“3S”技术在水污染测报和应急处理中的应用
导读:：水污染造成的水体功能丧失进一步加重水资源危机的形势。建立流域水污染自动化测报和应急处理系统。陆曦等[33]介绍突发性水污染事故应急处理的一般程序。随着“3S”研究和应用的不断深入。
关键词：水污染，自动化测报，应急处理，3S
1 引言
水是人类生存和社会发展不可缺少的自然资源，是经济发展和社会进步的生命线，是实现可持续发展的重要物质基础。水污染是指水体中因某种物质的介入而导致其物理、化学、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人体健康或破坏生态环境，造成水质恶化的现象[1]。
全球可供人类利用的淡水资源已严重不足，且水质不断恶化，水污染造成的水体功能丧失进一步加重水资源危机的形势，全世界每年排入河流和湖泊的废水使全球水资源总量14%以上的水源受到不同程度的污染。水资源短缺和水环境污染已成为一个世界性的问题[2]。在上世纪60年代以前，人们就采取了“排出口处理”的技术来控制水污染，美国每年投资于污水处理的费用高达50亿美元，日本每年也要投资将近20亿美元[3]，但是单纯依靠这种排出口处理技术，不仅耗资巨大、经济效能低，甚至可能陷入恶性循环，难以从根本上解决水污染问题。利用环境资源，合理地控制和减少环境污染已成为各国经济及其发展应当考虑的主要问题之一[4] 。
我国是一个水资源贫乏的国家，同时又是一个水环境污染问题十分严重的国家[5，6]。全国水资源人均占有量约为2200 m3，仅为世界人均水量的四分之一，且存在着南北东西地域上的显著差异。经济的快速发展给环境带来了巨大的压力和破坏，水污染相当严重。杨维等[7]介绍了辽河流域的水质污染和辽宁省水污染防治的策略。为了保证辽河流域人民生活和经济的可持续发展，辽宁省已经投入大量的人力和资金对辽宁省水环境污染进行治理。目前，全国有近50%的河段、90%的城市水域受到不同程度的污染。严重的水质污染问题，不仅使水资源无法使用，也使农产品受到污染，影响了人民健康和农民的收入。迅速有效的控制水环境污染，对保护水资源质量，以水资源的可持续开发利用支持社会经济的可持续发展具有极其重要的意义[8，9]。为实现经济与环境协调发展，改善环境质量，开展环境污染预测研究具有十分重要的意义。
2 GIS在水污染控制方面的应用
GIS是集计算机科学、地球科学、测绘遥感学、数学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学和管理科学为一体的新兴边缘学科[10]范文。其在计算机软、硬件技术支持下，通过数据库技术对空间信息进行存储、分析、评价和辅助决策。
到目前为止环境保护，GIS与水环境模型结合的应用研究在国内外已取得了一定成果。在国外，如Michael等人把GIS技术、释氯模型与经济分析软件包相结合，对高含氮地区的地下水进行评价分析，计算种植物地区地下水中硝酸盐氮的含量[11]; Lee等[12]为农业非点源污染模型AGNPS开发了一个GIS界面;He等[13]将AGNPS、地理资源分析支持系统GRASS及GRASSWater Works集成，综合评价了非点源污染对密歇根州Cass河水质的影响，都是将GIS与水环境模型结合起来在实际中的应用。在国内，GIS与水环境模型结合也得到广泛的应用，上海市环境管理部门于80年代末开始GIS的应用研究，并建立了黄浦江流域水环境GIS，该系统具有动态监测显示、水污染过程模拟及取水口水环境管理功能，并可对水质作出快速预测分析和预报[14];孙启宏等[15]利用GIS的动态分段技术实现了河流一维水质扩散模拟和空间显示技术;90年代建立的东辽河流域的水环境信息管理系统[16]。一些科研部门和流域水管理机构也先后将GIS技术应用于防洪决策支持系统和洪水灾情快速评估系统的开发[17]。肖青等[18]以GIS软件为工具和平台，开发了苏州河环境综合整治管理信息系统。侯国祥等[19]利用组件MapObjects开发汉江水污染控制信息系统。
3 利用RS对水污染监测的研究
遥感探测是通过对所获得的图谱合一信息处理，达到识别目标理化特性的目的，结合基础的应用学科理论，解决生产、生活实际中的清查、监测、预测及决策问题。遥感应用已经广泛深入到国民经济建设各个领域，利用遥感进行水污染监测研究已经受到了广泛的关注。
自然水体中的水分子、浮游植物及其他各种物质的吸收和散射效应使水体在某些特定波段的反射光谱曲线出现峰值或谷值。研究水体反射曲线的峰谷所在的波长位置及大小，根据它们和污染物浓度的相关关系可以实现对水质的定量遥感。就水体而言，最常用最敏感的波段为可见光波段和近红外波段。纯净水体、自然水体和污染水体在可见光至近红外波段的光谱特性将直接影响到其遥感灵敏度。内陆水体主要有3种物质(藻类、悬浮物、溶解性有机物)对水体的光谱特性有影响[20]。研究最多的是藻类和悬浮物质的光谱特性。李素菊等[21]对巢湖的叶绿素和悬浮物光谱特征作了研究，得出620、680及705 nm波长分别对应巢湖藻蓝素的吸收峰、叶绿素的吸收峰及反射峰的位置。张凤丽等[22]通过对西安市护城河及兴庆公园污水的监测，定量分析了水体中COD、BOD5与水体波谱之间的关系。马荣华等[23]分别对西安市护城河及兴庆公园、太湖梅梁湾的光谱特征作了分析，也得到类似结果，只不过出现反射峰、谷的位置因水体差异而有所区别。
国内外学者利用经验方法开展了很多内陆水体水质遥感监测环境保护，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数据监测意大利的Iseo湖，建立了TM各波段与叶绿素、透明度和表面温度之间的回归模型;王学军等[25]用单波段、多波段因子组合以及主成分分析建立了太湖TM辐射值与水质参数的统计关系;赵碧云等[26]则利用TM数据建立了滇池叶绿素和悬浮物的定量估算模型;汪小钦等[27]用TM波段反射率比值作为悬浮泥沙和水体有机污染的指标;乔平林等[28]建立COD、BOD和总氮与TM波段组合之间的相关关系。但由于水质参数与遥感数据之间的事实相关性不能保证，算法的精度和通用性通常不高且具有时间和空间上的特殊性。
遥感技术不仅可以有效地监测内陆水体水质参数空间和时间上的变化状况，而且可以发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的特点。于德浩等[29]总结了目前遥感在内陆水体水质监测应用中存在的问题和不足，并对以后遥感水质监测的研究重点进行了探讨。陆家驹[30]对长江南京江段水质进行了遥感分析，采用美国陆地卫星TM数据分析长江南京江段的水质污染状况。何隆华等[31]用遥感技术来进行水环境监测。采用气象卫星的复合比值合成图像和色调——饱和度——明度变换技术，有效地反映长江三角洲主要水体的水质污染情况，并且可同上海市航空遥感综合调查与研究资料和太湖的水质研究资料互相印证，其水质类型可以用数据予以确定和解释。反映了长江三角洲全区主要水体水质的宏观分布，为水质污染的宏观监测提供了依据。但是它存在着分辨率低的缺点。张兰兰等[32]以RS和GIS技术为主，结合传统的常规监测资料，通过遥感数据处理，图像的解译和信息提取，研究石羊河流域水资源环境的变化，建立水资源环境评价指标体系，对区内水资源环境进行评价。RS、GIS技术与传统监测手段相结合的水资源环境监测评价可以获得许多传统监测手段所无法取得的面状监测信息。
4 水污染应急监测的研究
近年来，我国城市水源地突发性污染事件日益增加，如何保护水源地生态环境安全和城市供水系统安全，以及如何快速、有效地处理突发性水污染事故已成为亟需解决的问题。陆曦等[33]介绍突发性水污染事故应急处理的一般程序，讨论了应急措施、处理技术及区域污染物的处理方法。朱玉萍[34]介绍了近年来黄河上游发生的多次污染事件环境保护，讨论了环境监测中心对突发性污染事件应急监测的现状、存在的问题、污染事件的特点及所应采取的对策。王福进[35]指出应尽快建立并完善以国家确定的重要流域为单元的突发性水污染事件的应急处理机制，以防止突发性水污染的产生。随着我国工农业生产和经济建设的快速发展，环境污染事件，尤其是重大突发性水污染事件不仅在发生次数上，而且在污染的危害程度上均有增加的趋势。幸红[36]就基于目前我国突发性水污染事件应急处理现状和存在问题的检视，建立突发性水污染事件防范和应急法律机制应采取法律措施，以期为我国减少突发性水污染事件及其损失提供一定的理论分析依据。李俊文[37]对辽河流域铁岭段水质现状进行分析评价，并对辽河铁岭段的地表水水资源保护提出建议。
目前，我国环境问题日趋严重，环境污染和生态破坏已经成为社会经济发展的制约因素,而工业排污是环境污染的主要来源，消除和控制工业污染则是解决我国环境污染问题的首要环节[38]。松花江水污染事故使人们警醒，我们对突发事故的应急响应能力太薄弱，环保应急体系并不完善。由于环境污染事故具有突发性、破坏性以及灾难性等特点，对污染事故的应急监测就显得尤其重要[39]。
5 GIS、GPS与RS的集成应用
21世纪是科学与技术一体化的信息时代[40]。地理信息系统、全球定位系统和遥感是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的3大支撑技术，是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段。GPS是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统[41]，可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据;RS在过去的30年中已在大面积资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用; GIS技术则被各行各业用于建立各种不同尺度的空间数据库和决策支持系统，向用户提供着多种形式的空间查询、空间分析和辅助规划决策的功能[41]。随着“3S”研究和应用的不断深入，人们逐渐认识到单独地运用其中的一种技术往往不能满足一些应用工程的需要。许多应用工程或应用项目综合地利用“3S”技术的特长，形成和提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的能力。近些年来，国际上“3S”的研究和应用开始向集成化方向发展。在这种集成应用中：GPS主要被用于实时、快速地提供目标，包括各类传感器和运载平台的空间位置;RS用于实时地或准实时地提供目标及其环境的信息，发现地球表面上的各种变化环境保护，及时地对GIS进行数据更新;GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台。在国内环境监测领域，各种环境管理信息系统渐渐开展，即根据“3S”技术，开发环境保护领域应用的各个功能集成一体的现代化定位信息系统[42] ，尹刚[43]构建了一个基于“3S”技术的河流水污染监测信息系统的总体框架，陈蓓青[44]将GIS技术运用到突发性水污染事件应急响应系统中,实现了对突发性水污染应响应系统的一个探索和试验。
以上研究虽然都取得了一定的成果，但由于条件的限制，并没有实现利用“3S”技术对水污染事故问题进行模拟预测分析，建立流域水污染自动化测报和应急处理系统。
水污染是我国面临的最为严重的环境问题之一，水环境污染问题涉及的区域范围广、数据量大。利用“3S”技术对水环境综合管理的技术手段进行更新改造，防治水质污染已成为我国环境保护的一项紧迫的任务。采用“3S”技术对水污染事故问题进行模拟预测分析，对水环境和污染源实施有效监控，建立流域水污染自动化测报和应急处理应用系统，是未来的发展方向。
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