基于WebGIS的水污染模擬分析系統(tǒng)研究
——以江蘇省溧陽市為例

胡琦，匡天琪，杜景龍*，張志敏，陳德超

（1.溧陽市環(huán)境監(jiān)測站，江蘇常州213300；2.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇蘇州215009）

環(huán)境是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件，環(huán)境污染已經成為威脅人類生存的重大問題之一，尤其是水環(huán)境污染更是直接危及到人類的生命和健康。隨著我國城市化進程的加速推進，水環(huán)境問題變得越來越突出，長期的無效治理，導致某些地區(qū)的水體污染較以往更加嚴重。近年，隨著對水環(huán)境質量的重視，水污染問題逐步得到控制，而研究工作更多的轉移至對水質分析及污染物擴散過程模擬領域。地理信息系統(tǒng)（GIS）由于具有強大的空間數(shù)據(jù)可視化和分析能力，已經被廣泛應用于水環(huán)境質量分析和水體污染物擴散模擬。

愛爾蘭國立大學都柏林學院研究開發(fā)的流域水管理決策支持系統(tǒng)（DSS-CWM）是GIS用于區(qū)域水環(huán)境管理的一個典型范例[1]；2010年，Loos等人[2]采用GIS技術調查和分析了歐洲地下水污染情況，并建立了泛歐地區(qū)地下水水質空間數(shù)據(jù)庫；2003年，丁賢榮等人[3]選用一維水流二維擴散模型，將GIS與水污染模型相結合，對水污染事故進行模擬分析，從時間和空間上反映污染事件造成的水污染及污染事件的變化過程；付俊娥等人[4]以3S技術為支撐建立了復雜水流條件和水質調度要求的水污染模擬仿真模型，實現(xiàn)了對水污染的自動監(jiān)測和突發(fā)事件應急決策處理；2009年，吳迪軍等人[5]采用一維水質模型模擬河流突發(fā)性水污染，并在ArcGIS平臺上實現(xiàn)了污染計算結果的實時動態(tài)可視化。以上研究主要從水污染模型和模擬分析的角度出發(fā)，在單機或者局域網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)水體污染的一維模擬，沒有實現(xiàn)水體污染的二維模擬；而且鑒于目前網(wǎng)絡的發(fā)展，有必要將互聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)結合起來。因此，基于WebGIS的水污染模擬分析系統(tǒng)的設計更為迫切。

筆者以江蘇省溧陽市為例，對溧陽市69個水質監(jiān)測斷面（包括水十條考核斷面、區(qū)域補償斷面、例行監(jiān)測斷面和鎮(zhèn)區(qū)考核斷面四類監(jiān)測斷面）的水質年度變化、季節(jié)變化進行分析，并對水污染事故應急分析中的一、二維水體污染擴散的模擬實現(xiàn)進行了研究，提出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該方案采用Client／Server計算模式，整個系統(tǒng)由分布在Internet上的客戶端、Web服務器、應用服務器組成?？蛻舳藢崿F(xiàn)矢量地圖和柵格地圖的無縫疊加和可視化展示，并可進行放大、縮小、漫游、查詢、分析、模擬等操作。下面將介紹系統(tǒng)的結構設計、開發(fā)技術及主要功能。

1 系統(tǒng)結構

文中研究的水污染模擬分析系統(tǒng)由基礎數(shù)據(jù)層、支撐層和應用層構成，如圖1所示。

各層次的主要功能簡述如下：

（1）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層用于存儲和提供系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)，包括斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)、排污口數(shù)據(jù)、污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)、水資源專題數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)。斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)是該系統(tǒng)的核心業(yè)務數(shù)據(jù)，溧陽市的斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)按照管理類別分為區(qū)域補償斷面、例行監(jiān)測斷面、水十條斷面和鎮(zhèn)區(qū)考核斷面四類斷面，共69個水質監(jiān)測斷面，其中水十條斷面和例行監(jiān)測斷面的監(jiān)測指標包括高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮、總磷、pH、重金屬等29項污染物；區(qū)域補償斷面只監(jiān)測了高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷三項污染物；鎮(zhèn)區(qū)考核斷面監(jiān)測了高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷和溶解氧四項污染物。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲了上述四類斷面2010年以來的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）支撐層。支撐層是系統(tǒng)建設所需要的各類軟硬件環(huán)境，包括GIS軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、編程語言、水污染擴散計算模型等。該系統(tǒng)采用ArcGIS軟件進行空間數(shù)據(jù)處理，并把制作的各類GIS圖層發(fā)布為地圖服務，調用百度API，實現(xiàn)ArcGIS的地圖服務與百度地圖無縫鏈接；數(shù)據(jù)庫軟件采用的是微軟公司的SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的無縫對接；文中系統(tǒng)的開發(fā)語言采用的是JavaScript；采用公認的污染物運移擴散模型對河流污染物擴散過程進行動態(tài)模擬。

（3）應用層。應用層為用戶提供交互式界面，包括各類斷面水質分析、水污染動態(tài)模擬結果展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)交互應用、信息動態(tài)發(fā)布以及應急預案決策支持等。斷面水質分析實現(xiàn)了四類監(jiān)測斷面的各類監(jiān)測污染物的年度、季度分析；水污染動態(tài)模擬實現(xiàn)了污染物擴散過程的一維和二維模擬。

2 水污染擴散分析模型

在水環(huán)境問題研究中，水質模型是進行水質分析與預測的主要技術手段。斯特里特-費爾普斯（Streeter-Phelps）在研究美國俄亥俄河污染問題時建立了第一個水質模型[6]，即經典的Streeter-Phelps水質模型（簡稱“S-P”模型）。隨后，國內外學者在水質模型的開發(fā)研究方面做了大量的工作[7-10]，產生了一系列可以在計算機上進行模擬計算的水質模型，如零維河流水質模型、一維河流水質模型、二維河流水質模型、河口水質模型、湖（庫）均勻混合衰減模型、非均勻混合模型、富營養(yǎng)化模型等。文中采用的一維河流水質模型和二維河流水質模型因考慮了污染物濃度及其擴散參數(shù)在河流縱向和橫向上的變化，而且特別適合與GIS技術結合，是國內河流污染擴散模擬較為常用的分析模型。

根據(jù)溧陽市河流的水文特點[11－12]，采用四邊形網(wǎng)格法對研究和模擬的河道進行空間離散化，使用一維和二維瞬時排放水質模型與GIS集成，實現(xiàn)水污染事故的模擬，并實現(xiàn)模擬結果的動態(tài)演示。文中所需要的資料包括溧陽市遙感影像圖、水系圖、監(jiān)測斷面圖、污染源分布圖、行政區(qū)劃圖，以及水文數(shù)據(jù)、斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)等。在ArcGIS中對各類基礎圖件進行數(shù)字化，水文數(shù)據(jù)和水質監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入到SQL Server數(shù)據(jù)庫中。

2.1 一維河流水質模型

一維水質模型是水環(huán)境模型中相對簡單的一種，是河流或湖泊遭受污染時，實際的斷面濃度分布與斷面濃度的平均值偏差不大時常采用的一種水污染預測模型，它主要研究污染物濃度分布沿程的變化以及各個斷面上污染物濃度隨時間的變化[13]。一維模型僅考慮污染物濃度及其擴散參數(shù)在縱向，即水流方向（一般設為x軸）的遷移和分布特征。污染物在河道運移時，不僅要考慮水流作用，還要考慮河流的自凈作用，相應的水質模型[13－15]為

其中，C表示河流中污染物的濃度，t表示時間，Ex表示x方向的彌散擴散系數(shù)，Ux表示平均流量，k為污染物的衰減速率系數(shù)。

由于有限差分法便于進行系統(tǒng)動力學模型的構建，因此，選擇有限差分法進行模型的數(shù)值差分，經推導整理可得

式中，Ei為第i河段縱向彌散系數(shù)；ui為第i河段平均流速；ki為第i河段污染物衰減系數(shù)；Δx為x方向的步長，Δt為時間步長；i為第i河段，j為第j時刻。

由上式可見第i斷面（j+1）時刻的濃度值，可由前一時刻即j時刻的（i+1）、（i-1）斷面的濃度值以及其他參數(shù)（彌散系數(shù)Ei，平均流速ui，時間步長Δt與位置步長Δx以及污染物衰減系數(shù)ki）迭代計算而得。

2.2 二維河流水質模型

污染物進入水體后，不可能在短時間內達到全斷面濃度混合均勻，當在縱向和橫向上都存在比較顯著的差異時，一維模型不能滿足需要，需要用二維模擬[9]，河流二維水質模型[16-17]的基本形式如下

式中Ex、Ey分別為x和y方向的彌散系數(shù)，Ux為x方向的流速分量，k為污染物衰減速率系數(shù)。由于系統(tǒng)動力學模型的實質是微分方程組，二維河流水質模型的有限差分解為

2.3 模型與GIS的集成

模型與GIS的集成是實現(xiàn)污染物擴散過程模擬的難點[18]，在模型中，有空間變量X、Y和時間變量t，因此，模型中的參數(shù)X、Y和GIS中的坐標（x，y）之間的聯(lián)系成為模型和GIS集成的關鍵。文中通過河道空間離散化的方法建立水質模型中的空間變量X、Y和GIS中的坐標（x，y）之間的關系。

首先，生成河道二維格網(wǎng)。該過程的目標是將河流面數(shù)據(jù)進行格網(wǎng)劃分，具體步驟為：（1）獲取河流邊界及河流中軸線控制點；（2）劃分河流中軸線；（3）求河流軸線上垂線與河流邊界的交點；（4）劃分河流各垂線；（5）形成網(wǎng)格。上述工作可在ArcGISDesktop中實現(xiàn)。其次，是地圖坐標與模型坐標的轉換。模型計算要求將排污點置于預測模型坐標系中，形成的排污點具有地理坐標系和模型坐標系，因此，須將各離散點地理坐標轉換成河流網(wǎng)格坐標，轉換公式為

式中，θ為旋轉角度；x、y為點在原坐標系（地圖坐標系）下的坐標；a、b為新坐標系原點（污染事故點）在原坐標系下的坐標。

最后，實現(xiàn)模擬結果的可視化。GIS的可視化表達通過對空間信息的某一屬性字段的數(shù)值分級，并使用不同顏色表示各個級別的過程。因此，首先應計算出各網(wǎng)格中心點處污染物濃度值，并將其存入網(wǎng)格數(shù)據(jù)集的屬性表中，然后利用GIS的渲染功能實現(xiàn)模擬結果的可視化表達，并通過各個時刻計算結果的快速自動更新，實現(xiàn)模擬結果的動態(tài)演示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)采用B/S開發(fā)框架，前臺采用了Bootstrap和Dojo實現(xiàn)頁面動態(tài)呈現(xiàn)；后端運用Spring MVC、My-Batis進行業(yè)務處理，以及ArcMap、SQL Server、ArcGISSever進行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)還運用了ArcGISAPI for Java Script技術實現(xiàn)地圖渲染、緩沖區(qū)分析、水污染模型構建等功能，并結合Echarts圖表可視化組件進行分析結果的直觀展示。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了環(huán)境基礎信息的GIS查詢顯示、水質監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析及水污染擴散的模擬等功能。

3.1 環(huán)境基礎信息的GIS查詢顯示

主要包括地圖瀏覽與操作、距離與面積量測、信息的分類查詢與檢索、疊加分析、緩沖區(qū)分析、熱力圖展示、雷達圖對比分析、專題圖展示等GIS基礎功能。該功能基于環(huán)保一張圖，為用戶提供了展示和分析溧陽市水環(huán)境現(xiàn)狀信息的可視化手段。上述GIS功能可在ArcGIS桌面軟件中實現(xiàn)，如緩沖區(qū)分析，通過Geoprocessor調用ArcGISToolBox里的緩沖區(qū)分析工具，創(chuàng)建并發(fā)布一個GP服務到服務器端，用戶只需在界面上設置緩沖區(qū)距離與單位，對相應水系進行描畫，即可動態(tài)生成流域緩沖區(qū)。

3.2 水質分析

系統(tǒng)實現(xiàn)了對溧陽市水十條斷面、區(qū)域補償斷面、例行監(jiān)測斷面、鎮(zhèn)區(qū)考核斷面等水質監(jiān)測站點的水質年度變化分析、季節(jié)變化分析、月度變化分析及基于空間統(tǒng)計單元的分析等，并實現(xiàn)了分析功能的多元可視化。為了增強數(shù)據(jù)的可視化效果，該項目引入了開源圖表庫ECharts來繪制各種分析圖表。ECharts以web服務和JavaScript包的形式為用戶提供數(shù)據(jù)可視化服務，JavaScript包默認保存在web服務端，在進行數(shù)據(jù)可視化時，以Echart.js圖形庫為模板，引入相應的js文件，從數(shù)據(jù)庫中調用相關數(shù)據(jù)，以參數(shù)的形式傳入已經封裝好的圖形庫中，在web服務端完成數(shù)據(jù)的展示，可實現(xiàn)柱狀圖、折線圖、散點圖、餅狀圖、熱力圖、雷達圖、K線圖等多種數(shù)據(jù)可視化功能。圖2為采用折線圖對區(qū)域補償斷面的各類污染物年度和季節(jié)性變化的分析，展示了各污染物隨時間的變化趨勢。

圖2 溧陽市區(qū)域補償斷面（塘東橋斷面）污染物隨時間的變化趨勢分析

3.3 水污染擴散模擬

系統(tǒng)集成了水污染擴散模型，提供了一維、二維的水污染擴散模擬，用戶只需指定河流中污染源的位置（或污染事件發(fā)生的位置），通過設置不同的參數(shù)，如污染物濃度、彌散系數(shù)、污染物衰減系數(shù)等，系統(tǒng)能夠自動模擬各種情況下不同污染物的擴散情況及影響范圍。具體做法是：將河流或水庫劃分成10 m×10 m的格網(wǎng)，并設置不同污染物濃度區(qū)間所對應的顏色，以用戶選擇點為原點，通過上述模型計算當前模擬參數(shù)狀態(tài)下不同時段對應的空間范圍（即每個格網(wǎng)）內污染物的濃度，并以梯度顏色和形狀渲染在地圖中，實現(xiàn)網(wǎng)絡地圖的可視化仿真，動態(tài)模擬污染擴散的全過程。此外，該模型還可以折線圖和數(shù)據(jù)表等方式，顯示污染源濃度隨時間變化的趨勢與具體數(shù)值，定量的展現(xiàn)了污染物在水體中的擴散情況。

如圖3、圖4所示，地圖窗口高亮顯示的部分是污染點源，“污染濃度分析”窗口下方可以進行污染源濃度及水流流速等相關參數(shù)的設定，點擊開始分析按鈕，動態(tài)折線圖中會顯示污染源濃度隨時間的變化趨勢，污染物濃度報表中同時顯示出每個單位時間內濃度的具體數(shù)值，并可導出至Excel中。再次選擇分析時間，點擊draw按鈕，河道中將會以梯度顏色直觀地渲染出水污染在指定時間內的擴散情況及影響范圍。

圖3 一維污染擴散模擬

圖4 二維污染擴散模擬

4 結語

該系統(tǒng)采用B/S模式，結合GIS技術，以江蘇省溧陽市為例，研制和開發(fā)了一款適用于城市河流水質監(jiān)測及水污染擴散分析與模擬系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)環(huán)保工作頭緒繁瑣、耗時久、出錯率高、反饋慢的工作模式。該系統(tǒng)覆蓋面廣，涉及到水環(huán)境監(jiān)測和保護的各個方面，既是一個環(huán)保信息展示平臺，也是一個協(xié)同辦公工作平臺；既可為環(huán)保工作者提供便捷的日常管理服務，也可為部門領導提供決策信息化支撐服務。