GIS平臺生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控研究

田冰

關(guān)鍵詞：GIS平臺；生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控；水質(zhì)監(jiān)控；信息融合；污染源信息識別

中圖分類號：X84 文獻標志碼：B

前言

生態(tài)水環(huán)境污染已成為一個全球性問題，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的威脅。當(dāng)化學(xué)物質(zhì)、微生物物質(zhì)、工業(yè)污染源等物質(zhì)污染河流、海洋、湖泊時會產(chǎn)生水環(huán)境污染，影響水質(zhì)并轉(zhuǎn)化為對人類和生態(tài)環(huán)境有害的物質(zhì)。傳統(tǒng)的水環(huán)境監(jiān)測方法受限于人力、時間和空間等因素，無法滿足實時連續(xù)監(jiān)測的需求。為了提高監(jiān)測效率，實現(xiàn)對水環(huán)境污染的及時跟蹤和預(yù)警，減少人工干預(yù)的誤差和延遲，研究生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控技術(shù)具有重要意義。因此，提出應(yīng)用GIS平臺的生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控研究。

1基于GIS的生態(tài)水環(huán)境總量監(jiān)控數(shù)據(jù)集成平臺

對生態(tài)水質(zhì)監(jiān)控數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)集成分析技術(shù)展開深入研究，利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對空間數(shù)據(jù)和生態(tài)水環(huán)境總量監(jiān)控數(shù)據(jù)展開全面管理；以GIS技術(shù)為核心實現(xiàn)對生態(tài)水環(huán)境質(zhì)量的快速動態(tài)查詢和可視化表達。利用GIS建立環(huán)境地理空間數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的輸入、查詢、分析、輸出以及管理的可視化表達，為后續(xù)生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控研究提供技術(shù)支撐。

2生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控

2.1污染現(xiàn)狀調(diào)查

以山東省濟寧南四湖流域為主要研究區(qū)域，調(diào)查分析生態(tài)水環(huán)境的水質(zhì)污染現(xiàn)狀。

分析南四湖及其人湖河流的生態(tài)區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀，以2022年南四湖水質(zhì)監(jiān)控數(shù)據(jù)為依據(jù)，設(shè)定6個監(jiān)控點位，經(jīng)調(diào)查可知：南四湖生態(tài)區(qū)水質(zhì)整體為輕度污染，監(jiān)控的6個點位中，Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)點位所占比例為66.7%；暫無Ⅴ類和劣Ⅴ類點位。

2.2生態(tài)水環(huán)境監(jiān)控指標分析

根據(jù)2022年南四湖水質(zhì)的污染現(xiàn)狀，在南四湖下級湖用濾布分割出一塊面積約為40hm²水域作為生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控區(qū)域，基于上述GIS平臺，按照環(huán)境監(jiān)控布點要求，設(shè)置3個監(jiān)控點監(jiān)控目前南四湖生態(tài)區(qū)和非生態(tài)區(qū)水質(zhì)的污染情況，總體如下：

2.2.1監(jiān)控準備

（1）監(jiān)控指標：透明度（SD）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數(shù)（IMn）、氨氮指標（NH₃-N）、懸浮物（SS）、葉綠素a（chla）、浮游植物、浮游動物以及底棲生物等。

（2）分析方法：《環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（第4冊）》，《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（第2版）》，《水和廢水監(jiān)測分析方法（第3版）》。

2.2.2環(huán)境監(jiān)控結(jié)果分析

2.2.2.1水質(zhì)化學(xué)監(jiān)控結(jié)果

統(tǒng)計該監(jiān)控區(qū)域在7月-12月的水質(zhì)化學(xué)指標變化，7月-12月南四湖的水質(zhì)SD最高時達112 cm，最低僅為58 cm，水質(zhì)透明度受到環(huán)境污染。造成南四湖入湖河流水質(zhì)受到輕度污染的主要污染來源是TN和TP，監(jiān)控結(jié)果可以看出生態(tài)區(qū)水質(zhì)中TN和TP的濃度較小，釋放較少，污染程度不高，而NH₃-N濃度較高。生態(tài)區(qū)水中I_Mn和SS的濃度較低，其余均呈現(xiàn)增長趨勢。

2.2.2.2浮游植物

水體的污染程度取決于水中浮游植物生物現(xiàn)存量。監(jiān)測得到生態(tài)區(qū)的藻類生物量在7月- 12月處于不斷增長的狀態(tài)，水中藻類呈現(xiàn)猛烈增長趨勢。葉綠素a（Chla）附在浮游植物上，生態(tài)區(qū)Chla的均值呈增長趨勢，說明生態(tài)區(qū)的水質(zhì)富營養(yǎng)化程度較高。

2.2.2.3浮游動物

浮游動物主要以臂尾輪蟲為優(yōu)勢種，在7月到12月南四湖水質(zhì)總體呈重富營養(yǎng)化，從10月開始，生態(tài)區(qū)內(nèi)的輪蟲生存量不斷增加，且在浮游動物中占有較高的生長比例，由此南四湖生態(tài)區(qū)的浮游動物指標已經(jīng)有了明顯地增強。生物學(xué)多樣性指數(shù)對浮游動物以及浮游植物展開監(jiān)控和評價，生態(tài)區(qū)的藻類多樣性逐漸下降；浮游動物多樣性指數(shù)在總體上呈現(xiàn)增長趨勢，說明水體中的水生植物起到了一定的凈化水質(zhì)作用。

2.2.2.4底棲生物

水中的底棲生物具有較強的穩(wěn)定性，能夠同時表征水質(zhì)和底質(zhì)的污染狀態(tài)，7月-10月生態(tài)區(qū)中底棲生物的數(shù)量較低。使用Goodnight指數(shù)表征底棲生物多樣性指數(shù)。生態(tài)區(qū)底棲生物多樣性指數(shù)表現(xiàn)出穩(wěn)定增長的趨勢，這說明南四湖生態(tài)區(qū)的水質(zhì)在持續(xù)變化。

2.3生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控方法

根據(jù)上述建立的基于GIS的生態(tài)水環(huán)境總量監(jiān)控數(shù)據(jù)集成平臺以及生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控結(jié)果，獲得生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控信息，對其實施融合處理以提高監(jiān)控精度和效率。基于人機交互的生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控信息融合，構(gòu)建分布式監(jiān)控融合模型，作出最終的生態(tài)水環(huán)境污染情況決策判斷。數(shù)學(xué)表達式如式（1）：

3實驗與分析

3.1實驗背景

南四湖人湖河流和污染源污染原因大部分是由于超標排放，廢污水中的COD、揮發(fā)酚、氨氮等為主要污染物，其中COD占總排放量的90%左右。為了驗證應(yīng)用GIS平臺的生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控研究的整體有效性，需要作出相關(guān)測試。

3.2單個污染源信息識別

假定監(jiān)控區(qū)域存在一個未知濃度、位置以及泄露時間的污染源COD1（x₁，y₁）持續(xù)泄露，且泄露時間從Ti時刻至T2結(jié)束，真實污染源信息預(yù)設(shè)為：污染源COD1濃度為505.8g/L，位置為（4，7），泄露時間為3月-8月。針對該情況，利用所提方法展開4個監(jiān)控點O₁、O₂、O₃、O₄的識別測試：

單個污染源濃度、位置和泄露時間識別過程見圖2。

由圖2可得，在不同監(jiān)控點下，污染物濃度、位置、泄露時間的識別結(jié)果均與各點處的真實監(jiān)控值相符合，且表現(xiàn)出較完整的穿透曲線。

污染源濃度、位置、泄露初始時刻以及結(jié)束時刻的識別過程見圖3。

如圖3所示，所提方法經(jīng)過652次、225次和610次即可準確識別出真實污染源的濃度、位置和泄露時間段的識別，有效提升生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控效率。

3.3多個污染源信息識別

假定監(jiān)控區(qū)域存在兩個未知濃度、位置以及泄露時間的污染源COD1（x₁，y₁）和COD2（x₂，y₂）持續(xù)泄露，真實污染源信息預(yù)設(shè)為：污染源COD1濃度為505.8 g/L，污染源COD2濃度為328.6g/L，位置分別為（4，7）和（7，11）。針對該情況，利用所提方法展開與上述測試同樣的4個監(jiān)控點O1、O₂、O₃、O₄的識別測試。多個污染源識別結(jié)果如表1和多個污染源不同監(jiān)控點處污染物識別結(jié)果見圖4。

由表1可知，污染源COD1、COD2除濃度識別其余參數(shù)誤差均為零，符合監(jiān)控標準；由圖4可知，在不同監(jiān)控點下，針對多個污染源，所提方法依然能夠保持較好的監(jiān)控精度。多個污染源COD1、COD2的濃度、位置以及泄露時間識別過程和單個污染源COD1的識別過程相似，結(jié)果見圖5。

根據(jù)圖5可知，多個污染源信息識別過程中由于污染源COD2的增加，迭代次數(shù)均有不同程度地增長，但所提方法監(jiān)控結(jié)果的可靠性依然可以保障，驗證了所提方法的可行性。

4結(jié)束語

經(jīng)濟的快速發(fā)展使得人類活動對水環(huán)境造成的污染問題日益突出，對人們的健康以及水生生物和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生威脅。因此，保護生態(tài)水環(huán)境的健康與可持續(xù)發(fā)展變得迫切，提出應(yīng)用GIS平臺的生態(tài)水環(huán)境污染自動監(jiān)控研究。根據(jù)生態(tài)水質(zhì)監(jiān)控數(shù)據(jù)，采用GIS技術(shù)建立了水環(huán)境總量監(jiān)控數(shù)據(jù)集成平臺，對生態(tài)水環(huán)境質(zhì)量的快速動態(tài)查詢和可視化表達，利用人機交互方法，將南四湖流域水質(zhì)的污染調(diào)查、監(jiān)控、污染信息融合處理，得到了生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控信息，通過構(gòu)建分布式監(jiān)控融合模型，獲取綜合污染評價結(jié)果，實驗結(jié)果驗證了所提方法能夠?qū)崿F(xiàn)對多個污染源不同監(jiān)控點處污染物的識別，有效提升了生態(tài)水環(huán)境污染監(jiān)控效率，從而驗證了所研究方法的可靠性、可行性。