地表水环境评价系统的开发与研究

2020-12-04徐玥吕一鸣王正一王昊史恒文

甘肃科技纵横 2020年10期

徐玥吕一鸣王正一王昊史恒文

摘要：水质污染是我国现面临的最严重的环境问题之一，其中很大一部分原因是缺少水环境信息的系统有效的整理和分析，本文主要针对这种现象，在面向对象技术的基础上，结合GIS，构建合理的海河流域水质评价模型，对地表水环境评价系统进行开发，实现对水环境的分析和管理，为相关部门的工作提供决策依据。

关键词：水环境评价系统;水质评价;GIS

中图分类号：X82;TP311.1

引言：天津市特殊的地理位置决定了其特殊的水资源与水环境的时空分布特点[[1]]。从总体上看，目前天津市在发展中面临的主要水约束问题可以概括为洪涝灾害、干旱缺水和水环境恶化并存[[2]]。并且根据《中国环境状况公报》显示，海河流域水质为中度污染，已经成为中国污染最重流域，在此情况下水环境评价系统可提高水环境管理的效率。在地表水环境模型应用的法规化方面，欧美等发达国家已达到较高水平[[3]]。美国国家环保局在1964年已开发国际上最早的大型水环境质量管理信息系统（Water Environmental Management Information System），简称WEMIS。到70年代末，发达国家几乎都建成了为水环境管理提供决策支持的水质管理系统。我国水环境研究和应用的历史时间相对较晚，由于中国水环境领域基础理论研究不足，特别是受开展水环境模型应用研究所必须的水文、水质监测数据不足等诸多原因的限制，导致中国水环境研究工作和国外相比依然有着较大的差距[[4]-[5]]。近年随着计算机技术的快速发展我国逐渐形成完整的基于信息技术的水环境信息获取与处理技术体系。本文对海河流域（天津段）水环境评价系统的架构和实现进行了研究，并依据天津市地表水资源管理的实际情况，采用C#嵌套ArcGIS Engine对GIS组件进行二次开发，在遵循统一、实用、易操作原则的情况下，实现对天津市地表水资源管理系统的设计与开发。该系统以数据编辑、查询、统计评价为核心，主要应用了GIS的数据可视化功能，实现数据的多条件查询与显示;选用access数据库存储数据及相关信息;采用单因子指数评价天津市地表水水质现状，可生成水质现状统计表数据输出，为相关部门及单位提供决策直观依据。本着开发简单，低成本，便于使用的原则，可实现文件管理，数据管理，水质评价等基本功能。为天津水环境的分析、管理和评价起到辅助的作用[[6]]。

1.系统的构建方法

1.1项目研究技术路线

整个项目架构（图1）从数据准备和系统设计两个方面同时入手，数据库结构设计包括数据采集、数据整理、数据入库三个阶段，以实现对数据的采集、整理与存储;系统总体设计基于地表水现状分析，前期的理论与技术准备而构建，包括系统的基本功能设计与水环境评价功能设计两大部分，本系统中要实现的基本功能有GIS可视化、放大、缩小等通用基础功能和数据的编辑、查找、修改

加工等数据管理功能。为实现水环境评价功能，本系统采用了单因子指数评价模型，采用C#嵌套ArcGIS Engine进行水环境评价系统的开发与各项功能的实现，本系统最终可实现对数据的多条件查询与显示，根据用户的操作对数据进行增、删、改、查等各项数据功能操作，对实时数据进行可视化与数据分析，并以统计表的形式对分析结果进行生成与输出。

1.2.运行环境

为了使整个系统更为稳定和便于维护，将微软NET框架作为基本的开发平台[[7]]，选择将C#作为主要的开发语言，嵌套ArcGIS Engine进行二次开发，提高开发效率，便捷编程过程[[8]]，数据库选择使用Access，便于储存和管理。

1.3.系统的逻辑结构

系统基于面向对象的思想和分析方法[[9]]，且整个系统采用现今软件开发比较流行的三层架构模式（MVC Model View Controller）[[10]]，这样使三个部分的耦合性降低，方便代碼的变更，和系统后期的维护。系统的具体层次划分（图2）所示。

Visual Studio2010的自带控件，可以实现用户与界面的交互操作，其余为ArcGIS Engine的自带控件，用户可进行对空间数据的操作。业务逻辑层为主要的功能层，都是使用C#语言实现，包括数据管理，水环境评价等，每个组件都相互独立，便于管理。数据层为属性数据库和空间数据库，属性数据库存放的是水环境评价的相关属性数据，空间数据库存放的是研究区的地理数据、矢量数据以及遥感影像数据。

2.系统的实现与开发

2.1.系统的数据库设计

水环境评价系统的数据结构、数据存储方式都直接关系到系统的性能，所以从数据的采集、数据的分类、数据库设计以及元数据规范都要进行比较准确和详细的设计[[11]]。目的就是提高空间数据与属性数据的关联，为系统提供更优质的服务。

属性数据库包括海河流域（天津段）的地表水的月监测数据，地表水水质标准指标，评价信息等等，使用Access储存和管理，便于分析数据和编写程序，满足对检测数据的统计要求。

空间数据库存放海河流域（天津段）地理数据以及遥感影像数据，地理数据主要包括河流、湖泊、水库、行政区域等，遥感影像为研究区的卫星图像。（图3）

2.2.系统的界面

系统界面（图4）是系统的表现层。用户登录系统后，首先展示的是用户界面。友好的界面设计、清洁的界面理念、设计感强的界面层次结构，是用户与系统的桥梁。用户对系统功能的应用了解直接决定了系统的实用性和效率性。因此便于用户了解系统，充分展示系统的功能，合理布局界面，界面标准化等是系统界面设计的关键所在^{[^[12]]}。本系统界面设计简单明了，操作简单，信息直观，便于用户容易上手使用。

登錄界面（图5）包括了注册，重置，登录，退出四个功能。新用户可直接在此界面注册。

登录成功打开主窗体，主窗体包括菜单栏和工具栏。菜单栏包括文件管理，数据管理，水环境评价，帮助四个部分。下面是工具栏，放置了常用的快捷操作工具，具有打开文件，保存，放大，缩小，平移等功能。

3.系统的分项功能

3.1.基本功能

基本功能包括用户管理，GIS通用功能。用户管理包括：添加、删除、修改。GIS通用功能包括：地图的放大缩小、拖动、漫游、选择等，图层管理、要素显示等，基本可实现GIS的查询，GIS数据库的操作，实现地理数据的可视化。

3.2.水环境评价功能

单因子指数法是目前常用的水环境评价方法，该方法利用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）^{[^[13]]}规定的评价标准参数来划分水质的级别，用一个污染指数值来判定污染程度，即只要水体中有一项污染指标的浓度值^{[^[14]]}。（图6）

水环境评价功能包括：水环境信息的查询、统计、对比，并且可以根据水环境分析结果从excel表导出。单因子评价系统根据所选择的辖区，月份以及编号进行评价。点击单因子评价后如成功，则得到评价成功的界面，可以使用生成数据图功能得到评价数据，使用生成结果图功能得到评价结果，最后可以将评价数据，评价结果使用数据输出功能、结果输出功能保存为excel文件。

3.3.数据管理

数据管理功能主要是针对属性数据库，包含了对基本属性数据库的表的修改、查询、增添、删除等操作。可以通过表名、列名获取到唯一值，并分别使用查询、添加数据、修改数据、删除数据进行数据的基本的增删改查功能。（图7）

4水质分析结果

4.1.天津市水环境质量监测网络

经过多年的发展，我市地表水环境监测网络日臻完善，目前在中心城区、环城四区、滨海新区及其他各区共设置地表水监测断面129个，涵盖64条河流和8座湖库，全面反映全市水环境质量状况^{[^[15]]}。

4.2.天津市地表水质量评价

4..2.1.河流水质评价结果

海河干流水系、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳卫南运河及其水质类别的等级如下表所示，从表中可以看出海河干流水系的水质主要为Ⅳ类，适用于一般工业用水区及一般景观要求水域（表1）

4.2.2.湖泊湿地水质现状评价

本次湖泊湿地的水质评价包括两处，武清区大黄堡湿地和宁河区七里海湿地。大黄堡湿地因为长期的人为因素影响^{[^[16]]}，主要水源是来自北京的生活污水，水质富营养化严重，个别监测站位达到超富营养值，超出地表水质量Ⅴ类标准。七里海湿地也长期处于富营养化状态，各个简介水质分类都达到地表水质量Ⅳ类标准^{[^[17]]}，主要污染物是氨氮。

4.2.3.水库水质现状评价

水库水质现状评价主要评价水库有6座，分别为北大港水库、团泊洼水库、北塘水库、王庆坨水库、尔王庄水库和于桥水库。可以看出于桥水库的库容量最大，水库的水质指数为Ⅲ类，主要用于生活饮水及水产养殖等渔业水域。仅有17%的水库水质优于Ⅲ类标准，即以地表水Ⅲ类标准为目标，近83%的水库河流受到不同程度的污染（表2）。

4.2.4.根据区划评价结果（以滨海新区为例）

从数据表中可直观的看出，各监测月份高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷含量的具体数量情况。不同月份水质检测结果相差较大，用水质评价结果为Ⅴ类，超过水质功能区目标要求，比如化学需氧量的标准为小于等于40，可1月和7月份的指标超出标准范围。还可看出水质结果虽然都是Ⅴ类，但污染程度相差较大，各评价指标含量不同导致影响情况不同，能够比较明显的说明河流水质受居民生活污水污染动态变化的情况。需要加强水环境保护的宣传教育及污染治理，

对生活污水和工业废水进行合理处理以达到保护水环境的目的（表4）。

5.结语

（1）通过从对海河流域（天津段）地表水水质的评价，可以看出在2019年间水质质量基本在Ⅲ到Ⅴ类间，污染范围广且严重，需要加大治理力度，很可能极大地危害人的身体健康，为相关部门提供了决策依据。

（2）本文以海河流域（天津段）作为研究对象，采用C#嵌套ArcGIS Engine，结合地理信息系统开发水环境评价系统，选择功能强大、灵活度较高、统一性更强的.NET开发方式，一定程度上保障了系统运行的安全性，选取应用最广泛的ArcGIS Engine软件作为二次开发组件，方便流域系统管理人员和应用人员使用与维护。

系统还有很多的缺点和不足，在以后的研究过程还需要改进和完善：

（1）由于监测数据有限，监测到的指标因子不全，特别是在主观权重上，评价结果会出现一定的差异性;且数据多为实地监测数据，随着信息的发展，应使用3S集成技术全方位管理信息。

（2）数学模型选取单一，只采用了单因子评价，忽视了水环境中复杂的实际情况;只采用了定指标评价，应在以后的研究中加入新的理论基础，将实际与理论相结合，使用计算机辅助完成更高精度的评定。

参考文献（references

[[1]]卢越.产業集聚对流域水污染的影响分析：以海河流域为例[J].北京交通大学学报（社会科学版），2019，18（02）：61-68.

[2] 刘颖，刘丹.中国流域水环境监测现状分析[J].环境科学与管理，2008（03）：127-131+151.

[[3]].赵琰鑫，赵翠平，陈岩.国内外流域水环境模型法规化建设现状和对比研究[J].环境污染与防治，2016，38（07）：82-87.

[[4]] 朱萱，鲁纪行，边金钟，吴英辅，韩永彦，宋竞历.农田径流非点源污染特征及负荷定量化方法探讨[J].环境科学，1985（05）：6-11.

[[5]] 张秋玲，陈英旭，俞巧钢，邓华，田平.非点源污染模型研究进展[J].应用生态学报，2007（08）：1886-1890.

[6] G.Z. Zhang，W.N.Zhao，H. Liu. A Gis-Based Decision Support System for Water Trade Management of River Basin Cities[J]. Procedia Environmental Sciences，2010，2.

[[7]] 左一鸣，丁贤荣，崔广柏.基于GIS的水环境评价系统研制[J].计算机与现代化，2004（01）：89-91.

[[8]] 孙毓蔓，左小清，苏文豪.基于ArcGIS Engine与C#.net的地块合并功能的实现[J].软件，2018，39（10）：150-155.

[[9]]黎春蕾，丁贤荣，徐志扬，左一鸣.太湖流域水环境评价与管理系统的研制与开发[J].水利科技与经济，2005（10）：633-635.

[[10]]陈小乔. 基于MVC架构的污水处理管理系统的设计与实现[D].华中科技大学，2018.

[[11]]曹高明. 水环境动态监测与评价系统的设计与实现[D].首都师范大学，2009.

[[12]] 安若兰. 基于ArcEngine+.NET渭河流域水资源管理系统研究与开发[D].陕西科技大学，2015.

[[13]] GB 3838-2002. 地表水环境质量标准[S]. 1983

[[14]] 牛富霞，任东.模糊数学与单因子水环境评价方法特性分析[J].地下水，2019，41（05）：46-47

[[15]] 天津市政府批准实施《海河流域天津市水功能区划》[J]. 海河水利（1期）：40-40.

[[16]] 王新华，王宏鹏，纪炳纯.大黄堡湿地自然保护区浮游动物研究与水环境评价[J].南开大学学报（自然科学版），2008（01）：44-50+91.

[[17]] 刘双爽，陈诗越，姚敏，张清慧，吴金甲.天津地区团泊洼水库和七里海沼泽水质研究[J].湿地科学，2014，12（02）：257-262.

作者简介：