城市化進程中的水環境質量預警研究

■顧濤

（昌吉州環境污染監控中心新疆昌吉831100）

城市化進程中的水環境質量預警研究

■顧濤

（昌吉州環境污染監控中心新疆昌吉831100）

隨著工業進步和社會發展，水污染問題日趨嚴重，加強水質的預測預警、防治水污染是水資源保護的一項緊迫而又重要的任務。本文對昌吉州頭屯河流域的水環境質量，構建了基于GIS平臺的水污染預警系統，實現了水質模型與GIS的集成，為確定水污染事故影響程度及范圍、制定和實施污染事故應急預案提供了可靠依據。

水環境質量預警GIS

1　系統設計

GIS平臺的水污染預警系統模塊主要由系統數據庫管理模塊、預測分析方法庫模塊、監測預警分析模塊、系統輸出模塊四部分組成。其系統功能主要包括：數據編輯功能、河道網格自動剖分功能、預測分析功能、水質評價及預警分析功能、可視化顯示及查詢功能、輸出功能。

2　系統實現中的主要問題

2.1河道網格剖分

2.1.1獲取河道邊界及河道軸線控制點

河道邊界主要用于控制劃分計算網格的范圍，河道邊界的控制點應盡量能反映河道真實邊界，若控制點不能與河道的邊界較好地擬合，可增加控制點直至滿意為止，并不要求左右兩岸河道邊界的控制點數目相同。河道軸線上的控制點應盡可能描述河流主要流向及位置。

2.1.2劃分河道軸線

根據順河流方向指定單元長度l，將河道軸線劃分為等距離的若干段n，并獲取每段節點坐標（x，y）。河道軸線的總長度為L，根據河道軸線控制點坐標A（aix，aiy）計算相鄰兩控制點間的距離li，。

2.1.3求取河道軸線上垂線與河道邊界的交點

根據求得的河道軸線分段節點坐標（xj，yj），求經過該點并垂直該段軸線的直線與兩岸河道邊界的交點（bix，biy）。簡化該模型，即為求一條直線與一條多段線的交點坐標。判斷直線與多段線上每段直線的關系，若相交則求其交點，該交點即為直線與多段線的交點。

2.1.4形成網格

由河道軸線上分段節點坐標C（xj，yj）、河道邊界交點B（bix，biy）及垂直軸線方向網格數目p，將分段節點C與河道邊界交點B的連線分成p等份，其節點坐標為D（xk，yk），則四個節點D1（xk，yk）、D2（xk+1，yk+1）、D3（xk+p+1，yk+p+1）、D4（xk+p+2，yk+p+2）可形成一個四邊形網格。

2.2水質模型與河道計算網格的集成

水質模型的計算對象為河道計算網格的單元，根據水質模型中各參數的含義，在生成河道計算網格過程中，需同時記錄單元所在河道位置的斷面寬度Width、單元形心坐標值CenterXY、單元形心沿河流方向的距離DeltaX、單元形心至河道軸線的距離DelatY。在生成河道計算網格時，為單元添加這些屬性字段，并將這些記錄的參數保存至相應的屬性字段中。

為避免每次預測分析污染物時都重復河道計算網格劃分，可先將整個流域的河道進行網格剖分。在預測分析時，根據污染源的空間位置在河道計算網格上進行空間查詢，查詢到該污染源對應河道計算網格中的單元并獲取該單元形心沿河流方向的距離DeltaX，則河道計算網格中所有DeltaX值大于該值的單元均為本次預測分析的對象。在確定預測分析的計算對象后，即可根據水質模型及每個計算對象的屬性值進行計算分析。

3　應用實例

3.1工程概況

頭屯河發源于天格爾達坂的北麓，是介于昌吉和烏魯木齊之間的一條界河，由位于高中山帶的七大支流匯集而成，經過喬楞格爾、八一農學院林場、金澇壩、廟爾溝、硫磺溝，由西南向東北，穿過山澗，于哈地坡流出山口，穿過山前平原，流入西戈壁。頭屯河全長179km，平均寬度240m，集水面積1562km2，流域面積2880km2，頭屯河年均徑流量2.34億m3，最大徑流量3.148億m3，最小徑流量1.63億m3，年平均流量7.42m/s，水位標高為573.457m，屬老年期河床。頭屯河水系從上游到頭屯河水庫，到新疆八一鋼鐵廠附近，再到新疆電線電纜廠以南，最后流經昌吉市，河水的水質經歷了污染、自凈、再污染、再自凈的過程，即該水系水質在新疆八一鋼鐵廠以上較好，可做多種用途的供水水源，新疆八一鋼鐵廠以下，雖然整體水質達到地表水水質Ⅲ標準，但部分水質指標已呈現逐年遞增趨勢，如不加以管控，未來可能會出現超出地表水水質Ⅲ標準的情況。

3.2河道網格自動剖分

在河道網格剖分過程中，網格間距的選取將直接關系到生成網格所需時間及生成的單元數目。網格間距越大，生成網格所需時間越短，生成單元數目越少，水質模擬的精度會隨之降低。因此，本文從頭屯河選取一段長約14.5km的河段為研究對象，順河流方向單元50 m，垂直軸線方向網格數目10，共生成239 360個單元。

3.3水污染預測分析

水污染預測分析主要根據水質模型及污染源相關信息計算河道網格單元。目前，本系統已集成河流二維穩態混合衰減模型、二維瞬時點排放模型、河流一維水質模型及多污染源污染分析模型。為適應不斷發展和完善的水質模型理論，本系統還提供了開放的算法模型接口，具有很好的通用性和擴展性。

3.4可視化顯示與查詢

系統以ArcGISEngine為GIS開發平臺，使用MapControl等控件來實現流域地理信息的可視化展示及GIS數據管理。在系統中，通過ArcGIS Engine提供的地圖瀏覽工具可實現GIS數據加載、地圖縮放、平移、數據查詢等功能。

4　結語

構建了基于GIS平臺的昌吉市頭屯河段水污染預警分析系統，不僅實現了河道計算網格自動剖分功能，還實現了水質監測信息的空間數據查詢、可視化展示和動態演示等功能，顯著增強了水質預測分析及預警分析的直觀性和水污染管理的高效性。

［1］王劍利，石為人，蔡章利，等.預警系統中GIS與水質預測模型的集成應用研究 ［J］.儀器儀表學報，2008，29（8）.

［2］曾雨.基于GIS的閩江流域水污染事故預警應急系統研究 ［D］.福州：福建師范大學，2008.

P41［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-417-1

顧濤（1976～），男，本科，副高級工程師，研究方向為環境監測和環境污染監控等。