邢 昱，孔海燕，孫 燕，王建英

（河南省環(huán)境監(jiān)測中心，鄭州 450004）

流域是一種地理單元。流域有著豐富的水資源，在農(nóng)耕時代，對人們的生活、生產(chǎn)影響極大，流域構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)能凈化環(huán)境，集聚人類，產(chǎn)生了很多古老文明。伴隨著社會的發(fā)展和工業(yè)的進步，人類活動對流域生態(tài)產(chǎn)生了不良的影響，導(dǎo)致了很多水環(huán)境問題的產(chǎn)生，如水土流失、水質(zhì)惡化等。流域水環(huán)境評價是解決流域水環(huán)境問題的基礎(chǔ)。水環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果的好壞取決于監(jiān)測的數(shù)據(jù)和所采取的評價方法。GIS具有呈現(xiàn)和表達信息更直觀以及分析功能更強大等優(yōu)勢，在監(jiān)測和評價上得到廣泛的應(yīng)用。

1 流域水環(huán)境水質(zhì)評價中存在的問題

1.1 基于整個流域評價的斷面布控數(shù)量不足

根據(jù)2014年中國環(huán)境質(zhì)量報告，國家地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)由覆蓋十大流域的423條河流和62座湖泊（水庫）的972個斷面（點位）組成[1]。平均一條河流的監(jiān)測斷面不足2個?；春恿饔虮O(jiān)測斷面94個，干流全長超過1 000 km，而水質(zhì)監(jiān)測斷面只有10個；珠江流域監(jiān)測斷面54個，干流長達2 000 km，水質(zhì)監(jiān)測斷面只有18個；遼河流域監(jiān)測斷面55個，干流長度超過1 000 km，水質(zhì)監(jiān)測斷面只有14個。由此可以看出，我國主要流域水質(zhì)監(jiān)測斷面數(shù)量嚴重不足，斷面少獲得的數(shù)據(jù)就少，數(shù)據(jù)少會對數(shù)據(jù)的準確性產(chǎn)生很大影響，影響數(shù)據(jù)的解讀，影響相關(guān)環(huán)境保護政策的制定。

1.2 流域水質(zhì)在線監(jiān)測難以普及

流域水質(zhì)的在線監(jiān)測建設(shè)和運行管理等需要投入大量的人力、物力和財力，需要花費大量的資金，也需要專業(yè)的人才來使用和維護。一些經(jīng)濟落后的地區(qū)根本沒有配置相關(guān)設(shè)施設(shè)備，有些地區(qū)雖然配置了相關(guān)設(shè)施設(shè)備，但也缺乏這方面的專業(yè)人才。有些監(jiān)測站沒有相關(guān)的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。由于設(shè)施設(shè)備、人員問題，以及相關(guān)的監(jiān)督機制不健全，一些地區(qū)流域水質(zhì)在線監(jiān)測難以普及，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時、有效利用起來，評價缺乏依據(jù)。

1.3 流域水質(zhì)評價缺乏整體管理性

我國的環(huán)境監(jiān)測起步晚，無論是技術(shù)水平，還是從業(yè)人員數(shù)量、質(zhì)量，制度建設(shè)都與發(fā)達國家有一定差距。水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的落后已成為從根本上改善水環(huán)境的重大阻礙。我國有世界第三長的河流長江，也有很多有名的河流，如黃河、珠江、松花江等，這些河流哺育了文明、促進了社會的繁榮發(fā)展，而關(guān)于它們整體的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不見成形。我國的環(huán)境治理、保護以行政區(qū)域為主，各行政監(jiān)測單位各自為政，缺乏聯(lián)動，對流域水環(huán)境的監(jiān)測、評價存在明顯的區(qū)域化，缺乏整體性。

2 GIS技術(shù)在水環(huán)境中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種在計算機軟硬件的支持下，對地理數(shù)據(jù)進行獲取、存儲、分析、顯示、輸出的信息系統(tǒng)。流域水環(huán)境水質(zhì)狀況隨空間分布變化，空間特征強，而GIS技術(shù)對空間數(shù)據(jù)處理、分析能力強大。將GIS技術(shù)結(jié)合水質(zhì)評價模型就可以把流域水環(huán)境水質(zhì)變化特征通過圖形形式展現(xiàn)出來，這種方法直觀、有效，不失為流域水環(huán)境評價的好方法。表1是一些常見的用于水環(huán)境評價的水質(zhì)模型。

表1 水環(huán)境評價的水質(zhì)模型及其主要功能

20世紀80年代末，上海環(huán)境管理部門開始將GIS應(yīng)用于黃浦江流域，用作該流域水環(huán)境水質(zhì)的實時監(jiān)測和預(yù)測。此后，GIS憑借其強大的空間分析功能，廣泛用于水污染控制、水質(zhì)評價以及水環(huán)境功能區(qū)劃中。目前，GIS在水環(huán)境中主要應(yīng)用于水污染防治方案規(guī)劃、水污染事故應(yīng)急、水環(huán)境管理、水質(zhì)評價等方面。

2.1 水污染防治規(guī)劃

水污染防治規(guī)劃的制定涉及污染指標數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)指標的分析存儲、污染規(guī)律的模擬、防治規(guī)劃的效果預(yù)測以及多種控制方案的比較。GIS應(yīng)用于水污染防治規(guī)劃，可以將多個污染指標和數(shù)據(jù)進行分層管理，將數(shù)據(jù)進行前處理及直觀的呈現(xiàn)，使污染防治規(guī)劃更加合理。

2.2 水污染事故應(yīng)急

水污染突發(fā)事故通常會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成較大威脅，在水污染事故發(fā)生時，應(yīng)及時作出反應(yīng)，對污染事故作出處理。人們要具備應(yīng)急處理能力，及時了解突發(fā)水污染事故準確的發(fā)生地點、精確的發(fā)生時間以及明確的發(fā)生原因和污染發(fā)展方向。GIS可對突發(fā)的水污染事故進行模擬，迅速確定污染波及的范圍和對環(huán)境造成的影響，為事故的處理提供依據(jù)。

2.3 水環(huán)境管理

GIS可進行疊置分析、距離分析以及包含分析等。在水環(huán)境管理中，應(yīng)用GIS技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理、查詢、輸出和預(yù)測，可以給水環(huán)境管理以及水環(huán)境決策提供依據(jù)。

2.4 水質(zhì)評價

流域水環(huán)境污染受到時間和空間的影響，在水質(zhì)評價時通常所獲取的數(shù)據(jù)是特定的地點和時間，為綜合評價流域的水環(huán)境質(zhì)量，需要對這些單獨的數(shù)據(jù)進行綜合評價，用以獲得流域水質(zhì)在時間和空間上的演變特征。GIS技術(shù)結(jié)合水質(zhì)評價模型，可形成流域內(nèi)水質(zhì)在空間上的分布規(guī)律，還可對未監(jiān)測區(qū)域的水質(zhì)進行評價。

盡管GIS技術(shù)結(jié)合一些水質(zhì)評價模型能夠很好地應(yīng)用到水質(zhì)綜合評價中，但這種方法還有一定缺陷，需要進行深入的研究。

水環(huán)境的時空特征要求GIS能對三維、四維空間進行分析，而現(xiàn)在的GIS技術(shù)在這方面還存在一些難以解決的問題；水環(huán)境數(shù)據(jù)可能來源不同，會導(dǎo)致精度不同、格式不同，如何消除原始數(shù)據(jù)對水環(huán)境評價的影響值得深入研究；GIS進行水環(huán)境評價通常結(jié)合一些水質(zhì)評價模型，這些模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)周期長，模型的數(shù)據(jù)格式不一定能和GIS數(shù)據(jù)格式進行匹配，因此研究水質(zhì)評價模型的數(shù)據(jù)格式與GIS數(shù)據(jù)格式也是一大課題；流域水環(huán)境特征不同于街道網(wǎng)絡(luò)、資源分配等網(wǎng)絡(luò)類型，它的時空特征很強，需改進GIS網(wǎng)絡(luò)分析模型，使GIS更適合水環(huán)境評價。

3 GIS在流域水環(huán)境水質(zhì)時空演變中的應(yīng)用研究

水環(huán)境質(zhì)量存在空間的差異，這些差異由自然環(huán)境和人類活動共同構(gòu)成，了解這些分布差異，有助于探究污染的形成原因并根據(jù)污染特點制定差異化的解決措施。在時間上，探究水環(huán)境質(zhì)量的變化規(guī)律可對污染控制方法的有效性作出評價，可縱向探究人類活動和自然環(huán)境改變對水質(zhì)的影響。因此，流域水環(huán)境水質(zhì)的時空演變特征對污染源的發(fā)現(xiàn)、水環(huán)境質(zhì)量的發(fā)展變化以及預(yù)測有重要意義。常見的時空分析包括污染物和水質(zhì)的空間分布研究、水質(zhì)類型空間分布研究、污染物空間擴散研究、水質(zhì)變化過程模擬研究等。目前，水環(huán)境時空研究主要有數(shù)理統(tǒng)計法、水質(zhì)模型法、遙感方法、地理信息技術(shù)以及多種方法相結(jié)合。GIS因其強大的空間處理能力，在水環(huán)境水質(zhì)的時空演變上有著明顯優(yōu)勢，其主要功能體現(xiàn)在緩沖區(qū)分析、多邊形疊置分析、空間數(shù)據(jù)內(nèi)插等技術(shù)上。

國內(nèi)外學(xué)者對GIS應(yīng)用于水環(huán)境水質(zhì)時空演變做了大量研究，研究結(jié)果表明，應(yīng)用GIS可以直觀地表示流域水環(huán)境水質(zhì)的時空演變規(guī)律。胡連伍應(yīng)用GIS技術(shù)結(jié)合簡化的USLE模型分析了杭埠-豐樂河流域的非點源污染，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域?qū)Τ埠|(zhì)環(huán)境有重要影響，該區(qū)域非點源污染的動力學(xué)因子是土地利用和覆蓋，該法可以用來研究土地利用情況對非點源污染時空變化的影響[2]。王少平將非點源污染模型經(jīng)過模擬試驗進行修正，結(jié)合GIS技術(shù)發(fā)現(xiàn)村鎮(zhèn)是蘇州河非點源污染的重要區(qū)域，畜牧禽類糞便是村鎮(zhèn)的首要污染物、魚塘污染負荷大，他提出為了達到蘇州河水質(zhì)目標，應(yīng)該對村鎮(zhèn)垃圾進行集中處理，人畜糞便可用于肥田，可以通過改變魚飼料結(jié)構(gòu)來改善魚塘水質(zhì)等[3]。程軍蕊將集成水質(zhì)模型結(jié)合GIS技術(shù)，模擬寧波市皎口水庫流域水質(zhì)時空變化特征，發(fā)現(xiàn)模擬指標濃度趨勢變化和實際測量結(jié)果趨勢一致，基于GIS技術(shù)進行的水質(zhì)模擬能反映實際流域水質(zhì)狀況，這種技術(shù)能夠為環(huán)境治理、保護決策提供依據(jù)[4]。田帥應(yīng)用GIS技術(shù)結(jié)合多層前饋網(wǎng)絡(luò)模型對雅安市雨城區(qū)地下水水質(zhì)狀況進行研究，發(fā)現(xiàn)此方法比較直觀，結(jié)果符合實際[5]。GIS技術(shù)能很清晰地再現(xiàn)地下水水質(zhì)分布情況，對水問題深入研究意義重大。

4 結(jié)語

對流域水環(huán)境質(zhì)量進行評價需要各行政區(qū)域環(huán)保人員的合作。運用GIS技術(shù)結(jié)合水環(huán)境模型對流域水環(huán)境水質(zhì)評價，結(jié)果可靠、直觀，可以為環(huán)境治理、環(huán)境保護決策提供依據(jù)。需要注意的是，在對流域水環(huán)境質(zhì)量進行評價時，各單元板塊要注意數(shù)據(jù)的兼容，GIS技術(shù)需挖掘三維、四維空間處理能力以及改進網(wǎng)絡(luò)分析模型。

1 中華人民共和國環(huán)境保護部.2014年中國環(huán)境質(zhì)量報告[R].北京：中國環(huán)境出版社，2015.

2 胡連伍，王學(xué)軍，羅定貴，等.基于GIS的流域非點源污染潛在風(fēng)險區(qū)識別[J].水土保持通報，2007，27（3）：107-110.

3 王少平，俞立中，許世遠，等.基于GIS的蘇州河非點源污染的總量控制[J].中國環(huán)境科學(xué)，2002，22（6）：520-524.

4 程軍蕊，王 侃，馮秀麗，等.基GIS的流域水質(zhì)模擬及可視化應(yīng)用研究[J].水利學(xué)報，2014，45（11）：1352-1360.

5 田 帥，劉國東，倪福全.BP與GIS耦合的地下水水質(zhì)綜合分析評價[J].水電能源科學(xué)，2012，30（2）：38-40.