基于GIS的土壤重金屬污染分析與模擬系統設計

王 建，戴秀清，劉曉鳳，李 燦，任安晶，李功權*

（1.長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100）

土壤重金屬污染具有不可逆性、難治理性等特點，將導致有害物質在土壤、農作物中大量積累[1]。近年來，隨著社會經濟的快速發展，我國土壤環境總體狀況堪憂，土壤中重金屬含量不斷增加，部分地區污染較嚴重，主要為砷、汞、鉛、鎘、鉻、銅、鋅、鎳等重金屬污染[2]，給生態環境和食品安全帶來了嚴重的威脅[3]，不利于環境的可持續發展。本文通過對已有的重金屬污染源進行科學管理，結合GIS的空間分析能力，將空間數據與土壤重金屬污染相結合；再利用重金屬污染二維模擬算法對重金屬污染進行模擬和分析，從而預測重金屬污染的空間分布；然后結合GIS的多種可視化手段，更加直觀地表示重金屬污染源的相關信息和模擬結果，方便有關環保部門對重金屬污染源進行查詢和管理，有利于環保部門及時解決、改善和管理重金屬污染問題。因此，開發土壤重金屬污染分析與模擬系統具有重要的應用價值。

1 需求分析與系統設計

1.1 需求分析

土壤重金屬污染分析與模擬系統的主要任務是在組織和管理重金屬污染源的基礎上，對重金屬污染進行模擬，并利用多種空間分析方法對其進行分析，為相關部門及時解決重金屬污染問題提供決策依據。根據用戶權限，系統將用戶分為管理員用戶和普通用戶兩類。普通用戶可實現屬性查圖、圖查屬性，可通過繪制區域查詢多元數據，也可查詢不同數據集之間的樣本點信息。系統需提供多樣化的方式對重金屬污染源進行展示，如柱狀圖等，從而幫助用戶在數據源過多的情況下，更加直觀地掌握重金屬污染源的相關信息。當選定重金屬污染源時，該污染源可高亮顯示，并可對其進行模擬，直觀展示模擬結果，以便對土壤重金屬污染程度進行評價。管理員用戶除普通用戶的需求外，還需要數據輸入輸出功能。多樣化的空間分析方法（如表面等值線等）可以幫助用戶了解當地的污染情況，對污染源的擴散、周圍土壤的被污染情況等進行分析，從而為污染修復工作提供參考依據。

1.2 系統架構設計

土壤重金屬污染分析與模擬系統的總體架構主要分為請求處理層、業務邏輯層、通用處理層和數據持久層4層（圖1）。開放接口主要采用SuperMap的IClient、Openlayers和Jquery等實現；業務邏輯層由Tomcat進行服務發布，業務邏輯層和數據持久層之間利用Java的SSM架構進行溝通管理；通用處理層與外部接口之間由SuperMap的IServer進行管理；數據源為MySQL數據庫。

圖1 土壤重金屬污染分析與模擬系統總體架構

2 系統功能設計

土壤重金屬污染分析與模擬系統以空間數據和屬性數據為基礎，依托數據庫技術和SuperMap桌面版，實現了對空間數據和屬性數據科學高效地組織與管理；利用GIS的空間分析和專題圖制作等功能對重金屬污染進行分析和展示；并結合點狀重金屬污染源二維擴散算法進行重金屬的二維污染模擬和熱力圖展示。根據上述需求分析，基于GIS的土壤重金屬污染分析與模擬系統主要分為地圖瀏覽與基本操作、查詢、空間分析、展示、重金屬污染模擬5個模塊（圖2），其中地圖瀏覽與基本操作模塊包括地圖瀏覽、圖層切換、圖層縮放、增添數據和用戶登錄注冊5個功能；查詢模塊包括點擊查詢、SQL查詢、繪制查詢和數據集4個功能；空間分析模塊包括緩沖區分析、泰森多邊形和表面等值線3種空間分析方法；展示模塊具有多種專題圖展示功能；重金屬污染模擬模塊包括二維模擬和熱力圖顯示兩個功能。

圖2 土壤重金屬污染分析與模擬系統總體功能模塊設計

2.1 重金屬污染模擬模塊

通過研究對流—彌散模型的穩定流擴散，本文將影響土壤重金屬污染的主要傳播途徑歸為隨流擴散[4]。重金屬污染源二維擴散算法主要是將隨流作用與分子擴散作用相結合，由于分子擴散運動符合Fick擴散定律[5]，則有：

對其求解可得重金屬二維污染模擬，即

式中，C為濃度；Dx、Dy分別為x和y方向的擴散系數；(x0,y0)為點污染源所在位置；(x,y)為污染到某一點的坐標；M為瞬時污染強度；ux、uy分別為x和y方向的水流擴散速度。

根據不同的重金屬類型，用戶在前端將該重金屬對應的污染元素值傳送到后端，后端據此查詢該點的坐標(x,y)、擴散系數等相關信息；再將相關數據代入重金屬污染源二維擴散模型中求解，得到該處對應的重金屬污染濃度；然后以污染源為中心，通過雙層循環遍歷一個N×N的矩形，可以得到矩形中每個(x,y)處對應的濃度，當計算值小于某一特定值時，將其剔除，從而減少不必要的數據量和提高數據的準確性，若是多點源覆蓋的情況，則將值進行疊加；最后將數據返回給前端，前端接收數據后，結合Echarts和IClient提供的熱力圖接口對污染模擬進行動態效果展示[6]，從而讓重金屬污染擴散的可視化效果更加直觀。

2.2 空間分析模塊

該模塊利用表面等值線、泰森多邊形等多種分析方式，對污染源的擴散、周圍土壤的被污染情況進行分析，為污染修復工作提供參考。

泰森多邊形將相鄰的重金屬污染源點連接成三角形，并作其各邊的垂直平分線；再將每條垂直平分線的交點連接起來，即可得到一個多邊形，稱為泰森多邊形。重金屬污染濃度異常值包括全局異常值和局部異常值兩種，其中全局異常值是指相對于某種重金屬污染濃度數據集的所有值而言具有非常高值或非常低值；局部異常值是指雖然處于某種重金屬污染濃度的正常范圍內，但其值與周圍點相比顯得異常高或異常低。 因此，可通過構建泰森多邊形后檢查某個多邊形附近是否存在符號色彩差異很大的多邊形來確定是否存在異常值。表面等值線是將某種重金屬污染值通過內插法插值后繪制而成的等值線。根據等值線的疏密變化和空間變化趨勢可直觀了解土壤重金屬污染源的分布與變化規律，為土壤重金屬污染防護與修復工作提供參考依據。緩沖區分析以點、線、面實體為基礎，自動建立所選要素周圍一定寬度范圍內的緩沖區多邊形圖層。通過重金屬污染源二維擴散算法可得到點污染源的最大可擴散距離，以最遠距離為最遠范圍，即可在系統中分析重金屬污染源擴散危及的范圍，從而為有關部門的土地作物選擇提供數據支撐。

2.3 展示模塊

該模塊通過點聚合顯示、餅狀圖、柱狀圖等多種可視化手段，將各類重金屬元素的污染情況展示在地圖上。用戶可以根據自己的需求，選擇可視化的具體方式。

1）點聚合顯示。當污染源點過多時，需采用點聚合效果，從而解決大量污染源點相互壓蓋、底圖加載卡頓等問題。通過聚合顯示，能更加直觀地展示區域污染源點的密度。

2）單值柱狀圖專題圖。選擇指定種類的污染源，生成單值柱狀圖專題圖。柱狀高度越高，表示該污染源的污染程度越嚴重。

3）柱狀圖專題圖。選擇一種或多種污染源，生成分組式柱狀圖專題圖，可直觀顯示各種污染源在同一區域的污染程度，便于提出針對污染種類的防護措施。

4）餅狀圖專題圖。選擇指定污染源種類或多種污染源生成餅狀圖專題圖，可直觀顯示各類土壤重金屬數量與各種污染源數量總和的比例。

5）玫瑰圖專題圖。選擇指定污染源種類或多種污染源生成玫瑰圖專題圖，點狀符號作為特定區域污染源總數量，通過配合顏色、方向等多種變量，產生多變的圖形擴展，將各類重金屬含量顯示在圖上，可重點突出污染嚴重的重金屬種類。

2.4 查詢模塊

該模塊提供了點擊查詢、繪制查詢、SQL查詢和數據集等功能。通過多種查詢方式，查詢不同重金屬污染采樣點的各種重金屬濃度。點擊查詢是通過鼠標點擊采樣點，將該點放入數據集中，被選對象高亮顯示，以餅狀圖和漏斗圖顯示各種重金屬濃度。繪制查詢是通過繪制多邊形，獲取多邊形覆蓋的點集合，被選點集合高亮顯示，以餅狀圖和漏斗圖顯示點集合中采樣點的各種重金屬濃度。SQL查詢是指在客戶端合成查詢SQL語句，再向服務器提交，進行SQL查詢；通過選擇重金屬的種類和濃度等級，顯示查詢得到的點集合，查詢結果在圖形顯示窗口中高亮顯示，其屬性以餅狀圖和漏斗圖顯示。數據集可保存當前查詢到的樣本信息，并可通過點擊上一點或下一點查詢數據集中樣本點的信息。

2.5 地圖瀏覽與基本操作模塊

系統提供用戶登錄注冊、地圖瀏覽、圖層切換、圖層縮放等基本功能的同時，還提供了選擇高亮顯示功能，即選擇特定污染源種類后，將在地圖上形成高亮區域進行顯示；支持多種導入數據格式的輸入輸出，如Excel格式重金屬污染源數據的輸入輸出，也可在系統中直接錄入污染源數據。

3 系統開發環境與功能實現

3.1 實現采用條件

根據現有軟硬件資源和實際需要，基于GIS的土壤重金屬污染分析與模擬系統采用B/S體系結構，在Windows 10操作系統上實現，利用開源的MySQL數據庫組織和管理空間數據；前端采用具有解譯性、動態性、跨平臺性等特點的Javascript語言[7]，后端采用具有面向對象、跨平臺性、安全與健壯性的Java語言編寫；利用IDesktop對矢量圖層進行編輯，對坐標系和投影進行設置；在IDesktop中將生成的數據發布到本地服務器的IServer中。

3.2 系統功能實現

3.2.1 重金屬污染分析功能

以空間分析模塊中的表面等值線分析為例，在彈出的下拉選擇框中選擇不同重金屬元素，此處選擇As元素，后端將As點污染源二維擴散算法計算后的值存放到相關的表中，并將信息傳送給前端，前端通過IClient提供的接口實現表面等值線分析。各區域土壤重金屬污染程度如圖3所示，線越密集，重金屬污染程度越嚴重；線越稀疏，重金屬污染程度越輕微，據此可提出合理且具有針對性的有效防治措施，順利開展工作。

圖3 表面等值線分析結果

3.2.2 重金屬污染模擬擴散功能

在重金屬元素選擇欄中選擇元素類型，此處選擇Cd元素，將Cd元素污染模擬后的數值傳輸給IClient提供的熱力圖接口，并將模擬結果生成的熱力圖顯示在主界面，如圖4所示，其中深色區域為Cd元素污染嚴重區域，淺色區域為Cd元素污染輕微區域。該功能可幫助用戶更加直觀地了解點狀污染源模擬擴散后在不同區域的污染嚴重程度。

圖4 污染模擬熱力圖結果顯示

3.2.3 專題顯示功能

在展示模塊中可選擇不同的顯示方式，均會直接生成對應的專題圖顯示在主界面上，且結果圖均支持多種格式圖片的保存。以玫瑰圖展示為例，在功能選擇區選擇玫瑰圖展示，后端將每個點狀污染源的占比數據傳送給前端，前端通過IClient提供的接口實現玫瑰圖展示（圖5）。通過比較各金屬元素的含量，可以了解各重金屬的污染程度以及該地區哪種重金屬元素污染最嚴重等情況。

圖5 玫瑰圖顯示結果

3.2.4 重金屬元素查詢功能

在查詢模塊中可選擇不同查詢方式，查詢結果均在主界面和對話框中顯示。以繪制查詢為例，在該區域繪制多邊形，并將多邊形內重金屬污染源點的ID值返回給后端，后端通過數據庫查詢得到相關信息并傳送給前端，前端以餅狀圖的形式將各重金屬的含量顯示在查詢對話框中（圖6）。

圖6 繪制查詢結果

4 結 語

本文將WebGIS技術與二維污染模擬算法相結合，實現了污染查詢、分析、模擬等功能。針對點污染源二維擴散算法計算得到的空間數據難以組織、管理和可視化等問題，本文利用SuperMap管理點污染源的空間數據庫，并利用ECharts實現了污染數據的可視化表達，以加強污染模擬擴散的直觀性；且用戶可添加自定義污染源點，增加了程序的通用性和可操作性；結合多種空間分析方法對數據進行分析，從而為后續環境治理提供技術支持。