第３５卷第ｌ期 ２０１３年Ｏ１月 武汉工程大学学报 Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．１ Ｊ． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ． Ｊａｎ． ２０１３ 文章编号：１ ６７４—２８６９（２０１３）０１—００２１—０６ 地理信息系统在水污染控制规划中的应用 陈伟亚，刘芳芳 （武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北武汉４３００７４） 摘要：为了合理科学地管理ＱＪ市水污染控制规划过程中涉及的繁琐数据，并直观呈现规划结果，提出将地 市１０３幅１：１００００的计算机辅助设计（ＣＡＤ）格式的地理图形文件转换为 理信息系统技术应用其中．将 地理信息系统支持的图形文件（Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ），然后将经格式转换后的文件拼接为一个文件，提取有效空间信息， 以此作为空间数据；以实地调研的ＯＪ市水文信息数据及监测数据为属性数据，建立基于地理数据库 （Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ）模型的水环境信息数据库．最后制作出 市河网分布图、水环境功能区划图、排污河渠剩余水 环境容量示意图、水污染控制措施规划图．结果表明：地理信息系统使ＱＪ市水污染控制规划的空间数据与属 性数据相关联，实现规划结果可视化，为水环境管理者提供技术参考． 关键词：地理信息系统；计算机辅助设计：数据转换；水污染控制规划；数据库 中图分类号：Ｘ３２３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－２８６９．２０１３．０１．００５ ０ 引 言 水污染控制规划是水环境保护与规划的重要 内容，它从水资源的合理利用、水环境的保护方面 度．庞大的空间数据对环境管理人员来说，完全清 楚并充分有效的用于问题分析也具有难度．此外， 要对未来情况做出良好的规划，是要求实时地利 用动态数据分析系统特性，从而阶段性检验和修 对区域的功能分区、污水处理厂选址等提出建设 性意见；水污染控制规划是城市规划的重要组成 部分，它与城市规划相互协调，对提高城市规划的 可操作性具有重要意义ｕ Ｊ． 水污染控制规划中涉及到水文数据（如河流 位置）、污染源参数（如排放口位置、控制断面）、污 订措施．随着技术的进步，需要对时空信息进行定 量化分析，手工数据维护几乎是不可能实现的． 将地理信息系统应用到江汉平原河网地区水 污染控制规划领域，利用其高效的空间数据和属性 数据的维护能力及强大的检索查询功能，为水环境 管理工作者提供一个有效的工作平台和可靠的技 术支持．通过地理信息系统，可以把空间数据（如现 有水系、控制断面的地理位置）和属性数据（如多年 的监测资料）储存在数据库中，根据需要可以快速、 染负荷数据（如污染物浓度分布）、环境容量数 据 等，这些数据大多属空间信息并且较为繁琐． 利用地理信息系统（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ，以下简称：ＧＩＳ）技术，建立水环境信息数 据库，可以将空间数据及属性数据、原始数据及新 清晰、直观地查出水环境档案及水质资料，大大提 高了水污染控制规划过程中环境管理人员的工作 效率，实现了水污染控制规划和决策的可视化 ］． 生成的数据进行合理规范的管理；水环境信息可 以随时更新，水环境数据实现了在整个水污染过 程中的共享，为水污染控制规划决策者提供了直 观可视的工作界面，大大提高了工作效率 ］． ２ 部． 市水环境概况 市地属江汉平原腹地，位于湖北省中南 市内水域总面积１９７ ｋｍ ，其中河渠 １ ＧＩＳ技术引入江汉平原河网地区 水污染控制规划中的必要性 江汉平原河网区大小河渠纵横交织，水环境 规划是一个多层次、多变量、多目标的复杂系统， １６６ ｋｍ。，湖泊３１ ｋｍ ．ＱＪ市多年平均年径流深 ３４４ ｍｍ，地表径流总量为６．８８×ｌＯ ｍ。．实测最 大年径流量为１４．８×１０ ｍ。，实测最小年径流量 １．２６×１０ ｍ。．由于径流年际、年内差异大， 市 涉及的数据众多复杂．传统的数据手工管理对适 应现代化的需要和数据的更新要求存在一定的难 收稿日期：２０１２—１１－１６ 水资源的开发利用主要是筑堤御水，建闸控制，内 排外引．全市现有引灌渠首涵闸５处，主要引水水 作者简介：陈伟亚（１９５９一），女，上海人，教授．研究方向：环境工程、环境影响评价、循环经济．＊通信联系人 ２２ 武汉工程大学学报 第３５卷 源为汉江和长湖，设计流量２２８ ｍ。／ｓ，年均引水设 计能力７．５×１０ ｍ。；机电提灌能力７５．２ ｍ。／ｓ，平 均每年提水量０．６８×１０ ｍ。，主要湖泊有６处，年 均蓄水量约１ ０６０×１０ ｍ。；机井１５０处，年取水量 １ ６４７×１０ ｍ。．全市农村取地表水和地下水水厂 ３２８处，日供水１７．４×１０ ｍ。，年供水６ ３５４× １０ ｍ。． ＱＪ市地处江汉平原上，河流的特点是分流较 多，变化较大．建国以来，江汉平原建立了相对独 立完善的防洪、排涝、抗旱工程体系， 市共开挖 干支渠６２条，斗农渠４ ７３２条，排灌渠道总长 ６ ２７６ ｋｍ．全市现建有提排泵站ｌ７１处，提灌泵站 ４Ｏ处．因此，全市有天然和人工两大类河渠，天然 河渠有汉江和东荆河；人工河渠主要有田关河、下 西荆河、总干渠、城南河、百里长渠、汉南河等骨干 排灌支干渠．全市水域面积占自然面积的９．８ ． 市属汉江流域，其中东荆河以西为四湖流域， 主要纳污水体为西荆河、总干渠、兴隆河、东干渠； 东荆河以西为汉南片区，主要纳污水体为城南河、 百里长渠和汉南河．潜江市内大小沟渠纵横交织， 具有典型的江汉平原河网特征． ３地理信息系统在江汉平原河网地 区水污染控制规划中的应用 水污染控制规划过程涉及大量的监测统计数 据及图表，利用ＧＩＳ技术建立水环境信息数据库， 达到了将这些数据在计算机中合理规范的管理的 目的，并且实现了数据信息的共享；利用这些数据 形象快速地表达出水污染控制规划的结果，极大 发挥了地理信息系统在水污染控制规划过程中的 辅助决策功能，充分体现了地理信息系统在江汉 平原河网区水污染控制规划过程中发挥的巨大 优势 ． ３．１ 江汉平原河网区污染源调查 通过现场调研所获得的资料，并利用ＧＩＳ技 术，可以将这些数据分为两大类：一类是空间数 据，一类是属性数据．空间数据主要包括基础地理 信息、地图影像及各种专题图数据．属性数据主要 包括污染源数据、排污口数据、监测断面数据及控 制单元（潜江市内各河流）数据 ｊ． ３．２ 江汉平原河网区水环境信息数据库的建立 ３．２．１ 基础地图数据介绍 本次采用湖北省 测绘局编制的１：１００００的ＣＡＤ格式的数字地 图，ＱＪ市共１０３幅，地形数据层共有１０层．ＱＪ市 水环境规划数据库的建立需处理的图层主要包括 ４大图层：行政区（市界、镇界、管理区界）、居民点 （镇办事处、村）、铁路和公路（显示到市镇道）、水 系（河流、湖泊）． ３．２．２底图数据处理 ａ．ＣＡＤ格式文件转换：本数据库是利用美国 环境系统研究所（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｒｅｓｅａｒｅｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＳＲＩ）研发的ＡｒｃＧＩＳ软件而 建立，原始数据大多为ＣＡＤ格式的文件．基于 ＧＩＳ建立水环境信息数据库不能直接利用ＣＡＤ 格式的文件，因此，建库前，必须把ＣＡＤ格式的文 件转换为ＡｒｃＧＩＳ９．３能直接编辑使用的Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ 格式的文件［ ．一个Ｓｈａｐｅ文件一般包括三个文 件：一个主文件（＊．ｓｈｐ）、一个索引文件（＊．ｓｈｘ） 和一个ｄＢＡＳＥ（＊．ｄｂｆ）表．主文件包含几何形状； 索引文件包含数据的索引；数据库文件包含形的 属性，包含字段的定义．Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ文件将空间和属 性数据有机地结合起来，并从这两方面进行管理． ＣＡＤ格式的文件属矢量数据，一个文件可以 包含多个图层，如点图层（文字注记）、线图层（水 系、公路）、多边形图层（行政区划），这些不同类型 的图素可以共同构成一个ＣＡＤ文件，且ｃＡＤ文 件涉及的属性数据较少．而在Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ文件中， 不同类型的图素需分层存放，并且分别存放于 Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ文件中，即须将同一专题的点数据（如居 民点）存放于一个点文件，同一专题的线数据（如 水系）存放于一个线文件，同一个专题的多边形文 件（如行政区）存放于一个多边形文件，并且每一 个视图只能包含一个专题．所有Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ文件可 以叠加构成一幅完整的地图＿８］．具体转换步骤如 下：ＡｒｅＧＩＳ９．３中，打开ＡｒｅＴｏｏｌｂｏｘ－＋到Ｓｈａｐｆｉｌｅ 双击Ｆｅａｔｕｒｅ Ｃｌａｓｓ Ｔｏ Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ÷在“Ｉｎｐｕｔ ｆｅａｔｕｒｅ”输入要转换的ＣＡＤ文件一选择ＣＡＤ注 记要素类一在“０ｕｔｐｕｔ ｆｅａｔｕｒｅ”输入一个新建的 用于保存成果的文件夹，即将ＣＡＤ注记要素类转 换为了Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ格式的点文件．具体如图１所示． 以上步骤中依次将“选择ＣＡＤ注记要素类” 换为“选择ＣＡＤ点要素类”、“选择ＣＡＤ线要素 类”、“选择ＣＡＤ多边形要素类”，其他步骤同上， 并分别保存在不同的文件夹内．经以上操作，就分 别将ＣＡＤ点要素类、ＣＡＤ线要素类、ＣＡＤ多边形 要素类转换为了Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ格式的点文件、线文件 及多边形文件．在ＡｒｃＭａｐ中通过添加数据，分别 添加点文件、线文件、多边形文件，这样就可以看 到一幅完整的地图 ］． ２４ 武汉工程大学学报 第３５卷 右键拼接好的线文件一打开属性表一双击 ｌａｙｅｒ字段（字段内容即完成分类）一选择ｌａｙｅｒ字 段中所有内容为ＨＹＤＮＴ（水系）的要素一右键拼 接好的线文件一数据一导出数据（导出选中的要 素），指定导出数据的名称及路径，这样即将选择 的数据导出． ３．２．３ 从图形数据中提取有效信息 图形数 据大多为＊．ｊｐｇ格式的各类普通地图及专题地图 文件，其中包含了丰富的地理信息，例如：污染源 位置，排污口位置及监测断面位置等．这些图像数 据属于栅格数据，不能直接使用，需配准到标准坐 标中并进行矢量化．将栅格数据配准到与 １：１００００基础地图数据相同的坐标，通过手动数 字化的方式，分别提取出污染源分布图层、排污口 图层及监测断面图层等． ３．２．４ 建立ＱＪ市水环境信息数据库 市 水环境信息数据库是基于Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ模型而建 立的数据库．通过ＡｒｃＣａｔａｌｏｇ建立基于Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ａｃｃｅｓｓ的Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ，桌面用户可以通 过ＡｒｃＧＩＳ Ｄｅｓｋｔｏｐ的标准菜单和工具进行访 问［１ ．将处理好的基础数据（行政区、水域、道路）、 控制单元数据图层、污染源数据图层、排污口数据 图层、监测断面图层数据移植入库．在控制单元图 层增加字段：控制单元名称、河段长度、流量、流 速．在污染源图层增加污字段：染源名称、污染源 类型、监测时间、排污量、化学需氧量（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｙｇｅｎ Ｄｅｍａｎｄ，以下简称：ＣＯＤ）浓度、氨氮浓 度．在排污口图层增加字段：排污口名称、所属控 制单元、监测时间、ｃＯＤ入河量、氨氮入河量、备 注．监测断面图层增加字段：监测断面名称、Ｃ０Ｄ 测量值、ＣＯＤ评价指标、氨氮测量值、氨氮评价指 标．将各图层加载到ＡｒｃＭａｐ中，并将各图层属性 信息填充到属性表格内． 通过建立的 市水环境信息数据库，ＧＩＳ可 以为水污染控制规戈０其他环节如：水环境功能区 划，情景控制方案的建立等提供决策分析．分析者 可以在 市整个水污染控制规划中，实时地获取 水环境综合信息，并直接在电子地图上进行流域 水污染控制． ３．３ ＧＩＳ在 市水污染控制规划应用的成果表达 在ＱＪ市水污染控制规划中，结合具体的需 求，选择了用户界面友好且功能强大的ＡｒｃＧＩＳ９．３ 地理信息系统作为研究的平台．实践表明，利用 ＧＩＳ技术在 市水污染控制规划中取得了非常 好的效果．利用ＧＩＳ的叠置技术，建立了 市水 系分布图（图３），可以快速获得 市河网河渠间 的相对位置及其流经的区域等信息．利用ＧＩＳ技 术，在电子地图上划分出ＱＪ市水环境功能区划 （图４），并直观地表达出区划的结果．图４表明： 市二类水环境功能区有汉江和东荆河，三类水 环境功能区有田关河、西荆河、总干渠、兴隆河、下 东干渠，四类水环境功能区有上东干渠、百里长 渠、汉南河，五类水环境功能区有城南河．图５为 市排污河渠剩余水环境容量示意图，利用ＧＩＳ 的可视化技术及水环境容量模型，对规划方案中 不同河段的剩余水环境容量进行直观呈现．图５ 表明：中干渠剩余水环境容量为负值，其他河渠剩 余水环境容量虽为正值，但都较小．图６为ＱＪ市 水污染控制措施规划图，利用ＧＩＳ技术，建立了 市水环境信息数据库，并分析出ＱＪ市水污染 控制措施——“引水活城”方案的线路及规划污染 处理厂的位置，进而得到了 市水污染控制措施 规划专题图［１ ．图６表明： 市引水活城项目为， 东荆河以西，由“引江济汉”河渠到兴隆河，经跃进 河、荆幺河、下西荆河至中干渠；东荆河以东兴建 跨东荆河倒虹管和导流明渠，由兴隆河引水至百 里长渠． Ｎ 掌水厂＾污水处理厂 、一水域 行政区 图３ 市水系分布图 Ｆｉｇ．３ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ２６ 武汉工程大学学报 第３５卷 ［３］ 郑丽波，史丽江，俞立中，等．水污染控制规划的 ＧＩＳ辅助技术研究［Ｊ］．长江流域资源与环境，２００９， １８（２）：１７５—１７９． ＧＩＳ格式文件的探讨［Ｊ］．中国新技术新产品，２０１１， １２：２８—２９． ［８］ 陈南南，李篷，周美霞，等．ＣＡＤ数据到ＧＩＳ数据 转换的探讨［Ｊ］．北京测绘，２０１２，１：１５—１７． ［９］郑阳阳．ＣＡＤ数据与ＡｒｃＧＩＳ数据相互转换及注意 ［４］ 王浩，沈宏．ＧＩＳ技术在淮河流域片水资源综合规 划中的应用研究［Ｊ］．水文，２００５，２５（１）：４２—４５． Ｓ在水污染控制中的研 ［５］ 金建华，曾德飞，杨晓芳．ＧＩ究与探讨［Ｊ］．新疆环境保护，２００４，２６（２）：１－４． 事项［Ｊ］．科技创新与应用，２０１２，４：２５． ［１０］ 宋杨，万幼川Ｉ．一种新型空间数据模型Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ ［Ｊ］．测绘通报，２００４，１１：３１ ３３． ［１１］王光明，梁秀娟，肖长来，等．ＧＩＳ技术在水文水 资源领域中的应用现状与发展趋势［Ｊ］．吉林水利， ２００９，６：１—５． ［６］ 罗畏，邹峥嵘，陈敏，等．水环境信息可视化决策支 持系统的研究［Ｊ］．水电能源科学，２０１０，２８（９）：１３９ １４１． ［７］ 梁云芳，徐晓波．关于ＣＡＤ格式文件转换成ＭＡＰ—Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｌ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ‘ 一‘ ‘ ｎ 一‘ 一 一 一 一 一 ｉｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ＣＨＥＮ Ｗｅｉ—ｙａ，ＬＩＵ Ｆａｎｇ—ｆａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｍａｎａｇｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｄａｔａ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｉｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｔｏ ｐｒｅｓｅｎｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅｌｙ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｔ ｆｉｒｓｔ，１０３ ｏｆ １：１０ ０００ ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｐｓ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒｍａｔ ｆｉｌｅｓ ｏｆ ０３ ｗｅｒｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｉｎｔｏ Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ ｆｏｒｍａｔ ｆｉｌｅｓ，ｔｈｅｎ ａｌｌ Ｓｈａｐｅｆｉｌｅ ｆｏｒｍａｔ ｆｉｌｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｉｔｃｈｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ａｓ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｌｅ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ ｗａｓ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｌｅ，ａｎｄ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ；ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄａｔａ ｂｙ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｏｆ ０３ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｄａｔａ。ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄａｔａｂａｓｅ ｆｏｒ ０３ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｇｅｏｄａｔａｂａｓｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ． Ａｔ ｌａｓｔ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｖｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍａｐ，ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｚｏｎｉｎｇ ｍａｐ，ｒｅｓｉｄｕａｌ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｒｉｖｅｒ ｍａｐ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｍａｐ ａｒｅ ｍａｄｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｄａｔａ ａｎｄ ａｔｔｒｉｂｕｔｅ ｄａｔａ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ３ ａｒｅ０ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｈｅ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｖｉｓｕａｌ ａｎｄ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｗｏｒｋｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ；ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｌａｎｎｉｎｇ：ｄａｔａｂａｓｅ 本文编辑：苗 变
