基于地下水污染预警信息系统的污染防治研究

杨 庆，姜 媛

2，张伟红3，赵勇胜3，林 健1，陈忠荣1

（1.北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;2.北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195;3.吉林大学,吉林长春 130012）

基于地下水污染预警信息系统的污染防治研究

杨 庆1，姜 媛?

2，张伟红3，赵勇胜3，林 健1，陈忠荣1

（1.北京市水文地质工程地质大队,北京 100195;2.北京市地质矿产勘查开发局,北京 100195;3.吉林大学,吉林长春 130012）

在地下水水质现状、地下水污染趋势、含水层固有脆弱性、污染源荷载风险、地下水污染危害性五个要素的基础上建立了地下水污染预警评价指标体系，利用GIS组件开发技术，与地下水污染预警模型相结合, 采用VB.NET+ArcGIS和Engine+Access集成的组件式GIS二次开发模式，开发可脱离GIS平台独立运行的地下水污染预警系统。系统可分别进行研究区域的水质评价、水质预测、含水层固有脆弱性评价、污染源荷载风险计算、污染风险评价、污染预警分析。对典型水源地地区地下水环境污染的警度进行识别，对即将可能出现的警情进行预报，并依据警度划分了防护治理区、重点防护区和一般防护区，提出了相应的防治措施，为政府部门制定地下水污染防治规划服务。

地下水污染预警; 信息系统；含水层脆弱性；污染源荷载；防治方案

0 引言

地下水水质的持续恶化作为一种生态环境问题，对其进行预警就是辨别和排除水资源开发利用过程中出现的非持续利用征兆的人类行为，对地下水质量和系统的逆向演化、退化和恶化及时做出报警，从而实现水资源的永续利用和生态环境向良性化发展。地下水污染预警具有先觉性、预见性和超前功能，具有对演化趋势、方向、速度、后果的警觉作用[1～3]。

地下水污染预警是指当自然力或人类活动作用于地下水环境时，对地下水发生的影响变化进行监测、分析、评价、预测，在达到某一质量变化限度时，能适时给出相应级别的警戒信息，能在发展周期发生变化时，预先发出信号，并给出解决警患的方法[4]。通过地下水污染预警信息系统，能够将各类时间、空间数据综合评判，及时进行研究区域的水质评价、水质预测、含水层固有脆弱性评价、污染源荷载风险计算、污染风险评价、污染预警分析,从而可以帮助决策者和管理者制定地下水保护的管理战略和方针，为政府实行有效的水源地灾害防治管理提供决策依据[5]。

1 地下水污染预警理论

目前预警的理论及方法除了应用在经济领域外，在国外应用比较广泛的还有农业、气象，饥荒、疾病、海平面上升、环境监测及环境工程地质等方面。国内对环境预警的研究，最早始于20世纪90年代末，其中具有代表性的是陈国阶等对环境预警的研究与应用，并提出了状态预警和趋势预警的概念[1,2,6]。此外在灾害预警方面，刘传正等对地质灾害的预警体系做了深入的研究[7]。国内外对于地下水污染预警和预警机制的应用尚没有形成统一的标准和系统。

针对区域地下水污染研究的基本问题，地下水污染预警综合分析地下水水质现状、地下水污染程度及趋势和地下水污染风险程度，考虑污染状态与过程的结合，从时间序列和空间分布两方面进行了研究。确定的地下水污染预警的框架与模式（图1）。

2 地下水污染预警信息系统建立

系统的总体目标是利用GIS组件开发技术，与地下水污染预警模型相结合, 采用VB.NET+ArcGIS Engine+Access集成的组件式GIS二次开发模式，开发可脱离GIS平台独立运行的地下水污染预警系统。系统可分别进行研究区域的水质评价、水质预测、含水层固有脆弱性评价、污染源荷载风险计算、污染风险评价、污染预警分析。

面向对象的、基于模块化的组件设计需要能够方便地修改应用程序的各个部分。完成这一目标的方法就是在层上工作，将一个应用程序的主要功能分离到不同的层或者级中。从本质上讲，层代表了一个应用程序主要的功能。系统采用的是当前比较流行的多层应用程序中的四层模型，这种分层每一层都可以独立地修改（图2、图3）。

（1）用户层

用户层只提供用户使用界面和简单的界面数据合法性验证。

图1 地下水污染预警信息系统框架体系图

图2 四层模型的结构关系图

（2）业务外观层

业务外观层为用户层提供处理信息浏览界面。这一层是作为SGWMIS.sln 解决方案文件中的 Business Facade项目实现的。业务外观层用作隔离层，它将用户界面与各种业务功能的实现隔离开来。除了低级系统和支持功能之外，对数据库服务器的所有调用都是通过此程序集进行的。

（3）业务规则层

业务规则层是作为 SGWMIS.sln 解决方案文件中的Business Rules 项目实现的，它包含各种业务规则和逻辑的实现。

（4）数据访问层

数据访问层为业务规则层提供数据服务。这一层是作为 SGWMIS.sln 解决方案文件中的Data Access项目实现的。

图3 地下水污染预警系统的总体结构和主要功能

3 地下水污染预警信息系统应用

应用实例为北方某典型地下水水源地地区，该区属于某冲洪积扇顶部地区，地层为单一的砂卵砾石结构，富水性较好，约3000～5000m3/d左右。分布有多个大型的地下水水源地，是地下水的重点保护区。

3.1 地下水污染预警警度与警戒线

地下水污染预警的警度W由地下水水质现状L、地下水水质污染趋势S、地下水污染风险[8]R共同确定。地下水水质现状分5级，分别与国家地下水质量标准对应；地下水水质污染趋势分轻污染、中污染、重污染3种；地下水污染风险分低、中、高3级。地下水污染预警评价模式中，3个变量排列组合共计有45种状态。其中L1表示L=1，其它依次类推，45种状态按数字大小排序，序号为N，分为45个级别（即L1S1R0=110，L1S1R1=111，且111＞110），N越大表示警度越重。以水质级别控制、污染趋势和污染风险变化确定警戒线，详见表1。

表1 地下水污染预警分类表

3.2 地下水污染预警评价

地下水污染预警综合考虑地下水水质现状、地下水水质污染趋势、地下水污染风险3方面的因素，45种可能出现的状态按以上原则确定其状态。预警的结果用警度来表达，“0” 表示“无警”；“1”～“4”依此从“轻度预警（轻警）”、“中度预警（中警）”、“重度预警（重警）”和“巨度预警（巨警）”，表明地下水的污染的威胁越来越严重，评价结果见图4。

3.3 污染防治措施

针对地下水污染预警结果和地区社会经济发展趋势，以地下水污染预警评价为基础，将地下水污染巨警区和重警区作为重点防护治理区，中等区作为重点防护区，轻警和无警区作为一般防护区。

（1）重点防护治理区

开展地下水污染修复工作。①开展大比例尺（＞1:5000）的调查工作，一方面查明地表污染源分布特征；另一方面查明地下水补径排特征、地下水环境特征、污染晕范围、污染特征指标、包气带污染状况等。②开展地下水污染源解析研究，明确地下水污染来源。③从污染预警级别及分类的主要影响因子入手，设置修复方案。本区污染修复首先采用施工帷幕，阻止污染晕的扩散；其次，抽出已污染的地下水，对其进行生态等方式的深度处理后再利用，同时通过外来水源采用地下水回灌的方式进行稀释。

图4 地下水污染预警评价结果图

（2）重点防护区

防止该区水质进一步恶化。对已调查的污染源地区，对其产生的废水进行严格的管理，不能随意排放，要求统一管理。开展重点防护区地下水的补、径、排特征研究，取样分析，查清污染原因，从源头上切断导致该区水质进一步恶化的污染源。

（3）一般防护区

区域内各种废弃物的排放都应符合国家规定的有关标准。需要进行地下水的长期监测，根据地下水的监测结果和污染源分析，限制有可能带来地下水污染的人类活动。

4 结语

地下水污染预警系统把地下水预警理论计算机模型化，建立了计算机系统软件，为水资源管理、研究等部门提供了新的、方便的管理平台，可随时提供警戒信息和其它方面的信息，使管理人员能够及时做出相应的决策，真正做到防患于未然，使地下水资源的保护具有预见性和针对性，从而帮助决策者和管理者制定地下水保护的管理战略和方针, 采取相应的对策和措施有效控制地下水的演变方向，使地下水资源的保护具有预见性、针对性和主动性,实现地下水资源的可持续利用。

[1]陈国阶. 对环境预警的探讨[J]. 重庆环境科学，1996，18(5)：1～4.

[2]陈国阶, 何锦峰. 生态环境预警的理论和方法探讨[J].重庆环境科学，1999，21( 4) ：8～11.

[3]张伟红. 地下水污染预警[D]. 吉林大学，2006：2.

[4]洪 梅. 地下水动态预警研究[D]. 吉林大学，2002：21.

[5]胡蓓蓓，姜衍祥，周 俊，等. 天津市滨海地区地面沉降灾害风险评估与区划[J]. 地理科学, 2008, 28(5)：693～697.

[6]宋文华，王 千，颜 慧，等. 天津经济技术开发区(TEDA)环境预警系统的建立研究[J]. 城市环境与城市生态，1998，11( 4)：36～38.

[7]刘传正，李铁锋，程凌鹏，等. 区域地质灾害评价预警的递进分析理论与方法[J]. 水文地质工程地质，2004，31(4)：1～8.

[8]杨 庆，陈忠荣，张伟红，林 健，赵勇胜. 典型水源地地下水污染风险评价[J]. 中国环境监测，2013，29(5)：22-25.

Groundwater Pollution Control Research based on the Groundwater Pollution Early-staged Warning System

YANG Qing1, JIANG Yuan2, ZHANG Weihong3, ZHAO Yongshen3, LIN Jian1, CHEN Zhongrong1
(1. Hydrogeology and Engineering Geology Team of Beijing, Beijing 100195; 2. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 1001953; Jilin University, Changchun 130012)

The early-staged warning evaluation index system developed on the basis of the fi ve factors such as groundwater quality status, pollution trend, aquifers inherent vulnerability, pollution load, groundwater pollution harm. By GIS component development technology, the groundwater pollution early-staged warning model, VB.NET+ArcGIS Engine+Access integration components, GIS second-development pattern, the independent groundwater pollution early-staged warning system separated from the GIS platform has been established. This System can respectively study the regional water quality assessment, water quality prediction and aquifer inherent vulnerability evaluation, the risk of pollution load calculation, pollution risk assessment, pollution early-staged warning analysis. Concrete speaking, this System can identify the warning degree of the typical environmental pollution of groundwater in water source, can forecast the possible and upcoming early-risk, and can divide the protection control area, key protection area, and common protection area according to the warning degree. In a word, this System can serve for government departments in the respects of prevention measures of the groundwater pollution. .

Early-staged warning of groundwater pollution；Information System；Vulnerability of ground aquifers；Pollution source load；Control schemes

X523

A

1007-1903（2015）04-0063-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2015.04.012

国家水专项“海河流域水资源调蓄区水质保障及生态修复关键技术研究与示范”（2014ZX07203010）

杨庆（1980- ），男，硕士，高级工程师，主要研究方向：地下水环境。Email：yq@bjswd.com