基于GIS的抚仙湖水源区污染分析

满亚洲，朱兰艳，吕文雅，王 浩，李建涛



基于GIS的抚仙湖水源区污染分析

满亚洲1，朱兰艳1，吕文雅2，王 浩1，李建涛1

（1. 昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093；2. 云南土地整理中心，云南 昆明）

以高源明珠抚仙湖水源保护区为研究目标，将GIS技术和RS技术结合对抚仙湖流域的湖泊水污染源、污染情况进行剖析，构建水源保护区污染源评价指标体系。然后以对污染现状进行定性、定量分析为基础，运用层次( AHP)-灰色度关联法(GＲAP)对饮用水源地污染处理措施进行优选，得到抚仙湖流域污染控制处理的最优方案。

抚仙湖；GIS、RS技术；水体污染；土地利用；治理措施

0 引言

在地球这颗普通而又特殊的蔚蓝色星球上，地表层水资源的存储形式多样有江、河、湖、海、冰川、积雪等。其中湖泊水源地是我国饮用水源的重要类型之一，是最典型的陆面蓄水方式，是生态系统的重要组成部分[1]。近60年来随着人类活动和自然环境的变化，我国湖泊生态环境呈现退化趋势[2]。水环境的治理与保护涉及多学科、多领域、多部门，是一项庞大的系统工程[3]，是可持续发展的核心问题，与人类的未来生存息息相关。

近年来随着水体污染问题的日益凸显，现代技术如计算机平台、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）[4-6]等技术应用于水体污染研究已是大势所趋。在水源地的污染评价中，应用 GIS 技术可以有效地获取模型计算参数，提高数据的输入效率及准确性和可信度，结合RS技术可根据土地类型和利用状况等时空因素的变化进行模拟[7]。同时，利用遥感影像结合GIS技术建立动态模型可以有效获取保护区内土地类型的分布情况和变化情况，为分析保护区湿地资源提供了科学依据[8]。本文以云南抚仙湖为例，结合抚仙湖流域的基础地理信息数据、专题资料和其他相关研究文献，将GIS、RS技术引入水污染分析，对抚仙湖流域的水污染进行分析并对饮用水源地污染处理措施进行优选，得到抚仙湖流域污染控制处理的最优方案。

1 研究区域概况

抚仙湖（N 24°21¢— 24°38¢，E 102°49¢—102°57）位于云南省中部，坐落在三县（江川区、澄江县、华宁县）间，属南盘江水系，是我国最大的高原深水湖，水储量大。湖泊水域面积约21660 hm2，湖岸线长达100.8 km，流域径流总面积约为105300 hm2，共拥有50多条入湖河道，其中主要的入湖河流有梁王河、东大河、牛摩河、马料河、东大河等。（抚仙湖位置概略图见图1；湖泊陆上径流域详况见图2）

图1 抚仙湖位置概略图

图2 抚仙湖陆上水流分布图

抚仙湖起源于地质年代第三纪末，后在地质时期地中海-喜马拉雅造山运动过程中因地壳断裂陷落形成，属于地质构造湖。抚仙湖是我们国家和云南省战略饮用水源保护区，是全球同纬度地区唯一水质为I类的湖泊，集农、渔、防洪、工、农、生活用水等多种功能于一体。

2 数据与研究方法

2.1 数据

在RS、GIS技术的支撑下，以1∶40万的行政图，1∶5万的流域水文图，SRTMDEM 90M分辨率原始高程数据、Landsat8Li_TIRS遥感影像数据、云南环境统计年鉴、玉溪市统计年鉴为主要数据源，结合基础地理信息数据、专题资料和其他相关研究文献，利用ENVI 5.3相关工具对遥感影像进行解译、校正、裁剪等处理，后用ARCGIS10.5软件对初步处理好的DEM数据构建抚仙湖流域数字模型，见图3。用最大似然法对抚仙湖流域的土地利用状况进行分类制图，见图4。

图3 抚仙湖流域数字模

2.2 研究方法

2.2.1 水源保护区污染源评价指标体系的建立

评价指标体系是水源地污染控制技术优选中十分重要的部分，该体系的建立应遵循科学、全面、适用和可操作性等原则。科学的评价指标体系可以对湖泊水流域内的经济、社会、环境以及资源等多方面的信息进行综合展示，有助于相关部门合理进行科学决策。因此，水源地水质污染评价指标要建立在以直观定性分析为基础的定量分析上，以揭示水源保护区水质变化程度和变化趋势。然后结合抚仙湖流域污染源的时空分布特征，基于GIS空间分析技术，结合自然地理和社会经济两方面的因素[9-11]，选取总氮（TN）、有机磷和无机磷之和（TP）、污水中存在的游离氨与硝酸盐之和（NH3-N）、化学需氧量（COD）等4个指标作为环境效益指标。

2.2.2 湖泊水环境承载力计算及保护模型选取

2.2.2.1 水环境承载力计算

水质可以直观反映水体质量优差状况，在评定水质质量时有成套的水质参数和水质标准。比如水质模型，它是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描述。运用水质模型可对湖泊污染物在水体环境中的运移转化情况进行模拟、预测[12]。在模拟检测时可选择某项污染物控制因子作为水质模型模拟的计算因子，本文在分析研究的过程中选择TP、TN、COD作为计算因子，对抚仙湖水环境中污染物的运移转化情况做出剖析。文章主要选取平面二维非恒定模型-TDFLW、紊流模型采用混长模型进行计算。

根据 GB3838—2002《地表水环境质量标准》，分别提出规划水质目标（I类）CODMn、TN、TP三类主要污染物的容许入湖负荷量为CODMn 2 mg/L、TN 0.2 mg/L、TP 0.01 mg/L。利用模型公式，分别计算得出抚仙湖在规划水质目标（I类）下CODMn、TN、TP三类主要污染物的水环境承载力，见表1。

2.2.2.2 水源地保护方案评价决策模型选取

水源地保护方案的生成、选取涉及到区域士、农、工、商中的诸多领域。如何选取出一个既兼顾到各方诉求，又能充分维护水源地水质的保护方案，一直以来都是政府决策的难点和民众关注的热点。因此在对水源地保护方案进行优选时需要科学合理的选取方法，需要充分考虑各方因素，如：经济、水源区环境质量、农业、工业、旅游服务业、源区居民幸福指数等。

本文主要运用层次（AHP）-灰色度关联法(GRAP)[13]对饮用水源地污染控制措施进行优选。在对各技术指标定性、定量分析的基础上利用AHP方法结合主成分份分析法构建层次结构关系，构造判断矩阵，对各级准则层、子准则层进行划分，并对决策方案层中评价指标的相对权重做出推导。然后，利用GRAP法计算出各关联度系数，保护措施的选取则根据关联度系数的大小确定，关联度系数的大小与治理措施的选择正相关，关联度系数最大的为最优措施。

3 结果与讨论

3.1 污染物入湖量统计分析

抚仙湖流域主要的面污染源为农村污水、旅游污水、农田径流、农村固废、水土流失以及禽畜粪便；主要的点污染源为工业废水、城镇污水以及磷矿污染。其各自的排放量如表1所示。

表1 抚仙湖流域点、面源污染排放量统计表

Tab.1 Statistics of spot and non-point source pollution in Fuxian Lake Basin

结合表1可知在抚仙湖汇水流域范围内，在面污染源中污染携入量占比最大的污染源为农田径流，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分别为1725.85 t/a、315.64 t/a、26.91 t/a、218.28 t/a。其次为农村污水，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分别为1806 t/a、434 t/a、36.4t/a、29.83t/a。点污染源中为城镇污水，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分别为207.77 t/a、41.18 t/a、3.5 t/a、27.03 t/a。

3.2 土地利用类型现状调查结果

抚仙湖水源保护区总面积约为105300 hm2，其中湖域面积为21660 hm2，除湖泊水域面外还共有土地11130 hm2。文章以1984年《土地利用现状调查技术规程》分类系统为依据[14-15]，结合抚仙湖流域的土地利用状况，将研究区分为耕地，园地、林地、牧草地，城镇村庄及工矿用地、交通用地、水域及未利用土地6个一级类。抚仙湖水源保护区的各土地利用状况见表2。

由表2及图3可知，抚仙湖流域内虽大部分为林草地，比例为34.535%，但在整个流域内森林覆盖率低，仅为34%，水土流失严重，在流域区内水土流失面积为22300 hm2，占流域土地面积的26.67%，每年入湖的泥沙高达35万m3。虽近年来一直在进行退耕还林保护工程，取得一定成效，但面山造林绿化依然任重而道远。其次为耕地，占比为26.295%。抚仙湖流域约有人口32万，人口密度约高达300人/km2，人口众多，人地矛盾突出。结合湖泊汇水区域内各类型土地利用方式所占比例可知，与污染源调查结果中显示的农田径流污染和城镇、农村生活污水污染为流域第一、第二大来源的结果相一致。

表2 抚仙湖水区域土地利用状况及水土流失状况

Tab.2 Land use and soil erosion in Fuxian Lake area

3.3 保护区水域污染源分析

在区域土地利用现状分析和保护区点面源污染调查的基础上，根据各类土地于开发利用过程中的污染排放量，运用GIS、RS对流域内污染排放量在空间上的分布情况进行模拟，得到抚仙湖水源保护区的污染排放分布图5。

图4 抚仙湖土地利用分类图

从图5可以看出颜色较深区域主要集中在湖泊的北面，该区域为抚仙湖流域内最大的径流量区，区内包含耕植区，居民生活区。结合水源保护区的径流域图2可知每年抚仙湖的入湖污染物主要来自于湖泊北部陆上径流区。此外通过将图4抚仙湖流域土地利用现状图和图5仙湖流域污染源空间分布图叠加对比分析，结合表1、表2可知，抚仙湖流域内的污染源分布规律基本与前文中调查、分析的结果基本一致。

图5 抚仙湖流域污染源空间分布图

3.4 基于GIS水源地污染控制方案的优选

当前，抚仙湖流域针对湖泊水体污染治理采取的有效措施包括：①湖泊面源污染控制治理，其主要处理技术为沼气池、生物净化公厕、垃圾收集坑、平衡施肥；②湖滨带生态建设，其主要的处理技术为湖滨带生态修复、人工湿地、入湖河流末端处理、河道修复治理、退耕塘还湖、湖岸环境治理；③陆地生态建设，其主要的处理技术为人工育林、封山护林；④湖泊污染其他方面的治理，其主要的处理技术为子流域治理、污水处理厂构建、湖岸旅游设施拆迁[16-17]。其各项措施开展区域分布见图6。

图6 各项措施开展区域分布图

据不完全统计，有关部门对抚仙湖污染治理工程的项目已投入近23434万元，其中湖泊面源污染治理、湖滨带生态建设、陆地生态建设、湖泊污染其他方面的治理各约投入6450、3910、2674、10400万元。通过大力治理，各污染物的入湖量在一定程度上得到了有效的控制，其中COD、TN、TP、NH3-N的入湖量各自约削减了460 t/a、425 t/a、52 t/a、33 t/a；入湖污染负荷削减率为COD 78.90%、TN 58.12%、TP 65.38%、NH3-N 78.83%。通过利用AHP-GRAP方法计算得到各指标权重及各污染控制技术间的灰色关联度系数Ｕ，结果如表3所示。

表3 抚仙湖治理措施的指标权重及灰色关联系数

Tab.3 Index weight and grey correlation coefficient of Fuxian Lake treatment measures

由表3可知，抚仙湖流域的水污染治理是对COD、TP、TN、NH3-N四个要素的综合治理，在兼顾技术成本的情况下湖泊面源污染治理的关联度系数最大为0.6547，其次一级的为湖滨带生态建设和陆地生态建设，其他方面最小为0.4328。根据关联度系数可得出湖泊面源污染治理为最优治理措施，但由于与其他各措施的相差度不大，因此在治理的过程中应该兼顾各方，各措施齐头并进。

4 结论

（1）根据抚仙湖流域入湖河流的空间分布现状，可将其大致分成三个子流域区，其湖泊北面为入库河流最多，径流量最大区，是湖泊污染物主要输入区。该区和湖泊南部是湖泊面污染源区，针对其污染治理采取了湖泊面源污染控制治理的措施。

（2）在兼顾污染治理效果与技术成本的前提下，通过运用层次（AHP）-灰色度关联法（GRAP）对饮用水源地污染处理措施进行优选，得到湖泊面源污染控制治理措施为最优污染控制策略。但由于其他各措施于污染控制处理过程中也有巨大的效用，因此针对抚仙湖流域污染控制处理的措施方案为：以湖泊面源污染控制治理措施为主，湖滨带生态建设和陆地生态建设为辅，兼顾湖泊污染其他方面的治理措施，四位一体对抚仙湖流域水污染进行综合、全方位治理保护。

[1] 杜石霞, 金宝轩, 李石华, 周峻松, 彭双云. 近40年来抚仙湖面积时空分异遥感动态监测[J]. 海洋与湖沼, Vol.49, No.1, Jan., 2018.

[2] 汪阳, 钱汪洋, 朱琳. 基于GIS的洪泽湖湖泊生态系统健康分区评价[J]. 水资源与水工程学报, V01.22 No.4 Aug, 2011.

[3] 董晶晶. 抚仙湖污染物入湖过程分析与控制策略[J]. 建筑工程技术与设计, 2017(2).

[4] 陈振庆, 罗兰花. 地方高校计算机专业转型发展创新思路——以贺州学院为例[J]. 软件, 2015, 36(5): 11-15.

[5] 马凯航, 高永明, 吴止锾等. 大数据时代数据管理技术研究综述[J]. 软件, 2015, 36(10): 46-49.

[6] 钱育蓉, 于炯, 英昌甜, 等. 云计算环境下新疆遥感应用数据中心的挑战与机遇[J]. 软件, 2015, 36(4): 58-61.

[7] 颜梅春, 陈贝贝, 李致家, 等. 基于土壤地形指数和下垫面水文分区的流域模型参数率定[J]. 河海大学学报(自然科学版), 2015, 43(3): 197-202. (YAN Meichun, CHEN Beibei, LI Zhijia, et al. Parameter calibration for watershed hydrology model based on soil topography index and hydrological partition of underlying surface[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences), 2015, 43(3): 197-202. (in Chinese)).

[8] 信冠栋, 施昆, 吕晓阳. 遥感动态监测模型在拉市海湿地保护区土地利用中的研究[J]. 软件, 2018, 39(4): 174.

[9] 陈美伊. 基于GIS的旅游景区虚拟实现技术的研究[J]. 软件, 2015, 36(10): 30-32.

[10] 梁秋实, 桑新柱, 邢树军. 利用多视点自由立体显示系统实时显示GIS信息[J]. 软件, 2016, 37(1): 44-47.

[11] 李振星, 邵峰晶, 孙仁诚, 李淑静, 吴舜尧. 基于分类的 GIS地图符号快速标注算法[J]. 软件, 2012, 33(2): 108-110.

[12] 刘婷婷. 基于GIS的流域水环境管理决策信息系统研究-以云南省松花坝流域为例[D]. 北京: 北京林业大学, 2008: 10.

[13] 朱亮, 刘畅, 陈琳等. 基于GIS技术的方便水库面源污染控制方案研究[J]. 水资源保护, Vol. 34 No. 1, Jan. 2018.

[14] 尹娟, 柳德江, 赵敏慧, 阳利永. 2000—2014年抚仙湖流域土地利用动态变化研究[J]. 中国农学通报, 2018, 34(4): 101-107.

[15] 李石华, 周峻松, 王金亮. 1974—2014 年抚仙湖流域土地利用/覆盖时空变化与驱动力分析[J]. 国土资源遥感, 2017, 29(4): 132-139. (Li S H, Zhou J S, Wang J L. Spatio － temporal LUCC and driving force in Fuxian Lake watershed from 1974 to 2014[J].

[16] 莫绍周, 侯长定. 抚仙湖污染防治与对策措施[J]. 云南环境科学第23卷, 2004, 04.

[17] 王晓学, 胡元明, 彭树恒, 陈黎彬, 岳文静, 吴梦宸. 流域一体化下的生态文明先行示范区建设探索[J]. 水资源保护, DOI: 10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.016, Vol.33 No.1, Jan. 2017.

Pollution Analysis of Fuxian Lake Source Area Based on GIS

MAN Ya-zhou1, ZHU Lan-yan1, LV Wen-ya2, WANG Hao1, LI Jian-tao1

(1. College of Land and Resources Engineering, Kunming University of Technology, Kunming, Yunnan 650093; 2. Yunnan Land Consolidation Center, Kunming, Yunnan)

Taking Fuxian Lake as the research object, the pollution sources and pollution situation of Fuxian Lake watershed were analyzed by combining GIS and RS technology, and the evaluation index system of pollution sources in Fuxian Lake watershed was established. On the basis of qualitative and quantitative analysis of the pollution situation, the pollution treatment measures of drinking water sources were optimized by AHP - GRAP. On the premise of considering the effect of pollution control and the cost of technology, the optimal scheme of pollution control treatment in Fuxian Lake basin was obtained.

Fuxian lake; GIS and RS technology; Water pollution; Land use; Control measures

TP79；TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.12.030

满亚洲(1993-)，男，硕士在读，昆明理工大学，主要研究方向：“3S”集成与应用；朱兰艳(1966-)女，副教授，昆明理工大学，主要从事测绘工程、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)相关科研与教学工作；吕文雅(1993-)女，硕士研究生，遥感摄影测量与应用，云南省土地整理开发中心；王浩(1993-)，男，硕士在读，昆明理工大学，主要研究方向：“GIS”集成与应用；李建涛(1995-)，男，硕士在读，昆明理工大学,主要研究方向：GNSSS技术。

满亚洲，朱兰艳，吕文雅，等. 基于GIS的抚仙湖水源区污染分析[J]. 软件，2018，39（12）：131-135