基于GIS水文建模的水資源污染應(yīng)急監(jiān)測方法

李金亮

（鶴壁水文水資源勘測局 河南鶴壁 458000）

在研究水資源污染現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)［1-3］，該現(xiàn)象的形成原因較為復(fù)雜，主要是由于在一個(gè)城市相同的時(shí)間段或不同的城市相同的時(shí)間段內(nèi)，災(zāi)害因子的表現(xiàn)形式不同［4］，同時(shí)，水資源污染事件的發(fā)生具有不確定性、階段性、突發(fā)性等特點(diǎn)［5］。處理水資源污染事件前，需要工作人員進(jìn)行大量的水文、水質(zhì)、地質(zhì)工程的勘查，掌握水環(huán)境基本特征。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化水資源污染實(shí)時(shí)監(jiān)測工作，水環(huán)境監(jiān)督管理單位提出了基于水環(huán)境過程變化動(dòng)態(tài)模擬的污染模型，并明確了將數(shù)字化技術(shù)作為支撐執(zhí)行此項(xiàng)工作。但是，該方法構(gòu)建的模型為水環(huán)境二維模型，存在一定的局限性，且無法及時(shí)感知突發(fā)性污染問題［6］。

1 GIS水文建模的應(yīng)急監(jiān)測方法

1.1 建立水資源空間數(shù)據(jù)庫

為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急監(jiān)測水資源污染，引進(jìn)MySQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫［7］，通過獲取水資源空間數(shù)據(jù)的方式，構(gòu)建水資源環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫。在此過程中，將空間數(shù)據(jù)以離散數(shù)據(jù)或集成數(shù)據(jù)的方式存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，并使用空間數(shù)據(jù)決策引擎工具（ArcSDE 處理工具）導(dǎo)入與存儲數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過Arcview 工具，可視化處理地質(zhì)信息與地理環(huán)境信息，在存儲終端設(shè)置不同的空間模塊，存儲空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)［8］。在此過程中，通過VIEW管理采集或獲取的空間數(shù)據(jù)，將不同類型的地理信息按照實(shí)體類型劃分為多個(gè)信息結(jié)構(gòu)并按照類別表示。

在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時(shí)，需要建立屬性數(shù)據(jù)庫，管理各類屬性數(shù)據(jù)信息，以表的形式，結(jié)合關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對各項(xiàng)屬性數(shù)據(jù)信息的連接。針對每一個(gè)圖層，均建立相應(yīng)主題的屬性列表，同時(shí)，針對各類屬性數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的檢索關(guān)鍵詞，并利用Link工具，通過對相同關(guān)鍵詞的獲取，實(shí)現(xiàn)其與主題屬性之間的連接。為了確保兩種數(shù)據(jù)庫的相互協(xié)調(diào)［9］，單獨(dú)存儲數(shù)據(jù)，并通過Arc-SDE 的應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)與空間數(shù)據(jù)庫各數(shù)據(jù)信息相連，確保監(jiān)測過程中各類數(shù)據(jù)能夠更加快速地完成傳輸、查詢和輸出。

1.2 GIS水文建模的污染源定位

在建立水資源空間數(shù)據(jù)庫后，引入GIS 水文建模［10-11］，定位水資源具體污染和污染源位置。圖1為基于GIS水文建模的水資源污染源定位流程示意圖。

根據(jù)圖1可知，通過GIS水文建模，展示地級市縣、縣級市界等區(qū)域內(nèi)水資源環(huán)境的空間信息，將收集的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)水資源環(huán)境劃分區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，在模型中明確標(biāo)記水資源周圍環(huán)境中的排污口、排污單位等。結(jié)合監(jiān)測輸入的數(shù)據(jù)及參數(shù)，預(yù)測監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的水資源未來水質(zhì)條件，并動(dòng)態(tài)模擬單污染源或多污染源的疊加影響效果［12］。在ArcView 窗口中，針對模擬后的水環(huán)境水質(zhì)進(jìn)行可視化展現(xiàn)。

圖1 基于G IS 水文建模的水資源污染源定位流程示意圖

1.3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的水污染擴(kuò)散分析與應(yīng)急監(jiān)測

結(jié)合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析水污染擴(kuò)散情況，通過擴(kuò)散約束條件應(yīng)急監(jiān)測水質(zhì)。在分析水污染擴(kuò)散時(shí)，結(jié)合經(jīng)典水動(dòng)力學(xué)方程和水質(zhì)擴(kuò)散算法，模擬真實(shí)的水環(huán)境條件下水資源的運(yùn)動(dòng)。水資源在流動(dòng)過程中具有典型的連續(xù)性，因此，通過下述公式實(shí)現(xiàn)對水資源運(yùn)動(dòng)的表達(dá)：

式（1）中，h表示水資源的實(shí)際深度，t表示監(jiān)測過程中水資源的流動(dòng)時(shí)間，u表示水資源流動(dòng)過程中在水平方向上的平均流速，v表示水資源流動(dòng)過程中在豎直方向上的平均流速，x表示水環(huán)境周圍水平方向風(fēng)速，y表示水環(huán)境周圍豎直方向風(fēng)速。

在此基礎(chǔ)上，針對水資源污染擴(kuò)散的分析，需要引入動(dòng)量方程和非持久性污染物遷移方程，基于有限體積法，實(shí)現(xiàn)對其離散處理。為了確保監(jiān)測結(jié)果的精度，在DEM網(wǎng)格中，采用SIMPLEC法校正水深。在分析過程中，由于水資源持續(xù)流動(dòng)，因此，結(jié)合干濕法，處理水資源的動(dòng)態(tài)邊界問題。同時(shí)，劃分水資源中污染等級，將水資源污染等級按照從重到輕依次劃分為6 個(gè)等級，分別為I等級、II等級、III等級、IV等級、V等級和V劣等級。其中，I～I(xiàn)II 等級表明在水資源中污染物沒有或含量極少，不會威脅到水資源的正常使用和運(yùn)行；IV等級為水資源中含有少量污染物，并且已經(jīng)出現(xiàn)影響水資源正常使用的情況；V等級為無法使用的水資源；V 劣等級是指水資源中存在大量污染物，并且需要緊急治理，確保水資源的正常使用。6 個(gè)等級分別設(shè)置不同的閾值，根據(jù)上述擴(kuò)散分析得出模擬預(yù)測結(jié)果，與各個(gè)閾值范圍進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)快速分類水資源污染等級，并給出不同等級污染的應(yīng)急保護(hù)、治理措施，降低水資源污染的影響，以此實(shí)現(xiàn)對水資源污染應(yīng)急監(jiān)測。

2 對比實(shí)驗(yàn)

在引入GIS 水文建模技術(shù)后，提出了一種全新的水資源污染應(yīng)急監(jiān)測方法。為了進(jìn)一步驗(yàn)證研究方法的合理性和可行性，選擇新的監(jiān)測方法作為實(shí)驗(yàn)組，將傳統(tǒng)水資源污染監(jiān)測中的基于分布式水文模型的監(jiān)測方法作為對照組，將兩種不同的監(jiān)測方法應(yīng)用到相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并針對相同的監(jiān)測對象進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究。

選擇在具有模型計(jì)算功能的軟件中輸入真實(shí)的污染物地點(diǎn)、污染排放量、水資源污染濃度等數(shù)據(jù)，模擬水資源中污染物擴(kuò)散情況。通過該軟件，獲取坐標(biāo)文件和污染濃度文件，并且坐標(biāo)文件的信息對應(yīng)污染物濃度文件的信息。在模擬水資源污染擴(kuò)散的過程中，分別利用提出的監(jiān)測方法和基于分布式水文模型的監(jiān)測方法對其進(jìn)行監(jiān)測。表1為模擬的水資源環(huán)境水質(zhì)條件記錄表。

表1中，IV、V和V劣均為水資源的水質(zhì)等級，污染程度從小到大排列依次為IV＞V＞V劣，其中，IV等級表明水資源污染程度較輕，而V 劣等級表明水資源污染程度最嚴(yán)重。從表1中記錄的各個(gè)區(qū)域水資源環(huán)境水質(zhì)條件可知，在該水資源環(huán)境范圍內(nèi)，區(qū)域A、區(qū)域C和區(qū)域E均在不同月份出現(xiàn)嚴(yán)重污染的情況。

表1 模擬的水資源環(huán)境水質(zhì)條件記錄表

2.1 監(jiān)測精度對比

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中的監(jiān)測精度，將表1記錄的內(nèi)容作為基礎(chǔ)，利用本文監(jiān)測方法和基于分布式水文模型的監(jiān)測方法，測定5 個(gè)區(qū)域內(nèi)的污染物濃度，并將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測結(jié)果更接近于實(shí)際測量結(jié)果，最大誤差僅為0.04mg/L，其他誤差均在0.01mg/L，并且監(jiān)測結(jié)果能夠?yàn)樗Y源污染等級的劃分提供重要依據(jù)。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，對照組監(jiān)測方法在測定5 個(gè)區(qū)域的水資源污染物濃度時(shí)，區(qū)域A、區(qū)域C和區(qū)域E的監(jiān)測結(jié)果與其他兩個(gè)區(qū)域相比略接近實(shí)測值，說明對照組監(jiān)測方法適用于監(jiān)測存在重度污染的水資源環(huán)境的污染濃度，并且監(jiān)測的結(jié)果均沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)組的監(jiān)測精度。因此，實(shí)驗(yàn)初步證明，本文提出的基于GIS水文建模的監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度監(jiān)測水資源污染濃度，提高了監(jiān)測精度，并且監(jiān)測結(jié)果能夠?yàn)樗Y源水質(zhì)等級劃分提供重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對照組水資源污染濃度監(jiān)測結(jié)果記錄表（單位：mg / L）

2.2 監(jiān)測時(shí)效性對比

為驗(yàn)證該方法是否具備快速響應(yīng)的應(yīng)急能力，對比實(shí)驗(yàn)組和對照組兩種監(jiān)測方法的時(shí)效性，監(jiān)測5 個(gè)區(qū)域的水資源污染濃度變化，通過人為的方式，改變水資源污染擴(kuò)散模擬過程中污染物的濃度。分別利用兩種監(jiān)測方法對水資源環(huán)境中污染物濃度瞬間變化時(shí)的平均響應(yīng)時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)值越小，表明方法的性能越好。瞬時(shí)變化響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算公式為：

式（2）中，表示水資源環(huán)境污染濃度瞬間變化時(shí)的監(jiān)測方法的平均響應(yīng)時(shí)間，t1表示監(jiān)測方法響應(yīng)時(shí)刻，t2表示監(jiān)測方法發(fā)現(xiàn)濃度異常變化時(shí)刻，n表示監(jiān)測方法從發(fā)現(xiàn)濃度異常變化時(shí)刻到作出響應(yīng)時(shí)刻之間監(jiān)測次數(shù)。根據(jù)上述公式，計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)組和對照組兩種監(jiān)測方法在水資源環(huán)境污染濃度瞬間變化時(shí)的平均響應(yīng)時(shí)間，并將計(jì)算得出的結(jié)果繪制成圖2所示。

從圖2中兩條曲線可知，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測方法的平均響應(yīng)時(shí)間在40ms 以下，對照組監(jiān)測方法的平均響應(yīng)時(shí)間超過50ms，兩者相比，實(shí)驗(yàn)組比對照組低了10ms以上，實(shí)驗(yàn)組的平均響應(yīng)時(shí)間更短，因此，本文監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中具備更好的時(shí)效性。本文基于GIS水文建模的監(jiān)測方法與基于分布式水文模型的監(jiān)測方法相比，前者的監(jiān)測精度和監(jiān)測時(shí)效性更強(qiáng)，其能夠?yàn)樗Y源保護(hù)和水資源治理措施的提出提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 實(shí)驗(yàn)組和對照組監(jiān)測時(shí)效性對比圖

3 結(jié)語

由于人類社會活動(dòng)的不規(guī)范、對土地資源與環(huán)境資源的無節(jié)制開墾，全球生態(tài)環(huán)境建設(shè)呈現(xiàn)極端變化趨勢，水資源被污染的面積越來越大，該現(xiàn)象對于人類生活所造成的負(fù)面影響呈現(xiàn)一種增加趨勢。因此，針對上述問題，本文在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上引進(jìn)GIS技術(shù)，采用對水資源進(jìn)行水文建模的方式，研究具有針對性的水資源污染的應(yīng)急監(jiān)測方法，通過該方法，實(shí)現(xiàn)對突發(fā)性污染事件的及時(shí)感知與處理，為環(huán)境治理和保護(hù)提供可靠依據(jù)。