導讀:：水污染造成的水體功能喪失進一步加重水資源危機的形勢。建立流域水污染自動化測報和應急處理系統(tǒng)。陸曦等[33]介紹突發(fā)性水污染事故應急處理的一般程序。隨著“3S”研究和應用的不斷深入。

關鍵詞：水污染，自動化測報，應急處理，3S

1 引言

水是人類生存和社會發(fā)展不可缺少的自然資源，是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的生命線，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要物質基礎。水污染是指水體中因某種物質的介入而導致其物理、化學、生物或者放射性等方面特性的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質惡化的現(xiàn)象[1]。

全球可供人類利用的淡水資源已嚴重不足，且水質不斷惡化，水污染造成的水體功能喪失進一步加重水資源危機的形勢，全世界每年排入河流和湖泊的廢水使全球水資源總量14%以上的水源受到不同程度的污染。水資源短缺和水環(huán)境污染已成為一個世界性的問題[2]。在上世紀60年代以前，人們就采取了“排出口處理”的技術來控制水污染，美國每年投資于污水處理的費用高達50億美元，日本每年也要投資將近20億美元[3]，但是單純依靠這種排出口處理技術，不僅耗資巨大、經(jīng)濟效能低，甚至可能陷入惡性循環(huán)，難以從根本上解決水污染問題。利用環(huán)境資源，合理地控制和減少環(huán)境污染已成為各國經(jīng)濟及其發(fā)展應當考慮的主要問題之一[4] 。

我國是一個水資源貧乏的國家，同時又是一個水環(huán)境污染問題十分嚴重的國家[5，6]。全國水資源人均占有量約為2200 m3，僅為世界人均水量的四分之一，且存在著南北東西地域上的顯著差異。經(jīng)濟的快速發(fā)展給環(huán)境帶來了巨大的壓力和破壞，水污染相當嚴重。楊維等[7]介紹了遼河流域的水質污染和遼寧省水污染防治的策略。為了保證遼河流域人民生活和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，遼寧省已經(jīng)投入大量的人力和資金對遼寧省水環(huán)境污染進行治理。目前，全國有近50%的河段、90%的城市水域受到不同程度的污染。嚴重的水質污染問題，不僅使水資源無法使用，也使農(nóng)產(chǎn)品受到污染，影響了人民健康和農(nóng)民的收入。迅速有效的控制水環(huán)境污染，對保護水資源質量，以水資源的可持續(xù)開發(fā)利用支持社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義[8，9]。為實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，改善環(huán)境質量，開展環(huán)境污染預測研究具有十分重要的意義。

2 GIS在水污染控制方面的應用

GIS是集計算機科學、地球科學、測繪遙感學、數(shù)學、環(huán)境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學為一體的新興邊緣學科[10]范文。其在計算機軟、硬件技術支持下，通過數(shù)據(jù)庫技術對空間信息進行存儲、分析、評價和輔助決策。

到目前為止環(huán)境保護，GIS與水環(huán)境模型結合的應用研究在國內(nèi)外已取得了一定成果。在國外，如Michael等人把GIS技術、釋氯模型與經(jīng)濟分析軟件包相結合，對高含氮地區(qū)的地下水進行評價分析，計算種植物地區(qū)地下水中硝酸鹽氮的含量[11]; Lee等[12]為農(nóng)業(yè)非點源污染模型AGNPS開發(fā)了一個GIS界面;He等[13]將AGNPS、地理資源分析支持系統(tǒng)GRASS及GRASSWater Works集成，綜合評價了非點源污染對密歇根州Cass河水質的影響，都是將GIS與水環(huán)境模型結合起來在實際中的應用。在國內(nèi)，GIS與水環(huán)境模型結合也得到廣泛的應用，上海市環(huán)境管理部門于80年代末開始GIS的應用研究，并建立了黃浦江流域水環(huán)境GIS，該系統(tǒng)具有動態(tài)監(jiān)測顯示、水污染過程模擬及取水口水環(huán)境管理功能，并可對水質作出快速預測分析和預報[14];孫啟宏等[15]利用GIS的動態(tài)分段技術實現(xiàn)了河流一維水質擴散模擬和空間顯示技術;90年代建立的東遼河流域的水環(huán)境信息管理系統(tǒng)[16]。一些科研部門和流域水管理機構也先后將GIS技術應用于防洪決策支持系統(tǒng)和洪水災情快速評估系統(tǒng)的開發(fā)[17]。肖青等[18]以GIS軟件為工具和平臺，開發(fā)了蘇州河環(huán)境綜合整治管理信息系統(tǒng)。侯國祥等[19]利用組件MapObjects開發(fā)漢江水污染控制信息系統(tǒng)。

3 利用RS對水污染監(jiān)測的研究

遙感探測是通過對所獲得的圖譜合一信息處理，達到識別目標理化特性的目的，結合基礎的應用學科理論，解決生產(chǎn)、生活實際中的清查、監(jiān)測、預測及決策問題。遙感應用已經(jīng)廣泛深入到國民經(jīng)濟建設各個領域，利用遙感進行水污染監(jiān)測研究已經(jīng)受到了廣泛的關注。

自然水體中的水分子、浮游植物及其他各種物質的吸收和散射效應使水體在某些特定波段的反射光譜曲線出現(xiàn)峰值或谷值。研究水體反射曲線的峰谷所在的波長位置及大小，根據(jù)它們和污染物濃度的相關關系可以實現(xiàn)對水質的定量遙感。就水體而言，最常用最敏感的波段為可見光波段和近紅外波段。純凈水體、自然水體和污染水體在可見光至近紅外波段的光譜特性將直接影響到其遙感靈敏度。內(nèi)陸水體主要有3種物質(藻類、懸浮物、溶解性有機物)對水體的光譜特性有影響[20]。研究最多的是藻類和懸浮物質的光譜特性。李素菊等[21]對巢湖的葉綠素和懸浮物光譜特征作了研究，得出620、680及705 nm波長分別對應巢湖藻藍素的吸收峰、葉綠素的吸收峰及反射峰的位置。張鳳麗等[22]通過對西安市護城河及興慶公園污水的監(jiān)測，定量分析了水體中COD、BOD5與水體波譜之間的關系。馬榮華等[23]分別對西安市護城河及興慶公園、太湖梅梁灣的光譜特征作了分析，也得到類似結果，只不過出現(xiàn)反射峰、谷的位置因水體差異而有所區(qū)別。

國內(nèi)外學者利用經(jīng)驗方法開展了很多內(nèi)陸水體水質遙感監(jiān)測環(huán)境保護，在特定的水域研究中取得了一定的成功，如Giardino等[24]用Landsat-5上TM數(shù)據(jù)監(jiān)測意大利的Iseo湖，建立了TM各波段與葉綠素、透明度和表面溫度之間的回歸模型;王學軍等[25]用單波段、多波段因子組合以及主成分分析建立了太湖TM輻射值與水質參數(shù)的統(tǒng)計關系;趙碧云等[26]則利用TM數(shù)據(jù)建立了滇池葉綠素和懸浮物的定量估算模型;汪小欽等[27]用TM波段反射率比值作為懸浮泥沙和水體有機污染的指標;喬平林等[28]建立COD、BOD和總氮與TM波段組合之間的相關關系。但由于水質參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)之間的事實相關性不能保證，算法的精度和通用性通常不高且具有時間和空間上的特殊性。

遙感技術不僅可以有效地監(jiān)測內(nèi)陸水體水質參數(shù)空間和時間上的變化狀況，而且可以發(fā)現(xiàn)一些常規(guī)方法難以揭示的污染源和污染物遷移特征，具有監(jiān)測范圍廣、速度快、成本低和便于進行長期動態(tài)監(jiān)測的特點。于德浩等[29]總結了目前遙感在內(nèi)陸水體水質監(jiān)測應用中存在的問題和不足，并對以后遙感水質監(jiān)測的研究重點進行了探討。陸家駒[30]對長江南京江段水質進行了遙感分析，采用美國陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)分析長江南京江段的水質污染狀況。何隆華等[31]用遙感技術來進行水環(huán)境監(jiān)測。采用氣象衛(wèi)星的復合比值合成圖像和色調——飽和度——明度變換技術，有效地反映長江三角洲主要水體的水質污染情況，并且可同上海市航空遙感綜合調查與研究資料和太湖的水質研究資料互相印證，其水質類型可以用數(shù)據(jù)予以確定和解釋。反映了長江三角洲全區(qū)主要水體水質的宏觀分布，為水質污染的宏觀監(jiān)測提供了依據(jù)。但是它存在著分辨率低的缺點。張?zhí)m蘭等[32]以RS和GIS技術為主，結合傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測資料，通過遙感數(shù)據(jù)處理，圖像的解譯和信息提取，研究石羊河流域水資源環(huán)境的變化，建立水資源環(huán)境評價指標體系，對區(qū)內(nèi)水資源環(huán)境進行評價。RS、GIS技術與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相結合的水資源環(huán)境監(jiān)測評價可以獲得許多傳統(tǒng)監(jiān)測手段所無法取得的面狀監(jiān)測信息。

4 水污染應急監(jiān)測的研究

近年來，我國城市水源地突發(fā)性污染事件日益增加，如何保護水源地生態(tài)環(huán)境安全和城市供水系統(tǒng)安全，以及如何快速、有效地處理突發(fā)性水污染事故已成為亟需解決的問題。陸曦等[33]介紹突發(fā)性水污染事故應急處理的一般程序，討論了應急措施、處理技術及區(qū)域污染物的處理方法。朱玉萍[34]介紹了近年來黃河上游發(fā)生的多次污染事件環(huán)境保護，討論了環(huán)境監(jiān)測中心對突發(fā)性污染事件應急監(jiān)測的現(xiàn)狀、存在的問題、污染事件的特點及所應采取的對策。王福進[35]指出應盡快建立并完善以國家確定的重要流域為單元的突發(fā)性水污染事件的應急處理機制，以防止突發(fā)性水污染的產(chǎn)生。隨著我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，環(huán)境污染事件，尤其是重大突發(fā)性水污染事件不僅在發(fā)生次數(shù)上，而且在污染的危害程度上均有增加的趨勢。幸紅[36]就基于目前我國突發(fā)性水污染事件應急處理現(xiàn)狀和存在問題的檢視，建立突發(fā)性水污染事件防范和應急法律機制應采取法律措施，以期為我國減少突發(fā)性水污染事件及其損失提供一定的理論分析依據(jù)。李俊文[37]對遼河流域鐵嶺段水質現(xiàn)狀進行分析評價，并對遼河鐵嶺段的地表水水資源保護提出建議。

目前，我國環(huán)境問題日趨嚴重，環(huán)境污染和生態(tài)破壞已經(jīng)成為社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素,而工業(yè)排污是環(huán)境污染的主要來源，消除和控制工業(yè)污染則是解決我國環(huán)境污染問題的首要環(huán)節(jié)[38]。松花江水污染事故使人們警醒，我們對突發(fā)事故的應急響應能力太薄弱，環(huán)保應急體系并不完善。由于環(huán)境污染事故具有突發(fā)性、破壞性以及災難性等特點，對污染事故的應急監(jiān)測就顯得尤其重要[39]。

5　GIS、GPS與RS的集成應用

21世紀是科學與技術一體化的信息時代[40]。地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和遙感是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、存貯管理、更新、分析和應用的3大支撐技術，是現(xiàn)代社會持續(xù)發(fā)展、資源合理規(guī)劃利用、城鄉(xiāng)規(guī)劃與管理、自然災害動態(tài)監(jiān)測與防治等的重要技術手段。GPS是以衛(wèi)星為基礎的無線電測時定位、導航系統(tǒng)[41]，可為航空、航天、陸地、海洋等方面的用戶提供不同精度的在線或離線的空間定位數(shù)據(jù);RS在過去的30年中已在大面積資源調查、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要的作用; GIS技術則被各行各業(yè)用于建立各種不同尺度的空間數(shù)據(jù)庫和決策支持系統(tǒng)，向用戶提供著多種形式的空間查詢、空間分析和輔助規(guī)劃決策的功能[41]。隨著“3S”研究和應用的不斷深入，人們逐漸認識到單獨地運用其中的一種技術往往不能滿足一些應用工程的需要。許多應用工程或應用項目綜合地利用“3S”技術的特長，形成和提供所需的對地觀測、信息處理、分析模擬的能力。近些年來，國際上“3S”的研究和應用開始向集成化方向發(fā)展。在這種集成應用中：GPS主要被用于實時、快速地提供目標，包括各類傳感器和運載平臺的空間位置;RS用于實時地或準實時地提供目標及其環(huán)境的信息，發(fā)現(xiàn)地球表面上的各種變化環(huán)境保護，及時地對GIS進行數(shù)據(jù)更新;GIS則是對多種來源的時空數(shù)據(jù)進行綜合處理、集成管理、動態(tài)存取，作為新的集成系統(tǒng)的基礎平臺。在國內(nèi)環(huán)境監(jiān)測領域，各種環(huán)境管理信息系統(tǒng)漸漸開展，即根據(jù)“3S”技術，開發(fā)環(huán)境保護領域應用的各個功能集成一體的現(xiàn)代化定位信息系統(tǒng)[42] ，尹剛[43]構建了一個基于“3S”技術的河流水污染監(jiān)測信息系統(tǒng)的總體框架，陳蓓青[44]將GIS技術運用到突發(fā)性水污染事件應急響應系統(tǒng)中,實現(xiàn)了對突發(fā)性水污染應響應系統(tǒng)的一個探索和試驗。

以上研究雖然都取得了一定的成果，但由于條件的限制，并沒有實現(xiàn)利用“3S”技術對水污染事故問題進行模擬預測分析，建立流域水污染自動化測報和應急處理系統(tǒng)。

水污染是我國面臨的最為嚴重的環(huán)境問題之一，水環(huán)境污染問題涉及的區(qū)域范圍廣、數(shù)據(jù)量大。利用“3S”技術對水環(huán)境綜合管理的技術手段進行更新改造，防治水質污染已成為我國環(huán)境保護的一項緊迫的任務。采用“3S”技術對水污染事故問題進行模擬預測分析，對水環(huán)境和污染源實施有效監(jiān)控，建立流域水污染自動化測報和應急處理應用系統(tǒng)，是未來的發(fā)展方向。

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