導(dǎo)讀:：水污染造成的水體功能喪失進(jìn)一步加重水資源危機(jī)的形勢(shì)。建立流域水污染自動(dòng)化測(cè)報(bào)和應(yīng)急處理系統(tǒng)。陸曦等[33]介紹突發(fā)性水污染事故應(yīng)急處理的一般程序。隨著“3S”研究和應(yīng)用的不斷深入。

關(guān)鍵詞：水污染，自動(dòng)化測(cè)報(bào)，應(yīng)急處理，3S

1 引言

水是人類生存和社會(huì)發(fā)展不可缺少的自然資源，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的生命線，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。水污染是指水體中因某種物質(zhì)的介入而導(dǎo)致其物理、化學(xué)、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(zhì)惡化的現(xiàn)象[1]。

全球可供人類利用的淡水資源已嚴(yán)重不足，且水質(zhì)不斷惡化，水污染造成的水體功能喪失進(jìn)一步加重水資源危機(jī)的形勢(shì)，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(gè)世界性的問(wèn)題[2]。在上世紀(jì)60年代以前，人們就采取了“排出口處理”的技術(shù)來(lái)控制水污染，美國(guó)每年投資于污水處理的費(fèi)用高達(dá)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(shù)，不僅耗資巨大、經(jīng)濟(jì)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(wèn)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(guó)經(jīng)濟(jì)及其發(fā)展應(yīng)當(dāng)考慮的主要問(wèn)題之一[4] 。

我國(guó)是一個(gè)水資源貧乏的國(guó)家，同時(shí)又是一個(gè)水環(huán)境污染問(wèn)題十分嚴(yán)重的國(guó)家[5，6]。全國(guó)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(jì)的快速發(fā)展給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力和破壞，水污染相當(dāng)嚴(yán)重。楊維等[7]介紹了遼河流域的水質(zhì)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(jì)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(duì)遼寧省水環(huán)境污染進(jìn)行治理。目前，全國(guó)有近50%的河段、90%的城市水域受到不同程度的污染。嚴(yán)重的水質(zhì)污染問(wèn)題，不僅使水資源無(wú)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(duì)保護(hù)水資源質(zhì)量，以水資源的可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義[8，9]。為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，改善環(huán)境質(zhì)量，開(kāi)展環(huán)境污染預(yù)測(cè)研究具有十分重要的意義。

2 GIS在水污染控制方面的應(yīng)用

GIS是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、地球科學(xué)、測(cè)繪遙感學(xué)、數(shù)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)為一體的新興邊緣學(xué)科[10]范文。其在計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)支持下，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)空間信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、評(píng)價(jià)和輔助決策。

到目前為止環(huán)境保護(hù)，GIS與水環(huán)境模型結(jié)合的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)外已取得了一定成果。在國(guó)外，如Michael等人把GIS技術(shù)、釋氯模型與經(jīng)濟(jì)分析軟件包相結(jié)合，對(duì)高含氮地區(qū)的地下水進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，計(jì)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(diǎn)源污染模型AGNPS開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(píng)價(jià)了非點(diǎn)源污染對(duì)密歇根州Cass河水質(zhì)的影響，都是將GIS與水環(huán)境模型結(jié)合起來(lái)在實(shí)際中的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，GIS與水環(huán)境模型結(jié)合也得到廣泛的應(yīng)用，上海市環(huán)境管理部門于80年代末開(kāi)始GIS的應(yīng)用研究，并建立了黃浦江流域水環(huán)境GIS，該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示、水污染過(guò)程模擬及取水口水環(huán)境管理功能，并可對(duì)水質(zhì)作出快速預(yù)測(cè)分析和預(yù)報(bào)[14];孫啟宏等[15]利用GIS的動(dòng)態(tài)分段技術(shù)實(shí)現(xiàn)了河流一維水質(zhì)擴(kuò)散模擬和空間顯示技術(shù);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(jī)構(gòu)也先后將GIS技術(shù)應(yīng)用于防洪決策支持系統(tǒng)和洪水災(zāi)情快速評(píng)估系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[17]。肖青等[18]以GIS軟件為工具和平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了蘇州河環(huán)境綜合整治管理信息系統(tǒng)。侯國(guó)祥等[19]利用組件MapObjects開(kāi)發(fā)漢江水污染控制信息系統(tǒng)。

3 利用RS對(duì)水污染監(jiān)測(cè)的研究

遙感探測(cè)是通過(guò)對(duì)所獲得的圖譜合一信息處理，達(dá)到識(shí)別目標(biāo)理化特性的目的，結(jié)合基礎(chǔ)的應(yīng)用學(xué)科理論，解決生產(chǎn)、生活實(shí)際中的清查、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)及決策問(wèn)題。遙感應(yīng)用已經(jīng)廣泛深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域，利用遙感進(jìn)行水污染監(jiān)測(cè)研究已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。

自然水體中的水分子、浮游植物及其他各種物質(zhì)的吸收和散射效應(yīng)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(zhǎng)位置及大小，根據(jù)它們和污染物濃度的相關(guān)關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的定量遙感。就水體而言，最常用最敏感的波段為可見(jiàn)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(jiàn)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(zhì)(藻類、懸浮物、溶解性有機(jī)物)對(duì)水體的光譜特性有影響[20]。研究最多的是藻類和懸浮物質(zhì)的光譜特性。李素菊等[21]對(duì)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(zhǎng)分別對(duì)應(yīng)巢湖藻藍(lán)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(guò)對(duì)西安市護(hù)城河及興慶公園污水的監(jiān)測(cè)，定量分析了水體中COD、BOD5與水體波譜之間的關(guān)系。馬榮華等[23]分別對(duì)西安市護(hù)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(jié)果，只不過(guò)出現(xiàn)反射峰、谷的位置因水體差異而有所區(qū)別。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用經(jīng)驗(yàn)方法開(kāi)展了很多內(nèi)陸水體水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)環(huán)境保護(hù)，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(cè)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(xué)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(zhì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)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(jī)污染的指標(biāo);喬平林等[28]建立COD、BOD和總氮與TM波段組合之間的相關(guān)關(guān)系。但由于水質(zhì)參數(shù)與遙感數(shù)據(jù)之間的事實(shí)相關(guān)性不能保證，算法的精度和通用性通常不高且具有時(shí)間和空間上的特殊性。

遙感技術(shù)不僅可以有效地監(jiān)測(cè)內(nèi)陸水體水質(zhì)參數(shù)空間和時(shí)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(cè)范圍廣、速度快、成本低和便于進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。于德浩等[29]總結(jié)了目前遙感在內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中存在的問(wèn)題和不足，并對(duì)以后遙感水質(zhì)監(jiān)測(cè)的研究重點(diǎn)進(jìn)行了探討。陸家駒[30]對(duì)長(zhǎng)江南京江段水質(zhì)進(jìn)行了遙感分析，采用美國(guó)陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)分析長(zhǎng)江南京江段的水質(zhì)污染狀況。何隆華等[31]用遙感技術(shù)來(lái)進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)。采用氣象衛(wèi)星的復(fù)合比值合成圖像和色調(diào)——飽和度——明度變換技術(shù)，有效地反映長(zhǎng)江三角洲主要水體的水質(zhì)污染情況，并且可同上海市航空遙感綜合調(diào)查與研究資料和太湖的水質(zhì)研究資料互相印證，其水質(zhì)類型可以用數(shù)據(jù)予以確定和解釋。反映了長(zhǎng)江三角洲全區(qū)主要水體水質(zhì)的宏觀分布，為水質(zhì)污染的宏觀監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)。但是它存在著分辨率低的缺點(diǎn)。張?zhí)m蘭等[32]以RS和GIS技術(shù)為主，結(jié)合傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測(cè)資料，通過(guò)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)區(qū)內(nèi)水資源環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。RS、GIS技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的水資源環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)可以獲得許多傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段所無(wú)法取得的面狀監(jiān)測(cè)信息。

4 水污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)的研究

近年來(lái)，我國(guó)城市水源地突發(fā)性污染事件日益增加，如何保護(hù)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(wèn)題。陸曦等[33]介紹突發(fā)性水污染事故應(yīng)急處理的一般程序，討論了應(yīng)急措施、處理技術(shù)及區(qū)域污染物的處理方法。朱玉萍[34]介紹了近年來(lái)黃河上游發(fā)生的多次污染事件環(huán)境保護(hù)，討論了環(huán)境監(jiān)測(cè)中心對(duì)突發(fā)性污染事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題、污染事件的特點(diǎn)及所應(yīng)采取的對(duì)策。王福進(jìn)[35]指出應(yīng)盡快建立并完善以國(guó)家確定的重要流域?yàn)閱卧耐话l(fā)性水污染事件的應(yīng)急處理機(jī)制，以防止突發(fā)性水污染的產(chǎn)生。隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(shì)。幸紅[36]就基于目前我國(guó)突發(fā)性水污染事件應(yīng)急處理現(xiàn)狀和存在問(wèn)題的檢視，建立突發(fā)性水污染事件防范和應(yīng)急法律機(jī)制應(yīng)采取法律措施，以期為我國(guó)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(duì)遼河流域鐵嶺段水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并對(duì)遼河鐵嶺段的地表水水資源保護(hù)提出建議。

目前，我國(guó)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，環(huán)境污染和生態(tài)破壞已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素,而工業(yè)排污是環(huán)境污染的主要來(lái)源，消除和控制工業(yè)污染則是解決我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)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(duì)突發(fā)事故的應(yīng)急響應(yīng)能力太薄弱，環(huán)保應(yīng)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(zāi)難性等特點(diǎn)，對(duì)污染事故的應(yīng)急監(jiān)測(cè)就顯得尤其重要[39]。

5　GIS、GPS與RS的集成應(yīng)用

21世紀(jì)是科學(xué)與技術(shù)一體化的信息時(shí)代[40]。地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和遙感是目前對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中空間信息獲取、存貯管理、更新、分析和應(yīng)用的3大支撐技術(shù)，是現(xiàn)代社會(huì)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(zāi)害動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與防治等的重要技術(shù)手段。GPS是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電測(cè)時(shí)定位、導(dǎo)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(guò)去的30年中已在大面積資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮了重要的作用; GIS技術(shù)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(kù)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(yīng)用的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到單獨(dú)地運(yùn)用其中的一種技術(shù)往往不能滿足一些應(yīng)用工程的需要。許多應(yīng)用工程或應(yīng)用項(xiàng)目綜合地利用“3S”技術(shù)的特長(zhǎng)，形成和提供所需的對(duì)地觀測(cè)、信息處理、分析模擬的能力。近些年來(lái)，國(guó)際上“3S”的研究和應(yīng)用開(kāi)始向集成化方向發(fā)展。在這種集成應(yīng)用中：GPS主要被用于實(shí)時(shí)、快速地提供目標(biāo)，包括各類傳感器和運(yùn)載平臺(tái)的空間位置;RS用于實(shí)時(shí)地或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地提供目標(biāo)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(hù)，及時(shí)地對(duì)GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)更新;GIS則是對(duì)多種來(lái)源的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、集成管理、動(dòng)態(tài)存取，作為新的集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)。在國(guó)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，各種環(huán)境管理信息系統(tǒng)漸漸開(kāi)展，即根據(jù)“3S”技術(shù)，開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的各個(gè)功能集成一體的現(xiàn)代化定位信息系統(tǒng)[42] ，尹剛[43]構(gòu)建了一個(gè)基于“3S”技術(shù)的河流水污染監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的總體框架，陳蓓青[44]將GIS技術(shù)運(yùn)用到突發(fā)性水污染事件應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)突發(fā)性水污染應(yīng)響應(yīng)系統(tǒng)的一個(gè)探索和試驗(yàn)。

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(méi)有實(shí)現(xiàn)利用“3S”技術(shù)對(duì)水污染事故問(wèn)題進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，建立流域水污染自動(dòng)化測(cè)報(bào)和應(yīng)急處理系統(tǒng)。

水污染是我國(guó)面臨的最為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，水環(huán)境污染問(wèn)題涉及的區(qū)域范圍廣、數(shù)據(jù)量大。利用“3S”技術(shù)對(duì)水環(huán)境綜合管理的技術(shù)手段進(jìn)行更新改造，防治水質(zhì)污染已成為我國(guó)環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。采用“3S”技術(shù)對(duì)水污染事故問(wèn)題進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，對(duì)水環(huán)境和污染源實(shí)施有效監(jiān)控，建立流域水污染自動(dòng)化測(cè)報(bào)和應(yīng)急處理應(yīng)用系統(tǒng)，是未來(lái)的發(fā)展方向。

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