基于GIS构建的西安市地下水污染防治方法研究

任唯敏

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

基于GIS构建的西安市地下水污染防治方法研究

任唯敏

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

以西安市地下水污染防治GIS系统的构建设想为例，根据GIS软件平台的要求采用基于转换器的数据融合，将所搜集到的不同格式的空间数据通过统一的交换格式转换成为GIS软件平台所能识别的格式，并将所有空间和属性数据导入到统一的关系数据库中，以实现数据库对水文地质空间和属性基础数据的统一管理和调用。通过将GIS控件与其它非GIS控件集成起来，形成完整的预测、评价系统，为西安市水污染防治辅助决策支持系统提供有力支持，实现地下水污染信息管理的科学化、现代化及规范化。

水污染防治;GIS;构建

随着社会经济的飞速发展和人口的不断增长，人类面临着能源匮乏和环境污染两大问题。同时，人们对水量和水质的要求也不断提高。地下水资源是一种宝贵的资源，随着工业的发展，由于污水的不合理排放，造成了地下水污染问题已经普遍存在，为人们的生活带来严重困扰。地下水资源问题是当前水资源的一个核心问题。在新的形势下，运用科学技术手段，监测预报地下水变化情况，是当前水资源管理的一个重要问题，也是具有实用价值和科学意义的研究问题。由于城市地下水管网的复杂性，地下水管理工作成为一项繁重而复杂的工作，而地理信息系统 GIS技术的快速发展为此提供了技术支持［1－2］。GIS可以模拟地下水流，是地下水流模型具有可视性和可操作性，使水污染治理的行政人员可以及时、深入的了解城市地下水的存储、运动情况，为地下水的管理提供科学的依据。

1 地下水地理信息系统发展现状

20世纪70年代到80年代末，计算方法、GIS和遥感技术的发展，促进了地理信息系统在水资源环境领域的应用。20世纪80年代末，国际上开始研究GIS与水文模型的集成问题，学术机构对这个时期地下水地理信息系统的发展起了积极的引导作用。20世纪90年代以来，GIS应用一直是水资源环境学科中的一个热点课题，1993年，在美国亚拉巴马州比尔市举行了“地理信息系统和水资源专题讨论会”，涉及地下水模型、水质和水资源利用等方面研究。1996年又在维也纳召开了GIS在水文学及水资源中的应用专题学术国际会议。同时一些发达国家在地下水领域广泛的开发和应用各种不同用途的地理信息系统软件，使该领域发生了深刻的变化。此外，一些GIS软件商还定期召开用户交流会，如 ESRI(Environmental Systems Research Institute)公司每年都召开全球及区域性的GIS用户交流会，水资源是其一单独主题。

我国在20世纪90年代陆续开始有关于地理信息系统在地下水领域应用的论文公开发表。最初主要是一些有关国内外地理信息系统在地下水领域应用情况的介绍，到90年代后期，开始进行了有关地下水地理信息系统开发和研制的工作。同时地理信息系统在地下水资源环境领域应用的深度和范围也不断扩大，如地理信息系统在地下水资源管理、地下水检测网络设计、地下水数值模拟、地下水资源评价、地下水污染风险、地下水补给区保护、地下水资源量计算与制图、地下水模拟及可视化、地下水三维可视化以及城市地下水资源管理等方面不断有新的进展［3］。

2 地下水污染概念及西安市地下水污染现状

2.1 地下水污染概念

地下水的污染是指由于人类活动直接或间接地影响，致使水的可能利用范围与原来的水质相比受到了全部的限制。费里德(Fried，1975)认为:污染是指水的物理、化学和生物性质的改变，因而限制或妨碍它在各方面的正常应用。因此，地下水的污染是指由于人类活动使地下水的物理、化学和生物性质发生改变，因而限制或妨碍它在各方面的正常应用［4］。

2.2 西安市地下水污染现状

西安市水资源总量为31.46×108m3(包括河川径流量和地下水资源量)，可开采的地下水量约14×108m3。城市供水主要靠开采地下水，市区周围的灞、沣、渭河等，是西安市市区用水的主要供水源地。由于需要量越来越大，补给量有限，严重的超采造成深层承压水位大幅度下降，加上水质污染，水的供需矛盾相当突出。地下水的过度开采，使地表受污染的水补充到地下水中，从而使得地下水也受到了不同程度的污染。地下的潜水、承压水都有污染，而以潜水的污染最为突出。污染的表现是矿化度普遍提高，以城区和北郊污灌区最高，超过1.5 g/L，最高为3.1 g/L，随着矿化度的增加，潜水的化学类型也由重碳酸型水，逐步转化为氯化物型水。氮素污染加剧，根据观测资料，城区和近郊区潜水中硝氮含量平均为189mg/L，已经大大超过背景值。目前年平均增高2mg以上，污染在逐年加重，水质趋于恶化。现在西安市城区潜水污水日益加重，有害物质已达20多种，重污染区已达120km2。承压水地下水位深，主要受六价铬、砷、酚、汞、氟以及有机物污染。监测表明:六价铬污染区，在南郊、东郊和东北郊已连成片，面积达44.4km2;砷污染区在西郊及城西南已连成片，污染面积达56.81km2;酚污染分布在东郊，面积19.7km2;氟污染区分布在南郊西影路地段、东郊胡家庙和长乐坡一带，西郊也有零散分布。1997年与1979年比，西安市的废污水排出量整整翻了一番，而污水的集中处理率增长幅度很小(见表1)。1998年西安市每天排放的工业废水和生活污水约72×104t，其中仅有1/7进入一级污水厂处理［5］。

表1 西安市区废水排放和治理率

3 西安市地下水污染防治GIS构建流程

3.1 构建水污染 GIS数据库

3.1.1 数据准备

GIS数据包括空间特征数据和属性特征数据，其中空间特征数据包括行政图、地形图和污染源、水质监测站、水功能区等专题图，负责研究区内的空间坐标数据的管理;属性特征数据主要包括污染物浓度汇总数据、水质监测数据、水环境标准数据、水功能区数据等负责所对应空间位置的属性数据的管理。

3.1.2 建立 GIS数据库

通过MapGIS或Super Map将原有的地形图、水文地质图矢量化，对其进行空间分析，同时将各种污染物的标准输入，建立GIS数据库。

3.2 构建模型、方法库

进行地下水污染防治过程中，需要评价和预测地下水的现状及未来年份的水质信息，据此制定水污染的防治方案。水质预测一般包括两方面内容:一是污染物排放量的预测，二是区域水环境质量的预测，通过污染物的排放量来推断水质变化的方向和程度［6］。水质预测的一般方法是通过已取得的情报资料和监测、统计数据对水污染的现状进行评价，以此作为基准年的水质状况，然后根据经济、社会发展规划中各水平年的发展目标，选择适当的预测模型，对将来或求知的水质前景进行估计和推测。

科学的水质预测是水质管理的依据，利用模糊数学、残差分析［7］等数学工具对地下水水质模型进行优化和改进的水质评价模型有基于模糊权的回归预测模型、基于残差改正的灰色模型等。从水质模型的空间维数来看，应用一维水质模型，输入地下河流平均流速、上游来水水质浓度、衰减系数等参数值，模拟计算出下游河段各分段的浓度值的大小，利用空间插值方法对地下水的污染程度进行分析，以计算出未知点的污染度。二维水质模型是将横向与纵向综合考虑，而三维水质模型是在二维模型的基础上加上一个时间轴，从而分析地下水中污染物随时间变化的规律。实现水质模型与GIS的有效连接，不仅可以提高信息系统的水质监测功能，而且也便于水质模型的推广应用，强化水质模型的预测效率，增加地下水污染的评价精度。

一个全面的水质评价，理应反映出水质的污染程度，污染范围和污染历时等三方面的内容。在地下水评价方法中一般采用，一般统计法、数理统计法、模糊数学综合评价法。但已有的评价方法，大都仅在一定程度上反映水体污染程度，而对其他两方面反应得很不够，因此需要多种方法的综合使用。

3.3 构建知识库

知识库主要有基本理论、法规、行业规范、专家知识。基本理论主要包含地下水知识领域中的结构化知识。法规、行业规范主要是对地下水质量、状况等的评价标准的一些规定。专家知识主要是针指对非结构化问题的处理和判断。如地下水水质评价采用国家《地下水质量标准》GB/T14848—93。

图1 西安市水污染防治GIS系统构建流程

4 西安市地下水污染信息的集成管理系统构建

在上述构建库的基础上，以 GIS软件 MapInfo为集成平台，从而构建西安市地下水资源信息管理系统。结构图如图2。系统由五个主要模块组成，分别负责信息输入、维护、查询检索应用分析和信息输出功能［8］。

图2 西安市地下水污染信息系统结构图

(1)信息输入模块:用户通过这一模块输入信息，系统的图形库支持各种图形输入方式，概括有四种:数字化输入、自动扫描输入、计算机自动绘图以及其他系统图形数据的转入。

(2)信息维护模块:用户通过这一模块对数据库和图形库中的数据进行编辑。GIS的图形库具有强大的图形编辑功能，可以满足不同用户的图形编辑需要。用户通过信息维护功能模块，可以修改、增加和删除地图元素(点、线、面)或整个图形对象，还可以对图形进行分割、旋转机互相转化等操作。

(3)地下水信息查询检索:系统充分发挥集成系统对数据的综合管理能力，开发了功能强大的查询模块，用户可以通过一个SQL查询对话框同时对数据库和图形库中数据进行查询，另外还提供了方便快捷的查询工具，使对具体空间对象的信息查询简单到只需点击对象即可完成。

(4)地下水管理与应用分析:用户可以根据实际需要，结合数据库中的数据，在GIS软件强大的空间分析(如叠加分析、缓冲区分析、统计分析等)和空间操作(旋转、缩放、投影变换等)功能的支持下，完成各种分析，为西安市地下水的评价、管理和决策服务。

(5)地下水污染信息输出模块:可以根据用户的需要，把分析结果以数据、报表、专题图鉴等形式，在屏幕上显示，或输出到打印机、或绘图仪上，或存储在磁盘上。

5 结语

GIS在地下水资源环境领域的应用已相当广泛，在许多情况下已成为地下水资源环境研究必要的工具。未来地下水地理信息系统的研究应从以下方面努力:基于GIS、遥感的分布式地下水文模型研究，地下水模型库的研究，地下水地理信息系统的三维可视化研究，将地下水地理信息系统的发展纳入“数字地球”、“数字流域”建设的高度，综合运用3S、虚拟现实、决策支持等技术手段，研制和开发流域水资源环境管理的综合决策平台，实现流域水资源环境的统一管理。

总之，利用GIS技术、数学模型技术建立有专家知识支持的空间辅助决策支持系统，地下水污染防治、预测、评价系统，可大大提高地下水水质模型应用效率，能够实现西安市地下水污染信息管理的科学化、现代化及规范化。利用可视化技术可以增强信息系统界面的友好性、交互性，使其具有形象化的特征，以便于用户使用系统功能。

［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］赵冬平，陈集宁，佟庆远，王浩正，曹尚兵，盛政.基于 G IS构建SWMM 城市排水管网模型［J］.中国给水排水，2005年 24［7］:88－91.

［3］宫辉力，赵文吉，李小娟等.地下水地理信息系统－设计、开发与应用［M］.北京:科学出版社，2006.

［4］张永波，时红，王玉和.地下水环境保护与污染控制［M］.北京:中国环境科学出版社，2003:8.

［5］张蓉珍.西安市水环境问题及治理对策［J］.西安联合大学学报，2002，2(5):80 －81.

［6］刘满平.水资源利用与水环境保护工程［M］.北京:中国建材工业出版社，2005:8.

［7］韦玉春，陈锁忠等.地理建模原理与方法［M］.北京:科学出版社，2005.

［8］江东.地理信息系统及其在全球变化研究中的应用［M］.北京:气象出版社，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，陕西泾阳人，在读硕士研究生，研究方向:遥感与GIS应用。