城市化进程中的水环境质量预警研究

■顾涛

（昌吉州环境污染监控中心新疆昌吉831100）

城市化进程中的水环境质量预警研究

■顾涛

（昌吉州环境污染监控中心新疆昌吉831100）

随着工业进步和社会发展，水污染问题日趋严重，加强水质的预测预警、防治水污染是水资源保护的一项紧迫而又重要的任务。本文对昌吉州头屯河流域的水环境质量，构建了基于GIS平台的水污染预警系统，实现了水质模型与GIS的集成，为确定水污染事故影响程度及范围、制定和实施污染事故应急预案提供了可靠依据。

水环境质量预警GIS

1　系统设计

GIS平台的水污染预警系统模块主要由系统数据库管理模块、预测分析方法库模块、监测预警分析模块、系统输出模块四部分组成。其系统功能主要包括：数据编辑功能、河道网格自动剖分功能、预测分析功能、水质评价及预警分析功能、可视化显示及查询功能、输出功能。

2　系统实现中的主要问题

2.1河道网格剖分

2.1.1获取河道边界及河道轴线控制点

河道边界主要用于控制划分计算网格的范围，河道边界的控制点应尽量能反映河道真实边界，若控制点不能与河道的边界较好地拟合，可增加控制点直至满意为止，并不要求左右两岸河道边界的控制点数目相同。河道轴线上的控制点应尽可能描述河流主要流向及位置。

2.1.2划分河道轴线

根据顺河流方向指定单元长度l，将河道轴线划分为等距离的若干段n，并获取每段节点坐标（x，y）。河道轴线的总长度为L，根据河道轴线控制点坐标A（aix，aiy）计算相邻两控制点间的距离li，。

2.1.3求取河道轴线上垂线与河道边界的交点

根据求得的河道轴线分段节点坐标（xj，yj），求经过该点并垂直该段轴线的直线与两岸河道边界的交点（bix，biy）。简化该模型，即为求一条直线与一条多段线的交点坐标。判断直线与多段线上每段直线的关系，若相交则求其交点，该交点即为直线与多段线的交点。

2.1.4形成网格

由河道轴线上分段节点坐标C（xj，yj）、河道边界交点B（bix，biy）及垂直轴线方向网格数目p，将分段节点C与河道边界交点B的连线分成p等份，其节点坐标为D（xk，yk），则四个节点D1（xk，yk）、D2（xk+1，yk+1）、D3（xk+p+1，yk+p+1）、D4（xk+p+2，yk+p+2）可形成一个四边形网格。

2.2水质模型与河道计算网格的集成

水质模型的计算对象为河道计算网格的单元，根据水质模型中各参数的含义，在生成河道计算网格过程中，需同时记录单元所在河道位置的断面宽度Width、单元形心坐标值CenterXY、单元形心沿河流方向的距离DeltaX、单元形心至河道轴线的距离DelatY。在生成河道计算网格时，为单元添加这些属性字段，并将这些记录的参数保存至相应的属性字段中。

为避免每次预测分析污染物时都重复河道计算网格划分，可先将整个流域的河道进行网格剖分。在预测分析时，根据污染源的空间位置在河道计算网格上进行空间查询，查询到该污染源对应河道计算网格中的单元并获取该单元形心沿河流方向的距离DeltaX，则河道计算网格中所有DeltaX值大于该值的单元均为本次预测分析的对象。在确定预测分析的计算对象后，即可根据水质模型及每个计算对象的属性值进行计算分析。

3　应用实例

3.1工程概况

头屯河发源于天格尔达坂的北麓，是介于昌吉和乌鲁木齐之间的一条界河，由位于高中山带的七大支流汇集而成，经过乔楞格尔、八一农学院林场、金涝坝、庙尔沟、硫磺沟，由西南向东北，穿过山涧，于哈地坡流出山口，穿过山前平原，流入西戈壁。头屯河全长179km，平均宽度240m，集水面积1562km2，流域面积2880km2，头屯河年均径流量2.34亿m3，最大径流量3.148亿m3，最小径流量1.63亿m3，年平均流量7.42m/s，水位标高为573.457m，属老年期河床。头屯河水系从上游到头屯河水库，到新疆八一钢铁厂附近，再到新疆电线电缆厂以南，最后流经昌吉市，河水的水质经历了污染、自净、再污染、再自净的过程，即该水系水质在新疆八一钢铁厂以上较好，可做多种用途的供水水源，新疆八一钢铁厂以下，虽然整体水质达到地表水水质Ⅲ标准，但部分水质指标已呈现逐年递增趋势，如不加以管控，未来可能会出现超出地表水水质Ⅲ标准的情况。

3.2河道网格自动剖分

在河道网格剖分过程中，网格间距的选取将直接关系到生成网格所需时间及生成的单元数目。网格间距越大，生成网格所需时间越短，生成单元数目越少，水质模拟的精度会随之降低。因此，本文从头屯河选取一段长约14.5km的河段为研究对象，顺河流方向单元50 m，垂直轴线方向网格数目10，共生成239 360个单元。

3.3水污染预测分析

水污染预测分析主要根据水质模型及污染源相关信息计算河道网格单元。目前，本系统已集成河流二维稳态混合衰减模型、二维瞬时点排放模型、河流一维水质模型及多污染源污染分析模型。为适应不断发展和完善的水质模型理论，本系统还提供了开放的算法模型接口，具有很好的通用性和扩展性。

3.4可视化显示与查询

系统以ArcGISEngine为GIS开发平台，使用MapControl等控件来实现流域地理信息的可视化展示及GIS数据管理。在系统中，通过ArcGIS Engine提供的地图浏览工具可实现GIS数据加载、地图缩放、平移、数据查询等功能。

4　结语

构建了基于GIS平台的昌吉市头屯河段水污染预警分析系统，不仅实现了河道计算网格自动剖分功能，还实现了水质监测信息的空间数据查询、可视化展示和动态演示等功能，显著增强了水质预测分析及预警分析的直观性和水污染管理的高效性。

［1］王剑利，石为人，蔡章利，等.预警系统中GIS与水质预测模型的集成应用研究 ［J］.仪器仪表学报，2008，29（8）.

［2］曾雨.基于GIS的闽江流域水污染事故预警应急系统研究 ［D］.福州：福建师范大学，2008.

P41［文献码］ B

1000-405X（2016）-8-417-1

顾涛（1976～），男，本科，副高级工程师，研究方向为环境监测和环境污染监控等。