基于ArcGIS的天津市地下水环境质量评价系统

百花草

摘要：介绍了综合运用ArcGIS 、数据库技术、水质评价模型技术等进行开发天津市地下水环境质量评价系统。该系统具有地下水质数据管理、GIS数据管理、水质数据统计分析和地下水质综合评价等功能，可方便地下水管理工作者及时掌握地下水污染动态、空间分布及演化趋势。
关键词：水质评价；ArcGIS；空间分布；含水层评价
1 引言
天津市是我国水资源最短缺的城市之一，在地表径流不足、短期内无法实现南水北调情况下，地下水仍将是目前乃至今后一段时期的重要可供水源。
由于农业引污灌溉、地表河流污染、排污管道渗漏、废井灌污等各种污染途径，已造成天津市浅层孔隙水和深层半承压水不同程度的污染，给人们的身心健康及工农业生产带来了巨大的危害。
为了有效遏制天津市地下水环境不断恶化的趋势，及时掌握天津市地下水的污染现状及时空演化趋势，及时识别并切断污染源显得至关重要。而由于目前天津市地下水质监测井分布分散、数量众多、采样频度不断提高，及时处理分析如此海量的水质资料就给地下水管理工作者带来了巨大的困难。为此，我们进行了 “天津市地下水环境质量评价系统”开发研制工作，旨在提高水质资料的分析处理效率。其中，采用数据库技术以提高水质数据的管理效率和水平，采用GIS技术以直观形象地掌握各含水层组的水质污染时空分布特征，采用统计分析和水化学分析方法以辅助进行水质资料分析和趋势预测，采用水质评价模型库技术以快速进行地下水质评价。
2 系统总体设计
2.1 系统结构设计
天津市地下水环境质量评价系统结构可划分为三层：底层为支撑层，主要有水质动态数据库、污染源数据库、社会经济数据库、空间数据库和水质评价模型库等组成；第二层为功能层，主要由地下水质数据管理、GIS数据管理、水质数据统计分析、地下水质综合评价等功能模块组成；顶层为控制层，主要由基于GIS的人机交互界面和界面内的总控菜单组成。
天津市地下水环境质量评价系统整体结构如图1所示。

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2.2 数据库设计
天津市地下水环境质量评价系统的数据库部分主要包括属性数据库和空间数据库两部分组成。属性数据库由关系数据库软件SQLServer2000进行管理，空间数据库由GIS软件ArcGIS8进行管理。属性数据库与空间数据库之间通过唯一的地物标识进行关联。
属性数据库采用E?R图等方式进行设计，以数据表格的形式存放，主要包括以下内容。
221水质动态数据库　主要包括监测井的基本信息、常规监测项目信息、重金属指标监测信息、无机有害物指标监测信息、细菌指标监测信息及有机物污染指标监测信息等。
222污染源数据库　主要包括污染源基本信息、污染指标监测信息等。
223水质评价数据库　主要包括水质采样的编号、各种评价方法的水质评价结果等。
224社会经济数据库　主要包括行政区划、人口、工农业产值等信息。
空间数据库则根据地物特性进行图层划分，以Shp文件或GeoDatabase表的形式存放，主要包括行政区划、含水层展布、地表水系分布、土地利用分布、水源地分布、开采井分布、地下水质监测点分布、厂矿企业分布、居民区分布、农业污灌区分布、排污口分布、地表废弃物堆放分布、排污管道分布等内容。
2.3 系统运行环境
系统软件运行环境：操作系统选用Win2000专业版，数据库系统软件选用MS SQLServer2000企业版，地理信息系统软件选用ESRI公司的ArcGIS8环境；
系统硬件运行环境：处理器Pentium4以上，硬盘空间10G以上；内存256M以上等。
2.4 系统开发环境
系统选用微软的Visual Basic6.0作为主体模型程序、数据库管理程序的开发环境，而选用ArcGIS8的VBA二次开发语言进行系统的集成和界面设计。
3 系统功能设计
3.1 地下水数据管理
地下水数据管理功能采用VB的ADO技术进行开发，主要包括数据浏览查询、数据添加导入、数据合理性检验、水质超标报警以及统计报表打印等功能。
3.2 GIS数据管理
GIS数据管理功能主要采用ArcGIS的VBA开发语言进行开发，主要包括地物浏览、地物查询、地物编辑、地图打印等功能[1]。用户可以直观方便地查看水质监测井分布信息（并可查看水质动态监测信息），查看污染源分布信息、查看含水层水质污染空间分布情况等。
3.3 水质数据统计分析
水质数据统计分析主要包括常规统计分析、空间统计分析及水化学分析功能。
331常规统计分析　该功能主要通过对SPSS统计分析软件进行集成2次开发实现，可以实现地下水质数据的多元回归分析、聚类分析、判别分析等。
332空间统计分析　该功能主要采用ArcGIS的VBA开发语言进行开发，可以绘制空间分布直方图、空间趋势分布图、变差分布图等[2]。
333水化学分析　该功能主要采用VB语言进行开发，可以进行水样数据的库洛夫式分析（见图2）、水样玫瑰花图分析、水样Piper图分析[3]（见图3）。

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3.4 地下水质综合评价
系统提供了多种地下水质评价的方法，主要包括一般统计评价、综合指数法评价[4]、国标F值法评价[5]、模糊综合评判法[6]、层次分析法评价[7]及灰色关联法评价等。系统不仅提供对单个水样水质数据进行评价，而且可以进行整个含水层水质数据的评价，并可进行各行政分区水质的综合评价。
系统进行水质评价主要依据是中华人民共和国《地下水质量标准》（GB/T14848?93），此外系统留出可扩展接口以方便日后水质标准的更新。
3.4.1含水层水质评价 为了更好地掌握天津市各含水层中各种化学组分的空间分布特点，掌握含水层污染状况空间分布现状及趋势，系统充分利用GIS的空间分析功能[8]实现了含水层化学组分值空间分布图的绘制以及含水层水质评价结果的空间展布等功能。
在含水层化学组分值空间分布图绘制中，系统提供了Krig插值法、反距离权重法及曲面样条法等进行监测值的空间插值，并可以动态生成等值线图（如图4）、等值面图等。系统还可以展布各含水层的水化学类型分布情况（如图5）。
3.4.2行政区水质评价 系统除了可以对单个水样、各个含水层的水质进行综合评价外，还可以对各个行政区内的水质污染状况进行综合评价。图6即是采用叠加综合指数法对各行政区2001年第I含水层的水质评价结果。

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图5 2001年I含水层水化学类型分布

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4 系统应用分析
应用“天津市地下水环境质量评价系统”对2001—2002年天津市地下水环境状况进行评价，可以看出：
以行政区为评价单元，蓟县、宝坻、武清、北辰、静海区地下水环境状况较好，而东丽区、大港区、塘沽区、宁河县地下水质较差，其中又以东丽区、大港区和塘沽区地下水质污染尤为严重。这与这几个行政区人口稠密、工业较发达、污染源分布较多有着一定的关系。
以含水层为评价单元，北部蓟县山区各含水层水质较好，各项主要指标均符合标准。而南部的东丽区、津南区、塘沽区、大港区等的第I含水组大部分监测点的氯化物、氨氮、亚硝酸盐氮和高锰酸钾等组分检测值普遍较高。
而排污河灌区（如武清县境内）影响范围的第I含水组大部分监测点的亚硝酸盐氮、镉、锰、有机磷、有机氯、大肠杆菌等指标普遍超过饮用水卫生标准。而且该地区消化系统疾病，如婴幼儿急性腹泻的发病率和学龄前儿童蠕虫感染率普遍较高，严重威胁了人们的身体健康。
通过空间插值分析对比可以看出第II含水组普遍氟化物超标率高，而第I含水组仅蓟县山区部分有部分超标，这与基岩含水层的地质赋存条件有关。
为此，要根据地下水的污染途径，控制源头，切断路径，减少污染物进入地下水的机会和数量。为此，在天津市积极开展水污染防治，实施《海河流域水污染防治规划》，调整产业结构，推行清洁生产，完善河流调控措施，解决大多数河流污染，是控制地下水污染发展的根本措施；城镇污水集中处理，高水质改良污水资源化，也将改善地下水水质，减少对土地、人群健康的危害。此外，城市排水设施的完善和废井的回填，从源上控制了地下水的污染[9]。
5 结 语
综上所述，本文综合运用地理信息系统技术、数据库技术及水质评价模型技术开发了“天津市地下水环境质量评价系统”。该系统大大提高了天津市地下水环境数据的管理、处理和分析的效率, 有力地辅助了地下水管理工作者及时动态掌握地下水质污染现状及发展趋势，及时控制污染源。从而为实现天津市地下水环境管理的信息化、现代化、智能化作出了有力的尝试。
参考文献：
[1]Using ArcMap[C].美国ERIS公司，2000.
[2]Using?ArcGIS?Geostatistical?Analyst [C].美国ERIS公司， 2000.
[3]沈照理.水文地球化学基础[M].地质出版社，1993.
[4]陆雍森.环境评价[M].同济大学出版社，1999.9.
[5]吴邦灿.环境监测管理[M].中国环境科学出版社，1997.2.
[6]杨希. Power Builder水质综合模糊评价研究[J].矿冶工程，2000，12.
[7]苏得林等. 水环境质量评价中的层次分析法[C].哈尔滨工业大学学报,1997，10.
[8]Using?ArcGIS?Spatial?Analyst[C].美国ERIS公司，2000.
[9]邢振纲. 天津市地下水利用中的环境问题及其对策[J]. 城市环境与城市生态，1999，12.
The Development of Groundwater Environment Quality Evaluation System in Tianjin City
WANG Xu?dong1，XU Su?ning2，WU Qiang1，ZHANG Wei3
(1?Resource and Safety College?China University of Mining ＆ Technology, Beijing 100083, China;
2.College of Environmental Sciences Peking University, Beijing 100084, China;3.Tianjin Water Resource SurveyBureau, Tianjin 300074,China)
Abstract: The GIS technology, Database technology, Water quality evaluation technology, etc. are applied in the development of groundwater environment quality evaluation system, this paper show this. The system can do groundwater quality data management, GIS data management, the statistics and analysis of water quality data, the complex evaluation of groundwater quality, etc., which make the groundwater manager easily find out the trends and spatial distribution of groundwater pollution in time.
Keywords：water quality evaluation; ArcGIS; spatial distribution;aquifer evaluation
作者简介：王旭东（1981?），硕士，研究方向：城市水资源水环境管理，水利信息化。

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