地理信息系統在水污染控制規劃中的應用

陳偉亞，劉芳芳

（武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

水污染控制規劃是水環境保護與規劃的重要內容，它從水資源的合理利用、水環境的保護方面對區域的功能分區、污水處理廠選址等提出建設性意見；水污染控制規劃是城市規劃的重要組成部分，它與城市規劃相互協調，對提高城市規劃的可操作性具有重要意義［1］.

水污染控制規劃中涉及到水文數據（如河流位置）、污染源參數（如排放口位置、控制斷面）、污染負荷數據（如污染物濃度分布）、環境容量數據［2］等，這些數據大多屬空間信息并且較為繁瑣.利用地理信息系統（Geographic Information System，以下簡稱：GIS）技術，建立水環境信息數據庫，可以將空間數據及屬性數據、原始數據及新生成的數據進行合理規范的管理；水環境信息可以隨時更新，水環境數據實現了在整個水污染過程中的共享，為水污染控制規劃決策者提供了直觀可視的工作界面，大大提高了工作效率［3］.

1 GIS技術引入江漢平原河網地區水污染控制規劃中的必要性

江漢平原河網區大小河渠縱橫交織，水環境規劃是一個多層次、多變量、多目標的復雜系統，涉及的數據眾多復雜.傳統的數據手工管理對適應現代化的需要和數據的更新要求存在一定的難度.龐大的空間數據對環境管理人員來說，完全清楚并充分有效的用于問題分析也具有難度.此外，要對未來情況做出良好的規劃，是要求實時地利用動態數據分析系統特性，從而階段性檢驗和修訂措施.隨著技術的進步，需要對時空信息進行定量化分析，手工數據維護幾乎是不可能實現的.

將地理信息系統應用到江漢平原河網地區水污染控制規劃領域，利用其高效的空間數據和屬性數據的維護能力及強大的檢索查詢功能，為水環境管理工作者提供一個有效的工作平臺和可靠的技術支持.通過地理信息系統，可以把空間數據（如現有水系、控制斷面的地理位置）和屬性數據（如多年的監測資料）儲存在數據庫中，根據需要可以快速、清晰、直觀地查出水環境檔案及水質資料，大大提高了水污染控制規劃過程中環境管理人員的工作效率，實現了水污染控制規劃和決策的可視化［4］.

2 QJ市水環境概況

QJ市地屬江漢平原腹地，位于湖北省中南部.QJ市內水域總面積197km2，其中河渠166km2，湖泊31km2.QJ市多年平均年徑流深344mm，地表徑流總量為6.88×108m3.實測最大年徑流量為14.8×108m3，實測最小年徑流量1.26×108m3.由于徑流年際、年內差異大，QJ市水資源的開發利用主要是筑堤御水，建閘控制，內排外引.全市現有引灌渠首涵閘5處，主要引水水源為漢江和長湖，設計流量228m3／s，年均引水設計能力7.5×108m3；機電提灌能力75.2m3／s，平均每年提水量0.68×108m3，主要湖泊有6處，年均蓄水量約1060×104m3；機井150處，年取水量1647×104m3.全市農村取地表水和地下水水廠328處，日供水17.4×104m3，年供水6354×104m3.

QJ市地處江漢平原上，河流的特點是分流較多，變化較大.建國以來，江漢平原建立了相對獨立完善的防洪、排澇、抗旱工程體系，QJ市共開挖干支渠62條，斗農渠4732條，排灌渠道總長6276km.全市現建有提排泵站171處，提灌泵站40處.因此，全市有天然和人工兩大類河渠，天然河渠有漢江和東荊河；人工河渠主要有田關河、下西荊河、總干渠、城南河、百里長渠、漢南河等骨干排灌支干渠.全市水域面積占自然面積的9.8%.QJ市屬漢江流域，其中東荊河以西為四湖流域，主要納污水體為西荊河、總干渠、興隆河、東干渠；東荊河以西為漢南片區，主要納污水體為城南河、百里長渠和漢南河.潛江市內大小溝渠縱橫交織，具有典型的江漢平原河網特征.

3 地理信息系統在江漢平原河網地區水污染控制規劃中的應用

水污染控制規劃過程涉及大量的監測統計數據及圖表，利用GIS技術建立水環境信息數據庫，達到了將這些數據在計算機中合理規范的管理的目的，并且實現了數據信息的共享；利用這些數據形象快速地表達出水污染控制規劃的結果，極大發揮了地理信息系統在水污染控制規劃過程中的輔助決策功能，充分體現了地理信息系統在江漢平原河網區水污染控制規劃過程中發揮的巨大優勢［5］.

3.1 江漢平原河網區污染源調查

通過現場調研所獲得的資料，并利用GIS技術，可以將這些數據分為兩大類：一類是空間數據，一類是屬性數據.空間數據主要包括基礎地理信息、地圖影像及各種專題圖數據.屬性數據主要包括污染源數據、排污口數據、監測斷面數據及控制單元（潛江市內各河流）數據［6］.

3.2 江漢平原河網區水環境信息數據庫的建立

3.2.1 基礎地圖數據介紹 本次采用湖北省測繪局編制的1∶10000的CAD格式的數字地圖，QJ市共103幅，地形數據層共有10層.QJ市水環境規劃數據庫的建立需處理的圖層主要包括4大圖層：行政區（市界、鎮界、管理區界）、居民點（鎮辦事處、村）、鐵路和公路（顯示到市鎮道）、水系（河流、湖泊）.

3.2.2 底圖數據處理

a.CAD格式文件轉換：本數據庫是利用美國環境系統研究所（Environmental Systems Research Institute，ESRI）研發的ArcGIS軟件而建立，原始數據大多為CAD格式的文件.基于GIS建立水環境信息數據庫不能直接利用CAD格式的文件，因此，建庫前，必須把CAD格式的文件轉換為ArcGIS9.3能直接編輯使用的Shapefile格式的文件［7］.一個Shape文件一般包括三個文件：一個主文件（＊.shp）、一個索引文件（＊.shx）和一個dBASE（＊.dbf）表.主文件包含幾何形狀；索引文件包含數據的索引；數據庫文件包含形的屬性，包含字段的定義.Shapefile文件將空間和屬性數據有機地結合起來，并從這兩方面進行管理.

CAD格式的文件屬矢量數據，一個文件可以包含多個圖層，如點圖層（文字注記）、線圖層（水系、公路）、多邊形圖層（行政區劃），這些不同類型的圖素可以共同構成一個CAD文件，且CAD文件涉及的屬性數據較少.而在Shapefile文件中，不同類型的圖素需分層存放，并且分別存放于Shapefile文件中，即須將同一專題的點數據（如居民點）存放于一個點文件，同一專題的線數據（如水系）存放于一個線文件，同一個專題的多邊形文件（如行政區）存放于一個多邊形文件，并且每一個視圖只能包含一個專題.所有Shapefile文件可以疊加構成一幅完整的地圖［8］.具體轉換步驟如下：ArcGIS9.3中，打開 ArcToolbox→到Shapfile→雙擊Feature Class To Shapefile→在“Input feature”輸入要轉換的CAD文件→選擇CAD注記要素類→在“Output feature”輸入一個新建的用于保存成果的文件夾，即將CAD注記要素類轉換為了Shapefile格式的點文件.具體如圖1所示.

以上步驟中依次將“選擇CAD注記要素類”換為“選擇CAD點要素類”、“選擇CAD線要素類”、“選擇CAD多邊形要素類”，其他步驟同上，并分別保存在不同的文件夾內.經以上操作，就分別將CAD點要素類、CAD線要素類、CAD多邊形要素類轉換為了Shapefile格式的點文件、線文件及多邊形文件.在ArcMap中通過添加數據，分別添加點文件、線文件、多邊形文件，這樣就可以看到一幅完整的地圖［9］.

圖1 CAD格式文件轉換為Shapefile格式文件Fig.1 Shapefile format file converted from CAD format file

b.圖層拼接：根據3.2.2（a）介紹的方法，分別將103幅CAD（＊.dwg）格式的文件轉換為Shapefile（＊.shap）格式的文件，再利用ArcToolbox中的追加（Append）命令，分別將103幅點文件、線文件、多邊形文件拼接為一幅點文件、線文件、多邊形文件.下面以103幅線文件的拼接為例，介紹圖層拼接的具體步驟：

雙擊 ArcToolbox→數據管理工具（Data Management Tools）→常規（general）→雙擊追加（Append）→在“輸入數據集”依次輸入前102幅＊.shap線文件，然后在目標數據集輸入最后一幅＊.shap線文件.具體如圖2所示.

右鍵點擊最后一幅線文件，執行數據→導出數據，指定導入數據的路徑和名稱.通過以上操作就完成了將103個圖層拼接為一個圖層的處理.

圖2 Shapefile格式的線文件拼接Fig.2 Polyline files of Shapefile format appended

c.提取有效數據：已經拼接好的一幅線文件圖層包含水系、行政區界、公路等空間實體，點文件圖層包含居民點、取水點等空間實體.分別在線文件中提取出水系、行政區界、公路作為單獨的Shape文件，在點文件圖層中提取居民點、取水點作為單獨的Shape文件，作為建立水環境信息數據庫的底圖.下面以線文件中提取水系圖層為例，介紹數據提取的步驟：

右鍵拼接好的線文件→打開屬性表→雙擊layer字段（字段內容即完成分類）→選擇layer字段中所有內容為HYDNT（水系）的要素→右鍵拼接好的線文件→數據→導出數據（導出選中的要素），指定導出數據的名稱及路徑，這樣即將選擇的數據導出.

3.2.3 從圖形數據中提取有效信息 圖形數據大多為＊.jpg格式的各類普通地圖及專題地圖文件，其中包含了豐富的地理信息，例如：污染源位置，排污口位置及監測斷面位置等.這些圖像數據屬于柵格數據，不能直接使用，需配準到標準坐標中并進行矢量化.將柵格數據配準到與1∶10000基礎地圖數據相同的坐標，通過手動數字化的方式，分別提取出污染源分布圖層、排污口圖層及監測斷面圖層等.

3.2.4 建立QJ市水環境信息數據庫 QJ市水環境信息數據庫是基于Geodatabase模型而建立的數據庫.通過ArcCatalog建立基于Microsoft Access的Personal Geodatabase，桌面用戶可以通過ArcGIS Desktop的標準菜單和工具進行訪問［10］.將處理好的基礎數據（行政區、水域、道路）、控制單元數據圖層、污染源數據圖層、排污口數據圖層、監測斷面圖層數據移植入庫.在控制單元圖層增加字段：控制單元名稱、河段長度、流量、流速.在污染源圖層增加污字段：染源名稱、污染源類型、監測時間、排污量、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，以下簡稱：COD）濃度、氨氮濃度.在排污口圖層增加字段：排污口名稱、所屬控制單元、監測時間、COD入河量、氨氮入河量、備注.監測斷面圖層增加字段：監測斷面名稱、COD測量值、COD評價指標、氨氮測量值、氨氮評價指標.將各圖層加載到ArcMap中，并將各圖層屬性信息填充到屬性表格內.

通過建立的QJ市水環境信息數據庫，GIS可以為水污染控制規劃其他環節如：水環境功能區劃，情景控制方案的建立等提供決策分析.分析者可以在QJ市整個水污染控制規劃中，實時地獲取水環境綜合信息，并直接在電子地圖上進行流域水污染控制.

3.3 GIS在QJ市水污染控制規劃應用的成果表達

在QJ市水污染控制規劃中，結合具體的需求，選擇了用戶界面友好且功能強大的ArcGIS9.3地理信息系統作為研究的平臺.實踐表明，利用GIS技術在QJ市水污染控制規劃中取得了非常好的效果.利用GIS的疊置技術，建立了QJ市水系分布圖（圖3），可以快速獲得QJ市河網河渠間的相對位置及其流經的區域等信息.利用GIS技術，在電子地圖上劃分出QJ市水環境功能區劃（圖4），并直觀地表達出區劃的結果.圖4表明：QJ市二類水環境功能區有漢江和東荊河，三類水環境功能區有田關河、西荊河、總干渠、興隆河、下東干渠，四類水環境功能區有上東干渠、百里長渠、漢南河，五類水環境功能區有城南河.圖5為QJ市排污河渠剩余水環境容量示意圖，利用GIS的可視化技術及水環境容量模型，對規劃方案中不同河段的剩余水環境容量進行直觀呈現.圖5表明：中干渠剩余水環境容量為負值，其他河渠剩余水環境容量雖為正值，但都較小.圖6為QJ市水污染控制措施規劃圖，利用GIS技術，建立了QJ市水環境信息數據庫，并分析出QJ市水污染控制措施——“引水活城”方案的線路及規劃污染處理廠的位置，進而得到了QJ市水污染控制措施規劃專題圖［11］.圖6表明：QJ市引水活城項目為，東荊河以西，由“引江濟漢”河渠到興隆河，經躍進河、荊幺河、下西荊河至中干渠；東荊河以東興建跨東荊河倒虹管和導流明渠，由興隆河引水至百里長渠.

圖3 QJ市水系分布圖Fig.3 Distribution of river system in QJ

圖4 QJ市水環境功能區劃Fig.4 Water environment functional zoning in QJ

圖5 QJ市排污河渠剩余水環境容量示意圖Fig.5 Residual water environmental capacity of discharged river in QJ

圖6 QJ市水污染控制措施規劃圖Fig.6 Water pollution control measure planning in QJ

4 結 語

本次是GIS技術在江漢平原河網地區水污染控制規劃中的首次應用.實踐表明，GIS作為一個必不可少的工具滲透到水污染控制規劃過程的每一個環節.在ArcGIS9.3的環境中，將環境監測及環境統計數據與具有空間意義的底圖相關聯，使數據具有空間屬性，為QJ市水環境數據管理、空間圖形表達和規劃決策分析提供了有效的工作平臺和技術支持.

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