GIS在水污染控制规划中的辅助应用——以湖北省某市河网为例

刘芳芳，黄升谋，陈伟亚，杨永涛

（1.湖北文理学院 化学工程与食品科学学院，湖北 襄阳 441053；2.武汉工程大学 环境与城市建设学院，湖北 武汉 430074；3.中国铁建十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉 430074）

1 引言

水污染控制规划是在污染源调查和水质现状评价的基础上，依照国家或城市对相应水体功能的环境质量要求，建立相应的数学模型，计算出水体中各污染物的最大排放量（即水环境容量），然后根据规划水平年预测的污染负荷计算出污染物消减量，以使水域功能满足所要求的环境质量标准，并提出最近的水污染控制规划方案。在水污染控制规划成果的基础上，将GIS应用与污染源调查、水环境功能区划、水环境容量计算及规划措施的提出等各个过程，提高了水污染控制规划的数据管理能力和规划水平[1]。

水污染控制规划涉及的数据较繁琐，利用GIS技术，建立水环境基础数据库，可以将空间数据及属性数据、原始数据及新生成的数据进行合理规范的管理；水环境信息可以随时更新，水环境数据实现了在整个水污染过程中的共享；将规划成果制成专题图，并实现可视化查询，为水污染控制规划决策者提供了直观可视的工作界面，大大提高了工作效率[2]。

潜江市位于湖北省中南部江汉平原腹地，东经112°29′～113°01′，北纬30°04′～30°39′，境内地势平坦，地面高程在26～31m之间。潜江地处河口三角洲上，河流的特点是分流较多，变化较大。建国以来，全市建立了相对独立完善的防洪、排涝、抗旱工程体系，共开挖干支渠62条，斗农渠4732条，排灌渠道总长6276km。全市现建有提排泵站171处，提灌泵站40处。因此，全市有天然和人工两大类河渠，天然河渠有汉江和东荆河；人工河渠主要有田关河、下西荆河、总干渠、城南河、百里长渠、汉南河等骨干排灌支干渠。全市水域面积占自然面积比例为9.8%。潜江市属汉江流域，其中东荆河以西为四湖流域，主要纳污水体为西荆河、总干渠、兴隆河、东干渠；东荆河以西为汉南片区，主要纳污水体为城南河、百里长渠和汉南河。潜江市内大小沟渠纵横交织，具有典型的江汉平原河网特征。

2 水环境基础数据库的建立及污染源调查

基础数据库的建立和污染源调查是水环境管理的基础工作，涉及大量的地理空间数据和属性数据。地理信息系统可以将两者相关联，建立水环境基础数据库[3]。在此基础上，进行污染源调查，使水环境功能区的划分、水环境容量的计算及水污染控制措施的成果直观呈现。

本研究是通过现场调研的方式获得基础数据，主要有：潜江市环保局提供的由湖北省测绘局编制的1∶1万CAD格式的数字地图，潜江市共103幅，地形数据图层共有10层；各类普通地图及专题地图（包括潜江市主要污染源分布图、监测断面分布图）；各类监测数据（潜江市环保局提供的潜江市河网河渠例行监测点的污染物的监测值）[4]。

调研所得数据需要进一步处理，建立数据库，才能进行污染源分析、水环境规划和决策。本研究通过ArcCatalog建立Personal Geodatabase，即建立空间数据库；通过Microsoft Acess建立属性数据库。

2.1 空间数据库的建立

2.1.1 CAD格式文件转换

本数据库的基础地理数据为103幅CAD格式的文件，不能被ArcGIS软件直接使用，需转换为地理信息系统可以直接使用的Shapefile格式的文件。将一幅CAD格式的文件导入ArcMap中，在ArcMap中即自动被转换为＊.dwg格式的点文件、线文件、多边形文件。利用ArcToolbox，分别将CAD（＊.dwg）格式的点文件、线文件、多边行文件转换为Shapefile（＊.shap）格式点文件、线文件、多边行文件，并导出转换后的文件，分别存储于3个图层中[5]。

2.1.2 图层拼接

利用AcrToolbox的Apend（追加）命令，分别将103幅Shapefile格式的点文件、线文件、多变形文件拼接为一幅Shapefile格式的点、线、多变形图层文件。

2.1.3 提取有效数据

已经拼接好的一幅线文件图层包含水系、行政区界、公路等空间实体，点文件图层包含居民点、取水点等空间实体。分别在线文件中提取出水系、行政区界、公路作为单独的Shape文件，在点文件图层中提取居民点、取水点作为单独的Shape文件。

2.1.4 栅格数据矢量化

将调研所得的图片经扫描成为＊.jpg格式的图件，即为栅格数据，导入到ArcMap中，通过“影像配准”工具，配准到与1：1万基础地理数据相同的坐标系，通过手动录入的方式，对栅格数据进行矢量化，例如提取出主要工业污染源分布图层、涵闸分布图层、监测断面分布图层等。将以上所有图层导入到ArcGIS9.3，建立空间数据库。将从基础地理数据提取出的潜江市的水系图层及行政区划图层导入ArcMap中，见图1。

图1 潜江市水系图

2.2 属性数据库的建立

采集来的调查数据存储在Excel表格中，导入Mcrosoft ACESS 2003数据库，并建立主键，建立属性数据库[6]。矢量空间数据库中，对每一图层，添加字段，并确定主键。将属性数据库与矢量空间数据库相关联。水环境功能区属性数据库在ArcGIS9.3系统中的后台属性数据库见图2。

图2 属性数据库

3 水环境功能区的划分

对潜江市水系进行水环境功能区划，依据《地表水环境质量标准》（GB3838——2002），采用收集资料以及实地调查方法，结合其现状功能和发展规划，初步划分功能区，在此基础上与当地环境管理和有关部门协商，广泛征求意见，最后确定功能区的大小、范围及级别。并对各功能区进行水质达标分析和主要污染源调查[7]。

目前潜江市水环境功能区划主要有Ⅱ类水环境功能区、Ⅲ类水环境功能区、Ⅳ类水环境功能区、Ⅴ类水环境功能区。利用地理信息系统，将不同水环境功能区用不同颜色表示，可以一目了然的将不同水环境功能区进行划分。并且将水环境功能区的空间数据与属性数据（环境功能类型、功能区划）相关联，可以随时查询各水环境功能的属性数据。潜江市水环境功能区划成果图见图3。

图3 水环境功能区划成果图

4 水环境容量的计算

水环境容量是指在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间内该水域最大允许纳污量。潜江市河网河渠水源排灌时期河网涵闸开放，河道流量较大，一般不低于30m3／s；其他时期涵闸关闭，河道基本处于封闭状态，流速缓慢，流量明显减小，降至不到6m3／s，有些河渠甚至出现断流现象。因此，针对潜江市不同时期两种不同的水文特点，对潜江市闭闸期和排灌期分别计算其水环境容量[8]。根据存储在地理信息系统基础数据库中，各河渠水文特征、水质目标、排污方式，采用一维水质河流模型，确定了各水环境功能区水环境容量，扣除入河污染物量，得到各纳污河渠剩余水环境容量，作为水污染物总量控制的依据。各水环境功能区水环境容量计算结果存储于水环境信息数据库，利用地理信息系统的可视化技术，得到剩余水环境容量柱状图，见图4。在此基础上确定各水环境功能区允许纳污量或者污染物须削减量。

5 水污染控制措施的确立

根据各纳污河渠剩余水环境容量的计算结果，潜江市中干渠剩余水环境容量为负值，其他河渠剩余水环境容量虽为正值，但都较小。根据调研所得资料，潜江市境内包含大小乡镇共10余个，目前仅建成城东污水处理厂和城西污水处理厂。根据《潜江市城市总体规划（2008－2020）》，到2020年，潜江市将建成市政及工业园区污水处理厂共14座，计划截止至2015年，在周矶兴建潜江市新区污水处理厂，在潜江经济技术开发区兴建城北污水处理厂，在江汉盐化工业园兴建江汉盐化工业园污水处理厂，远期（至2020年）在王场、浩口、张金、熊口、龙湾、老新、渔洋、后湖农场、运粮湖农场等几个重点乡镇新建污水处理厂。新建污水处理厂要采取二级强化处理工艺，去除有机物质和脱氮、除磷，建设污水处理厂在线监控设施，加强污水处理厂的环境监管，以保证处理后的污水达标排放。并配套建设污水截排管网，实行雨污分流，提高污水处理效率。利用地理信息系统，将规划污水处理厂属性信息存储于水环境信息数据库，并制作出污水处理厂分布图。见图5所示，可以清楚地获得规划污水处理厂的分布信息，并查询其属性信息[9]。

图4 潜江市排污河渠剩余水环境容量示意图

针对纳污河渠排灌期和闭闸期流量差异大，人工调控水平高的特点，对中干渠、东干渠、百里长渠、汉南河等纳污水体，在严格控制污染物入河量的前提下，通过调水充盈河渠，利用水体的稀释和自净能力净化污染物，增加水环境容量。因此，以兴隆水利枢纽工程和“引江济汉”工程建设为契机，在潜江建设“引水活城”工程，加大从汉江引水量，合理分配和调度，将江河湖渠联通起来，提高地表水体纳污能力。利用地理信息系统的可视化工具，制作了“引水活城”项目的路线图，见图6，使规划措施更加直观。

图5 污水处理厂分布图

图6 “引水活城”项目路线图

6 结语

本研究以湖北省潜江市河网为例，介绍了地理信息系统在水污染控制规划中的辅助应用。在ArcGIS 9.3的环境中，完成了将水污染控制规划涉及的空间数据（如河流位置、排污口位置、监测断面位置、污染源参数）及其属性数据存储于地理信息系统基础数据库，并实现了水污染控制规划成果的可视化显示、查询和统计，为潜江市水环境数据管理和水污染控制规划提供了有效的技术支持[10]。

[1]涂新军.水污染控制规划与 GIS[J].环境污染与防治，1999，21（4）：38～40.

[2]陶增才，王淑娴，童张洁，等.GIS技术在南宁水环境规划中的应用[C]／／中国化学工程学会.第3届全国化学工程与生物化工年会论文集.北京：中国化学工程学会，2006.

[3]王疆霞，李云峰，徐中华.GIS技术及其在水文学和水资源管理方面的应用[J].西北地质，2003（6）.

[4]王 浩，沈 宏.GIS技术在淮河流域片水资源综合规划中的应用研究[J].水文，2005，25（1）：42～45.

[5]任东风，徐立军，才 艺.CAD到ArcGIS数据转换问题[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010，29（6）：25～28.

[6]何 强，翟 傻，龙腾锐，等.基于GIS的凤嘴江水污染控制规划数据库研究[J].重庆环境科学，2001，23（3）：29～32.

[7]丁福荣.关于滇池流域水污染防治规划的研究[J].资源节约与环保，2013（1）：24，26.

[8]叶 紫，陈伟亚.江汉平原河网区河渠水环境容量的研究[J].环境科学与技术，2010（33）：297～300.

[9]吴孟莉，陈伟亚.湖北省某市水污染物总量控制方案的研究[J].中国科技博览，2012，22（6）：96～99.

[10]彭盛华，赵俊琳，袁弘任.GIS技术在水资源和水环境领域的应用[J].水科学进展，2001，12（2）：264～269.