基于GIS的撫仙湖水源區(qū)污染分析

滿(mǎn)亞洲，朱蘭艷，呂文雅，王 浩，李建濤

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基于GIS的撫仙湖水源區(qū)污染分析

滿(mǎn)亞洲1，朱蘭艷1，呂文雅2，王 浩1，李建濤1

（1. 昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2. 云南土地整理中心，云南 昆明）

以高源明珠撫仙湖水源保護(hù)區(qū)為研究目標(biāo)，將GIS技術(shù)和RS技術(shù)結(jié)合對(duì)撫仙湖流域的湖泊水污染源、污染情況進(jìn)行剖析，構(gòu)建水源保護(hù)區(qū)污染源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。然后以對(duì)污染現(xiàn)狀進(jìn)行定性、定量分析為基礎(chǔ)，運(yùn)用層次( AHP)-灰色度關(guān)聯(lián)法(GＲAP)對(duì)飲用水源地污染處理措施進(jìn)行優(yōu)選，得到撫仙湖流域污染控制處理的最優(yōu)方案。

撫仙湖；GIS、RS技術(shù)；水體污染；土地利用；治理措施

0 引言

在地球這顆普通而又特殊的蔚藍(lán)色星球上，地表層水資源的存儲(chǔ)形式多樣有江、河、湖、海、冰川、積雪等。其中湖泊水源地是我國(guó)飲用水源的重要類(lèi)型之一，是最典型的陸面蓄水方式，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。近60年來(lái)隨著人類(lèi)活動(dòng)和自然環(huán)境的變化，我國(guó)湖泊生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)退化趨勢(shì)[2]。水環(huán)境的治理與保護(hù)涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、多部門(mén)，是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程[3]，是可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題，與人類(lèi)的未來(lái)生存息息相關(guān)。

近年來(lái)隨著水體污染問(wèn)題的日益凸顯，現(xiàn)代技術(shù)如計(jì)算機(jī)平臺(tái)、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）[4-6]等技術(shù)應(yīng)用于水體污染研究已是大勢(shì)所趨。在水源地的污染評(píng)價(jià)中，應(yīng)用 GIS 技術(shù)可以有效地獲取模型計(jì)算參數(shù)，提高數(shù)據(jù)的輸入效率及準(zhǔn)確性和可信度，結(jié)合RS技術(shù)可根據(jù)土地類(lèi)型和利用狀況等時(shí)空因素的變化進(jìn)行模擬[7]。同時(shí)，利用遙感影像結(jié)合GIS技術(shù)建立動(dòng)態(tài)模型可以有效獲取保護(hù)區(qū)內(nèi)土地類(lèi)型的分布情況和變化情況，為分析保護(hù)區(qū)濕地資源提供了科學(xué)依據(jù)[8]。本文以云南撫仙湖為例，結(jié)合撫仙湖流域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專(zhuān)題資料和其他相關(guān)研究文獻(xiàn)，將GIS、RS技術(shù)引入水污染分析，對(duì)撫仙湖流域的水污染進(jìn)行分析并對(duì)飲用水源地污染處理措施進(jìn)行優(yōu)選，得到撫仙湖流域污染控制處理的最優(yōu)方案。

1 研究區(qū)域概況

撫仙湖（N 24°21￠— 24°38￠，E 102°49￠—102°57）位于云南省中部，坐落在三縣（江川區(qū)、澄江縣、華寧縣）間，屬南盤(pán)江水系，是我國(guó)最大的高原深水湖，水儲(chǔ)量大。湖泊水域面積約21660 hm2，湖岸線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)100.8 km，流域徑流總面積約為105300 hm2，共擁有50多條入湖河道，其中主要的入湖河流有梁王河、東大河、牛摩河、馬料河、東大河等。（撫仙湖位置概略圖見(jiàn)圖1；湖泊陸上徑流域詳況見(jiàn)圖2）

圖1 撫仙湖位置概略圖

圖2 撫仙湖陸上水流分布圖

撫仙湖起源于地質(zhì)年代第三紀(jì)末，后在地質(zhì)時(shí)期地中海-喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因地殼斷裂陷落形成，屬于地質(zhì)構(gòu)造湖。撫仙湖是我們國(guó)家和云南省戰(zhàn)略飲用水源保護(hù)區(qū)，是全球同緯度地區(qū)唯一水質(zhì)為I類(lèi)的湖泊，集農(nóng)、漁、防洪、工、農(nóng)、生活用水等多種功能于一體。

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)

在RS、GIS技術(shù)的支撐下，以1∶40萬(wàn)的行政圖，1∶5萬(wàn)的流域水文圖，SRTMDEM 90M分辨率原始高程數(shù)據(jù)、Landsat8Li_TIRS遙感影像數(shù)據(jù)、云南環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒、玉溪市統(tǒng)計(jì)年鑒為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專(zhuān)題資料和其他相關(guān)研究文獻(xiàn)，利用ENVI 5.3相關(guān)工具對(duì)遙感影像進(jìn)行解譯、校正、裁剪等處理，后用ARCGIS10.5軟件對(duì)初步處理好的DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建撫仙湖流域數(shù)字模型，見(jiàn)圖3。用最大似然法對(duì)撫仙湖流域的土地利用狀況進(jìn)行分類(lèi)制圖，見(jiàn)圖4。

圖3 撫仙湖流域數(shù)字模

2.2 研究方法

2.2.1 水源保護(hù)區(qū)污染源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是水源地污染控制技術(shù)優(yōu)選中十分重要的部分，該體系的建立應(yīng)遵循科學(xué)、全面、適用和可操作性等原則?？茖W(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可以對(duì)湖泊水流域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境以及資源等多方面的信息進(jìn)行綜合展示，有助于相關(guān)部門(mén)合理進(jìn)行科學(xué)決策。因此，水源地水質(zhì)污染評(píng)價(jià)指標(biāo)要建立在以直觀定性分析為基礎(chǔ)的定量分析上，以揭示水源保護(hù)區(qū)水質(zhì)變化程度和變化趨勢(shì)。然后結(jié)合撫仙湖流域污染源的時(shí)空分布特征，基于GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)兩方面的因素[9-11]，選取總氮（TN）、有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷之和（TP）、污水中存在的游離氨與硝酸鹽之和（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）等4個(gè)指標(biāo)作為環(huán)境效益指標(biāo)。

2.2.2 湖泊水環(huán)境承載力計(jì)算及保護(hù)模型選取

2.2.2.1 水環(huán)境承載力計(jì)算

水質(zhì)可以直觀反映水體質(zhì)量?jī)?yōu)差狀況，在評(píng)定水質(zhì)質(zhì)量時(shí)有成套的水質(zhì)參數(shù)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。比如水質(zhì)模型，它是污染物在水環(huán)境中變化規(guī)律及其影響因素之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。運(yùn)用水質(zhì)模型可對(duì)湖泊污染物在水體環(huán)境中的運(yùn)移轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)[12]。在模擬檢測(cè)時(shí)可選擇某項(xiàng)污染物控制因子作為水質(zhì)模型模擬的計(jì)算因子，本文在分析研究的過(guò)程中選擇TP、TN、COD作為計(jì)算因子，對(duì)撫仙湖水環(huán)境中污染物的運(yùn)移轉(zhuǎn)化情況做出剖析。文章主要選取平面二維非恒定模型-TDFLW、紊流模型采用混長(zhǎng)模型進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù) GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，分別提出規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)（I類(lèi)）CODMn、TN、TP三類(lèi)主要污染物的容許入湖負(fù)荷量為CODMn 2 mg/L、TN 0.2 mg/L、TP 0.01 mg/L。利用模型公式，分別計(jì)算得出撫仙湖在規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)（I類(lèi)）下CODMn、TN、TP三類(lèi)主要污染物的水環(huán)境承載力，見(jiàn)表1。

2.2.2.2 水源地保護(hù)方案評(píng)價(jià)決策模型選取

水源地保護(hù)方案的生成、選取涉及到區(qū)域士、農(nóng)、工、商中的諸多領(lǐng)域。如何選取出一個(gè)既兼顧到各方訴求，又能充分維護(hù)水源地水質(zhì)的保護(hù)方案，一直以來(lái)都是政府決策的難點(diǎn)和民眾關(guān)注的熱點(diǎn)。因此在對(duì)水源地保護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)選時(shí)需要科學(xué)合理的選取方法，需要充分考慮各方因素，如：經(jīng)濟(jì)、水源區(qū)環(huán)境質(zhì)量、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、旅游服務(wù)業(yè)、源區(qū)居民幸福指數(shù)等。

本文主要運(yùn)用層次（AHP）-灰色度關(guān)聯(lián)法(GRAP)[13]對(duì)飲用水源地污染控制措施進(jìn)行優(yōu)選。在對(duì)各技術(shù)指標(biāo)定性、定量分析的基礎(chǔ)上利用AHP方法結(jié)合主成分份分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，構(gòu)造判斷矩陣，對(duì)各級(jí)準(zhǔn)則層、子準(zhǔn)則層進(jìn)行劃分，并對(duì)決策方案層中評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重做出推導(dǎo)。然后，利用GRAP法計(jì)算出各關(guān)聯(lián)度系數(shù)，保護(hù)措施的選取則根據(jù)關(guān)聯(lián)度系數(shù)的大小確定，關(guān)聯(lián)度系數(shù)的大小與治理措施的選擇正相關(guān)，關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大的為最優(yōu)措施。

3 結(jié)果與討論

3.1 污染物入湖量統(tǒng)計(jì)分析

撫仙湖流域主要的面污染源為農(nóng)村污水、旅游污水、農(nóng)田徑流、農(nóng)村固廢、水土流失以及禽畜糞便；主要的點(diǎn)污染源為工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水以及磷礦污染。其各自的排放量如表1所示。

表1 撫仙湖流域點(diǎn)、面源污染排放量統(tǒng)計(jì)表

Tab.1 Statistics of spot and non-point source pollution in Fuxian Lake Basin

結(jié)合表1可知在撫仙湖匯水流域范圍內(nèi)，在面污染源中污染攜入量占比最大的污染源為農(nóng)田徑流，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分別為1725.85 t/a、315.64 t/a、26.91 t/a、218.28 t/a。其次為農(nóng)村污水，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分別為1806 t/a、434 t/a、36.4t/a、29.83t/a。點(diǎn)污染源中為城鎮(zhèn)污水，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分別為207.77 t/a、41.18 t/a、3.5 t/a、27.03 t/a。

3.2 土地利用類(lèi)型現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果

撫仙湖水源保護(hù)區(qū)總面積約為105300 hm2，其中湖域面積為21660 hm2，除湖泊水域面外還共有土地11130 hm2。文章以1984年《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》分類(lèi)系統(tǒng)為依據(jù)[14-15]，結(jié)合撫仙湖流域的土地利用狀況，將研究區(qū)分為耕地，園地、林地、牧草地，城鎮(zhèn)村莊及工礦用地、交通用地、水域及未利用土地6個(gè)一級(jí)類(lèi)。撫仙湖水源保護(hù)區(qū)的各土地利用狀況見(jiàn)表2。

由表2及圖3可知，撫仙湖流域內(nèi)雖大部分為林草地，比例為34.535%，但在整個(gè)流域內(nèi)森林覆蓋率低，僅為34%，水土流失嚴(yán)重，在流域區(qū)內(nèi)水土流失面積為22300 hm2，占流域土地面積的26.67%，每年入湖的泥沙高達(dá)35萬(wàn)m3。雖近年來(lái)一直在進(jìn)行退耕還林保護(hù)工程，取得一定成效，但面山造林綠化依然任重而道遠(yuǎn)。其次為耕地，占比為26.295%。撫仙湖流域約有人口32萬(wàn)，人口密度約高達(dá)300人/km2，人口眾多，人地矛盾突出。結(jié)合湖泊匯水區(qū)域內(nèi)各類(lèi)型土地利用方式所占比例可知，與污染源調(diào)查結(jié)果中顯示的農(nóng)田徑流污染和城鎮(zhèn)、農(nóng)村生活污水污染為流域第一、第二大來(lái)源的結(jié)果相一致。

表2 撫仙湖水區(qū)域土地利用狀況及水土流失狀況

Tab.2 Land use and soil erosion in Fuxian Lake area

3.3 保護(hù)區(qū)水域污染源分析

在區(qū)域土地利用現(xiàn)狀分析和保護(hù)區(qū)點(diǎn)面源污染調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)各類(lèi)土地于開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中的污染排放量，運(yùn)用GIS、RS對(duì)流域內(nèi)污染排放量在空間上的分布情況進(jìn)行模擬，得到撫仙湖水源保護(hù)區(qū)的污染排放分布圖5。

圖4 撫仙湖土地利用分類(lèi)圖

從圖5可以看出顏色較深區(qū)域主要集中在湖泊的北面，該區(qū)域?yàn)閾嵯珊饔騼?nèi)最大的徑流量區(qū)，區(qū)內(nèi)包含耕植區(qū)，居民生活區(qū)。結(jié)合水源保護(hù)區(qū)的徑流域圖2可知每年撫仙湖的入湖污染物主要來(lái)自于湖泊北部陸上徑流區(qū)。此外通過(guò)將圖4撫仙湖流域土地利用現(xiàn)狀圖和圖5仙湖流域污染源空間分布圖疊加對(duì)比分析，結(jié)合表1、表2可知，撫仙湖流域內(nèi)的污染源分布規(guī)律基本與前文中調(diào)查、分析的結(jié)果基本一致。

圖5 撫仙湖流域污染源空間分布圖

3.4 基于GIS水源地污染控制方案的優(yōu)選

當(dāng)前，撫仙湖流域針對(duì)湖泊水體污染治理采取的有效措施包括：①湖泊面源污染控制治理，其主要處理技術(shù)為沼氣池、生物凈化公廁、垃圾收集坑、平衡施肥；②湖濱帶生態(tài)建設(shè)，其主要的處理技術(shù)為湖濱帶生態(tài)修復(fù)、人工濕地、入湖河流末端處理、河道修復(fù)治理、退耕塘還湖、湖岸環(huán)境治理；③陸地生態(tài)建設(shè)，其主要的處理技術(shù)為人工育林、封山護(hù)林；④湖泊污染其他方面的治理，其主要的處理技術(shù)為子流域治理、污水處理廠構(gòu)建、湖岸旅游設(shè)施拆遷[16-17]。其各項(xiàng)措施開(kāi)展區(qū)域分布見(jiàn)圖6。

圖6 各項(xiàng)措施開(kāi)展區(qū)域分布圖

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有關(guān)部門(mén)對(duì)撫仙湖污染治理工程的項(xiàng)目已投入近23434萬(wàn)元，其中湖泊面源污染治理、湖濱帶生態(tài)建設(shè)、陸地生態(tài)建設(shè)、湖泊污染其他方面的治理各約投入6450、3910、2674、10400萬(wàn)元。通過(guò)大力治理，各污染物的入湖量在一定程度上得到了有效的控制，其中COD、TN、TP、NH3-N的入湖量各自約削減了460 t/a、425 t/a、52 t/a、33 t/a；入湖污染負(fù)荷削減率為COD 78.90%、TN 58.12%、TP 65.38%、NH3-N 78.83%。通過(guò)利用AHP-GRAP方法計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重及各污染控制技術(shù)間的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)Ｕ，結(jié)果如表3所示。

表3 撫仙湖治理措施的指標(biāo)權(quán)重及灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

Tab.3 Index weight and grey correlation coefficient of Fuxian Lake treatment measures

由表3可知，撫仙湖流域的水污染治理是對(duì)COD、TP、TN、NH3-N四個(gè)要素的綜合治理，在兼顧技術(shù)成本的情況下湖泊面源污染治理的關(guān)聯(lián)度系數(shù)最大為0.6547，其次一級(jí)的為湖濱帶生態(tài)建設(shè)和陸地生態(tài)建設(shè)，其他方面最小為0.4328。根據(jù)關(guān)聯(lián)度系數(shù)可得出湖泊面源污染治理為最優(yōu)治理措施，但由于與其他各措施的相差度不大，因此在治理的過(guò)程中應(yīng)該兼顧各方，各措施齊頭并進(jìn)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)撫仙湖流域入湖河流的空間分布現(xiàn)狀，可將其大致分成三個(gè)子流域區(qū)，其湖泊北面為入庫(kù)河流最多，徑流量最大區(qū)，是湖泊污染物主要輸入?yún)^(qū)。該區(qū)和湖泊南部是湖泊面污染源區(qū)，針對(duì)其污染治理采取了湖泊面源污染控制治理的措施。

（2）在兼顧污染治理效果與技術(shù)成本的前提下，通過(guò)運(yùn)用層次（AHP）-灰色度關(guān)聯(lián)法（GRAP）對(duì)飲用水源地污染處理措施進(jìn)行優(yōu)選，得到湖泊面源污染控制治理措施為最優(yōu)污染控制策略。但由于其他各措施于污染控制處理過(guò)程中也有巨大的效用，因此針對(duì)撫仙湖流域污染控制處理的措施方案為：以湖泊面源污染控制治理措施為主，湖濱帶生態(tài)建設(shè)和陸地生態(tài)建設(shè)為輔，兼顧湖泊污染其他方面的治理措施，四位一體對(duì)撫仙湖流域水污染進(jìn)行綜合、全方位治理保護(hù)。

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Pollution Analysis of Fuxian Lake Source Area Based on GIS

MAN Ya-zhou1, ZHU Lan-yan1, LV Wen-ya2, WANG Hao1, LI Jian-tao1

(1. College of Land and Resources Engineering, Kunming University of Technology, Kunming, Yunnan 650093; 2. Yunnan Land Consolidation Center, Kunming, Yunnan)

Taking Fuxian Lake as the research object, the pollution sources and pollution situation of Fuxian Lake watershed were analyzed by combining GIS and RS technology, and the evaluation index system of pollution sources in Fuxian Lake watershed was established. On the basis of qualitative and quantitative analysis of the pollution situation, the pollution treatment measures of drinking water sources were optimized by AHP - GRAP. On the premise of considering the effect of pollution control and the cost of technology, the optimal scheme of pollution control treatment in Fuxian Lake basin was obtained.

Fuxian lake; GIS and RS technology; Water pollution; Land use; Control measures

TP79；TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.030

滿(mǎn)亞洲(1993-)，男，碩士在讀，昆明理工大學(xué)，主要研究方向：“3S”集成與應(yīng)用；朱蘭艷(1966-)女，副教授，昆明理工大學(xué)，主要從事測(cè)繪工程、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)相關(guān)科研與教學(xué)工作；呂文雅(1993-)女，碩士研究生，遙感攝影測(cè)量與應(yīng)用，云南省土地整理開(kāi)發(fā)中心；王浩(1993-)，男，碩士在讀，昆明理工大學(xué)，主要研究方向：“GIS”集成與應(yīng)用；李建濤(1995-)，男，碩士在讀，昆明理工大學(xué),主要研究方向：GNSSS技術(shù)。

滿(mǎn)亞洲，朱蘭艷，呂文雅，等. 基于GIS的撫仙湖水源區(qū)污染分析[J]. 軟件，2018，39（12）：131-135