GIS 在地下水污染分析評價中的應用與技巧

黃金玉，姜月華，蘇晶文

(南京地質調查中心，江蘇南京 210016)

GIS 在地下水污染分析評價中的應用與技巧

黃金玉?，姜月華，蘇晶文

(南京地質調查中心，江蘇南京 210016)

以長江三角洲地區(qū)地下水為研究對象，對地下水污染進行調查和分析評價，將獲得的野外調查數(shù)據(jù)和樣品測試數(shù)據(jù)通過GIS技術進行信息處理，完成地下水檢出與超標評價、單指標質量評價、分類指標質量評價以及單指標污染評價，并將分析評價結果通過GIS圖件形式顯示輸出。本文詳細介紹GIS在地下水污染分析評價中的應用過程和方法，并根據(jù)實際情況對GIS使用技巧進行闡述。

地理信息系統(tǒng)；地下水；質量評價；等值線

1 引 言

2 GIS在地下水質量分析評價中應用

水資源是支撐長江三角洲地區(qū)經(jīng)濟社會可持續(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，導致地下水有機污染狀況日趨加重。地下水污染引起水中有害、有毒元素不斷增多，水質下降甚至惡化，給長江三角洲地區(qū)飲用水安全帶來嚴重威脅。

將GIS技術應用到地下水質量分析評價中，不僅僅是幾個簡單的操作步驟，而是一個系統(tǒng)而復雜的操作過程，通過不同功能模塊結合不同操作完成。

2.1 GIS操作過程

對地下水污染分析評價，首先需要將野外空間數(shù)據(jù)進行投影轉換，地下水采樣點通過經(jīng)緯度值記錄其空間地理位置，讀取對應地理坐標值，通過GIS投影技術轉換為矢量圖元，然后運用GIS參數(shù)設定和等值線分析對采樣點(GIS點圖元)屬性值進行分析，過程如圖1所示。

圖1 地下水污染分析評價GIS運用流程圖

2.2 運用GIS技術采樣點矢量化

通過野外獲取各個研究區(qū)域的分析點的相關地理信息，如地理坐標(經(jīng)緯度或公里網(wǎng)值)、地理位置等，通過測試獲得每個分析點的指標值。對于地下水質量分析評價首要操作，則是將分析點進行投影轉換，再根據(jù)轉換的區(qū)域地理分布結果進一步進行質量評價。運用GIS投影變換功能，GIS在進行投影轉換時需要獲取兩方面的投影參數(shù)，一個是用戶投影參數(shù)，實際是指野外獲取的分析點的實際地理坐標，在長三角地區(qū)獲取的野外坐標單位是經(jīng)緯度，另外一個參數(shù)是結果投影參數(shù)，是指作為底圖的矢量電子地圖的地圖參數(shù)，根據(jù)實際參數(shù)值設置完成后，GIS則通過內部運算法則進行轉換，并將投影結果通過GIS點文件投影顯示于底圖中。

2.3 運用GIS進行地下水質量評價

在通過GIS投影轉換的過程中，測試指標值同時轉換為點圖元的屬性值，在評價中就是對這些指標測試數(shù)據(jù)進行分析，運用GIS分析評價即是對點圖元屬性的分析。

確定參評指標共56項，其中，常規(guī)指標25項，非常規(guī)指標31項。

(1)常規(guī)指標(25項)

無機指標(23項):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、六價鉻、鉛、汞、硒、氟化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、碘化物；

有機指標(2項):三氯甲烷、四氯化碳。

(2)非常規(guī)指標(31項)

揮發(fā)性有機物指標(21項):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、對二氯苯、苯、甲苯、乙苯、二甲苯、苯乙烯；

半揮發(fā)性有機物指標(10項):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。

對于單指標質量評價的56項指標分為無機和有機兩大類，需要運用GIS兩類功能，一個是對于有機單指標質量評價通過GIS點圖元參數(shù)進行分析區(qū)分，在點圖元屬性中存在各點的評價指標測試值，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)對各類水進行分析顯示；另外一個是對于無機單指標質量評價則是通過GIS等值線分析進行，這個分析過程相對較復雜，在MapGIS軟件中進入DTM分析模塊，裝入前面已轉換好的點圖元文件，對此點圖元中需要進行分析的屬性進行點屬性值的提取操作，屬性值提取后進行離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化得到后綴為Grd網(wǎng)格化文件，針對Grd文件進行平面等值線分析，得到的分析結果通過GIS區(qū)域、點以及線文件綜合顯示。

3 GIS應用關鍵步驟

3.1 采樣點空間數(shù)據(jù)轉換[1～4]

對于地下水野外空間數(shù)據(jù)點(采樣點)的投影，最關鍵的是投影參數(shù)的設置以及屬性的賦值。長江三角洲地區(qū)地下水污染評價項目選擇使用MapGIS軟件進行空間數(shù)據(jù)的轉換，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后，進入GIS投影變換功能模塊，選擇用戶文件投影菜單，此時系統(tǒng)提供了投影參數(shù)設置的交互界面，在此界面中對投影參數(shù)進行設置，而投影參數(shù)的設置是整個投影操作中較為核心的步驟，需要了解設置的兩個投影參數(shù)的具體含義:

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

結果投影參數(shù)——指作為投影底圖的地圖參數(shù)，通常坐標系類型是投影直角坐標系，區(qū)別于用戶投影參數(shù)是在結果投影參數(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系(UTM)、蘭伯特等角圓錐投影坐標系LAMBERT CONFORMAL CONIC、墨卡托(正軸等角圓柱)投影坐標系MERCATOR、高斯-克呂格(橫切橢圓柱等角))，每個投影類型都對應各自的投影參數(shù)值，如高斯-克呂格(橫切橢圓柱等角)對應著投影中心點經(jīng)度等，蘭伯特等角圓錐投影坐標系對應第一標準緯度、第二標準緯度、中央子午線經(jīng)度等。

3.2 運用GIS技術進行有機單指標評價

使用GIS參數(shù)進行有機單指標評價，通過MapGIS主界面進入輸入編輯功能模塊，打開已完成采樣點(分析點)空間數(shù)據(jù)轉換的點文件，選擇點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，選擇對應單指標屬性名稱，完成條件語句”單指標值＞=判定標準值＆＆單指標值＜=判定標準值”，此時GIS通過此判定語句選擇符合條件的點圖元后提供參數(shù)設置對話框，將圖元參數(shù)中的顏色設置為對應顏色。

3.3 運用GIS技術進行無機單指標評價[7]

相對于有機單指標評價方法，無機單指標評價更復雜，在進行等值線分析中有兩個關鍵參數(shù)設置界面比較重要，一個是離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化中網(wǎng)格參數(shù)設置和網(wǎng)格化方法的選擇，在這個界面中網(wǎng)格參數(shù)設置開始GIS系統(tǒng)會選擇默認參數(shù)值，網(wǎng)格線數(shù)X方向的通常默認為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；另外一個參數(shù)設置界面是等值線參數(shù)設置界面，這其中等值層值的設定很重要，根據(jù)無機單指標評價標準對起始等值線層值、終止等值線層值以及步長增量(即等值間距)進行選擇設置。

4 運用GIS技術的思考與技巧

通過長江三角洲地區(qū)地下水采樣點分布特點發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)采樣點分布不均勻呈不規(guī)則形，點間距多樣性，而運用GIS中Kriging等值線分析針對分布均勻有規(guī)律等距的分析點做出的等值線更美觀標準，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)格化時需要根據(jù)采樣點分布情況對一些參數(shù)進行修訂。在GIS完成等值線分析時會使用其內部運算公式，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)實際情況設定其中一個參數(shù)值即可，可根據(jù)采樣點實際間距將X和Y方向值設定為符合實際分析的數(shù)值。

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

最大搜索圓半徑=X方向等之間間距×Y方向等之間間距

另外一個關鍵參數(shù)是變差函數(shù)類型中的變程值，這個參數(shù)的缺省值為數(shù)據(jù)點最小包圍矩形對角線的一半長度，但也存在其運算公式，如下:

變程數(shù)據(jù)值=開根號((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

在實際操作時發(fā)現(xiàn)將最大搜索圓半徑調整大小對最后的分析結果有很大的影響，當半徑大時分析結果圖件與實際分析點分布不太符合，而將搜索半徑調整至合適值成圖效果不但美觀準確而且分析區(qū)域與分析點分布區(qū)域對應。

5 實際完成效果

長江三角洲地區(qū)地下水采樣點屬性結構如表1，通過GIS分析結果如圖2所示。

地下水污染屬性結構 表1

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

通過GIS在長江三角洲地區(qū)地下水污染調查項目中的應用，總結出應用方法和技巧，也從中明白將GIS技術運用到各個領域都需要根據(jù)實際情況對常規(guī)應用方法進行改進和分析。

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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)和水文地質環(huán)境方面的研究。

中國地質調查局項目(1212010634400)