■顧濤

（昌吉州環(huán)境污染監(jiān)控中心新疆昌吉831100）

城市化進(jìn)程中的水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警研究

■顧濤

（昌吉州環(huán)境污染監(jiān)控中心新疆昌吉831100）

隨著工業(yè)進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，水污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，加強(qiáng)水質(zhì)的預(yù)測(cè)預(yù)警、防治水污染是水資源保護(hù)的一項(xiàng)緊迫而又重要的任務(wù)。本文對(duì)昌吉州頭屯河流域的水環(huán)境質(zhì)量，構(gòu)建了基于GIS平臺(tái)的水污染預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)模型與GIS的集成，為確定水污染事故影響程度及范圍、制定和實(shí)施污染事故應(yīng)急預(yù)案提供了可靠依據(jù)。

水環(huán)境質(zhì)量預(yù)警GIS

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GIS平臺(tái)的水污染預(yù)警系統(tǒng)模塊主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、預(yù)測(cè)分析方法庫(kù)模塊、監(jiān)測(cè)預(yù)警分析模塊、系統(tǒng)輸出模塊四部分組成。其系統(tǒng)功能主要包括：數(shù)據(jù)編輯功能、河道網(wǎng)格自動(dòng)剖分功能、預(yù)測(cè)分析功能、水質(zhì)評(píng)價(jià)及預(yù)警分析功能、可視化顯示及查詢功能、輸出功能。

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的主要問(wèn)題

2.1河道網(wǎng)格剖分

2.1.1獲取河道邊界及河道軸線控制點(diǎn)

河道邊界主要用于控制劃分計(jì)算網(wǎng)格的范圍，河道邊界的控制點(diǎn)應(yīng)盡量能反映河道真實(shí)邊界，若控制點(diǎn)不能與河道的邊界較好地?cái)M合，可增加控制點(diǎn)直至滿意為止，并不要求左右兩岸河道邊界的控制點(diǎn)數(shù)目相同。河道軸線上的控制點(diǎn)應(yīng)盡可能描述河流主要流向及位置。

2.1.2劃分河道軸線

根據(jù)順河流方向指定單元長(zhǎng)度l，將河道軸線劃分為等距離的若干段n，并獲取每段節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）。河道軸線的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，根據(jù)河道軸線控制點(diǎn)坐標(biāo)A（aix，aiy）計(jì)算相鄰兩控制點(diǎn)間的距離li，。

2.1.3求取河道軸線上垂線與河道邊界的交點(diǎn)

根據(jù)求得的河道軸線分段節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（xj，yj），求經(jīng)過(guò)該點(diǎn)并垂直該段軸線的直線與兩岸河道邊界的交點(diǎn)（bix，biy）。簡(jiǎn)化該模型，即為求一條直線與一條多段線的交點(diǎn)坐標(biāo)。判斷直線與多段線上每段直線的關(guān)系，若相交則求其交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為直線與多段線的交點(diǎn)。

2.1.4形成網(wǎng)格

由河道軸線上分段節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)C（xj，yj）、河道邊界交點(diǎn)B（bix，biy）及垂直軸線方向網(wǎng)格數(shù)目p，將分段節(jié)點(diǎn)C與河道邊界交點(diǎn)B的連線分成p等份，其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為D（xk，yk），則四個(gè)節(jié)點(diǎn)D1（xk，yk）、D2（xk+1，yk+1）、D3（xk+p+1，yk+p+1）、D4（xk+p+2，yk+p+2）可形成一個(gè)四邊形網(wǎng)格。

2.2水質(zhì)模型與河道計(jì)算網(wǎng)格的集成

水質(zhì)模型的計(jì)算對(duì)象為河道計(jì)算網(wǎng)格的單元，根據(jù)水質(zhì)模型中各參數(shù)的含義，在生成河道計(jì)算網(wǎng)格過(guò)程中，需同時(shí)記錄單元所在河道位置的斷面寬度Width、單元形心坐標(biāo)值CenterXY、單元形心沿河流方向的距離DeltaX、單元形心至河道軸線的距離DelatY。在生成河道計(jì)算網(wǎng)格時(shí)，為單元添加這些屬性字段，并將這些記錄的參數(shù)保存至相應(yīng)的屬性字段中。

為避免每次預(yù)測(cè)分析污染物時(shí)都重復(fù)河道計(jì)算網(wǎng)格劃分，可先將整個(gè)流域的河道進(jìn)行網(wǎng)格剖分。在預(yù)測(cè)分析時(shí)，根據(jù)污染源的空間位置在河道計(jì)算網(wǎng)格上進(jìn)行空間查詢，查詢到該污染源對(duì)應(yīng)河道計(jì)算網(wǎng)格中的單元并獲取該單元形心沿河流方向的距離DeltaX，則河道計(jì)算網(wǎng)格中所有DeltaX值大于該值的單元均為本次預(yù)測(cè)分析的對(duì)象。在確定預(yù)測(cè)分析的計(jì)算對(duì)象后，即可根據(jù)水質(zhì)模型及每個(gè)計(jì)算對(duì)象的屬性值進(jìn)行計(jì)算分析。

3　應(yīng)用實(shí)例

3.1工程概況

頭屯河發(fā)源于天格爾達(dá)坂的北麓，是介于昌吉和烏魯木齊之間的一條界河，由位于高中山帶的七大支流匯集而成，經(jīng)過(guò)喬楞格爾、八一農(nóng)學(xué)院林場(chǎng)、金澇壩、廟爾溝、硫磺溝，由西南向東北，穿過(guò)山澗，于哈地坡流出山口，穿過(guò)山前平原，流入西戈壁。頭屯河全長(zhǎng)179km，平均寬度240m，集水面積1562km2，流域面積2880km2，頭屯河年均徑流量2.34億m3，最大徑流量3.148億m3，最小徑流量1.63億m3，年平均流量7.42m/s，水位標(biāo)高為573.457m，屬老年期河床。頭屯河水系從上游到頭屯河水庫(kù)，到新疆八一鋼鐵廠附近，再到新疆電線電纜廠以南，最后流經(jīng)昌吉市，河水的水質(zhì)經(jīng)歷了污染、自凈、再污染、再自凈的過(guò)程，即該水系水質(zhì)在新疆八一鋼鐵廠以上較好，可做多種用途的供水水源，新疆八一鋼鐵廠以下，雖然整體水質(zhì)達(dá)到地表水水質(zhì)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，但部分水質(zhì)指標(biāo)已呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(shì)，如不加以管控，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)超出地表水水質(zhì)Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的情況。

3.2河道網(wǎng)格自動(dòng)剖分

在河道網(wǎng)格剖分過(guò)程中，網(wǎng)格間距的選取將直接關(guān)系到生成網(wǎng)格所需時(shí)間及生成的單元數(shù)目。網(wǎng)格間距越大，生成網(wǎng)格所需時(shí)間越短，生成單元數(shù)目越少，水質(zhì)模擬的精度會(huì)隨之降低。因此，本文從頭屯河選取一段長(zhǎng)約14.5km的河段為研究對(duì)象，順河流方向單元50 m，垂直軸線方向網(wǎng)格數(shù)目10，共生成239 360個(gè)單元。

3.3水污染預(yù)測(cè)分析

水污染預(yù)測(cè)分析主要根據(jù)水質(zhì)模型及污染源相關(guān)信息計(jì)算河道網(wǎng)格單元。目前，本系統(tǒng)已集成河流二維穩(wěn)態(tài)混合衰減模型、二維瞬時(shí)點(diǎn)排放模型、河流一維水質(zhì)模型及多污染源污染分析模型。為適應(yīng)不斷發(fā)展和完善的水質(zhì)模型理論，本系統(tǒng)還提供了開放的算法模型接口，具有很好的通用性和擴(kuò)展性。

3.4可視化顯示與查詢

系統(tǒng)以ArcGISEngine為GIS開發(fā)平臺(tái)，使用MapControl等控件來(lái)實(shí)現(xiàn)流域地理信息的可視化展示及GIS數(shù)據(jù)管理。在系統(tǒng)中，通過(guò)ArcGIS Engine提供的地圖瀏覽工具可實(shí)現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)加載、地圖縮放、平移、數(shù)據(jù)查詢等功能。

4　結(jié)語(yǔ)

構(gòu)建了基于GIS平臺(tái)的昌吉市頭屯河段水污染預(yù)警分析系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了河道計(jì)算網(wǎng)格自動(dòng)剖分功能，還實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息的空間數(shù)據(jù)查詢、可視化展示和動(dòng)態(tài)演示等功能，顯著增強(qiáng)了水質(zhì)預(yù)測(cè)分析及預(yù)警分析的直觀性和水污染管理的高效性。

［1］王劍利，石為人，蔡章利，等.預(yù)警系統(tǒng)中GIS與水質(zhì)預(yù)測(cè)模型的集成應(yīng)用研究 ［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（8）.

［2］曾雨.基于GIS的閩江流域水污染事故預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)研究 ［D］.福州：福建師范大學(xué)，2008.

P41［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-417-1

顧濤（1976～），男，本科，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境污染監(jiān)控等。