任唯敏

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

基于GIS構(gòu)建的西安市地下水污染防治方法研究

任唯敏

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西 西安 710127)

以西安市地下水污染防治GIS系統(tǒng)的構(gòu)建設想為例，根據(jù)GIS軟件平臺的要求采用基于轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)融合，將所搜集到的不同格式的空間數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的交換格式轉(zhuǎn)換成為GIS軟件平臺所能識別的格式，并將所有空間和屬性數(shù)據(jù)導入到統(tǒng)一的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫對水文地質(zhì)空間和屬性基礎數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和調(diào)用。通過將GIS控件與其它非GIS控件集成起來，形成完整的預測、評價系統(tǒng)，為西安市水污染防治輔助決策支持系統(tǒng)提供有力支持，實現(xiàn)地下水污染信息管理的科學化、現(xiàn)代化及規(guī)范化。

水污染防治;GIS;構(gòu)建

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人口的不斷增長，人類面臨著能源匱乏和環(huán)境污染兩大問題。同時，人們對水量和水質(zhì)的要求也不斷提高。地下水資源是一種寶貴的資源，隨著工業(yè)的發(fā)展，由于污水的不合理排放，造成了地下水污染問題已經(jīng)普遍存在，為人們的生活帶來嚴重困擾。地下水資源問題是當前水資源的一個核心問題。在新的形勢下，運用科學技術(shù)手段，監(jiān)測預報地下水變化情況，是當前水資源管理的一個重要問題，也是具有實用價值和科學意義的研究問題。由于城市地下水管網(wǎng)的復雜性，地下水管理工作成為一項繁重而復雜的工作，而地理信息系統(tǒng) GIS技術(shù)的快速發(fā)展為此提供了技術(shù)支持［1－2］。GIS可以模擬地下水流，是地下水流模型具有可視性和可操作性，使水污染治理的行政人員可以及時、深入的了解城市地下水的存儲、運動情況，為地下水的管理提供科學的依據(jù)。

1 地下水地理信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代到80年代末，計算方法、GIS和遙感技術(shù)的發(fā)展，促進了地理信息系統(tǒng)在水資源環(huán)境領域的應用。20世紀80年代末，國際上開始研究GIS與水文模型的集成問題，學術(shù)機構(gòu)對這個時期地下水地理信息系統(tǒng)的發(fā)展起了積極的引導作用。20世紀90年代以來，GIS應用一直是水資源環(huán)境學科中的一個熱點課題，1993年，在美國亞拉巴馬州比爾市舉行了“地理信息系統(tǒng)和水資源專題討論會”，涉及地下水模型、水質(zhì)和水資源利用等方面研究。1996年又在維也納召開了GIS在水文學及水資源中的應用專題學術(shù)國際會議。同時一些發(fā)達國家在地下水領域廣泛的開發(fā)和應用各種不同用途的地理信息系統(tǒng)軟件，使該領域發(fā)生了深刻的變化。此外，一些GIS軟件商還定期召開用戶交流會，如 ESRI(Environmental Systems Research Institute)公司每年都召開全球及區(qū)域性的GIS用戶交流會，水資源是其一單獨主題。

我國在20世紀90年代陸續(xù)開始有關(guān)于地理信息系統(tǒng)在地下水領域應用的論文公開發(fā)表。最初主要是一些有關(guān)國內(nèi)外地理信息系統(tǒng)在地下水領域應用情況的介紹，到90年代后期，開始進行了有關(guān)地下水地理信息系統(tǒng)開發(fā)和研制的工作。同時地理信息系統(tǒng)在地下水資源環(huán)境領域應用的深度和范圍也不斷擴大，如地理信息系統(tǒng)在地下水資源管理、地下水檢測網(wǎng)絡設計、地下水數(shù)值模擬、地下水資源評價、地下水污染風險、地下水補給區(qū)保護、地下水資源量計算與制圖、地下水模擬及可視化、地下水三維可視化以及城市地下水資源管理等方面不斷有新的進展［3］。

2 地下水污染概念及西安市地下水污染現(xiàn)狀

2.1 地下水污染概念

地下水的污染是指由于人類活動直接或間接地影響，致使水的可能利用范圍與原來的水質(zhì)相比受到了全部的限制。費里德(Fried，1975)認為:污染是指水的物理、化學和生物性質(zhì)的改變，因而限制或妨礙它在各方面的正常應用。因此，地下水的污染是指由于人類活動使地下水的物理、化學和生物性質(zhì)發(fā)生改變，因而限制或妨礙它在各方面的正常應用［4］。

2.2 西安市地下水污染現(xiàn)狀

西安市水資源總量為31.46×108m3(包括河川徑流量和地下水資源量)，可開采的地下水量約14×108m3。城市供水主要靠開采地下水，市區(qū)周圍的灞、灃、渭河等，是西安市市區(qū)用水的主要供水源地。由于需要量越來越大，補給量有限，嚴重的超采造成深層承壓水位大幅度下降，加上水質(zhì)污染，水的供需矛盾相當突出。地下水的過度開采，使地表受污染的水補充到地下水中，從而使得地下水也受到了不同程度的污染。地下的潛水、承壓水都有污染，而以潛水的污染最為突出。污染的表現(xiàn)是礦化度普遍提高，以城區(qū)和北郊污灌區(qū)最高，超過1.5 g/L，最高為3.1 g/L，隨著礦化度的增加，潛水的化學類型也由重碳酸型水，逐步轉(zhuǎn)化為氯化物型水。氮素污染加劇，根據(jù)觀測資料，城區(qū)和近郊區(qū)潛水中硝氮含量平均為189mg/L，已經(jīng)大大超過背景值。目前年平均增高2mg以上，污染在逐年加重，水質(zhì)趨于惡化。現(xiàn)在西安市城區(qū)潛水污水日益加重，有害物質(zhì)已達20多種，重污染區(qū)已達120km2。承壓水地下水位深，主要受六價鉻、砷、酚、汞、氟以及有機物污染。監(jiān)測表明:六價鉻污染區(qū)，在南郊、東郊和東北郊已連成片，面積達44.4km2;砷污染區(qū)在西郊及城西南已連成片，污染面積達56.81km2;酚污染分布在東郊，面積19.7km2;氟污染區(qū)分布在南郊西影路地段、東郊胡家廟和長樂坡一帶，西郊也有零散分布。1997年與1979年比，西安市的廢污水排出量整整翻了一番，而污水的集中處理率增長幅度很小(見表1)。1998年西安市每天排放的工業(yè)廢水和生活污水約72×104t，其中僅有1/7進入一級污水廠處理［5］。

表1 西安市區(qū)廢水排放和治理率

3 西安市地下水污染防治GIS構(gòu)建流程

3.1 構(gòu)建水污染 GIS數(shù)據(jù)庫

3.1.1 數(shù)據(jù)準備

GIS數(shù)據(jù)包括空間特征數(shù)據(jù)和屬性特征數(shù)據(jù)，其中空間特征數(shù)據(jù)包括行政圖、地形圖和污染源、水質(zhì)監(jiān)測站、水功能區(qū)等專題圖，負責研究區(qū)內(nèi)的空間坐標數(shù)據(jù)的管理;屬性特征數(shù)據(jù)主要包括污染物濃度匯總數(shù)據(jù)、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水環(huán)境標準數(shù)據(jù)、水功能區(qū)數(shù)據(jù)等負責所對應空間位置的屬性數(shù)據(jù)的管理。

3.1.2 建立 GIS數(shù)據(jù)庫

通過MapGIS或Super Map將原有的地形圖、水文地質(zhì)圖矢量化，對其進行空間分析，同時將各種污染物的標準輸入，建立GIS數(shù)據(jù)庫。

3.2 構(gòu)建模型、方法庫

進行地下水污染防治過程中，需要評價和預測地下水的現(xiàn)狀及未來年份的水質(zhì)信息，據(jù)此制定水污染的防治方案。水質(zhì)預測一般包括兩方面內(nèi)容:一是污染物排放量的預測，二是區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的預測，通過污染物的排放量來推斷水質(zhì)變化的方向和程度［6］。水質(zhì)預測的一般方法是通過已取得的情報資料和監(jiān)測、統(tǒng)計數(shù)據(jù)對水污染的現(xiàn)狀進行評價，以此作為基準年的水質(zhì)狀況，然后根據(jù)經(jīng)濟、社會發(fā)展規(guī)劃中各水平年的發(fā)展目標，選擇適當?shù)念A測模型，對將來或求知的水質(zhì)前景進行估計和推測。

科學的水質(zhì)預測是水質(zhì)管理的依據(jù)，利用模糊數(shù)學、殘差分析［7］等數(shù)學工具對地下水水質(zhì)模型進行優(yōu)化和改進的水質(zhì)評價模型有基于模糊權(quán)的回歸預測模型、基于殘差改正的灰色模型等。從水質(zhì)模型的空間維數(shù)來看，應用一維水質(zhì)模型，輸入地下河流平均流速、上游來水水質(zhì)濃度、衰減系數(shù)等參數(shù)值，模擬計算出下游河段各分段的濃度值的大小，利用空間插值方法對地下水的污染程度進行分析，以計算出未知點的污染度。二維水質(zhì)模型是將橫向與縱向綜合考慮，而三維水質(zhì)模型是在二維模型的基礎上加上一個時間軸，從而分析地下水中污染物隨時間變化的規(guī)律。實現(xiàn)水質(zhì)模型與GIS的有效連接，不僅可以提高信息系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測功能，而且也便于水質(zhì)模型的推廣應用，強化水質(zhì)模型的預測效率，增加地下水污染的評價精度。

一個全面的水質(zhì)評價，理應反映出水質(zhì)的污染程度，污染范圍和污染歷時等三方面的內(nèi)容。在地下水評價方法中一般采用，一般統(tǒng)計法、數(shù)理統(tǒng)計法、模糊數(shù)學綜合評價法。但已有的評價方法，大都僅在一定程度上反映水體污染程度，而對其他兩方面反應得很不夠，因此需要多種方法的綜合使用。

3.3 構(gòu)建知識庫

知識庫主要有基本理論、法規(guī)、行業(yè)規(guī)范、專家知識。基本理論主要包含地下水知識領域中的結(jié)構(gòu)化知識。法規(guī)、行業(yè)規(guī)范主要是對地下水質(zhì)量、狀況等的評價標準的一些規(guī)定。專家知識主要是針指對非結(jié)構(gòu)化問題的處理和判斷。如地下水水質(zhì)評價采用國家《地下水質(zhì)量標準》GB/T14848—93。

圖1 西安市水污染防治GIS系統(tǒng)構(gòu)建流程

4 西安市地下水污染信息的集成管理系統(tǒng)構(gòu)建

在上述構(gòu)建庫的基礎上，以 GIS軟件 MapInfo為集成平臺，從而構(gòu)建西安市地下水資源信息管理系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)圖如圖2。系統(tǒng)由五個主要模塊組成，分別負責信息輸入、維護、查詢檢索應用分析和信息輸出功能［8］。

圖2 西安市地下水污染信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1)信息輸入模塊:用戶通過這一模塊輸入信息，系統(tǒng)的圖形庫支持各種圖形輸入方式，概括有四種:數(shù)字化輸入、自動掃描輸入、計算機自動繪圖以及其他系統(tǒng)圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)入。

(2)信息維護模塊:用戶通過這一模塊對數(shù)據(jù)庫和圖形庫中的數(shù)據(jù)進行編輯。GIS的圖形庫具有強大的圖形編輯功能，可以滿足不同用戶的圖形編輯需要。用戶通過信息維護功能模塊，可以修改、增加和刪除地圖元素(點、線、面)或整個圖形對象，還可以對圖形進行分割、旋轉(zhuǎn)機互相轉(zhuǎn)化等操作。

(3)地下水信息查詢檢索:系統(tǒng)充分發(fā)揮集成系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的綜合管理能力，開發(fā)了功能強大的查詢模塊，用戶可以通過一個SQL查詢對話框同時對數(shù)據(jù)庫和圖形庫中數(shù)據(jù)進行查詢，另外還提供了方便快捷的查詢工具，使對具體空間對象的信息查詢簡單到只需點擊對象即可完成。

(4)地下水管理與應用分析:用戶可以根據(jù)實際需要，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在GIS軟件強大的空間分析(如疊加分析、緩沖區(qū)分析、統(tǒng)計分析等)和空間操作(旋轉(zhuǎn)、縮放、投影變換等)功能的支持下，完成各種分析，為西安市地下水的評價、管理和決策服務。

(5)地下水污染信息輸出模塊:可以根據(jù)用戶的需要，把分析結(jié)果以數(shù)據(jù)、報表、專題圖鑒等形式，在屏幕上顯示，或輸出到打印機、或繪圖儀上，或存儲在磁盤上。

5 結(jié)語

GIS在地下水資源環(huán)境領域的應用已相當廣泛，在許多情況下已成為地下水資源環(huán)境研究必要的工具。未來地下水地理信息系統(tǒng)的研究應從以下方面努力:基于GIS、遙感的分布式地下水文模型研究，地下水模型庫的研究，地下水地理信息系統(tǒng)的三維可視化研究，將地下水地理信息系統(tǒng)的發(fā)展納入“數(shù)字地球”、“數(shù)字流域”建設的高度，綜合運用3S、虛擬現(xiàn)實、決策支持等技術(shù)手段，研制和開發(fā)流域水資源環(huán)境管理的綜合決策平臺，實現(xiàn)流域水資源環(huán)境的統(tǒng)一管理。

總之，利用GIS技術(shù)、數(shù)學模型技術(shù)建立有專家知識支持的空間輔助決策支持系統(tǒng)，地下水污染防治、預測、評價系統(tǒng)，可大大提高地下水水質(zhì)模型應用效率，能夠?qū)崿F(xiàn)西安市地下水污染信息管理的科學化、現(xiàn)代化及規(guī)范化。利用可視化技術(shù)可以增強信息系統(tǒng)界面的友好性、交互性，使其具有形象化的特征，以便于用戶使用系統(tǒng)功能。

［1］HeC S，Croley I IT E. Application of a distributed large basin runoff mode l in the Great Lakes basin［J］. Control Engineering Practice，2007，15(8):1001－ 1011.

［2］趙冬平，陳集寧，佟慶遠，王浩正，曹尚兵，盛政.基于 G IS構(gòu)建SWMM 城市排水管網(wǎng)模型［J］.中國給水排水，2005年 24［7］:88－91.

［3］宮輝力，趙文吉，李小娟等.地下水地理信息系統(tǒng)－設計、開發(fā)與應用［M］.北京:科學出版社，2006.

［4］張永波，時紅，王玉和.地下水環(huán)境保護與污染控制［M］.北京:中國環(huán)境科學出版社，2003:8.

［5］張蓉珍.西安市水環(huán)境問題及治理對策［J］.西安聯(lián)合大學學報，2002，2(5):80 －81.

［6］劉滿平.水資源利用與水環(huán)境保護工程［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2005:8.

［7］韋玉春，陳鎖忠等.地理建模原理與方法［M］.北京:科學出版社，2005.

［8］江東.地理信息系統(tǒng)及其在全球變化研究中的應用［M］.北京:氣象出版社，2003:3.

Study on Groundwater Pollution Prevention and Control Method Based on GIS in Xi’an City

REN Wei－min
(College of Urban and Environment;Northwest University，Xi an 710127，Shaanxi)

As GIS construction idea which is about groundwater pollution prevention and control as an example in Xi’an city，according to the requirements of GIS software platform based on data fusion，transfer different format spatial data to the format which GIS software platform can identify through the unified exchange format conversion，then import all spatial data and attribute data to unity relational database，in order to management and call the hydrogeology space database and attribute data. Through the integration of GIS controls and non GIS controls，forming a complete prediction and evaluation system which provide powerful support for the prevention and control of water pollution in Xi’an city，realize groundwater pollution information management scientific，modernization and standardization.

Water pollution control;GIS and construct

P641.69

A

1004－1184(2011)06－0057－03

2011－06－01

任唯敏(1984－)，女，陜西涇陽人，在讀碩士研究生，研究方向:遙感與GIS應用。