基于GIS的撫仙湖水源區污染分析

滿亞洲，朱蘭艷，呂文雅，王 浩，李建濤

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基于GIS的撫仙湖水源區污染分析

滿亞洲1，朱蘭艷1，呂文雅2，王 浩1，李建濤1

（1. 昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2. 云南土地整理中心，云南 昆明）

以高源明珠撫仙湖水源保護區為研究目標，將GIS技術和RS技術結合對撫仙湖流域的湖泊水污染源、污染情況進行剖析，構建水源保護區污染源評價指標體系。然后以對污染現狀進行定性、定量分析為基礎，運用層次( AHP)-灰色度關聯法(GＲAP)對飲用水源地污染處理措施進行優選，得到撫仙湖流域污染控制處理的最優方案。

撫仙湖；GIS、RS技術；水體污染；土地利用；治理措施

0 引言

在地球這顆普通而又特殊的蔚藍色星球上，地表層水資源的存儲形式多樣有江、河、湖、海、冰川、積雪等。其中湖泊水源地是我國飲用水源的重要類型之一，是最典型的陸面蓄水方式，是生態系統的重要組成部分[1]。近60年來隨著人類活動和自然環境的變化，我國湖泊生態環境呈現退化趨勢[2]。水環境的治理與保護涉及多學科、多領域、多部門，是一項龐大的系統工程[3]，是可持續發展的核心問題，與人類的未來生存息息相關。

近年來隨著水體污染問題的日益凸顯，現代技術如計算機平臺、遙感（RS）、地理信息系統（GIS）[4-6]等技術應用于水體污染研究已是大勢所趨。在水源地的污染評價中，應用 GIS 技術可以有效地獲取模型計算參數，提高數據的輸入效率及準確性和可信度，結合RS技術可根據土地類型和利用狀況等時空因素的變化進行模擬[7]。同時，利用遙感影像結合GIS技術建立動態模型可以有效獲取保護區內土地類型的分布情況和變化情況，為分析保護區濕地資源提供了科學依據[8]。本文以云南撫仙湖為例，結合撫仙湖流域的基礎地理信息數據、專題資料和其他相關研究文獻，將GIS、RS技術引入水污染分析，對撫仙湖流域的水污染進行分析并對飲用水源地污染處理措施進行優選，得到撫仙湖流域污染控制處理的最優方案。

1 研究區域概況

撫仙湖（N 24°21￠— 24°38￠，E 102°49￠—102°57）位于云南省中部，坐落在三縣（江川區、澄江縣、華寧縣）間，屬南盤江水系，是我國最大的高原深水湖，水儲量大。湖泊水域面積約21660 hm2，湖岸線長達100.8 km，流域徑流總面積約為105300 hm2，共擁有50多條入湖河道，其中主要的入湖河流有梁王河、東大河、牛摩河、馬料河、東大河等。（撫仙湖位置概略圖見圖1；湖泊陸上徑流域詳況見圖2）

圖1 撫仙湖位置概略圖

圖2 撫仙湖陸上水流分布圖

撫仙湖起源于地質年代第三紀末，后在地質時期地中海-喜馬拉雅造山運動過程中因地殼斷裂陷落形成，屬于地質構造湖。撫仙湖是我們國家和云南省戰略飲用水源保護區，是全球同緯度地區唯一水質為I類的湖泊，集農、漁、防洪、工、農、生活用水等多種功能于一體。

2 數據與研究方法

2.1 數據

在RS、GIS技術的支撐下，以1∶40萬的行政圖，1∶5萬的流域水文圖，SRTMDEM 90M分辨率原始高程數據、Landsat8Li_TIRS遙感影像數據、云南環境統計年鑒、玉溪市統計年鑒為主要數據源，結合基礎地理信息數據、專題資料和其他相關研究文獻，利用ENVI 5.3相關工具對遙感影像進行解譯、校正、裁剪等處理，后用ARCGIS10.5軟件對初步處理好的DEM數據構建撫仙湖流域數字模型，見圖3。用最大似然法對撫仙湖流域的土地利用狀況進行分類制圖，見圖4。

圖3 撫仙湖流域數字模

2.2 研究方法

2.2.1 水源保護區污染源評價指標體系的建立

評價指標體系是水源地污染控制技術優選中十分重要的部分，該體系的建立應遵循科學、全面、適用和可操作性等原則?？茖W的評價指標體系可以對湖泊水流域內的經濟、社會、環境以及資源等多方面的信息進行綜合展示，有助于相關部門合理進行科學決策。因此，水源地水質污染評價指標要建立在以直觀定性分析為基礎的定量分析上，以揭示水源保護區水質變化程度和變化趨勢。然后結合撫仙湖流域污染源的時空分布特征，基于GIS空間分析技術，結合自然地理和社會經濟兩方面的因素[9-11]，選取總氮（TN）、有機磷和無機磷之和（TP）、污水中存在的游離氨與硝酸鹽之和（NH3-N）、化學需氧量（COD）等4個指標作為環境效益指標。

2.2.2 湖泊水環境承載力計算及保護模型選取

2.2.2.1 水環境承載力計算

水質可以直觀反映水體質量優差狀況，在評定水質質量時有成套的水質參數和水質標準。比如水質模型，它是污染物在水環境中變化規律及其影響因素之間相互關系的數學描述。運用水質模型可對湖泊污染物在水體環境中的運移轉化情況進行模擬、預測[12]。在模擬檢測時可選擇某項污染物控制因子作為水質模型模擬的計算因子，本文在分析研究的過程中選擇TP、TN、COD作為計算因子，對撫仙湖水環境中污染物的運移轉化情況做出剖析。文章主要選取平面二維非恒定模型-TDFLW、紊流模型采用混長模型進行計算。

根據 GB3838—2002《地表水環境質量標準》，分別提出規劃水質目標（I類）CODMn、TN、TP三類主要污染物的容許入湖負荷量為CODMn 2 mg/L、TN 0.2 mg/L、TP 0.01 mg/L。利用模型公式，分別計算得出撫仙湖在規劃水質目標（I類）下CODMn、TN、TP三類主要污染物的水環境承載力，見表1。

2.2.2.2 水源地保護方案評價決策模型選取

水源地保護方案的生成、選取涉及到區域士、農、工、商中的諸多領域。如何選取出一個既兼顧到各方訴求，又能充分維護水源地水質的保護方案，一直以來都是政府決策的難點和民眾關注的熱點。因此在對水源地保護方案進行優選時需要科學合理的選取方法，需要充分考慮各方因素，如：經濟、水源區環境質量、農業、工業、旅游服務業、源區居民幸福指數等。

本文主要運用層次（AHP）-灰色度關聯法(GRAP)[13]對飲用水源地污染控制措施進行優選。在對各技術指標定性、定量分析的基礎上利用AHP方法結合主成分份分析法構建層次結構關系，構造判斷矩陣，對各級準則層、子準則層進行劃分，并對決策方案層中評價指標的相對權重做出推導。然后，利用GRAP法計算出各關聯度系數，保護措施的選取則根據關聯度系數的大小確定，關聯度系數的大小與治理措施的選擇正相關，關聯度系數最大的為最優措施。

3 結果與討論

3.1 污染物入湖量統計分析

撫仙湖流域主要的面污染源為農村污水、旅游污水、農田徑流、農村固廢、水土流失以及禽畜糞便；主要的點污染源為工業廢水、城鎮污水以及磷礦污染。其各自的排放量如表1所示。

表1 撫仙湖流域點、面源污染排放量統計表

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

結合表1可知在撫仙湖匯水流域范圍內，在面污染源中污染攜入量占比最大的污染源為農田徑流，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分別為1725.85 t/a、315.64 t/a、26.91 t/a、218.28 t/a。其次為農村污水，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分別為1806 t/a、434 t/a、36.4t/a、29.83t/a。點污染源中為城鎮污水，其COD、TN、TP、NH3-H排放量分別為207.77 t/a、41.18 t/a、3.5 t/a、27.03 t/a。

3.2 土地利用類型現狀調查結果

撫仙湖水源保護區總面積約為105300 hm2，其中湖域面積為21660 hm2，除湖泊水域面外還共有土地11130 hm2。文章以1984年《土地利用現狀調查技術規程》分類系統為依據[14-15]，結合撫仙湖流域的土地利用狀況，將研究區分為耕地，園地、林地、牧草地，城鎮村莊及工礦用地、交通用地、水域及未利用土地6個一級類。撫仙湖水源保護區的各土地利用狀況見表2。

由表2及圖3可知，撫仙湖流域內雖大部分為林草地，比例為34.535%，但在整個流域內森林覆蓋率低，僅為34%，水土流失嚴重，在流域區內水土流失面積為22300 hm2，占流域土地面積的26.67%，每年入湖的泥沙高達35萬m3。雖近年來一直在進行退耕還林保護工程，取得一定成效，但面山造林綠化依然任重而道遠。其次為耕地，占比為26.295%。撫仙湖流域約有人口32萬，人口密度約高達300人/km2，人口眾多，人地矛盾突出。結合湖泊匯水區域內各類型土地利用方式所占比例可知，與污染源調查結果中顯示的農田徑流污染和城鎮、農村生活污水污染為流域第一、第二大來源的結果相一致。

表2 撫仙湖水區域土地利用狀況及水土流失狀況

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

3.3 保護區水域污染源分析

在區域土地利用現狀分析和保護區點面源污染調查的基礎上，根據各類土地于開發利用過程中的污染排放量，運用GIS、RS對流域內污染排放量在空間上的分布情況進行模擬，得到撫仙湖水源保護區的污染排放分布圖5。

圖4 撫仙湖土地利用分類圖

從圖5可以看出顏色較深區域主要集中在湖泊的北面，該區域為撫仙湖流域內最大的徑流量區，區內包含耕植區，居民生活區。結合水源保護區的徑流域圖2可知每年撫仙湖的入湖污染物主要來自于湖泊北部陸上徑流區。此外通過將圖4撫仙湖流域土地利用現狀圖和圖5仙湖流域污染源空間分布圖疊加對比分析，結合表1、表2可知，撫仙湖流域內的污染源分布規律基本與前文中調查、分析的結果基本一致。

圖5 撫仙湖流域污染源空間分布圖

3.4 基于GIS水源地污染控制方案的優選

當前，撫仙湖流域針對湖泊水體污染治理采取的有效措施包括：①湖泊面源污染控制治理，其主要處理技術為沼氣池、生物凈化公廁、垃圾收集坑、平衡施肥；②湖濱帶生態建設，其主要的處理技術為湖濱帶生態修復、人工濕地、入湖河流末端處理、河道修復治理、退耕塘還湖、湖岸環境治理；③陸地生態建設，其主要的處理技術為人工育林、封山護林；④湖泊污染其他方面的治理，其主要的處理技術為子流域治理、污水處理廠構建、湖岸旅游設施拆遷[16-17]。其各項措施開展區域分布見圖6。

圖6 各項措施開展區域分布圖

據不完全統計，有關部門對撫仙湖污染治理工程的項目已投入近23434萬元，其中湖泊面源污染治理、湖濱帶生態建設、陸地生態建設、湖泊污染其他方面的治理各約投入6450、3910、2674、10400萬元。通過大力治理，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的入湖量各自約削減了460 t/a、425 t/a、52 t/a、33 t/a；入湖污染負荷削減率為COD 78.90%、TN 58.12%、TP 65.38%、NH3-N 78.83%。通過利用AHP-GRAP方法計算得到各指標權重及各污染控制技術間的灰色關聯度系數Ｕ，結果如表3所示。

表3 撫仙湖治理措施的指標權重及灰色關聯系數

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

由表3可知，撫仙湖流域的水污染治理是對COD、TP、TN、NH3-N四個要素的綜合治理，在兼顧技術成本的情況下湖泊面源污染治理的關聯度系數最大為0.6547，其次一級的為湖濱帶生態建設和陸地生態建設，其他方面最小為0.4328。根據關聯度系數可得出湖泊面源污染治理為最優治理措施，但由于與其他各措施的相差度不大，因此在治理的過程中應該兼顧各方，各措施齊頭并進。

4 結論

（1）根據撫仙湖流域入湖河流的空間分布現狀，可將其大致分成三個子流域區，其湖泊北面為入庫河流最多，徑流量最大區，是湖泊污染物主要輸入區。該區和湖泊南部是湖泊面污染源區，針對其污染治理采取了湖泊面源污染控制治理的措施。

（2）在兼顧污染治理效果與技術成本的前提下，通過運用層次（AHP）-灰色度關聯法（GRAP）對飲用水源地污染處理措施進行優選，得到湖泊面源污染控制治理措施為最優污染控制策略。但由于其他各措施于污染控制處理過程中也有巨大的效用，因此針對撫仙湖流域污染控制處理的措施方案為：以湖泊面源污染控制治理措施為主，湖濱帶生態建設和陸地生態建設為輔，兼顧湖泊污染其他方面的治理措施，四位一體對撫仙湖流域水污染進行綜合、全方位治理保護。

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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

滿亞洲(1993-)，男，碩士在讀，昆明理工大學，主要研究方向：“3S”集成與應用；朱蘭艷(1966-)女，副教授，昆明理工大學，主要從事測繪工程、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)相關科研與教學工作；呂文雅(1993-)女，碩士研究生，遙感攝影測量與應用，云南省土地整理開發中心；王浩(1993-)，男，碩士在讀，昆明理工大學，主要研究方向：“GIS”集成與應用；李建濤(1995-)，男，碩士在讀，昆明理工大學,主要研究方向：GNSSS技術。

滿亞洲，朱蘭艷，呂文雅，等. 基于GIS的撫仙湖水源區污染分析[J]. 軟件，2018，39（12）：131-135