地表水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究

徐玥 呂一鳴 王正一 王昊 史恒文

摘 ?要：水質(zhì)污染是我國(guó)現(xiàn)面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，其中很大一部分原因是缺少水環(huán)境信息的系統(tǒng)有效的整理和分析，本文主要針對(duì)這種現(xiàn)象，在面向?qū)ο蠹夹g(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS，構(gòu)建合理的海河流域水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，對(duì)地表水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境的分析和管理，為相關(guān)部門的工作提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng);水質(zhì)評(píng)價(jià);GIS

中圖分類號(hào)：X82;TP311.1

引言：天津市特殊的地理位置決定了其特殊的水資源與水環(huán)境的時(shí)空分布特點(diǎn)[[1]]。從總體上看，目前天津市在發(fā)展中面臨的主要水約束問(wèn)題可以概括為洪澇災(zāi)害、干旱缺水和水環(huán)境惡化并存[[2]]。并且根據(jù)《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，海河流域水質(zhì)為中度污染，已經(jīng)成為中國(guó)污染最重流域，在此情況下水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)可提高水環(huán)境管理的效率。在地表水環(huán)境模型應(yīng)用的法規(guī)化方面，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已達(dá)到較高水平[[3]]。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局在1964年已開(kāi)發(fā)國(guó)際上最早的大型水環(huán)境質(zhì)量管理信息系統(tǒng)（Water Environmental Management Information System），簡(jiǎn)稱WEMIS。到70年代末，發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀醵冀ǔ闪藶樗h(huán)境管理提供決策支持的水質(zhì)管理系統(tǒng)。我國(guó)水環(huán)境研究和應(yīng)用的歷史時(shí)間相對(duì)較晚，由于中國(guó)水環(huán)境領(lǐng)域基礎(chǔ)理論研究不足，特別是受開(kāi)展水環(huán)境模型應(yīng)用研究所必須的水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足等諸多原因的限制，導(dǎo)致中國(guó)水環(huán)境研究工作和國(guó)外相比依然有著較大的差距[[4]-[5]]。近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展我國(guó)逐漸形成完整的基于信息技術(shù)的水環(huán)境信息獲取與處理技術(shù)體系。本文對(duì)海河流域（天津段）水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，并依據(jù)天津市地表水資源管理的實(shí)際情況，采用C#嵌套ArcGIS Engine對(duì)GIS組件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在遵循統(tǒng)一、實(shí)用、易操作原則的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)天津市地表水資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)編輯、查詢、統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)為核心，主要應(yīng)用了GIS的數(shù)據(jù)可視化功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多條件查詢與顯示;選用access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息;采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)天津市地表水水質(zhì)現(xiàn)狀，可生成水質(zhì)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表數(shù)據(jù)輸出，為相關(guān)部門及單位提供決策直觀依據(jù)。本著開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，低成本，便于使用的原則，可實(shí)現(xiàn)文件管理，數(shù)據(jù)管理，水質(zhì)評(píng)價(jià)等基本功能。為天津水環(huán)境的分析、管理和評(píng)價(jià)起到輔助的作用[[6]]。

1.系統(tǒng)的構(gòu)建方法

1.1項(xiàng)目研究技術(shù)路線

整個(gè)項(xiàng)目架構(gòu)（圖1）從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面同時(shí)入手，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)入庫(kù)三個(gè)階段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、整理與存儲(chǔ);系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基于地表水現(xiàn)狀分析，前期的理論與技術(shù)準(zhǔn)備而構(gòu)建，包括系統(tǒng)的基本功能設(shè)計(jì)與水環(huán)境評(píng)價(jià)功能設(shè)計(jì)兩大部分，本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的基本功能有GIS可視化、放大、縮小等通用基礎(chǔ)功能和數(shù)據(jù)的編輯、查找、修改

加工等數(shù)據(jù)管理功能。為實(shí)現(xiàn)水環(huán)境評(píng)價(jià)功能，本系統(tǒng)采用了單因子指數(shù)評(píng)價(jià)模型，采用C#嵌套ArcGIS Engine進(jìn)行水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)最終可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的多條件查詢與顯示，根據(jù)用戶的操作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改、查等各項(xiàng)數(shù)據(jù)功能操作，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化與數(shù)據(jù)分析，并以統(tǒng)計(jì)表的形式對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行生成與輸出。

1.2.運(yùn)行環(huán)境

為了使整個(gè)系統(tǒng)更為穩(wěn)定和便于維護(hù)，將微軟NET框架作為基本的開(kāi)發(fā)平臺(tái)[[7]]，選擇將C#作為主要的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，嵌套ArcGIS Engine進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提高開(kāi)發(fā)效率，便捷編程過(guò)程[[8]]，數(shù)據(jù)庫(kù)選擇使用Access，便于儲(chǔ)存和管理。

1.3.系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮乃枷牒头治龇椒╗[9]]，且整個(gè)系統(tǒng)采用現(xiàn)今軟件開(kāi)發(fā)比較流行的三層架構(gòu)模式（MVC? Model View Controller）[[10]]，這樣使三個(gè)部分的耦合性降低，方便代碼的變更，和系統(tǒng)后期的維護(hù)。系統(tǒng)的具體層次劃分（圖2）所示。

Visual Studio2010的自帶控件，可以實(shí)現(xiàn)用戶與界面的交互操作，其余為ArcGIS Engine的自帶控件，用戶可進(jìn)行對(duì)空間數(shù)據(jù)的操作。業(yè)務(wù)邏輯層為主要的功能層，都是使用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)管理，水環(huán)境評(píng)價(jià)等，每個(gè)組件都相互獨(dú)立，便于管理。數(shù)據(jù)層為屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)，屬性數(shù)據(jù)庫(kù)存放的是水環(huán)境評(píng)價(jià)的相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)庫(kù)存放的是研究區(qū)的地理數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及遙感影像數(shù)據(jù)。

2.系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)

2.1.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式都直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能，所以從數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分類、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及元數(shù)據(jù)規(guī)范都要進(jìn)行比較準(zhǔn)確和詳細(xì)的設(shè)計(jì)[[11]]。目的就是提高空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，為系統(tǒng)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

屬性數(shù)據(jù)庫(kù)包括海河流域（天津段）的地表水的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，評(píng)價(jià)信息等等，使用Access儲(chǔ)存和管理，便于分析數(shù)據(jù)和編寫(xiě)程序，滿足對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)要求。

空間數(shù)據(jù)庫(kù)存放海河流域（天津段）地理數(shù)據(jù)以及遙感影像數(shù)據(jù)，地理數(shù)據(jù)主要包括河流、湖泊、水庫(kù)、行政區(qū)域等，遙感影像為研究區(qū)的衛(wèi)星圖像。（圖3）

2.2.系統(tǒng)的界面

系統(tǒng)界面（圖4）是系統(tǒng)的表現(xiàn)層。用戶登錄系統(tǒng)后，首先展示的是用戶界面。友好的界面設(shè)計(jì)、清潔的界面理念、設(shè)計(jì)感強(qiáng)的界面層次結(jié)構(gòu)，是用戶與系統(tǒng)的橋梁。用戶對(duì)系統(tǒng)功能的應(yīng)用了解直接決定了系統(tǒng)的實(shí)用性和效率性。因此便于用戶了解系統(tǒng)，充分展示系統(tǒng)的功能，合理布局界面，界面標(biāo)準(zhǔn)化等是系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在^[[12]]。本系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，操作簡(jiǎn)單，信息直觀，便于用戶容易上手使用。

登錄界面（圖5）包括了注冊(cè)，重置，登錄，退出四個(gè)功能。新用戶可直接在此界面注冊(cè)。

登錄成功打開(kāi)主窗體，主窗體包括菜單欄和工具欄。菜單欄包括文件管理，數(shù)據(jù)管理，水環(huán)境評(píng)價(jià)，幫助四個(gè)部分。下面是工具欄，放置了常用的快捷操作工具，具有打開(kāi)文件，保存，放大，縮小，平移等功能。

3.系統(tǒng)的分項(xiàng)功能

3.1.基本功能

基本功能包括用戶管理，GIS通用功能。用戶管理包括：添加、刪除、修改。GIS通用功能包括：地圖的放大縮小、拖動(dòng)、漫游、選擇等，圖層管理、要素顯示等，基本可實(shí)現(xiàn)GIS的查詢，GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)的可視化。

3.2.水環(huán)境評(píng)價(jià)功能

單因子指數(shù)法是目前常用的水環(huán)境評(píng)價(jià)方法，該方法利用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）^[[13]]規(guī)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來(lái)劃分水質(zhì)的級(jí)別，用一個(gè)污染指數(shù)值來(lái)判定污染程度，即只要水體中有一項(xiàng)污染指標(biāo)的濃度值^[[14]]。（圖6）

水環(huán)境評(píng)價(jià)功能包括：水環(huán)境信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比，并且可以根據(jù)水環(huán)境分析結(jié)果從excel表導(dǎo)出。單因子評(píng)價(jià)系統(tǒng)根據(jù)所選擇的轄區(qū)，月份以及編號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)。點(diǎn)擊單因子評(píng)價(jià)后如成功，則得到評(píng)價(jià)成功的界面，可以使用生成數(shù)據(jù)圖功能得到評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，使用生成結(jié)果圖功能得到評(píng)價(jià)結(jié)果，最后可以將評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)結(jié)果使用數(shù)據(jù)輸出功能、結(jié)果輸出功能保存為excel文件。

3.3.數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理功能主要是針對(duì)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，包含了對(duì)基本屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的表的修改、查詢、增添、刪除等操作?？梢酝ㄟ^(guò)表名、列名獲取到唯一值，并分別使用查詢、添加數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的基本的增刪改查功能。（圖7）

4水質(zhì)分析結(jié)果

4.1.天津市水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我市地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)日臻完善，目前在中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)、濱海新區(qū)及其他各區(qū)共設(shè)置地表水監(jiān)測(cè)斷面129個(gè)，涵蓋64條河流和8座湖庫(kù)，全面反映全市水環(huán)境質(zhì)量狀況^[[15]]。

4.2.天津市地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)

4..2.1.河流水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

海河干流水系、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳衛(wèi)南運(yùn)河及其水質(zhì)類別的等級(jí)如下表所示，從表中可以看出海河干流水系的水質(zhì)主要為Ⅳ類，適用于一般工業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域（表1）

4.2.2.湖泊濕地水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

本次湖泊濕地的水質(zhì)評(píng)價(jià)包括兩處，武清區(qū)大黃堡濕地和寧河區(qū)七里海濕地。大黃堡濕地因?yàn)殚L(zhǎng)期的人為因素影響^[[16]]，主要水源是來(lái)自北京的生活污水，水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，個(gè)別監(jiān)測(cè)站位達(dá)到超富營(yíng)養(yǎng)值，超出地表水質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。七里海濕地也長(zhǎng)期處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，各個(gè)簡(jiǎn)介水質(zhì)分類都達(dá)到地表水質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)^[[17]]，主要污染物是氨氮。

4.2.3.水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

水庫(kù)水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)主要評(píng)價(jià)水庫(kù)有6座，分別為北大港水庫(kù)、團(tuán)泊洼水庫(kù)、北塘水庫(kù)、王慶坨水庫(kù)、爾王莊水庫(kù)和于橋水庫(kù)。可以看出于橋水庫(kù)的庫(kù)容量最大，水庫(kù)的水質(zhì)指數(shù)為Ⅲ類，主要用于生活飲水及水產(chǎn)養(yǎng)殖等漁業(yè)水域。僅有17%的水庫(kù)水質(zhì)優(yōu)于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，即以地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，近83%的水庫(kù)河流受到不同程度的污染（表2）。

4.2.4.根據(jù)區(qū)劃評(píng)價(jià)結(jié)果（以濱海新區(qū)為例）

從數(shù)據(jù)表中可直觀的看出，各監(jiān)測(cè)月份高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷含量的具體數(shù)量情況。不同月份水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果相差較大，用水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅴ類，超過(guò)水質(zhì)功能區(qū)目標(biāo)要求，比如化學(xué)需氧量的標(biāo)準(zhǔn)為小于等于40，可1月和7月份的指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。還可看出水質(zhì)結(jié)果雖然都是Ⅴ類，但污染程度相差較大，各評(píng)價(jià)指標(biāo)含量不同導(dǎo)致影響情況不同，能夠比較明顯的說(shuō)明河流水質(zhì)受居民生活污水污染動(dòng)態(tài)變化的情況。需要加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)的宣傳教育及污染治理，

對(duì)生活污水和工業(yè)廢水進(jìn)行合理處理以達(dá)到保護(hù)水環(huán)境的目的（表4）。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)從對(duì)海河流域（天津段）地表水水質(zhì)的評(píng)價(jià)，可以看出在2019年間水質(zhì)質(zhì)量基本在Ⅲ到Ⅴ類間，污染范圍廣且嚴(yán)重，需要加大治理力度，很可能極大地危害人的身體健康，為相關(guān)部門提供了決策依據(jù)。

（2）本文以海河流域（天津段）作為研究對(duì)象，采用C#嵌套ArcGIS Engine，結(jié)合地理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)水環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)，選擇功能強(qiáng)大、靈活度較高、統(tǒng)一性更強(qiáng)的.NET開(kāi)發(fā)方式，一定程度上保障了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，選取應(yīng)用最廣泛的ArcGIS Engine軟件作為二次開(kāi)發(fā)組件，方便流域系統(tǒng)管理人員和應(yīng)用人員使用與維護(hù)。

系統(tǒng)還有很多的缺點(diǎn)和不足，在以后的研究過(guò)程還需要改進(jìn)和完善：

（1）由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限，監(jiān)測(cè)到的指標(biāo)因子不全，特別是在主觀權(quán)重上，評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的差異性;且數(shù)據(jù)多為實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨著信息的發(fā)展，應(yīng)使用3S集成技術(shù)全方位管理信息。

（2）數(shù)學(xué)模型選取單一，只采用了單因子評(píng)價(jià)，忽視了水環(huán)境中復(fù)雜的實(shí)際情況;只采用了定指標(biāo)評(píng)價(jià)，應(yīng)在以后的研究中加入新的理論基礎(chǔ)，將實(shí)際與理論相結(jié)合，使用計(jì)算機(jī)輔助完成更高精度的評(píng)定。

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作者簡(jiǎn)介：

徐玥，女，生于1999年1月，漢族，陜西寶雞人，天津城建大學(xué)，本科在讀，地理信息科學(xué)研究方向

【基金項(xiàng)目】本文系天津城建大學(xué)2019年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201910792037