胡琦，匡天琪，杜景龙*，张志敏，陈德超

（1.溧阳市环境监测站，江苏常州213300；2.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州215009）

环境是人类赖以生存和发展的基本条件，环境污染已经成为威胁人类生存的重大问题之一，尤其是水环境污染更是直接危及到人类的生命和健康。随着我国城市化进程的加速推进，水环境问题变得越来越突出，长期的无效治理，导致某些地区的水体污染较以往更加严重。近年，随着对水环境质量的重视，水污染问题逐步得到控制，而研究工作更多的转移至对水质分析及污染物扩散过程模拟领域。地理信息系统（GIS）由于具有强大的空间数据可视化和分析能力，已经被广泛应用于水环境质量分析和水体污染物扩散模拟。

爱尔兰国立大学都柏林学院研究开发的流域水管理决策支持系统（DSS-CWM）是GIS用于区域水环境管理的一个典型范例[1]；2010年，Loos等人[2]采用GIS技术调查和分析了欧洲地下水污染情况，并建立了泛欧地区地下水水质空间数据库；2003年，丁贤荣等人[3]选用一维水流二维扩散模型，将GIS与水污染模型相结合，对水污染事故进行模拟分析，从时间和空间上反映污染事件造成的水污染及污染事件的变化过程；付俊娥等人[4]以3S技术为支撑建立了复杂水流条件和水质调度要求的水污染模拟仿真模型，实现了对水污染的自动监测和突发事件应急决策处理；2009年，吴迪军等人[5]采用一维水质模型模拟河流突发性水污染，并在ArcGIS平台上实现了污染计算结果的实时动态可视化。以上研究主要从水污染模型和模拟分析的角度出发，在单机或者局域网环境下实现水体污染的一维模拟，没有实现水体污染的二维模拟；而且鉴于目前网络的发展，有必要将互联网与系统结合起来。因此，基于WebGIS的水污染模拟分析系统的设计更为迫切。

笔者以江苏省溧阳市为例，对溧阳市69个水质监测断面（包括水十条考核断面、区域补偿断面、例行监测断面和镇区考核断面四类监测断面）的水质年度变化、季节变化进行分析，并对水污染事故应急分析中的一、二维水体污染扩散的模拟实现进行了研究，提出了系统的实现方案。该方案采用Client／Server计算模式，整个系统由分布在Internet上的客户端、Web服务器、应用服务器组成。客户端实现矢量地图和栅格地图的无缝叠加和可视化展示，并可进行放大、缩小、漫游、查询、分析、模拟等操作。下面将介绍系统的结构设计、开发技术及主要功能。

1 系统结构

文中研究的水污染模拟分析系统由基础数据层、支撑层和应用层构成，如图1所示。

各层次的主要功能简述如下：

（1）数据层。数据层用于存储和提供系统所需的各类数据，包括断面监测数据、排污口数据、污染源监测数据、水资源专题数据、基础地理数据。断面监测数据是该系统的核心业务数据，溧阳市的断面监测数据按照管理类别分为区域补偿断面、例行监测断面、水十条断面和镇区考核断面四类断面，共69个水质监测断面，其中水十条断面和例行监测断面的监测指标包括高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷、pH、重金属等29项污染物；区域补偿断面只监测了高锰酸盐指数、氨氮和总磷三项污染物；镇区考核断面监测了高锰酸盐指数、氨氮、总磷和溶解氧四项污染物。系统数据库存储了上述四类断面2010年以来的监测数据。

（2）支撑层。支撑层是系统建设所需要的各类软硬件环境，包括GIS软件、数据库软件、编程语言、水污染扩散计算模型等。该系统采用ArcGIS软件进行空间数据处理，并把制作的各类GIS图层发布为地图服务，调用百度API，实现ArcGIS的地图服务与百度地图无缝链接；数据库软件采用的是微软公司的SQL Server数据库管理系统，通过空间数据引擎ArcSDE实现空间数据与属性数据的无缝对接；文中系统的开发语言采用的是JavaScript；采用公认的污染物运移扩散模型对河流污染物扩散过程进行动态模拟。

（3）应用层。应用层为用户提供交互式界面，包括各类断面水质分析、水污染动态模拟结果展示、监测数据交互应用、信息动态发布以及应急预案决策支持等。断面水质分析实现了四类监测断面的各类监测污染物的年度、季度分析；水污染动态模拟实现了污染物扩散过程的一维和二维模拟。

2 水污染扩散分析模型

在水环境问题研究中，水质模型是进行水质分析与预测的主要技术手段。斯特里特-费尔普斯（Streeter-Phelps）在研究美国俄亥俄河污染问题时建立了第一个水质模型[6]，即经典的Streeter-Phelps水质模型（简称“S-P”模型）。随后，国内外学者在水质模型的开发研究方面做了大量的工作[7-10]，产生了一系列可以在计算机上进行模拟计算的水质模型，如零维河流水质模型、一维河流水质模型、二维河流水质模型、河口水质模型、湖（库）均匀混合衰减模型、非均匀混合模型、富营养化模型等。文中采用的一维河流水质模型和二维河流水质模型因考虑了污染物浓度及其扩散参数在河流纵向和横向上的变化，而且特别适合与GIS技术结合，是国内河流污染扩散模拟较为常用的分析模型。

根据溧阳市河流的水文特点[11－12]，采用四边形网格法对研究和模拟的河道进行空间离散化，使用一维和二维瞬时排放水质模型与GIS集成，实现水污染事故的模拟，并实现模拟结果的动态演示。文中所需要的资料包括溧阳市遥感影像图、水系图、监测断面图、污染源分布图、行政区划图，以及水文数据、断面监测数据等。在ArcGIS中对各类基础图件进行数字化，水文数据和水质监测数据录入到SQL Server数据库中。

2.1 一维河流水质模型

一维水质模型是水环境模型中相对简单的一种，是河流或湖泊遭受污染时，实际的断面浓度分布与断面浓度的平均值偏差不大时常采用的一种水污染预测模型，它主要研究污染物浓度分布沿程的变化以及各个断面上污染物浓度随时间的变化[13]。一维模型仅考虑污染物浓度及其扩散参数在纵向，即水流方向（一般设为x轴）的迁移和分布特征。污染物在河道运移时，不仅要考虑水流作用，还要考虑河流的自净作用，相应的水质模型[13－15]为

其中，C表示河流中污染物的浓度，t表示时间，Ex表示x方向的弥散扩散系数，Ux表示平均流量，k为污染物的衰减速率系数。

由于有限差分法便于进行系统动力学模型的构建，因此，选择有限差分法进行模型的数值差分，经推导整理可得

式中，Ei为第i河段纵向弥散系数；ui为第i河段平均流速；ki为第i河段污染物衰减系数；Δx为x方向的步长，Δt为时间步长；i为第i河段，j为第j时刻。

由上式可见第i断面（j+1）时刻的浓度值，可由前一时刻即j时刻的（i+1）、（i-1）断面的浓度值以及其他参数（弥散系数Ei，平均流速ui，时间步长Δt与位置步长Δx以及污染物衰减系数ki）迭代计算而得。

2.2 二维河流水质模型

污染物进入水体后，不可能在短时间内达到全断面浓度混合均匀，当在纵向和横向上都存在比较显著的差异时，一维模型不能满足需要，需要用二维模拟[9]，河流二维水质模型[16-17]的基本形式如下

式中Ex、Ey分别为x和y方向的弥散系数，Ux为x方向的流速分量，k为污染物衰减速率系数。由于系统动力学模型的实质是微分方程组，二维河流水质模型的有限差分解为

2.3 模型与GIS的集成

模型与GIS的集成是实现污染物扩散过程模拟的难点[18]，在模型中，有空间变量X、Y和时间变量t，因此，模型中的参数X、Y和GIS中的坐标（x，y）之间的联系成为模型和GIS集成的关键。文中通过河道空间离散化的方法建立水质模型中的空间变量X、Y和GIS中的坐标（x，y）之间的关系。

首先，生成河道二维格网。该过程的目标是将河流面数据进行格网划分，具体步骤为：（1）获取河流边界及河流中轴线控制点；（2）划分河流中轴线；（3）求河流轴线上垂线与河流边界的交点；（4）划分河流各垂线；（5）形成网格。上述工作可在ArcGISDesktop中实现。其次，是地图坐标与模型坐标的转换。模型计算要求将排污点置于预测模型坐标系中，形成的排污点具有地理坐标系和模型坐标系，因此，须将各离散点地理坐标转换成河流网格坐标，转换公式为

式中，θ为旋转角度；x、y为点在原坐标系（地图坐标系）下的坐标；a、b为新坐标系原点（污染事故点）在原坐标系下的坐标。

最后，实现模拟结果的可视化。GIS的可视化表达通过对空间信息的某一属性字段的数值分级，并使用不同颜色表示各个级别的过程。因此，首先应计算出各网格中心点处污染物浓度值，并将其存入网格数据集的属性表中，然后利用GIS的渲染功能实现模拟结果的可视化表达，并通过各个时刻计算结果的快速自动更新，实现模拟结果的动态演示。

3 系统实现

系统采用B/S开发框架，前台采用了Bootstrap和Dojo实现页面动态呈现；后端运用Spring MVC、My-Batis进行业务处理，以及ArcMap、SQL Server、ArcGISSever进行数据分析。系统还运用了ArcGISAPI for Java Script技术实现地图渲染、缓冲区分析、水污染模型构建等功能，并结合Echarts图表可视化组件进行分析结果的直观展示。系统主要实现了环境基础信息的GIS查询显示、水质监测数据的分析及水污染扩散的模拟等功能。

3.1 环境基础信息的GIS查询显示

主要包括地图浏览与操作、距离与面积量测、信息的分类查询与检索、叠加分析、缓冲区分析、热力图展示、雷达图对比分析、专题图展示等GIS基础功能。该功能基于环保一张图，为用户提供了展示和分析溧阳市水环境现状信息的可视化手段。上述GIS功能可在ArcGIS桌面软件中实现，如缓冲区分析，通过Geoprocessor调用ArcGISToolBox里的缓冲区分析工具，创建并发布一个GP服务到服务器端，用户只需在界面上设置缓冲区距离与单位，对相应水系进行描画，即可动态生成流域缓冲区。

3.2 水质分析

系统实现了对溧阳市水十条断面、区域补偿断面、例行监测断面、镇区考核断面等水质监测站点的水质年度变化分析、季节变化分析、月度变化分析及基于空间统计单元的分析等，并实现了分析功能的多元可视化。为了增强数据的可视化效果，该项目引入了开源图表库ECharts来绘制各种分析图表。ECharts以web服务和JavaScript包的形式为用户提供数据可视化服务，JavaScript包默认保存在web服务端，在进行数据可视化时，以Echart.js图形库为模板，引入相应的js文件，从数据库中调用相关数据，以参数的形式传入已经封装好的图形库中，在web服务端完成数据的展示，可实现柱状图、折线图、散点图、饼状图、热力图、雷达图、K线图等多种数据可视化功能。图2为采用折线图对区域补偿断面的各类污染物年度和季节性变化的分析，展示了各污染物随时间的变化趋势。

图2 溧阳市区域补偿断面（塘东桥断面）污染物随时间的变化趋势分析

3.3 水污染扩散模拟

系统集成了水污染扩散模型，提供了一维、二维的水污染扩散模拟，用户只需指定河流中污染源的位置（或污染事件发生的位置），通过设置不同的参数，如污染物浓度、弥散系数、污染物衰减系数等，系统能够自动模拟各种情况下不同污染物的扩散情况及影响范围。具体做法是：将河流或水库划分成10 m×10 m的格网，并设置不同污染物浓度区间所对应的颜色，以用户选择点为原点，通过上述模型计算当前模拟参数状态下不同时段对应的空间范围（即每个格网）内污染物的浓度，并以梯度颜色和形状渲染在地图中，实现网络地图的可视化仿真，动态模拟污染扩散的全过程。此外，该模型还可以折线图和数据表等方式，显示污染源浓度随时间变化的趋势与具体数值，定量的展现了污染物在水体中的扩散情况。

如图3、图4所示，地图窗口高亮显示的部分是污染点源，“污染浓度分析”窗口下方可以进行污染源浓度及水流流速等相关参数的设定，点击开始分析按钮，动态折线图中会显示污染源浓度随时间的变化趋势，污染物浓度报表中同时显示出每个单位时间内浓度的具体数值，并可导出至Excel中。再次选择分析时间，点击draw按钮，河道中将会以梯度颜色直观地渲染出水污染在指定时间内的扩散情况及影响范围。

图3 一维污染扩散模拟

图4 二维污染扩散模拟

4 结语

该系统采用B/S模式，结合GIS技术，以江苏省溧阳市为例，研制和开发了一款适用于城市河流水质监测及水污染扩散分析与模拟系统，改变了传统环保工作头绪繁琐、耗时久、出错率高、反馈慢的工作模式。该系统覆盖面广，涉及到水环境监测和保护的各个方面，既是一个环保信息展示平台，也是一个协同办公工作平台；既可为环保工作者提供便捷的日常管理服务，也可为部门领导提供决策信息化支撑服务。