飲用水水源地環境調查中的GIS應用

謝毅文 鐘遠良 張強 高衛平 蔣任飛

(1.東莞理工學院 化學與環境工程學院，廣東東莞 523808;2.深圳市泰達企業管理顧問有限公司，廣東深圳 518101;3.珠江水利委員會，廣州 510611;4.珠江流域水資源保護局，廣州 510611;5.中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510611)

2009年以來，環保部全面啟動全國飲用水水源地環境保護工作，要求地方各級環保部門進行典型鄉鎮集中飲用水水源地基礎環境調查及評估工作。但在飲用水水源地實際調查工作往往會遇到調查范圍難以界定、污染源難以準確定位、調查信息處理工作量巨大等困難，對飲用水水源地環境調查工作的開展造成嚴重影響。分析發現以上困難的共通點是這些環境信息均具有空間屬性，應用GIS技術能有效解決。GIS是地理信息系統 (Geographic Information System)的簡稱，它融合計算機圖形和數據庫于一體，儲存和處理與地理空間分布有關信息的集合，把地理位置和相關屬性信息有機結合起來，根據實際需要準確真實、圖文并茂地輸出給用戶。用戶借助其獨有的空間分析功能和可視化表達，可進行各種輔助決策［1］。GIS技術已在土地利用、城市規劃、水土流失、環境監測、資源管理、災害評估等方面得到廣泛應用［2－5］。本文應用GIS技術實現飲用水水源地保護區劃分、污染源定位、篩選和空間統計、飲用水水源地環境信息的提取和顯示，大為提升飲用水水源地環境調查的工作效率和數據精度，能為飲用水水源地環境調查工作開展提供技術參考。

1 GIS在保護區劃分和信息提取中的應用

1.1 研究區及保護區劃分方法

本文以東莞市橫崗水庫飲用水水源地為例進行討論。橫崗水庫位于東莞市厚街鎮，位置為北緯22°55'24.19″、東經113°42'22.66″，總庫容3280萬m3，屬于山區型中型水庫。根據《飲用水水源地保護區劃分技術規范》［6］，山區型中型水庫飲用水水源地保護區劃分方法為:1)其一級保護區的應為取水口側正常水位線以上200 m范圍內的陸域，或一定高程線以下的陸域，但不超過流域分水嶺范圍;2)其二級保護區應為水庫周邊山脊線以內 (一級保護區以外)及入庫河流上溯3000 m的匯水區域。

1.2 保護區劃分技術步驟

1)安裝ArcGIS軟件，打開ArcMap，添加橫崗水庫水面線圖henggang.shp(可由當地水系圖提取并進行矢量化和坐標投影)。

2)點擊Editor中的“Start Editing”并在Target中選中henggang.shp的圖層。在henggang.shp圖層上精確描繪出橫崗水庫的水面線輪廓 (如圖1示)，然后點擊Editor中的“Save Editing”保存編輯。

圖1 在矢量水系圖henggang.shp圖層上精確描繪出橫崗水庫的有效計算水面線作為緩沖區生成的邊界依據

圖2 緩沖區生成工具“Buffer”在ArcToolbox中的位置示意圖

4)添加當地數字高程圖 (Digital Elevation Model，簡稱DEM)，根據橫崗水庫周邊地區的高程差在新圖層fshl.shp(事先在ArcCatalog中生成)上描繪生成橫崗水庫分水嶺 (如圖4示)。

5)bhq1.shp多邊形在fshl.shp多邊形范圍以內方為有效部分，可以使用Editor工具條上的Clip工具，用分水嶺線去切割緩沖區，剩余部分為橫崗水庫飲用水水源地一級保護區 (如圖5示)。

9)重復步驟3，將Linear unit(緩沖區)設為3000 Meters，生成bhq2.shp緩沖區圖層，進一步重復步驟4和步驟5，可以獲得飲用水水源地的二級保護區，最終效果如圖6示。

1.3 保護區信息提取

圖3 圖中外圍綠色密閉線條為生成緩沖區的外圍邊界

圖4 根據DEM描繪生成橫崗水庫集雨區分水嶺 (圖中綠色密閉線條)

表1 橫崗水庫飲用水水源地保護區信息表

圖5 圖中為以分水嶺切割緩沖區得出的橫崗水庫飲用水水源地一級保護區效果圖 (圖中外圍綠色密閉線條為一級保護區外圍邊界)

圖6 應用GIS描繪橫崗水庫飲用水水源地一、二級保護區邊界效果圖

2 在污染源定位、篩選及空間統計中的應用

2.1 污染源數據來源和處理要求

假設通過調查獲取橫崗水庫飲用水水源地周邊約3 km范圍內上百個工業污染源的占地面積和經緯度數據，目前需要把這些工業污染源準確定位到水源地保護區圖內，并分析統計一、二級保護區內工業污染源情況。

2.2 污染源定位、篩選、空間統計步驟

1)在ArcMap中添加橫崗水庫飲用水水源地一級保護區圖層bhq1.shp、二級保護區圖層bhq2.shp及水庫水面線圖層henggang.shp。

2)利用Tools菜單中“Add XY Data”工具將橫崗水庫周邊污染源數據表gongge.dbf導入到ArcMap中 (見圖7)。

3)使用Editor刪掉沒有落在一級保護區內的工業污染源，導出一級保護區工業污染源數據表。

4)重復第二步，重新利用Tools菜單中“Add XY Data”工具將橫崗水庫周邊污染源數據表gongge.dbf導入到ArcMap，使用Editor刪掉沒有落在二級保護區內的工業污染源，導出二級保護區工業污染源數據表。

5)使用Excel打開導出的一、二級保護區工業污染源數據表即可統計一、二級保護區的工業污染源情況。

圖7 在GIS中導入水庫周邊的污染源數據 (經緯度等)并刪除保護區外污染源后的水源地保護區內污染源分布圖

2.3 污染源空間統計分析

通過以上GIS空間信息處理，可以快速準確地獲得橫崗水庫飲用水水源地保護內共有36個工業污染源，總占地面積為421540.00 m2，其中一級保護區范圍內存在10個工業污染源，占地面積為156228.00 m2，占37%;二級保護區范圍內存在26個工業污染源，占地面積為265312.00 m2，占63%。

3 結論

在飲用水水源地環境調查工作中應用GIS技術對具有空間屬性環境信息進行處理和分析，可以大幅提供工作效率和準確度，也使得一些原本難以獲取的信息成為可能。本文以實例演示應用GIS技術進行飲用水水源地保護區劃分、污染源數據定位、篩選、空間統計的技術方法和效果，希望能為廣大環保工作者在進行飲用水水源地環境調查過程中提供有益的技術參考和幫助。

［1］湯國安.地理信息系統空間分析實驗教程［M］.北京:科學出版社，2006.

［2］杜培軍，周廷剛.“3S”技術在城市環境管理中的應用［J］.環境保護，1999，26(3):324－330.

［3］程林，王浩然.地理信息系統與環境地球化學［J］.地質地球化學，1999，27(2):110－113.

［4］郭廣慧，張航程，等.基于GIS的宜賓城市土壤Pb含量空間分布特征及污染評價［J］.環境科學學報，2011，31(1):164－171.

［5］韋保仁，石劍榮.地理信息系統在環境保護中的發展趨勢分析［J］.蘇州城建環保學院學報，1999，12(3):35－40.

［6］國家環境保護總局.HJ/T338－200飲用水水源保護區劃分技術規范［S］.北京:中國環境科學出版社.