基于GIS的流域水环境水质时空演变特征及其综合评价

2018-05-05孔海燕王建英

中国资源综合利用 2018年2期

赵颖，邢昱，孔海燕，孙燕，王建英

（河南省环境监测中心，郑州 450004）

流域是一种地理单元。流域有着丰富的水资源，在农耕时代，对人们的生活、生产影响极大，流域构成的生态系统能净化环境，集聚人类，产生了很多古老文明。伴随着社会的发展和工业的进步，人类活动对流域生态产生了不良的影响，导致了很多水环境问题的产生，如水土流失、水质恶化等。流域水环境评价是解决流域水环境问题的基础。水环境质量评价结果的好坏取决于监测的数据和所采取的评价方法。GIS具有呈现和表达信息更直观以及分析功能更强大等优势，在监测和评价上得到广泛的应用。

1 流域水环境水质评价中存在的问题

1.1 基于整个流域评价的断面布控数量不足

根据2014年中国环境质量报告，国家地表水环境监测网由覆盖十大流域的423条河流和62座湖泊（水库）的972个断面（点位）组成[1]。平均一条河流的监测断面不足2个。淮河流域监测断面94个，干流全长超过1 000 km，而水质监测断面只有10个；珠江流域监测断面54个，干流长达2 000 km，水质监测断面只有18个；辽河流域监测断面55个，干流长度超过1 000 km，水质监测断面只有14个。由此可以看出，我国主要流域水质监测断面数量严重不足，断面少获得的数据就少，数据少会对数据的准确性产生很大影响，影响数据的解读，影响相关环境保护政策的制定。

1.2 流域水质在线监测难以普及

流域水质的在线监测建设和运行管理等需要投入大量的人力、物力和财力，需要花费大量的资金，也需要专业的人才来使用和维护。一些经济落后的地区根本没有配置相关设施设备，有些地区虽然配置了相关设施设备，但也缺乏这方面的专业人才。有些监测站没有相关的无线数据传输设备，无法实现在线监测。由于设施设备、人员问题，以及相关的监督机制不健全，一些地区流域水质在线监测难以普及，监测数据不能及时、有效利用起来，评价缺乏依据。

1.3 流域水质评价缺乏整体管理性

我国的环境监测起步晚，无论是技术水平，还是从业人员数量、质量，制度建设都与发达国家有一定差距。水质监测网络的落后已成为从根本上改善水环境的重大阻碍。我国有世界第三长的河流长江，也有很多有名的河流，如黄河、珠江、松花江等，这些河流哺育了文明、促进了社会的繁荣发展，而关于它们整体的水质监测网络不见成形。我国的环境治理、保护以行政区域为主，各行政监测单位各自为政，缺乏联动，对流域水环境的监测、评价存在明显的区域化，缺乏整体性。

2 GIS技术在水环境中的应用

地理信息系统（GIS）是一种在计算机软硬件的支持下，对地理数据进行获取、存储、分析、显示、输出的信息系统。流域水环境水质状况随空间分布变化，空间特征强，而GIS技术对空间数据处理、分析能力强大。将GIS技术结合水质评价模型就可以把流域水环境水质变化特征通过图形形式展现出来，这种方法直观、有效，不失为流域水环境评价的好方法。表1是一些常见的用于水环境评价的水质模型。

表1 水环境评价的水质模型及其主要功能

20世纪80年代末，上海环境管理部门开始将GIS应用于黄浦江流域，用作该流域水环境水质的实时监测和预测。此后，GIS凭借其强大的空间分析功能，广泛用于水污染控制、水质评价以及水环境功能区划中。目前，GIS在水环境中主要应用于水污染防治方案规划、水污染事故应急、水环境管理、水质评价等方面。

2.1 水污染防治规划

水污染防治规划的制定涉及污染指标数据的采集、数据指标的分析存储、污染规律的模拟、防治规划的效果预测以及多种控制方案的比较。GIS应用于水污染防治规划，可以将多个污染指标和数据进行分层管理，将数据进行前处理及直观的呈现，使污染防治规划更加合理。

2.2 水污染事故应急

水污染突发事故通常会对生态环境和人体健康造成较大威胁，在水污染事故发生时，应及时作出反应，对污染事故作出处理。人们要具备应急处理能力，及时了解突发水污染事故准确的发生地点、精确的发生时间以及明确的发生原因和污染发展方向。GIS可对突发的水污染事故进行模拟，迅速确定污染波及的范围和对环境造成的影响，为事故的处理提供依据。

2.3 水环境管理

GIS可进行叠置分析、距离分析以及包含分析等。在水环境管理中，应用GIS技术实现数据的存储、处理、查询、输出和预测，可以给水环境管理以及水环境决策提供依据。

2.4 水质评价

流域水环境污染受到时间和空间的影响，在水质评价时通常所获取的数据是特定的地点和时间，为综合评价流域的水环境质量，需要对这些单独的数据进行综合评价，用以获得流域水质在时间和空间上的演变特征。GIS技术结合水质评价模型，可形成流域内水质在空间上的分布规律，还可对未监测区域的水质进行评价。

尽管GIS技术结合一些水质评价模型能够很好地应用到水质综合评价中，但这种方法还有一定缺陷，需要进行深入的研究。

水环境的时空特征要求GIS能对三维、四维空间进行分析，而现在的GIS技术在这方面还存在一些难以解决的问题；水环境数据可能来源不同，会导致精度不同、格式不同，如何消除原始数据对水环境评价的影响值得深入研究；GIS进行水环境评价通常结合一些水质评价模型，这些模型结构复杂，建设周期长，模型的数据格式不一定能和GIS数据格式进行匹配，因此研究水质评价模型的数据格式与GIS数据格式也是一大课题；流域水环境特征不同于街道网络、资源分配等网络类型，它的时空特征很强，需改进GIS网络分析模型，使GIS更适合水环境评价。

3 GIS在流域水环境水质时空演变中的应用研究

水环境质量存在空间的差异，这些差异由自然环境和人类活动共同构成，了解这些分布差异，有助于探究污染的形成原因并根据污染特点制定差异化的解决措施。在时间上，探究水环境质量的变化规律可对污染控制方法的有效性作出评价，可纵向探究人类活动和自然环境改变对水质的影响。因此，流域水环境水质的时空演变特征对污染源的发现、水环境质量的发展变化以及预测有重要意义。常见的时空分析包括污染物和水质的空间分布研究、水质类型空间分布研究、污染物空间扩散研究、水质变化过程模拟研究等。目前，水环境时空研究主要有数理统计法、水质模型法、遥感方法、地理信息技术以及多种方法相结合。GIS因其强大的空间处理能力，在水环境水质的时空演变上有着明显优势，其主要功能体现在缓冲区分析、多边形叠置分析、空间数据内插等技术上。

国内外学者对GIS应用于水环境水质时空演变做了大量研究，研究结果表明，应用GIS可以直观地表示流域水环境水质的时空演变规律。胡连伍应用GIS技术结合简化的USLE模型分析了杭埠-丰乐河流域的非点源污染，发现研究区域对巢湖水质环境有重要影响，该区域非点源污染的动力学因子是土地利用和覆盖，该法可以用来研究土地利用情况对非点源污染时空变化的影响[2]。王少平将非点源污染模型经过模拟试验进行修正，结合GIS技术发现村镇是苏州河非点源污染的重要区域，畜牧禽类粪便是村镇的首要污染物、鱼塘污染负荷大，他提出为了达到苏州河水质目标，应该对村镇垃圾进行集中处理，人畜粪便可用于肥田，可以通过改变鱼饲料结构来改善鱼塘水质等[3]。程军蕊将集成水质模型结合GIS技术，模拟宁波市皎口水库流域水质时空变化特征，发现模拟指标浓度趋势变化和实际测量结果趋势一致，基于GIS技术进行的水质模拟能反映实际流域水质状况，这种技术能够为环境治理、保护决策提供依据[4]。田帅应用GIS技术结合多层前馈网络模型对雅安市雨城区地下水水质状况进行研究，发现此方法比较直观，结果符合实际[5]。GIS技术能很清晰地再现地下水水质分布情况，对水问题深入研究意义重大。