GIS 在地下水污染分析評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與技巧

黃金玉，姜月華，蘇晶文

(南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇南京 210016)

GIS 在地下水污染分析評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與技巧

黃金玉?，姜月華，蘇晶文

(南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇南京 210016)

以長江三角洲地區(qū)地下水為研究對(duì)象，對(duì)地下水污染進(jìn)行調(diào)查和分析評(píng)價(jià)，將獲得的野外調(diào)查數(shù)據(jù)和樣品測試數(shù)據(jù)通過GIS技術(shù)進(jìn)行信息處理，完成地下水檢出與超標(biāo)評(píng)價(jià)、單指標(biāo)質(zhì)量評(píng)價(jià)、分類指標(biāo)質(zhì)量評(píng)價(jià)以及單指標(biāo)污染評(píng)價(jià)，并將分析評(píng)價(jià)結(jié)果通過GIS圖件形式顯示輸出。本文詳細(xì)介紹GIS在地下水污染分析評(píng)價(jià)中的應(yīng)用過程和方法，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)GIS使用技巧進(jìn)行闡述。

地理信息系統(tǒng)；地下水；質(zhì)量評(píng)價(jià)；等值線

1 引 言

2 GIS在地下水質(zhì)量分析評(píng)價(jià)中應(yīng)用

水資源是支撐長江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略資源，地下水是水資源的重要組成部分。然而，隨著人類活動(dòng)的加劇，石油類污染，城市垃圾和生產(chǎn)生活污水的不合理處置以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥、化肥的大量使用，導(dǎo)致地下水有機(jī)污染狀況日趨加重。地下水污染引起水中有害、有毒元素不斷增多，水質(zhì)下降甚至惡化，給長江三角洲地區(qū)飲用水安全帶來嚴(yán)重威脅。

將GIS技術(shù)應(yīng)用到地下水質(zhì)量分析評(píng)價(jià)中，不僅僅是幾個(gè)簡單的操作步驟，而是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的操作過程，通過不同功能模塊結(jié)合不同操作完成。

2.1 GIS操作過程

對(duì)地下水污染分析評(píng)價(jià)，首先需要將野外空間數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，地下水采樣點(diǎn)通過經(jīng)緯度值記錄其空間地理位置，讀取對(duì)應(yīng)地理坐標(biāo)值，通過GIS投影技術(shù)轉(zhuǎn)換為矢量圖元，然后運(yùn)用GIS參數(shù)設(shè)定和等值線分析對(duì)采樣點(diǎn)(GIS點(diǎn)圖元)屬性值進(jìn)行分析，過程如圖1所示。

圖1 地下水污染分析評(píng)價(jià)GIS運(yùn)用流程圖

2.2 運(yùn)用GIS技術(shù)采樣點(diǎn)矢量化

通過野外獲取各個(gè)研究區(qū)域的分析點(diǎn)的相關(guān)地理信息，如地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度或公里網(wǎng)值)、地理位置等，通過測試獲得每個(gè)分析點(diǎn)的指標(biāo)值。對(duì)于地下水質(zhì)量分析評(píng)價(jià)首要操作，則是將分析點(diǎn)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，再根據(jù)轉(zhuǎn)換的區(qū)域地理分布結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。運(yùn)用GIS投影變換功能，GIS在進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換時(shí)需要獲取兩方面的投影參數(shù)，一個(gè)是用戶投影參數(shù)，實(shí)際是指野外獲取的分析點(diǎn)的實(shí)際地理坐標(biāo)，在長三角地區(qū)獲取的野外坐標(biāo)單位是經(jīng)緯度，另外一個(gè)參數(shù)是結(jié)果投影參數(shù)，是指作為底圖的矢量電子地圖的地圖參數(shù)，根據(jù)實(shí)際參數(shù)值設(shè)置完成后，GIS則通過內(nèi)部運(yùn)算法則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將投影結(jié)果通過GIS點(diǎn)文件投影顯示于底圖中。

2.3 運(yùn)用GIS進(jìn)行地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

在通過GIS投影轉(zhuǎn)換的過程中，測試指標(biāo)值同時(shí)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)圖元的屬性值，在評(píng)價(jià)中就是對(duì)這些指標(biāo)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用GIS分析評(píng)價(jià)即是對(duì)點(diǎn)圖元屬性的分析。

確定參評(píng)指標(biāo)共56項(xiàng)，其中，常規(guī)指標(biāo)25項(xiàng)，非常規(guī)指標(biāo)31項(xiàng)。

(1)常規(guī)指標(biāo)(25項(xiàng))

無機(jī)指標(biāo)(23項(xiàng)):pH、鐵、錳、銅、鋅、鋁、鈉、氯化物、硫酸鹽、總硬度、溶解性總固體、耗氧量、砷、鎘、六價(jià)鉻、鉛、汞、硒、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、碘化物；

有機(jī)指標(biāo)(2項(xiàng)):三氯甲烷、四氯化碳。

(2)非常規(guī)指標(biāo)(31項(xiàng))

揮發(fā)性有機(jī)物指標(biāo)(21項(xiàng)):1，1，1-三氯乙烷、三氯乙烯、四氯乙烯、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷、1，2-二氯丙烷、三溴甲烷、氯乙烯、溴二氯甲烷、一氯二溴甲烷、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烯、氯苯、鄰二氯苯、對(duì)二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯；

半揮發(fā)性有機(jī)物指標(biāo)(10項(xiàng)):總六六六、γ-BHC (林丹)、總滴滴涕、六氯苯、七氯、苯并(a)芘、萘、蒽、熒蒽、苯并〔b〕熒蒽。

對(duì)于單指標(biāo)質(zhì)量評(píng)價(jià)的56項(xiàng)指標(biāo)分為無機(jī)和有機(jī)兩大類，需要運(yùn)用GIS兩類功能，一個(gè)是對(duì)于有機(jī)單指標(biāo)質(zhì)量評(píng)價(jià)通過GIS點(diǎn)圖元參數(shù)進(jìn)行分析區(qū)分，在點(diǎn)圖元屬性中存在各點(diǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)測試值，選擇GIS中根據(jù)屬性賦參數(shù)的操作功能，通過圖元顏色參數(shù)對(duì)各類水進(jìn)行分析顯示；另外一個(gè)是對(duì)于無機(jī)單指標(biāo)質(zhì)量評(píng)價(jià)則是通過GIS等值線分析進(jìn)行，這個(gè)分析過程相對(duì)較復(fù)雜，在MapGIS軟件中進(jìn)入DTM分析模塊，裝入前面已轉(zhuǎn)換好的點(diǎn)圖元文件，對(duì)此點(diǎn)圖元中需要進(jìn)行分析的屬性進(jìn)行點(diǎn)屬性值的提取操作，屬性值提取后進(jìn)行離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化得到后綴為Grd網(wǎng)格化文件，針對(duì)Grd文件進(jìn)行平面等值線分析，得到的分析結(jié)果通過GIS區(qū)域、點(diǎn)以及線文件綜合顯示。

3 GIS應(yīng)用關(guān)鍵步驟

3.1 采樣點(diǎn)空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[1～4]

對(duì)于地下水野外空間數(shù)據(jù)點(diǎn)(采樣點(diǎn))的投影，最關(guān)鍵的是投影參數(shù)的設(shè)置以及屬性的賦值。長江三角洲地區(qū)地下水污染評(píng)價(jià)項(xiàng)目選擇使用MapGIS軟件進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，MapGIS讀取的空間數(shù)據(jù)文件格式是文本格式，將原始數(shù)據(jù)文件以文本格式存儲(chǔ)后，進(jìn)入GIS投影變換功能模塊，選擇用戶文件投影菜單，此時(shí)系統(tǒng)提供了投影參數(shù)設(shè)置的交互界面，在此界面中對(duì)投影參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，而投影參數(shù)的設(shè)置是整個(gè)投影操作中較為核心的步驟，需要了解設(shè)置的兩個(gè)投影參數(shù)的具體含義:

用戶投影參數(shù)——指野外實(shí)際獲得的地理坐標(biāo)參數(shù)，通常是指兩類單位坐標(biāo):經(jīng)緯度和公里網(wǎng)，針對(duì)經(jīng)緯度坐標(biāo)系類型應(yīng)選擇地理坐標(biāo)系，坐標(biāo)單位是DDDMMSS.SS，對(duì)于公里網(wǎng)坐標(biāo)系單位應(yīng)選擇大地坐標(biāo)系，比例尺為1∶1，坐標(biāo)單位是m；

結(jié)果投影參數(shù)——指作為投影底圖的地圖參數(shù)，通常坐標(biāo)系類型是投影直角坐標(biāo)系，區(qū)別于用戶投影參數(shù)是在結(jié)果投影參數(shù)中需要輸入更多的參數(shù)值，如投影類型(包括有通用橫向墨卡托投影坐標(biāo)系(UTM)、蘭伯特等角圓錐投影坐標(biāo)系LAMBERT CONFORMAL CONIC、墨卡托(正軸等角圓柱)投影坐標(biāo)系MERCATOR、高斯-克呂格(橫切橢圓柱等角))，每個(gè)投影類型都對(duì)應(yīng)各自的投影參數(shù)值，如高斯-克呂格(橫切橢圓柱等角)對(duì)應(yīng)著投影中心點(diǎn)經(jīng)度等，蘭伯特等角圓錐投影坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)第一標(biāo)準(zhǔn)緯度、第二標(biāo)準(zhǔn)緯度、中央子午線經(jīng)度等。

3.2 運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行有機(jī)單指標(biāo)評(píng)價(jià)

使用GIS參數(shù)進(jìn)行有機(jī)單指標(biāo)評(píng)價(jià)，通過MapGIS主界面進(jìn)入輸入編輯功能模塊，打開已完成采樣點(diǎn)(分析點(diǎn))空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的點(diǎn)文件，選擇點(diǎn)屬性編輯菜單中的根據(jù)屬性統(tǒng)改參數(shù)功能，在屬性條件選擇界面上，選擇對(duì)應(yīng)單指標(biāo)屬性名稱，完成條件語句”單指標(biāo)值＞=判定標(biāo)準(zhǔn)值＆＆單指標(biāo)值＜=判定標(biāo)準(zhǔn)值”，此時(shí)GIS通過此判定語句選擇符合條件的點(diǎn)圖元后提供參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將圖元參數(shù)中的顏色設(shè)置為對(duì)應(yīng)顏色。

3.3 運(yùn)用GIS技術(shù)進(jìn)行無機(jī)單指標(biāo)評(píng)價(jià)[7]

相對(duì)于有機(jī)單指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，無機(jī)單指標(biāo)評(píng)價(jià)更復(fù)雜，在進(jìn)行等值線分析中有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置界面比較重要，一個(gè)是離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化中網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格化方法的選擇，在這個(gè)界面中網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置開始GIS系統(tǒng)會(huì)選擇默認(rèn)參數(shù)值，網(wǎng)格線數(shù)X方向的通常默認(rèn)為101，網(wǎng)格化方法選擇Kriging(克立金)法網(wǎng)格化，并將網(wǎng)格化處理好的文件?.Grd保存；另外一個(gè)參數(shù)設(shè)置界面是等值線參數(shù)設(shè)置界面，這其中等值層值的設(shè)定很重要，根據(jù)無機(jī)單指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)起始等值線層值、終止等值線層值以及步長增量(即等值間距)進(jìn)行選擇設(shè)置。

4 運(yùn)用GIS技術(shù)的思考與技巧

通過長江三角洲地區(qū)地下水采樣點(diǎn)分布特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)采樣點(diǎn)分布不均勻呈不規(guī)則形，點(diǎn)間距多樣性，而運(yùn)用GIS中Kriging等值線分析針對(duì)分布均勻有規(guī)律等距的分析點(diǎn)做出的等值線更美觀標(biāo)準(zhǔn)，因此，通過多克立金等值線分析參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化時(shí)需要根據(jù)采樣點(diǎn)分布情況對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行修訂。在GIS完成等值線分析時(shí)會(huì)使用其內(nèi)部運(yùn)算公式，如X和Y方向的等值線間距就有如下公式:

X方向等之間間距=(X方向最大值-X方向最小值)/X等值線數(shù)量

Y方向等之間間距=(Y方向最大值-Y方向最小值)/Y等值線數(shù)量

通過公式可以知道X或Y方向間距和等值線數(shù)量是互相推算出來了，只要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定其中一個(gè)參數(shù)值即可，可根據(jù)采樣點(diǎn)實(shí)際間距將X和Y方向值設(shè)定為符合實(shí)際分析的數(shù)值。

在網(wǎng)格化方法選定后，有兩個(gè)重要的參數(shù)需要設(shè)置，其中最大搜索圓半徑的運(yùn)算公式如下:

最大搜索圓半徑=X方向等之間間距×Y方向等之間間距

另外一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是變差函數(shù)類型中的變程值，這個(gè)參數(shù)的缺省值為數(shù)據(jù)點(diǎn)最小包圍矩形對(duì)角線的一半長度，但也存在其運(yùn)算公式，如下:

變程數(shù)據(jù)值=開根號(hào)((X方向最大值-X方向最小值)×(X方向最大值-X方向最小值)+(Y方向最大值-Y方向最小值×(Y方向最大值-Y方向最小值))/2

在實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)將最大搜索圓半徑調(diào)整大小對(duì)最后的分析結(jié)果有很大的影響，當(dāng)半徑大時(shí)分析結(jié)果圖件與實(shí)際分析點(diǎn)分布不太符合，而將搜索半徑調(diào)整至合適值成圖效果不但美觀準(zhǔn)確而且分析區(qū)域與分析點(diǎn)分布區(qū)域?qū)?yīng)。

5 實(shí)際完成效果

長江三角洲地區(qū)地下水采樣點(diǎn)屬性結(jié)構(gòu)如表1，通過GIS分析結(jié)果如圖2所示。

地下水污染屬性結(jié)構(gòu) 表1

圖2 通過GIS參數(shù)分析結(jié)果(左)和通過GIS等值線分析結(jié)果(右)

通過GIS在長江三角洲地區(qū)地下水污染調(diào)查項(xiàng)目中的應(yīng)用，總結(jié)出應(yīng)用方法和技巧，也從中明白將GIS技術(shù)運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域都需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)常規(guī)應(yīng)用方法進(jìn)行改進(jìn)和分析。

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GIS Application in the Analysis and Evaluation of Groundwater Pollution and Skills

Huang Jinyu，Jiang YueHua，Su Jingwen
(Nanjing Center of Geological Survey，Nanjing 210016，China)

With the groundwater in the Yangtze River Delta as the research object，carries on the investigation and the analysis of groundwater pollution，the field investigation data and sample data will get the information processing by GIS technology，complete detection and evaluation of groundwater exceed the standard，the single index evaluation，classification index of quality evaluation and the single pollution index of evaluation，and the evaluation results through the GIS map display output.This paper introduces application of GIS in the process and method of evaluation of groundwater pollution analysis，and according to the actual situation of GIS using the technique described.

GIS；groundwater；quality evaluation；contour

1672-8262(2013)04-161-03

P208.2，P641.69

A

2013—03—01

黃金玉(1982—)，女，助理研究員，主要從事地理信息系統(tǒng)和水文地質(zhì)環(huán)境方面的研究。

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212010634400)