试论GIS的城市污染物管理信息系统的建立，本文主要内容关键词为：污染物论文,信息系统论文,试论论文,城市论文,GIS论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
目前对环境的管理、评价、分级等多有论述，特别是环保部门已建立了一整套较完善的监测、评价机制。但是城市环境是一个复杂的系统，各要素相互结合、相互作用，又有各自的特点，加上城市的区位、功能及自然条件等方面差异，因此对城市污染物的管理较难建立一个全面、通用的管理信息系统。GIS(Geography Information System)的飞速发展和技术上的基本成熟，使得快速处理庞大数据、综合分析、管理自动化、实时监控成为可能。该系统把空气环境、小环境、城市垃圾中的主要污染物及其他一些环境要素有机地结合起来，形成一个动态的管理信息系统，为城市污染物的管理、监测、回收利用等提供及时有效的信息，并帮助决策者制定措施，工作平台主要以通用的GIS平台ARC/INFO、Mapinfo为主。
1 系统的结构及建立原则
城市污染物管理信息系统(Urban Contaminant Management Infomation System)主要有基础数据库和专业属性数据库两大部分，前者主要是图形图像数据库，需要按图形图像信息系统的一般原则进行设计。图形图像属非格式化数据，各种数据要转化成统一的格式，以利存储、查询检索等，各种要素的编码按软件的ID号或与属性数据库中相应的属性相连。专业属性数据库实际上是关系型数据库，按关系型数据库的一般原则设计。建库有两种途径：一是利用专门的关系型数据库软件如Foxpro等构建后与GIS软件链接；二是利用GIS本身所带的浏览窗口建库，突出直观性。把以上两大数据库通过某一公共字段链接起来，构成了UCMIS的基本框架。
在数据库的构成要素选取中，基本的空间数据按照与污染物联系紧密，对污染物的扩散稀释及对整个城市环境影响较大的原则选取，本系统选取道路、水域、植被覆盖区等要素。专业数据库中污染物的选取按浓度高、危害性大的原则进行，选TSP、SO[,2]等指标，基本上与环保部门的选取指标相一致。虽然噪声也是污染环境的一个重要因素，但交通部门已在市区各主要交通汇聚点设置了监测装置，并采取了相应的措施进行了治理，因此本系统没有将噪声纳入其中。这样把污染物各要素与地理空间要素在GIS平台上有机地结合起来，利用软件的强大功能实现了系统查询检索、制图、影响带分析等功能。根据以上原理和标准，UCMGIS的总体结构如下图。
2 数据库的基本构成
2.1 基础数据库
VCMIS总体结构图
基础数据包括地理要素和环境要素两大类。系统中以济南市市区及近郊的栅格图像为背景，矢量化以利进一步分析和模拟。比例尺1:10000为宜，保证较小的环境要素也能反映出来。将收集到的数据进行整理，栅格图象统一转换成TIF格式，在MAPINFO下按地理坐标配准，采用扫描数字化的方法获取空间数据。坐标值从地形图上经换算取得，先选择3个以上有明显特征的点为基准点，根据较精确的经纬度按比例尺换算。地理要素中以主要道路、河流、水域、植被覆盖区、高大建筑物分布区、居民区为主，加上其它的一些相关要素。由于城市环境相对是一个较小的系统，可以将空气污染源的点、线、面分类法推广到整个系统中应用。污染源的分布要素中，点源有较大的工厂排污处、排气量大的单个烟囱、较大的垃圾池和垃圾收购站等；线源主要指公路、露天污水渠、被污染的河流等；面源有分布集中且数量较多的供热点分布区、集中的市场居民区、被污染和接纳污水的水塘等。每一类都用特定的符号标注出来，符号的大小可以代表污染源的等级不同，线状和面状要素可以用颜色深浅表示污染程度。将它们各自分层设置，便于对单个要素分析，也可以用ARC/INFO的UNION模块叠加后进行综合分析。
2.2 专业属性数据库
空气污染物选取TSP、SO[,2]、NO[,x]等主要的几类作为指标，每一类污染物的浓度相应建立一个字段，每一个污染源作为数据库中的一条记录。水中污染物指标取BOD[,5]、重金属含量（重金属选有害性大、浓度高的类型）、氮磷含量等。除BOD[,5]外后几类均用等标污染负荷表示，其计算公式为：
其中Pij——第j个污染源中第i种污染物的等标污染负荷；
Cij——第j个污染源第i种污染物排放浓度；
Coj——第i种污染物的排放标准；
Qij——第j个污染源中第i种污染物的介质的排放量。
城市固体垃圾分为生活垃圾（主要含有机物）、建筑垃圾（水泥等）、工业垃圾（废电器等）。分类有利于废物的资源化。在基础数据库中不同类的固体垃圾用不同颜色区分，而在专业属性数据库中其属性用单位时间内每个单点产生的重量数与同类垃圾总重量的比值表示，比值的大小反映出单个垃圾站点的规模及影响范围。其计算公式为：
Cij为第j个垃圾站点中第i种固体垃圾的比重，Wij为第j个垃圾站点中第i种固体垃圾的重量，Woj为第j个垃圾站点中固体垃圾的总重量。由此得到有关空气污染物、水污染物、固体污染物的3个属性数据库。
3 系统的主要功能
3.1 创建单要素专题图
空气存在的三维性不方便在平面图上表现出来，可以借鉴地形图上的等高线来描述，暂定名为等浓度线。环保部门在每个城市都设有固定的监测点并隔时监测，但是由于设点较少（济南市5个），不能反映出市区内不同区域的细微变化，可以依据区域功能的不同再选择样点进行抽样调查，工业区要比居住区设置样点密集，然后将调查数据和原监测值作为基准点，画出空气污染物浓度梯度走势图，在ARC/info下生成Tin再内插一定量的等浓度线，生成等浓度线图，整个市区的空气质量状况便一目了然。被污染的河流与水渠本身具有一定的净化能力，在不同的河段污染程度有所差异，利用氧垂曲线所反映的溶解氧的变化趋势，以渐变的颜色落实到图上，可看出从排污处到较纯净的河段之间含氧量的变化，以采取不同的治理措施。单个垃圾站点按照Cij值的大小，在Mapinfo下创建柱状专题图，结合城建状况分析垃圾站点分布的合理性。
3.2 污染源、污染物影响带分析
污染源的影响范围利用软件创建缓冲区来表达。以济南市经十路汽车尾气影响范围为例，将交通部门实时监测数据输入软件，系统自动设定缓冲区。由于Mapinfo和ARC/info软件本身的局限性，只能建立一级缓冲区，笔者在此采用Maptitude处理，建立多级缓冲区，据此合理布局工业区、居民区、绿化带等。低级别缓冲区内表示污染严重，一般建设绿化带、居民区和医院尽量建在高级别缓冲区内。对一些需要保护的设施和单位也可以建立缓冲区，如济南市动物园为了保障动物的健康，分析出应建缓冲区的范围，设定后，区内不能建影响动物健康的工厂、烟囱等污染源。
3.3 创建单要素分级图
以空气质量为例说明环保部门评价环境质量的标准。环境质量由最差的要素所决定，空气污染物中SO[,2]、NO[,x]、TSP的实际监测值与国家二级标准值相比，所得比值乘以100后，挑出其中最大值，如果小于50则空气质量为一级，51～100为二级，100～150为三级，151～300为四级，大于300为五级。根据前面的评价标准和专题图，将市区划分为一类区和二类区，每一类区以不同的颜色表示。景点的维护、居民点的设置都可以用分级图作参考。
由于固体垃圾的特殊性，为了能在系统中反映出可再生资源，用下列经验公式来估算垃圾能：
E=59X1+169X2+221X3
式中E为垃圾能量：X1、X2、X3分别表示垃圾中的厨余等有机物、废纸和纸板、塑料和橡胶的重量百分比。垃圾能E值越大，其潜在利用价值越高，级别也越高。
3.4 环境质量综合分析
利用软件的功能将几个图层相互叠加，得到复合信息，从总体上把握环境质量，客观地进行环境影响评价，也利于进行污染物的总量控制和治理污染严重区，为合理设置污水处理厂、垃圾站作依照。例如将空气污染图与水污染图叠加，从图上可以看出济南南部山区周围空气质量虽好，但风景区内固体垃圾会严重污染地下水，仍是治理区。多个图层叠加后，可以查询分析污染源的位置、污染物的排放途径、影响区域。信息复合模型可以为城市规划和建设提供可靠的信息。还可以利用此手段建立有特色的绿化带。从图上分析出某区域土壤中含特种重金属过量，可能污染地下水，在此区域广植吸收这种金属粒子强的植物来改善土壤质量，栽种一些对空气污染物敏感的植物在居民区周围，作为居民区环境监测的哨兵。
3.5 查询检索功能
不同用户有不同的目标和要求，GIS平台强大的查询检索功能为系统的利用提供了方便，可以直接提取特定的各种专题要素。查询检索的方法分为以下几种：一是按专业属性直接从关系数据库中查出，与属性相对应的目标要素便显现在图上；二是利用选择工具直接从屏幕上选择，直观可靠；三是用 SQL查询条件较为复杂的要素和专题。
4 系统的应用与讨论
4.1 案例研究
针对济南市利用本系统进行了案例研究。济南地处地上悬河——黄河之南千佛山之北，西南、东面都有丘陵零星分布，形成了四周高中间低的地势，不利于污染物的扩散。而且冬季盛行东北风，夏季盛行西南风，东北部的济钢和西南部的水泥厂正好在此轴线上，加剧了城区空气污染状况。市区内小清河无环境稀释水量，加上人口密集及交通枢纽的区位所造成的人员流动性大、污染物多等状况，使市区的环境自净能力差，污染物排泄、处理渠道单一。虽然政府部门采取了“蓝天工程”、建立污水处理厂、工厂外迁等措施，但是在济南市独特的自然条件下，不建立一个长期有效的管理系统以加强对污染物的管理，很容易造成污染易治理难，治理成本比以污染所换取的经济效益高的局面。
UCMIS及时监测分析污染物和污染源的分布规律及发展趋势，帮助决策者制定合理有效的法规与措施。经系统分析可知，济南市空气污染物中SO[,2]主要排放企业为电力、煤气有关行业，TSP主要由非金属矿物制造、电力、煤气等行业，NO[,x]对本市的污染较轻，主要在汽车尾气中含有。3种污染物的负荷系数为：SO[,2]45.5%，TSP34.8%，NO[,x]19.7%，所以济南市是煤烟型污染，改善空气质量必须调整工业结构改变燃料构成。等浓度曲线图上市区内明显有两个污染物高浓度中心，一是大明湖西侧到火车站附近，另一个是以历山路和解放路为中心的区域。整个城区西北部和东南部空气质量较好，符合国家二级标准，东北部和西南部污染较重，形成两条轴线，因此必须改善工业布局，但总体上空气质量向好的趋势发展。水污染物主要有造纸、化工、制药、电镀等相关行业制造，小清河主要污染物为重金属铬，生活污水量加大。这与城市化速度加快、人口增长迅速、工艺技术较落后、水资源紧缺有关。从垃圾站点分布图和相关属性中可分析出固体废物的规律：垃圾站点呈不规则十字形分布，纵轴偏西，从济洛路往南延伸；城区南部固体废物的成分以有机物为主，北部的固体废物无机物含量高；周围6大垃圾场已对市区形成包围之势，堆放相当严重。区域经济发展不平衡和基础设施落后是形成上述现象的主要因素，治理原则为：分类收集，集中处理，回收利用。
4.2 问题与讨论
数据的时效性要求对其进行及时的更新。系统中基础地理信息是相对较固定的，一般短时期内的变化不大，而专业数据必须定期更新，以准确及时地表达环境的动态变化。GIS一般用关系型数据库管理属性数据，因此更新和维护比较方便。其它的环境要素及专题图的更新一般用两种方法，一是更新数字化变化较大的部分；二是用新数据代替旧数据或在原数据基础上进行编辑修改。更新数据的来源主要是环保和其他相关部门的调查统计，这就存在一个部门间的协调问题，或者利用一些模型进行预测分析，如描述BOD变化的S-P模型，空气污染物的扩散模型等，但时间地点的变化影响着模型的选择。另外，数据源与数据量的限制也使得系统中选取的污染物有待于进一步细化，以便更加全面地反映污染物的总体状况。