基于GIS水文建模的水資源污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法

李金亮

（鶴壁水文水資源勘測(cè)局 河南鶴壁 458000）

在研究水資源污染現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)［1-3］，該現(xiàn)象的形成原因較為復(fù)雜，主要是由于在一個(gè)城市相同的時(shí)間段或不同的城市相同的時(shí)間段內(nèi)，災(zāi)害因子的表現(xiàn)形式不同［4］，同時(shí)，水資源污染事件的發(fā)生具有不確定性、階段性、突發(fā)性等特點(diǎn)［5］。處理水資源污染事件前，需要工作人員進(jìn)行大量的水文、水質(zhì)、地質(zhì)工程的勘查，掌握水環(huán)境基本特征。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化水資源污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，水環(huán)境監(jiān)督管理單位提出了基于水環(huán)境過(guò)程變化動(dòng)態(tài)模擬的污染模型，并明確了將數(shù)字化技術(shù)作為支撐執(zhí)行此項(xiàng)工作。但是，該方法構(gòu)建的模型為水環(huán)境二維模型，存在一定的局限性，且無(wú)法及時(shí)感知突發(fā)性污染問(wèn)題［6］。

1 GIS水文建模的應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法

1.1 建立水資源空間數(shù)據(jù)庫(kù)

為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急監(jiān)測(cè)水資源污染，引進(jìn)MySQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)［7］，通過(guò)獲取水資源空間數(shù)據(jù)的方式，構(gòu)建水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫(kù)。在此過(guò)程中，將空間數(shù)據(jù)以離散數(shù)據(jù)或集成數(shù)據(jù)的方式存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，并使用空間數(shù)據(jù)決策引擎工具（ArcSDE 處理工具）導(dǎo)入與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)Arcview 工具，可視化處理地質(zhì)信息與地理環(huán)境信息，在存儲(chǔ)終端設(shè)置不同的空間模塊，存儲(chǔ)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)［8］。在此過(guò)程中，通過(guò)VIEW管理采集或獲取的空間數(shù)據(jù)，將不同類(lèi)型的地理信息按照實(shí)體類(lèi)型劃分為多個(gè)信息結(jié)構(gòu)并按照類(lèi)別表示。

在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，需要建立屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，管理各類(lèi)屬性數(shù)據(jù)信息，以表的形式，結(jié)合關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)信息的連接。針對(duì)每一個(gè)圖層，均建立相應(yīng)主題的屬性列表，同時(shí)，針對(duì)各類(lèi)屬性數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的檢索關(guān)鍵詞，并利用Link工具，通過(guò)對(duì)相同關(guān)鍵詞的獲取，實(shí)現(xiàn)其與主題屬性之間的連接。為了確保兩種數(shù)據(jù)庫(kù)的相互協(xié)調(diào)［9］，單獨(dú)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)Arc-SDE 的應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)與空間數(shù)據(jù)庫(kù)各數(shù)據(jù)信息相連，確保監(jiān)測(cè)過(guò)程中各類(lèi)數(shù)據(jù)能夠更加快速地完成傳輸、查詢和輸出。

1.2 GIS水文建模的污染源定位

在建立水資源空間數(shù)據(jù)庫(kù)后，引入GIS 水文建模［10-11］，定位水資源具體污染和污染源位置。圖1為基于GIS水文建模的水資源污染源定位流程示意圖。

根據(jù)圖1可知，通過(guò)GIS水文建模，展示地級(jí)市縣、縣級(jí)市界等區(qū)域內(nèi)水資源環(huán)境的空間信息，將收集的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)水資源環(huán)境劃分區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，在模型中明確標(biāo)記水資源周?chē)h(huán)境中的排污口、排污單位等。結(jié)合監(jiān)測(cè)輸入的數(shù)據(jù)及參數(shù)，預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的水資源未來(lái)水質(zhì)條件，并動(dòng)態(tài)模擬單污染源或多污染源的疊加影響效果［12］。在ArcView 窗口中，針對(duì)模擬后的水環(huán)境水質(zhì)進(jìn)行可視化展現(xiàn)。

圖1 基于G IS 水文建模的水資源污染源定位流程示意圖

1.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的水污染擴(kuò)散分析與應(yīng)急監(jiān)測(cè)

結(jié)合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析水污染擴(kuò)散情況，通過(guò)擴(kuò)散約束條件應(yīng)急監(jiān)測(cè)水質(zhì)。在分析水污染擴(kuò)散時(shí)，結(jié)合經(jīng)典水動(dòng)力學(xué)方程和水質(zhì)擴(kuò)散算法，模擬真實(shí)的水環(huán)境條件下水資源的運(yùn)動(dòng)。水資源在流動(dòng)過(guò)程中具有典型的連續(xù)性，因此，通過(guò)下述公式實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源運(yùn)動(dòng)的表達(dá)：

式（1）中，h表示水資源的實(shí)際深度，t表示監(jiān)測(cè)過(guò)程中水資源的流動(dòng)時(shí)間，u表示水資源流動(dòng)過(guò)程中在水平方向上的平均流速，v表示水資源流動(dòng)過(guò)程中在豎直方向上的平均流速，x表示水環(huán)境周?chē)椒较蝻L(fēng)速，y表示水環(huán)境周?chē)Q直方向風(fēng)速。

在此基礎(chǔ)上，針對(duì)水資源污染擴(kuò)散的分析，需要引入動(dòng)量方程和非持久性污染物遷移方程，基于有限體積法，實(shí)現(xiàn)對(duì)其離散處理。為了確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度，在DEM網(wǎng)格中，采用SIMPLEC法校正水深。在分析過(guò)程中，由于水資源持續(xù)流動(dòng)，因此，結(jié)合干濕法，處理水資源的動(dòng)態(tài)邊界問(wèn)題。同時(shí)，劃分水資源中污染等級(jí)，將水資源污染等級(jí)按照從重到輕依次劃分為6 個(gè)等級(jí)，分別為I等級(jí)、II等級(jí)、III等級(jí)、IV等級(jí)、V等級(jí)和V劣等級(jí)。其中，I～I(xiàn)II 等級(jí)表明在水資源中污染物沒(méi)有或含量極少，不會(huì)威脅到水資源的正常使用和運(yùn)行；IV等級(jí)為水資源中含有少量污染物，并且已經(jīng)出現(xiàn)影響水資源正常使用的情況；V等級(jí)為無(wú)法使用的水資源；V 劣等級(jí)是指水資源中存在大量污染物，并且需要緊急治理，確保水資源的正常使用。6 個(gè)等級(jí)分別設(shè)置不同的閾值，根據(jù)上述擴(kuò)散分析得出模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，與各個(gè)閾值范圍進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)快速分類(lèi)水資源污染等級(jí)，并給出不同等級(jí)污染的應(yīng)急保護(hù)、治理措施，降低水資源污染的影響，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在引入GIS 水文建模技術(shù)后，提出了一種全新的水資源污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法。為了進(jìn)一步驗(yàn)證研究方法的合理性和可行性，選擇新的監(jiān)測(cè)方法作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)水資源污染監(jiān)測(cè)中的基于分布式水文模型的監(jiān)測(cè)方法作為對(duì)照組，將兩種不同的監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用到相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并針對(duì)相同的監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

選擇在具有模型計(jì)算功能的軟件中輸入真實(shí)的污染物地點(diǎn)、污染排放量、水資源污染濃度等數(shù)據(jù)，模擬水資源中污染物擴(kuò)散情況。通過(guò)該軟件，獲取坐標(biāo)文件和污染濃度文件，并且坐標(biāo)文件的信息對(duì)應(yīng)污染物濃度文件的信息。在模擬水資源污染擴(kuò)散的過(guò)程中，分別利用提出的監(jiān)測(cè)方法和基于分布式水文模型的監(jiān)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。表1為模擬的水資源環(huán)境水質(zhì)條件記錄表。

表1中，IV、V和V劣均為水資源的水質(zhì)等級(jí)，污染程度從小到大排列依次為IV＞V＞V劣，其中，IV等級(jí)表明水資源污染程度較輕，而V 劣等級(jí)表明水資源污染程度最嚴(yán)重。從表1中記錄的各個(gè)區(qū)域水資源環(huán)境水質(zhì)條件可知，在該水資源環(huán)境范圍內(nèi)，區(qū)域A、區(qū)域C和區(qū)域E均在不同月份出現(xiàn)嚴(yán)重污染的情況。

表1 模擬的水資源環(huán)境水質(zhì)條件記錄表

2.1 監(jiān)測(cè)精度對(duì)比

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)精度，將表1記錄的內(nèi)容作為基礎(chǔ)，利用本文監(jiān)測(cè)方法和基于分布式水文模型的監(jiān)測(cè)方法，測(cè)定5 個(gè)區(qū)域內(nèi)的污染物濃度，并將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測(cè)結(jié)果更接近于實(shí)際測(cè)量結(jié)果，最大誤差僅為0.04mg/L，其他誤差均在0.01mg/L，并且監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠?yàn)樗Y源污染等級(jí)的劃分提供重要依據(jù)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組監(jiān)測(cè)方法在測(cè)定5 個(gè)區(qū)域的水資源污染物濃度時(shí)，區(qū)域A、區(qū)域C和區(qū)域E的監(jiān)測(cè)結(jié)果與其他兩個(gè)區(qū)域相比略接近實(shí)測(cè)值，說(shuō)明對(duì)照組監(jiān)測(cè)方法適用于監(jiān)測(cè)存在重度污染的水資源環(huán)境的污染濃度，并且監(jiān)測(cè)的結(jié)果均沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測(cè)精度。因此，實(shí)驗(yàn)初步證明，本文提出的基于GIS水文建模的監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)水資源污染濃度，提高了監(jiān)測(cè)精度，并且監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠?yàn)樗Y源水質(zhì)等級(jí)劃分提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組水資源污染濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄表（單位：mg / L）

2.2 監(jiān)測(cè)時(shí)效性對(duì)比

為驗(yàn)證該方法是否具備快速響應(yīng)的應(yīng)急能力，對(duì)比實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組兩種監(jiān)測(cè)方法的時(shí)效性，監(jiān)測(cè)5 個(gè)區(qū)域的水資源污染濃度變化，通過(guò)人為的方式，改變水資源污染擴(kuò)散模擬過(guò)程中污染物的濃度。分別利用兩種監(jiān)測(cè)方法對(duì)水資源環(huán)境中污染物濃度瞬間變化時(shí)的平均響應(yīng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)值越小，表明方法的性能越好。瞬時(shí)變化響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算公式為：

式（2）中，表示水資源環(huán)境污染濃度瞬間變化時(shí)的監(jiān)測(cè)方法的平均響應(yīng)時(shí)間，t1表示監(jiān)測(cè)方法響應(yīng)時(shí)刻，t2表示監(jiān)測(cè)方法發(fā)現(xiàn)濃度異常變化時(shí)刻，n表示監(jiān)測(cè)方法從發(fā)現(xiàn)濃度異常變化時(shí)刻到作出響應(yīng)時(shí)刻之間監(jiān)測(cè)次數(shù)。根據(jù)上述公式，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組兩種監(jiān)測(cè)方法在水資源環(huán)境污染濃度瞬間變化時(shí)的平均響應(yīng)時(shí)間，并將計(jì)算得出的結(jié)果繪制成圖2所示。

從圖2中兩條曲線可知，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法的平均響應(yīng)時(shí)間在40ms 以下，對(duì)照組監(jiān)測(cè)方法的平均響應(yīng)時(shí)間超過(guò)50ms，兩者相比，實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組低了10ms以上，實(shí)驗(yàn)組的平均響應(yīng)時(shí)間更短，因此，本文監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中具備更好的時(shí)效性。本文基于GIS水文建模的監(jiān)測(cè)方法與基于分布式水文模型的監(jiān)測(cè)方法相比，前者的監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)時(shí)效性更強(qiáng)，其能夠?yàn)樗Y源保護(hù)和水資源治理措施的提出提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組監(jiān)測(cè)時(shí)效性對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

由于人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)的不規(guī)范、對(duì)土地資源與環(huán)境資源的無(wú)節(jié)制開(kāi)墾，全球生態(tài)環(huán)境建設(shè)呈現(xiàn)極端變化趨勢(shì)，水資源被污染的面積越來(lái)越大，該現(xiàn)象對(duì)于人類(lèi)生活所造成的負(fù)面影響呈現(xiàn)一種增加趨勢(shì)。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上引進(jìn)GIS技術(shù)，采用對(duì)水資源進(jìn)行水文建模的方式，研究具有針對(duì)性的水資源污染的應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)該方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)性污染事件的及時(shí)感知與處理，為環(huán)境治理和保護(hù)提供可靠依據(jù)。