WASP水質模型和GIS空間分析在水污染監測中的集成應用

湛青青

摘 要：水污染作為人類面臨最為嚴重的環境問題之一，水污染檢測的技術和方法成為當前研究的熱點。本文在其他學者的研究基礎之上，闡述了典型的WASP水質模型原理、結構，將WASP水質模型與GIS空間分析技術在水污染監測中集成應用，并分析地理信息系統與水質模型集成存在一些問題。

關鍵詞：WASP水質模型 GIS空間分析 水污染監測

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（a）-0012-03

Abstract：Water pollution as one of the most serious environmental problems facing humanity，testing technology and methods of the water pollution is becoming a hot spot of current research.Based on other scholars research，this paper expounds the principle，structure，typical WASP water quality model，The WASP water quality model and GIS spatial analysis technology integration application in water pollution monitoring， and analysis of the geographic information system and there exist some problems in the integration of water quality model.

Key Words：WASP water quality model；GIS spatial analysis；Water pollution monitoring

污染物排入水環境后，進行物理、化學和生物作用的綜合效應，導致嚴重的水污染，由于其過程變化十分復雜，污水的組成成分難以辨識，所以水污染防治問題上涉及的區域范圍較廣、數量較大，因素較多。科學的水質模擬模型對污染物水環境的行為進行模擬、預測和評價，可分析水污染的變化規律和發展趨勢[1-3]。GIS空間分析是基于地理對象的位置和形態特征的空間數據分析技術[4]，近年來，GIS空間分析在水污染、地質災害與損失估計、洪水災害分析等領域有較多應用、礦產資源評價、道路交通管理、地形地貌分析、輸電網和配電網管理的領域[5-6]。

該文利用GIS空間分析技術應用到水污染監測中，集成常用的WASP水質模型，形成水污染監測的技術流程，為水環境污染的監測提供構想，并分析地理信息系統與水質模型集成存在的一些問題。

1 水質模擬模型構造及其監測

水質模型是描述參加水環境水體中的各組成所發生的物理、化學、生物和生態學等諸多方面變化規律和相互影響的數學方法，任何水質模型都是依據物質質量守恒的能量守恒原理，通過流體力學中的連續方程、運動方程、能量方程推導得出[7]。常見的水質模型有Streeter-Phelps模型[8]、QUAL模型體系[8]、BASINS模型體系[9]、WASP模擬模型[10]。

WASP（The water query analysis simulation program，水質分析模擬程序）是美國環境保護局提出的水質模型系統，能夠用于不同環境污染決策系統中分析和預測由于自然和人為污染造成的各種水質狀況，可以模擬水文動力學、河流一維不穩定流、湖泊和河口三維不穩定流、常規污染物（包括溶解氧、生物耗氧量、營養物質以及海藻污染）和有毒污染物（包括有機化學物質、金屬和沉積物）在水中的遷移和轉化規律，被稱為萬能水質模型[10]。WASP包括兩個部分，DYNHYD水動力程序和WASP水質程序，前者可模擬水體運動特征并獲取水文參數，后者和模擬污染物的運動、演變及相互作用。

EUTRO和TOXI是WASP水質程序的兩個子模型，其中TOXI可以模擬有毒物質的污染，包括有機化合物、金屬及泥沙；EUTRO用來分析傳統污染，包括溶解氧、生化需氧量、營養素等。WASP水質模型結構如圖1。

河流水質模擬的主要對象是有機污染物，它是一種典型的水體污染，常用的有BOD-DO（生物需氧量-溶解氧）模型、CODMn（高錳酸鉀指數）模型、BODPNH3-NPNO2-NPNO3-NPDO模型等[11]。目前，衡量水中有機物質含量多少的指標常常采用COD（Chemical Oxygen Demand，化學需氧量）值，其值越大，水體受有機物污染越嚴重，反之則說明水體受有機物的污染越輕微，測定方法是酸性高錳酸鉀氧化法與重鉻酸鉀氧化法。

當前，國內一些學者應用WASP模型在河流水域綜合治理方面取得了成績，振良等[12]。利用WASP模型進行了二次開發，建立了蘇州河水質模型，并運用該模型對蘇州河環境綜合整治一期工程中有關工程和方案進行了模擬計算；楊家寬等[13]運用WAST6預測南水北調后襄樊段的水質。

2 GIS空間分析方法

（1）空間表達的變換分析。將空間數據從一種表達方式變換為另一種表達方式，常常能凸顯出空間數據的另外一些特征信息。在江河水污染檢測中對遙感影像或者掃描圖像進行矢量化，提取河岸線矢量數據，也可對不同程度污染的水域賦予不同深度的顏色，突出污染的范圍和污染程度。

（2）空間幾何關系的分析。空間幾何分析是分析空間目標的位置、形狀、距離、方位等基本幾何特征相關聯的空間關系，主要包括緩沖分析、疊置分析、網絡分析等。緩沖分析可用于分析某一被污染的河流水域對周圍生態植物的影響；疊置分析可將歷年江河水質受污染情況進行比較，分析水污染擴展的方向、速度和程度。網絡分析可追蹤河流的污染源，河流污水出口等情況。

（3）空間統計分析。空間統計學分析可研究河流水污染的變化規律，根據多年的數據和算法，對河流水污染進行建模和分析，例如可根據某一河流十年的水質質量數據進行統計分析，得出水體污染物類別，含量，增減狀況，為后期河流污染治理提供科學依據。

3 水質模型與GIS空間分析集成

WASP模型具有良好的靈活性[1]，能與其它模型很好地耦合，進行二次開發，使水質模擬達到更加完善的效果。將GIS與WASP模型集成進行研究是今后主要的研究方向之一，這項研究已在許多實際工程中得到了廣泛地應用，并取得了良好的成效。馬蔚純[14]等基于GIS平臺運用WASP模型對上海市蘇州河進行水質模擬；江毓武[15]等在廈門海域運用GIS于水質模型集成；張行南[16]等通過對水質模型在GIS平臺上的集成進行研究，建設了江蘇省水環境容量信息管理系統等，都取得了良好結果。

水污染是一項綜合整治項目，涉及人與環境的各個方面，需要建立空間數據庫、屬性數據庫、模型數據庫等，全流域的經濟發展、工業布局、人口數量、人文信息、用水程度，水體自凈能力和水體的功能、級別等建立屬性數據庫；航空影像、衛星影像、各種專題圖、地形圖、GPS實時觀測數據及各種統計數據等建立空間數據庫；建立有關的自然經濟和社會信息數據庫建立整個流域范圍及各相關城鎮的空間數據庫。根據各種水質模型建立模型數據庫。將GIS空間分析技術與水質模型集成，建立各種水質評價和預測模型進行多模型的綜合評價，減少單一模型方法的缺陷提高水質預測的準確度。構思如圖2所示。

在水質污染監測中，GIS作為水質模型的數據庫管理工具。水質模型建立之初所需的大量相關的地形、水、土壤、氣候以及經濟、人口統計數據可以通過建立GIS數據庫來管理空間和屬性特征數據[17]。GIS確定水域研究區域邊界，控制單元劃分。在水質二維模型的建立中，GIS對研究地區進行格網的剖分，并且自動獲得網格結點或中心點的數據，用來表示各種模型參數的空間分布[18]。水質模型的模擬結果的可視化表達[19]。利用GIS，水質模型計算得到的模擬結果為離散點數據，可經過插值算法得到污染物濃度的等值線圖。如根據污染物濃度值的大小以顏色的深淺顯示（濃度越高顏色越深）。這些等值線有利于直觀地進行模型正確性的驗證，為環境水質預測提供可靠依據。

4 地理信息系統與水質模型集成存在一些問題

（1）是數據格式轉換問題，由于模型和GIS之間通常選取了不同形式和結構的數據，它們之間的數據交換是很難實現；（2）GIS的數據模型仍與各種環境模型的時空數據結構不匹配，GIS軟件系統還不具備能夠同時高效處理空間和時間數據的能力；（3）系統的集成并不是GIS模塊與模型系統模塊以及其他軟件模塊之間的簡單堆疊，而是各種模塊經過修改后有機地組合過程。（4）GIS與水質模型的集成的另一技術困難為計算機編程語言的選擇。并且，要求模型建模人員必須熟悉GIS的基本功能，并充分考慮GIS的數據結構， 從而在彼此之間找到共同的基礎。

5 結語

水質模型是一種數學模型，它在數值計算、參數率定上具有長處，但在數據管理和維護、模擬結果表現及空間分析上能力有限，為了提高水質模型的預測、模擬能力及易用性，將水質模型與地理信息系統（GIS）技術集成，按照集成程度的不同可采用松散的集成、緊密的耦合或者完全集成的三種方式[20]，不僅提高水質模型的應用效率，也充分發揮了GIS空間分析的功能。這是該文探討的思路來源，也是解決水污染監測的技術方案，文中將GIS空間分析技術用于水污染監測中，根據數據庫、知識庫、模型庫的建立，最后得到水污染的監測方案。

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