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      地表水環境評價系統的開發與研究

      發布時間:2020-12-19 09:30所屬分類:環境科學加入收藏

      摘 要:水質污染是我國現面臨的最嚴重的環境問題之一,其中很大一部分原因是缺少水環境信息的系統有效的整理和分析,本文主要針對這種現象,在面

        摘 要:水質污染是我國現面臨的最嚴重的環境問題之一,其中很大一部分原因是缺少水環境信息的系統有效的整理和分析,本文主要針對這種現象,在面向對象技術的基礎上,結合GIS,構建合理的海河流域水質評價模型,對地表水環境評價系統進行開發,實現對水環境的分析和管理,為相關部門的工作提供決策依據。

        關鍵詞:水環境評價系統;水質評價;GIS

      水環境論文

        引言:天津市特殊的地理位置決定了其特殊的水資源與水環境的時空分布特點[[1]]。從總體上看,目前天津市在發展中面臨的主要水約束問題可以概括為洪澇災害、干旱缺水和水環境惡化并存[[2]]。并且根據《中國環境狀況公報》顯示,海河流域水質為中度污染,已經成為中國污染最重流域,在此情況下水環境評價系統可提高水環境管理的效率。在地表水環境模型應用的法規化方面,歐美等發達國家已達到較高水平[[3]]。美國國家環保局在1964年已開發國際上最早的大型水環境質量管理信息系統(Water Environmental Management Information System),簡稱WEMIS。到70年代末,發達國家幾乎都建成了為水環境管理提供決策支持的水質管理系統。我國水環境研究和應用的歷史時間相對較晚,由于中國水環境領域基礎理論研究不足,特別是受開展水環境模型應用研究所必須的水文、水質監測數據不足等諸多原因的限制,導致中國水環境研究工作和國外相比依然有著較大的差距[[4]-[5]]。近年隨著計算機技術的快速發展我國逐漸形成完整的基于信息技術的水環境信息獲取與處理技術體系。本文對海河流域(天津段)水環境評價系統的架構和實現進行了研究,并依據天津市地表水資源管理的實際情況,采用C#嵌套ArcGIS Engine對GIS組件進行二次開發,在遵循統一、實用、易操作原則的情況下,實現對天津市地表水資源管理系統的設計與開發。該系統以數據編輯、查詢、統計評價為核心,主要應用了GIS的數據可視化功能,實現數據的多條件查詢與顯示;選用access數據庫存儲數據及相關信息;采用單因子指數評價天津市地表水水質現狀,可生成水質現狀統計表數據輸出,為相關部門及單位提供決策直觀依據。本著開發簡單,低成本,便于使用的原則,可實現文件管理,數據管理,水質評價等基本功能。為天津水環境的分析、管理和評價起到輔助的作用[[6]]。

        1.系統的構建方法

        1.1項目研究技術路線

        整個項目架構(圖1)從數據準備和系統設計兩個方面同時入手,數據庫結構設計包括數據采集、數據整理、數據入庫三個階段,以實現對數據的采集、整理與存儲;系統總體設計基于地表水現狀分析,前期的理論與技術準備而構建,包括系統的基本功能設計與水環境評價功能設計兩大部分,本系統中要實現的基本功能有GIS可視化、放大、縮小等通用基礎功能和數據的編輯、查找、修改

        加工等數據管理功能。為實現水環境評價功能,本系統采用了單因子指數評價模型,采用C#嵌套ArcGIS Engine進行水環境評價系統的開發與各項功能的實現,本系統最終可實現對數據的多條件查詢與顯示,根據用戶的操作對數據進行增、刪、改、查等各項數據功能操作,對實時數據進行可視化與數據分析,并以統計表的形式對分析結果進行生成與輸出。

        1.2.運行環境

        為了使整個系統更為穩定和便于維護,將微軟NET框架作為基本的開發平臺[[7]],選擇將C#作為主要的開發語言,嵌套ArcGIS Engine進行二次開發,提高開發效率,便捷編程過程[[8]],數據庫選擇使用Access,便于儲存和管理。

        1.3.系統的邏輯結構

        系統基于面向對象的思想和分析方法[[9]],且整個系統采用現今軟件開發比較流行的三層架構模式(MVC Model View Controller)[[10]],這樣使三個部分的耦合性降低,方便代碼的變更,和系統后期的維護。系統的具體層次劃分(圖2)所示。

        Visual Studio2010的自帶控件,可以實現用戶與界面的交互操作,其余為ArcGIS Engine的自帶控件,用戶可進行對空間數據的操作。業務邏輯層為主要的功能層,都是使用C#語言實現,包括數據管理,水環境評價等,每個組件都相互獨立,便于管理。數據層為屬性數據庫和空間數據庫,屬性數據庫存放的是水環境評價的相關屬性數據,空間數據庫存放的是研究區的地理數據、矢量數據以及遙感影像數據。

        2.系統的實現與開發

        2.1.系統的數據庫設計

        水環境評價系統的數據結構、數據存儲方式都直接關系到系統的性能,所以從數據的采集、數據的分類、數據庫設計以及元數據規范都要進行比較準確和詳細的設計[[11]]。目的就是提高空間數據與屬性數據的關聯,為系統提供更優質的服務。

        屬性數據庫包括海河流域(天津段)的地表水的月監測數據,地表水水質標準指標,評價信息等等,使用Access儲存和管理,便于分析數據和編寫程序,滿足對檢測數據的統計要求。

        空間數據庫存放海河流域(天津段)地理數據以及遙感影像數據,地理數據主要包括河流、湖泊、水庫、行政區域等,遙感影像為研究區的衛星圖像。(圖3)

        2.2.系統的界面

        系統界面(圖4)是系統的表現層。用戶登錄系統后,首先展示的是用戶界面。友好的界面設計、清潔的界面理念、設計感強的界面層次結構,是用戶與系統的橋梁。用戶對系統功能的應用了解直接決定了系統的實用性和效率性。因此便于用戶了解系統,充分展示系統的功能,合理布局界面,界面標準化等是系統界面設計的關鍵所在[[12]]。本系統界面設計簡單明了,操作簡單,信息直觀,便于用戶容易上手使用。

        登錄界面(圖5)包括了注冊,重置,登錄,退出四個功能。新用戶可直接在此界面注冊。

        登錄成功打開主窗體,主窗體包括菜單欄和工具欄。菜單欄包括文件管理,數據管理,水環境評價,幫助四個部分。下面是工具欄,放置了常用的快捷操作工具,具有打開文件,保存,放大,縮小,平移等功能。

        3.系統的分項功能

        3.1.基本功能

        基本功能包括用戶管理,GIS通用功能。用戶管理包括:添加、刪除、修改。GIS通用功能包括:地圖的放大縮小、拖動、漫游、選擇等,圖層管理、要素顯示等,基本可實現GIS的查詢,GIS數據庫的操作,實現地理數據的可視化。

        3.2.水環境評價功能

        單因子指數法是目前常用的水環境評價方法,該方法利用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[[13]]規定的評價標準參數來劃分水質的級別,用一個污染指數值來判定污染程度,即只要水體中有一項污染指標的濃度值[[14]]。(圖6)

        水環境評價功能包括:水環境信息的查詢、統計、對比,并且可以根據水環境分析結果從excel表導出。單因子評價系統根據所選擇的轄區,月份以及編號進行評價。點擊單因子評價后如成功,則得到評價成功的界面,可以使用生成數據圖功能得到評價數據,使用生成結果圖功能得到評價結果,最后可以將評價數據,評價結果使用數據輸出功能、結果輸出功能保存為excel文件。

        3.3.數據管理

        數據管理功能主要是針對屬性數據庫,包含了對基本屬性數據庫的表的修改、查詢、增添、刪除等操作。可以通過表名、列名獲取到唯一值,并分別使用查詢、添加數據、修改數據、刪除數據進行數據的基本的增刪改查功能。(圖7)

        4水質分析結果

        4.1.天津市水環境質量監測網絡

        經過多年的發展,我市地表水環境監測網絡日臻完善,目前在中心城區、環城四區、濱海新區及其他各區共設置地表水監測斷面129個,涵蓋64條河流和8座湖庫,全面反映全市水環境質量狀況[[15]]。

        4.2.天津市地表水質量評價

        4..2.1.河流水質評價結果

        海河干流水系、北三河、永定河、大清河、子牙河、漳衛南運河及其水質類別的等級如下表所示,從表中可以看出海河干流水系的水質主要為Ⅳ類,適用于一般工業用水區及一般景觀要求水域(表1)

        4.2.2.湖泊濕地水質現狀評價

        本次湖泊濕地的水質評價包括兩處,武清區大黃堡濕地和寧河區七里海濕地。大黃堡濕地因為長期的人為因素影響[[16]],主要水源是來自北京的生活污水,水質富營養化嚴重,個別監測站位達到超富營養值,超出地表水質量Ⅴ類標準。七里海濕地也長期處于富營養化狀態,各個簡介水質分類都達到地表水質量Ⅳ類標準[[17]],主要污染物是氨氮。

        4.2.3.水庫水質現狀評價

        水庫水質現狀評價主要評價水庫有6座,分別為北大港水庫、團泊洼水庫、北塘水庫、王慶坨水庫、爾王莊水庫和于橋水庫。可以看出于橋水庫的庫容量最大,水庫的水質指數為Ⅲ類,主要用于生活飲水及水產養殖等漁業水域。僅有17%的水庫水質優于Ⅲ類標準,即以地表水Ⅲ類標準為目標,近83%的水庫河流受到不同程度的污染(表2)。

        4.2.4.根據區劃評價結果(以濱海新區為例)

        從數據表中可直觀的看出,各監測月份高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷含量的具體數量情況。不同月份水質檢測結果相差較大,用水質評價結果為Ⅴ類,超過水質功能區目標要求,比如化學需氧量的標準為小于等于40,可1月和7月份的指標超出標準范圍。還可看出水質結果雖然都是Ⅴ類,但污染程度相差較大,各評價指標含量不同導致影響情況不同,能夠比較明顯的說明河流水質受居民生活污水污染動態變化的情況。需要加強水環境保護的宣傳教育及污染治理,

        對生活污水和工業廢水進行合理處理以達到保護水環境的目的(表4)。

        5.結語

        (1)通過從對海河流域(天津段)地表水水質的評價,可以看出在2019年間水質質量基本在Ⅲ到Ⅴ類間,污染范圍廣且嚴重,需要加大治理力度,很可能極大地危害人的身體健康,為相關部門提供了決策依據。

        (2)本文以海河流域(天津段)作為研究對象,采用C#嵌套ArcGIS Engine,結合地理信息系統開發水環境評價系統,選擇功能強大、靈活度較高、統一性更強的.NET開發方式,一定程度上保障了系統運行的安全性,選取應用最廣泛的ArcGIS Engine軟件作為二次開發組件,方便流域系統管理人員和應用人員使用與維護。

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