能源与环境工
基于GIS水文建模的水资源污染应急监测方法
李金亮
（鹤壁水文水资源勘测局河南鹤壁458000）
摘　要：水资源污染应急监测存在监测精度低、监测时效性差的问题，导致无法实现对突发性污染问题的及时感知，因此研究了基于GIS水文建模的水资源污染应急监测方法。采用MySQL关系数据库，将空间数据以离散数据或集成数据的方式存储在关系数据库中；引入GIS水文建模，定位水资源具体污染和污染源位置，结合动态数据和扩散约束条件，分析应急监测水污染扩散情况。实验结果表明，设计的监测方法与基于分布式水文模型的监测方法相比，最大误差仅为0.04mg/L，平均响应时间均在40ms以下，此监测方法有效降低了监测误差和响应时间，在实际应用中具有更高的利用价值。
关键词：G IS技术水文建模水资源污染监测方法应急
中图分类号：X832文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)09(a)-0127-04 Emergency Monitoring Method of Water Resources Pollution
Based on GIS Hydrological Modeling
LI Jinliang
( Hebi Hydrological and Water Resources Survey Bureau, Hebi, Henan Province, 458000 China ) Abstract: There are problems such as low monitoring accuracy and poor monitoring timeliness in water resources pollution emergency monitoring, which leads to the inability to realize the timely perception of sudden pollution problems. Therefore, a water resources pollution emergency monitoring method based on GIS hydrological modeling is studied in this paper. MySQL relational database is used to store the spatial data in the relational database in the form of discrete data or integrated data. GIS hydrological modeling is introduced to locate the specific pollution location and pollution of water resources. Combined with dynamic data and diffusion constraint analysis and emergency monitoring of water pollution diffusion. The experimental results show that, compared with the monitoring method based on distributed hydrological model, the maximum error of the designed monitoring method is only 0.04mg/L, and the average response time is less than 40ms. This monitoring method effectively reduces the monitoring error and response time, and has higher utilization value in practical application.
Key Words: GIS technology; Hydrological modeling; Water resources; Pollution; Monitoring method; Emergency
在研究水资源污染现象中发现［1-3］，该现象的形成原因较为复杂，主要是由于在一个城市相同的时间段或不同的城市相同的时间段内，灾害因子的表现形式不同［4］，同时，水资源污染事件的发生具有不确定性、阶段性、突发性等特点［5］。处理水资源污染事件前，需要工作人员进行大量的水文、水质、地质工程的勘查，掌握水环境基本特征。为了实现优化水资源污染实时监测工作，水环境监督管理单位提出了基于水环境过程变化动态模拟的污染模型，并明确了将数字化技术作为支撑执行此项工作。但是，该方法构建的模型为水环境二维模型，存在一定的局限性，且无法及时感知突发性污染问题［6］。
1  GIS水文建模的应急监测方法
1.1  建立水资源空间数据库
为实现应急监测水资源污染，引进MySQL关系数据库［7］，通过获取水资源空间数据的方式，构建水资
DOI：10.16660/jki.1674-098X.2204-5640-3848
作者简介：李金亮（1991—），男，本科，助理工程师，研究方向为水文、水资源。
源与环境工程
源环境空间数据库。在此过程中，将空间数据以离散数据或集成数据的方式存储在关系数据库中，并使用空间数据决策引擎工具（ArcSDE处理工具）导入与存储数据。同时，通过Arcview工具，可视化处理地质信息与地理环境信息，在存储终端设置不同的空间模块，存储空间数据与属性数据［8］。在此过程中，通过VIEW 管理采集或获取的空间数据，将不同类型的地理信息按照实体类型划分为多个信息结构并按照类别表示。
在构建数据库时，需要建立属性数据库，管理各类属性数据信息，以表的形式，结合关系模型，实现对各项属性数据信息的连接。针对每一个图层，均建立相应主题的属性列表，同时，针对各类属性数据，建立相应的检索关键词，并利用Link工具，通过对相同关键词的获取，实现其与主题属性之间的连接。为了确保两种数据库的相互协调［9］，单独存储数据，并通过Arc⁃
SDE的应用程序接口，实现与空间数据库各数据信息相连，确保监测过程中各类数据能够更加快速地完成传输、查询和输出。
1.2  GIS水文建模的污染源定位
在建立水资源空间数据库后，引入GIS水文建模［10-11］，定位水资源具体污染和污染源位置。图1为基于GIS水文建模的水资源污染源定位流程示意图。
根据图1可知，通过GIS水文建模，展示地级市县、县级市界等区域内水资源环境的空间信息，将收集的空间数据和属性数据显示在相应水资源环境划分区域内，同时，在模型中明确标记水资源周围环境中的排污口、排污单位等。结合监测输入的数据及参数，预测监测区域内的水资源未来水质条件，并动态模拟单污染源或多污染源的叠加影响效果［12］。在ArcView窗口中，针对模拟后的水环境水质进行可视化展现。
1.3  动态数据的水污染扩散分析与应急监测
结合动态数据分析水污染扩散情况，通过扩散约束条件应急监测水质。在分析水污染扩散时，结合经典水动力学方程和水质扩散算法，模拟真实的水环境条件下水资源的运动。水资源在流动过程中具有典型的连续性，因此，通过下述公式实现对水资源运动的表达：
∂h
∂t+
∂hu
∂x+
∂hv
∂y=0（1）式（1）中，h表示水资源的实际深度，t表示监测过程中水资源的流动时间，u表示水资源流动过程中在水平方向上的平均流速，v表示水资源流动过程中在竖直方向上的平均流速，x表示水环境周围水平方向风速，y表示水环境周围竖直方向风速。
在此基础上，针对水资源污染扩散的分析，需要引入动量方程和非持久性污染物迁移方程，基于有限体积法，实现对其离散处理。为了确保监测结果的精度，在DEM网格中，采用SIMPLEC法校正水深。在分析过程中，由于水资源持续流动，因此，结合干湿法，处理水资源的动态边界问题。同时，划分水资源中污染等级，将水资源污染等级按照从重到轻依次划分为6个等级，分别为I等级、II等级、III等级、IV等级、V等级和V 劣等级。其中，I~III等级表明在水资源中污染物没有或含量极少，不会威胁到水资源的正常使用和运行；IV 等级为水资源中含有少量污染物，并且已经出现影响水资源正常使用的情况；V等级为无法使用的水资源；V劣等级是指水资源中存在大量污染物，并且需要紧急治理，确保水资源的正常使用。6个等级分别设置不同的阈值，根据上述扩散分析得出模拟预测结果，与各个阈值范围进行比较，实现快速分类水资源污染等级，并给出不同等级污染的应急保护、治理措施，降低水
资源污染的影响，以此实现对水资源污染应急监测。
2  对比实验
在引入GIS水文建模技术后，提出了一种全新的水资源污染应急监测方法。为了进一步验证研究方法的合理性和可行性，选择新的监测方法作为实验组，将传统水资源污染监测中的基于分布式水文模型的监测方法作为对照组，将两种不同的监测方法应用到相同的实验环境中，并针对相同的监测对象进行对比实验研究。
图1　基于G IS水文建模的水资源污染源定位流程示意图
water pollution能源与环境工
选择在具有模型计算功能的软件中输入真实的污染物地点、污染排放量、水资源污染浓度等数据，模拟水资源中污染物扩散情况。通过该软件，获取坐标文件和污染浓度文件，并且坐标文件的信息对应污染物浓度文件的信息。在模拟水资源污染扩散的过程中，分别利用提出的监测方法和基于分布式水文模型的监测方法对其进行监测。表1为模拟的水资源环境水质条件记录表。
表1中，IV、V和V劣均为水资源的水质等级，污染程度从小到大排列依次为IV>V>V劣，其中，IV等级表明水资源污染程度较轻，而V劣等级表明水资源污染程度最严重。从表1中记录的各个区域水资源环境水质条件可知，在该水资源环境范围内，区域A、区域C 和区域E均在不同月份出现严重污染的情况。
2.1  监测精度对比
为验证设计监测方法在实际应用中的监测精度，将表1记录的内容作为基础，利用本文监测方法和基于分布式水文模型的监测方法，测定5个区域内的污染物浓度，并将得出的实验结果绘制成表2所示。
从表2的数据可知，实验组的监测结果更接近于实际测量结果，最大误差仅为0.04mg/L，其他误差均在0.01mg/L，并且监测结果能够为水资源污染等级的划分提供重要依据。同时，在实验过程中发现，
对照组监测方法在测定5个区域的水资源污染物浓度时，区域A、区域C和区域E的监测结果与其他两个区域相比略接近实测值，说明对照组监测方法适用于监测存在重度污染的水资源环境的污染浓度，并且监测的结果均没有达到实验组的监测精度。因此，实验初步证明，本文提出的基于GIS水文建模的监测方法在实际应用中能够实现高精度监测水资源污染浓度，提高了监测精度，并且监测结果能够为水资源水质等级划分提供重要数据依据。
2.2  监测时效性对比
为验证该方法是否具备快速响应的应急能力，对比实验组和对照组两种监测方法的时效性，监测5个区域的水资源污染浓度变化，通过人为的方式，改变水资源污染扩散模拟过程中污染物的浓度。分别利用两种监测方法对水资源环境中污染物浓度瞬间变化时的平均响应时间作为评价指标，指标值越小，表明方法的性能越好。瞬时变化响应时间的计算公式为：
Tˉ=(t1-t2)/n（2）式（2）中，Tˉ表示水资源环境污染浓度瞬间变化时的监测方法的平均响应时间，t1表示监测方法响应时刻，t2表示监测方法发现浓度异常变化时刻，n表示监测方法从发现浓度异常变化时刻到作出响应时刻之间监测次数。根据上述公式，计算得出实验组和对照组两种监测方法在水资源环境污染浓度瞬间变化时的平均响应时间，并将计算得出的结果绘制成图2所示。
从图2中两条曲线可知，实验组监测方法的平均响应时间在40ms以下，对照组监测方法的平均响应时
间超过50ms，两者相比，实验组比对照组低了10ms 以上，实验组的平均响应时间更短，因此，本文监测方法在实际应用中具备更好的时效性。本文基于GIS 水文建模的监测方法与基于分布式水文模型的监测方法相比，前者的监测精度和监测时效性更强，其能够为水资源保护和水资源治理措施的提出提供可靠的数据依据。
表2　实验组与对照组水资源污染浓度监测结果记录表
（单位：mg /L）
监测区域
区域A 区域B 区域C 区域D 区域E 测点
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
实验组监
测结果
2.84
2.58
2.62
2.15
2.85
2.35
2.12
2.35
2.52
2.36
对照组检
测结果
2.24
2.23
1.25
1.42
2.53
2.24
1.05
1.32
2.04
2.04
实测值
2.80
2.57
2.61
2.14
2.87
2.34
2.12
2.35
2.51
2.35
表 1　模拟的水资源环境水质条件记录表
时间1月15日2月15日3月15日4月15日5月15日
水资源各划分区域水质
区域A
IV
V劣
V
V劣
V
区域B
IV
IV
V
IV
IV
区域C
IV
IV
V劣
IV
V劣
区域D
IV
IV
IV
IV
IV
区域E
V劣
IV
V劣
V劣
IV
源与环境工程
3  结语
由于人类社会活动的不规范、对土地资源与环境
资源的无节制开垦，全球生态环境建设呈现极端变化
趋势，水资源被污染的面积越来越大，该现象对于人类生活所造成的负面影响呈现一种增加趋势。因此，针
对上述问题，本文在现有成果的基础上引进GIS 技术，
采用对水资源进行水文建模的方式，研究具有针对性
的水资源污染的应急监测方法，通过该方法，实现对突
发性污染事件的及时感知与处理，为环境治理和保护
提供可靠依据。
参考文献[1]侯瑞利.谈水资源规划和管理中污水利用问题[J].科技资讯,2016,14(6):37-37,39.[2]占晨.区域水资源生态环境现状及优化策略研究[J].科技资讯,2018,16(27):101,103.[3]VADDE K,WANG J,CAO L,et al.Assessment of water quality and identification of pollution risk locations in Tiaoxi River (Taihu Watershed),China[J].Water,2018,10(2):183.[4]董程鹏.医药化工企业土壤污染特征及自行监测要点研究：以江西A 生物医药科技有限公司为例[J].江西化工,2021,37(5):33-36.[5]邓宇杰，刘伟.便携分光光度法快速测定水中化学需氧量在水污染应急监测中的适用性评价[J].化工设计通讯,2021,47(11):38-39.[6]闫怀忠，赵继峰，潘光，等.走航溯源耦合在线监测分
析喷涂企业排放VOCs 对大气臭氧污染的影响[J].中国环境监测,2021,37(6):62-73.[7]OZGUR C,COTO J,BOOTH D.A comparative study of
network modeling using a relational Database (i.eOracle, mySQL, SQLserver Hadoop) vs. Neo4j[J].In⁃ternational Journal of Engineering Science,2018,8(7):
27-32.
[8]杨丽，叶冰，韩涵，等.2015—2019年河南省市售谷薯
类食品中铅污染状况监测及暴露风险评估[J].现代
预防医学,2022,49(1):37-40,52.
[9]王炜，江晓，叶艳华，等.2012—2017年南京市部分餐饮食品中5种常见食源性致病菌污染状况监测与
分析[J].医学动物防制,2022,38(1):87-90.
[10]SANZANA P,GIRONAS J,BRAUD I,et al.A GIS-based urban and peri-urban landscape representa⁃tion toolbox for hydrological distributed modeling[J].
Environmental Modelling & Software,2017,91(May):168-185.[11]PYANKOV S,SHIKHOV A,KALININ N,et al.A GIS-based modeling of snow accumulation and melt pro⁃cesses in the Votkinsk reservoir basin[J].Journal of Geographical Sciences,2018,28(2):221-237.
[12]樊江平，王磊，周美静，等.2018—2020年保定市生活
饮用水微生物污染状况监测与分析[J]. 医学动物防
制,2022,38(3):254-257.
平均响应时间/m s
10
2030405060708090
图2　实验组和对照组监测时效性对比图