基于GIS水文建模的水資源污染應急監測方法

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象中發現［1-3］，該現象的形成原因較為復雜，主要是由于在一個城市相同的時間段或不同的城市相同的時間段內，災害因子的表現形式不同［4］，同時，水資源污染事件的發生具有不確定性、階段性、突發性等特點［5］。處理水資源污染事件前，需要工作人員進行大量的水文、水質、地質工程的勘查，掌握水環境基本特征。為了實現優化水資源污染實時監測工作，水環境監督管理單位提出了基于水環境過程變化動態模擬的污染模型，并明確了將數字化技術作為支撐執行此項工作。但是，該方法構建的模型為水環境二維模型，存在一定的局限性，且無法及時感知突發性污染問題［6］。

1 GIS水文建模的應急監測方法

1.1 建立水資源空間數據庫

為實現應急監測水資源污染，引進MySQL 關系數據庫［7］，通過獲取水資源空間數據的方式，構建水資源環境空間數據庫。在此過程中，將空間數據以離散數據或集成數據的方式存儲在關系數據庫中，并使用空間數據決策引擎工具（ArcSDE 處理工具）導入與存儲數據。同時，通過Arcview 工具，可視化處理地質信息與地理環境信息，在存儲終端設置不同的空間模塊，存儲空間數據與屬性數據［8］。在此過程中，通過VIEW管理采集或獲取的空間數據，將不同類型的地理信息按照實體類型劃分為多個信息結構并按照類別表示。

在構建數據庫時，需要建立屬性數據庫，管理各類屬性數據信息，以表的形式，結合關系模型，實現對各項屬性數據信息的連接。針對每一個圖層，均建立相應主題的屬性列表，同時，針對各類屬性數據，建立相應的檢索關鍵詞，并利用Link工具，通過對相同關鍵詞的獲取，實現其與主題屬性之間的連接。為了確保兩種數據庫的相互協調［9］，單獨存儲數據，并通過Arc-SDE 的應用程序接口，實現與空間數據庫各數據信息相連，確保監測過程中各類數據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據庫后，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。

根據圖1可知，通過GIS水文建模，展示地級市縣、縣級市界等區域內水資源環境的空間信息，將收集的空間數據和屬性數據顯示在相應水資源環境劃分區域內，同時，在模型中明確標記水資源周圍環境中的排污口、排污單位等。結合監測輸入的數據及參數，預測監測區域內的水資源未來水質條件，并動態模擬單污染源或多污染源的疊加影響效果［12］。在ArcView 窗口中，針對模擬后的水環境水質進行可視化展現。

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 動態數據的水污染擴散分析與應急監測

結合動態數據分析水污染擴散情況，通過擴散約束條件應急監測水質。在分析水污染擴散時，結合經典水動力學方程和水質擴散算法，模擬真實的水環境條件下水資源的運動。水資源在流動過程中具有典型的連續性，因此，通過下述公式實現對水資源運動的表達：

式（1）中，h表示水資源的實際深度，t表示監測過程中水資源的流動時間，u表示水資源流動過程中在水平方向上的平均流速，v表示水資源流動過程中在豎直方向上的平均流速，x表示水環境周圍水平方向風速，y表示水環境周圍豎直方向風速。

在此基礎上，針對水資源污染擴散的分析，需要引入動量方程和非持久性污染物遷移方程，基于有限體積法，實現對其離散處理。為了確保監測結果的精度，在DEM網格中，采用SIMPLEC法校正水深。在分析過程中，由于水資源持續流動，因此，結合干濕法，處理水資源的動態邊界問題。同時，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～III 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行；IV等級為水資源中含有少量污染物，并且已經出現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 個等級分別設置不同的閾值，根據上述擴散分析得出模擬預測結果，與各個閾值范圍進行比較，實現快速分類水資源污染等級，并給出不同等級污染的應急保護、治理措施，降低水資源污染的影響，以此實現對水資源污染應急監測。

2 對比實驗

在引入GIS 水文建模技術后，提出了一種全新的水資源污染應急監測方法。為了進一步驗證研究方法的合理性和可行性，選擇新的監測方法作為實驗組，將傳統水資源污染監測中的基于分布式水文模型的監測方法作為對照組，將兩種不同的監測方法應用到相同的實驗環境中，并針對相同的監測對象進行對比實驗研究。

選擇在具有模型計算功能的軟件中輸入真實的污染物地點、污染排放量、水資源污染濃度等數據，模擬水資源中污染物擴散情況。通過該軟件，獲取坐標文件和污染濃度文件，并且坐標文件的信息對應污染物濃度文件的信息。在模擬水資源污染擴散的過程中，分別利用提出的監測方法和基于分布式水文模型的監測方法對其進行監測。表1為模擬的水資源環境水質條件記錄表。

表1中，IV、V和V劣均為水資源的水質等級，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重。從表1中記錄的各個區域水資源環境水質條件可知，在該水資源環境范圍內，區域A、區域C和區域E均在不同月份出現嚴重污染的情況。

表1 模擬的水資源環境水質條件記錄表

2.1 監測精度對比

為驗證設計監測方法在實際應用中的監測精度，將表1記錄的內容作為基礎，利用本文監測方法和基于分布式水文模型的監測方法，測定5 個區域內的污染物濃度，并將得出的實驗結果繪制成表2所示。

從表2的數據可知，實驗組的監測結果更接近于實際測量結果，最大誤差僅為0.04mg/L，其他誤差均在0.01mg/L，并且監測結果能夠為水資源污染等級的劃分提供重要依據。同時，在實驗過程中發現，對照組監測方法在測定5 個區域的水資源污染物濃度時，區域A、區域C和區域E的監測結果與其他兩個區域相比略接近實測值，說明對照組監測方法適用于監測存在重度污染的水資源環境的污染濃度，并且監測的結果均沒有達到實驗組的監測精度。因此，實驗初步證明，本文提出的基于GIS水文建模的監測方法在實際應用中能夠實現高精度監測水資源污染濃度，提高了監測精度，并且監測結果能夠為水資源水質等級劃分提供重要數據依據。

表2 實驗組與對照組水資源污染濃度監測結果記錄表（單位：mg / L）

2.2 監測時效性對比

為驗證該方法是否具備快速響應的應急能力，對比實驗組和對照組兩種監測方法的時效性，監測5 個區域的水資源污染濃度變化，通過人為的方式，改變水資源污染擴散模擬過程中污染物的濃度。分別利用兩種監測方法對水資源環境中污染物濃度瞬間變化時的平均響應時間作為評價指標，指標值越小，表明方法的性能越好。瞬時變化響應時間的計算公式為：

式（2）中，表示水資源環境污染濃度瞬間變化時的監測方法的平均響應時間，t1表示監測方法響應時刻，t2表示監測方法發現濃度異常變化時刻，n表示監測方法從發現濃度異常變化時刻到作出響應時刻之間監測次數。根據上述公式，計算得出實驗組和對照組兩種監測方法在水資源環境污染濃度瞬間變化時的平均響應時間，并將計算得出的結果繪制成圖2所示。

從圖2中兩條曲線可知，實驗組監測方法的平均響應時間在40ms 以下，對照組監測方法的平均響應時間超過50ms，兩者相比，實驗組比對照組低了10ms以上，實驗組的平均響應時間更短，因此，本文監測方法在實際應用中具備更好的時效性。本文基于GIS水文建模的監測方法與基于分布式水文模型的監測方法相比，前者的監測精度和監測時效性更強，其能夠為水資源保護和水資源治理措施的提出提供可靠的數據依據。

圖2 實驗組和對照組監測時效性對比圖

3 結語

由于人類社會活動的不規范、對土地資源與環境資源的無節制開墾，全球生態環境建設呈現極端變化趨勢，水資源被污染的面積越來越大，該現象對于人類生活所造成的負面影響呈現一種增加趨勢。因此，針對上述問題，本文在現有成果的基礎上引進GIS技術，采用對水資源進行水文建模的方式，研究具有針對性的水資源污染的應急監測方法，通過該方法，實現對突發性污染事件的及時感知與處理，為環境治理和保護提供可靠依據。