付紅彬

摘 要：在水環(huán)境管理中，建立水環(huán)境要素與水體的關(guān)聯(lián)關(guān)系尤為重要。基于實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型解決了水環(huán)境信息與河流空間位置的復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系及通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行輔助污染溯源等難題，并在GEF珠江三角洲環(huán)境項目中的應(yīng)用，初步實現(xiàn)了流域水環(huán)境信息綜合管理與共享。

關(guān)鍵詞：動態(tài)分段、河段編碼、匯水分析、河流網(wǎng)絡(luò)、污染溯源、GEF

食物及食用油在烹制過程中不可避免發(fā)生熱分解或裂解，產(chǎn)生氣、液、固三相有機(jī)物混合的油煙霧[1]。如今餐飲抽排油煙霧設(shè)備 （抽油煙霧機(jī)、排風(fēng)扇等）多是將廚房操作間內(nèi)產(chǎn)生的油煙霧直排至大氣中，由于油煙霧含有苯、亞硝酸鹽等有害有毒化學(xué)成分，未經(jīng)處理直排至大氣中會造成嚴(yán)重污染[2]。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，餐飲油煙的污染問題也逐步受到社會關(guān)注。針對此問題，本文將介紹當(dāng)前主要油煙霧凈化技術(shù)現(xiàn)狀及前景。

1. 引言

水資源與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對水的需求量日益增加，同時對水質(zhì)要求也不斷提高，但是隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加劇以及城市化進(jìn)程的加快，水環(huán)境污染問題日益加劇，許多河流基本喪失了飲用水功能，加上水環(huán)境污染事故頻發(fā)，水環(huán)境安全管理關(guān)系到人民身體健康與社會安定，顯得越來越重要。在水環(huán)境的日常管理工作中，由于缺少統(tǒng)一的河流編碼規(guī)范，企業(yè)填報的排污去向五花八門，排污口與河流水體之間沒有明確的的對應(yīng)關(guān)系，特別是在珠三角的復(fù)雜河網(wǎng)區(qū)域，更無法判斷企業(yè)排出的廢水流向哪里。在發(fā)生水體污染時，無法快速地排查出可疑污染源企業(yè)。同時各類水環(huán)境要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動站、集中式排污口、水源地取水口等）之間缺少一致有效的空間關(guān)系而難以進(jìn)行流域水質(zhì)數(shù)據(jù)綜合分析。因此，需要建立一種基于空間關(guān)系的流域數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)將污染源以及水環(huán)境相關(guān)的各類要素與水體進(jìn)行空間關(guān)聯(lián)，為流域水環(huán)境信息的綜合分析以及污染物的追蹤與溯源提供技術(shù)手段。本文以珠江三角洲水環(huán)境管理系統(tǒng)為實例介紹了一種基于實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合建立流域模型的創(chuàng)新方法，評述了建立實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的關(guān)鍵過程以及二者的結(jié)合應(yīng)用模式與應(yīng)用效果。并介紹了如何通過動態(tài)分段編碼方式實現(xiàn)污染源、監(jiān)測斷面、排污口等水環(huán)境要素與水體之間的空間關(guān)聯(lián)。

2. 研究現(xiàn)狀

近年來，在流域模型方面有了很多進(jìn)展，已經(jīng)先后研制建立了一些流域水文模型，例如美國地質(zhì)調(diào)查局的NHD（國家水文數(shù)據(jù)集），其中包括了湖泊，溪流，河流，水壩等空間要素等，通過河流建立了水文網(wǎng)絡(luò)，可以用于河流上下游追蹤分析，流域邊界的劃分等。國內(nèi)也有一些類似的研究，例如海河流域NHD編碼系統(tǒng)，該編碼系統(tǒng)是借鑒NHD的設(shè)計原理，并以其為原型設(shè)計，通過實測河網(wǎng)建立的海河流域的水文數(shù)據(jù)方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并建立了一套比較完整的流域地表水河段編碼系統(tǒng)；另外還有一些研究是基于DEM提取的流域水文模型，這種方法自身存在著許多不足和局限性，例如特別是DEM中閉合洼地和平坦區(qū)域的處理、流向的確定以及DEM分辨率的大小都直接影響著流域水系特征提取的質(zhì)量與效率，特別是對于平坦地區(qū)水道的提取與表達(dá)會出現(xiàn)不同程度的偏離，因此這種方法在實際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步研究。

3. 基于實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)結(jié)合的流域模型的建立

在水文領(lǐng)域的流域模型中，是按照河流的自然屬性對河流進(jìn)行等級劃分，但是在環(huán)境領(lǐng)域，很多污染嚴(yán)重但是等級很低的的小河流卻是管理的重點(diǎn)，因此，純粹通過實測河網(wǎng)建立的流域模型并不能完全滿足管理需要；然而對于通過DEM提取的模擬河網(wǎng)，由于可以通過參數(shù)調(diào)節(jié)生成河網(wǎng)的密度，剛好可以彌補(bǔ)實測河網(wǎng)空間覆蓋范圍不足的缺陷。

3.1 實測河網(wǎng)的建立

1、面狀水體的中心線提取

實際的河流數(shù)據(jù)一般分為線狀與面狀兩類，要建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，首先需要將面狀要素（如雙線河、水庫等）的中心線提取出來，與線狀要素進(jìn)行合并。提取面狀要素中心線所采用的傳統(tǒng)方法有垂線族法、柵格形態(tài)變換法及約束Delaunay/Voronoi圖法，在這里主要采用柵格形態(tài)變換法，具體流程見圖1。

圖 1 河流中心線提取流程

在圖形柵格化步驟中很難設(shè)置合適的參數(shù)將所有相鄰的圖形區(qū)分開，則在自動矢量化步驟中會產(chǎn)生一些不符合實際情況的轉(zhuǎn)換，有一些情況需要進(jìn)行手工檢查修正，如圖2所示。

圖 2 中心線修正

2、河段編碼

實測河網(wǎng)的構(gòu)建流程如圖3所示

圖3 實測河網(wǎng)的構(gòu)建流程圖

首先將中心線與單線河流進(jìn)行合并，對合并后的數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)湫拚ＷC線段之間的連通，需要滿足的拓?fù)湟?guī)則包括兩端懸掛、重合線、線交叉與自交叉等。然后根據(jù)支流匯入主干流，主干流排海的規(guī)則，確定河流的流向，調(diào)整方向錯誤的河流，使河流的繪制方向與河流流向方向一致。

在實際的環(huán)境管理工作中，水環(huán)境信息具有屬地管理的特征，因此需要通過行政區(qū)界線對跨行政區(qū)的河流進(jìn)行分割，將河流交匯處節(jié)點(diǎn)與河流與行政區(qū)界線的交點(diǎn)作為分割點(diǎn)將所有河流分割成最小單元——河段，在分割后的河段上添加相應(yīng)的屬性，包括河段編碼、河段類別（河流、水庫、運(yùn)河）、左右岸行政區(qū)等。河段編碼采用線分類分段等長11位編碼的方式：

河段編碼前8位采用全國環(huán)境系統(tǒng)河流代碼的標(biāo)準(zhǔn)，其中前面兩位是流域、流域的大干流和支系干流代碼，對環(huán)境系統(tǒng)而言，河流流向關(guān)系信息比河流的等級更重要，這樣會使大流域的二、三級支流能向前排到第三四位或五六位，與小流域的一、二級支流相當(dāng)。最后3位為河段的順序碼，具體的編碼工作通過自編程序進(jìn)行半自動化操作，如圖4所示。

圖 4 河段編碼輔助工具

例如鑒江流域生成的河段編碼如表1所示。

表 1 鑒江流域河段編碼表

3、實測河網(wǎng)數(shù)據(jù)集

河段編碼完成后，是建立可以用于流域上下游網(wǎng)絡(luò)分析的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，在Geodatabase中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集主要分為傳輸網(wǎng)絡(luò)（Network Analyst）和效用網(wǎng)絡(luò)（Utility Network Analyst）兩種，傳輸網(wǎng)絡(luò)主要用于交通網(wǎng)絡(luò)分析，效用網(wǎng)絡(luò)關(guān)注要素之間的連通性，主要用于水、電、氣管網(wǎng)的連通性分析。因此，將河段數(shù)據(jù)建立效用網(wǎng)絡(luò)就可實現(xiàn)流域的上下游網(wǎng)絡(luò)分析。endprint

3.2 模擬河網(wǎng)的建立

模擬河網(wǎng)通過DEM（數(shù)字高程模型）提取獲得，提取過程如圖5所示：

圖5 模擬河網(wǎng)的提取流程

由于一些真實地形（如喀斯特地貌）或者其它因素的影響，在內(nèi)插生成DEM時會存在一些凹陷區(qū)域（洼地），這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流分析時，會導(dǎo)致水流流向計算錯誤。因此，在進(jìn)行流向計算之前，應(yīng)該首先對原始DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充處理。無洼地的DEM數(shù)據(jù)可以計算每個柵格的水流方向，通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一個值來確定，方向值按照順時針以2的冪值指定，如圖6所示：

圖 6 流向編碼規(guī)則示意圖

中心柵格的流向通過與其周圍的柵格的高程比較，流向與中心柵格的落差最大的鄰域柵格，圖7中DEM中心柵格流向左側(cè)高程為4的柵格，則此柵格的流向值為16。在柵格水流方向不能確定的情況下將幾個方向的值相加作為其流向值。

匯流累積量是在假設(shè)DEM中每個柵格點(diǎn)都有一個單位水量，按照從高處往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流向數(shù)據(jù)累計經(jīng)過每一處水量和，最后得到所有柵格點(diǎn)匯流累積量，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量，當(dāng)水流量達(dá)到一個臨界值時，就認(rèn)為會產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是我們需要提取的模擬河網(wǎng)。

在提取了模擬河網(wǎng)之后，需要進(jìn)行流域分割，在自然界中的河流從被分水線包圍起來的區(qū)域來獲得水量的補(bǔ)給，這個區(qū)域稱為河流的匯水區(qū)或者集水區(qū)，即這段河流的流域范圍。大的流域是由若干小流域組合而成。首先是要確定小級別的流域的出水口的位置，流域分割的方法在指定距離內(nèi)搜索具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)做為河段的出水點(diǎn)，該點(diǎn)是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，最終確定子流域的范圍。

3.3 實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的耦合分析

從本質(zhì)上說，模擬河網(wǎng)主要是用來補(bǔ)充實測河網(wǎng)在空間上覆蓋不足的問題，需要從生成的模擬河網(wǎng)中提取出沒有被實測河網(wǎng)覆蓋到的范圍內(nèi)的河段，然后與實測和網(wǎng)一起構(gòu)成獨(dú)立的分析網(wǎng)絡(luò)，但這樣的處理涉及到河網(wǎng)的融合編輯以及匯水區(qū)的對應(yīng)編輯調(diào)整，還需要建立河段與匯水區(qū)出水口之間的拓?fù)潢P(guān)系，需要非常大的編輯工作量。在實際應(yīng)用中，通過兩個河網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)分析，可以實現(xiàn)相同的分析效果。

例如在進(jìn)行排放去向分析時，首先確定將用戶輸入的位置所在的子流域，從而確定其在模擬河網(wǎng)中的起點(diǎn)，在向下游搜索的過程中，判斷模擬河段有沒有與實際河段相交，如果有相交的實際河段，則將其做為起點(diǎn)在實際河網(wǎng)中進(jìn)行流向分析，最后將兩部分路徑進(jìn)行合并形成完整的排放去向路徑。反之亦然。

4. 綜合應(yīng)用

在GEF珠三角水環(huán)境項目中，基于實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型與編碼系統(tǒng)得到了初步的應(yīng)用，通過空間關(guān)聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)分析，可以實現(xiàn)各類環(huán)境要素的動態(tài)編碼，建立要素之間的關(guān)聯(lián)，如水質(zhì)監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動監(jiān)測站、取水口、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)以及地表水環(huán)境功能區(qū)劃等，由于結(jié)合了模擬河網(wǎng)，對于距離河流較遠(yuǎn)的污染源也能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。流域模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用如圖7所示。

4.1 動態(tài)分段編碼

圖 7 流域模型應(yīng)用示意圖

動態(tài)分段數(shù)據(jù)模型包含路徑（Path）、度量（Measurement）與事件（Event）三個要素，其中路徑用來表達(dá)弧段與弧段首尾連接形成的線狀要素，如一條河流；測量是指將一條路徑從起點(diǎn)開始看做一個一維坐標(biāo)系，路徑上的任意一點(diǎn)可以通過一個度量值來定位；事件則是表達(dá)在路徑上的任意點(diǎn)狀要素或者線狀要素的附加屬性，如建在河流上的水質(zhì)監(jiān)測站、取水口或者一段地表水功能區(qū)劃等，如圖8所示，圖中弧段1、弧段2與弧段4構(gòu)成一條路徑，假如路徑上的弧段總度量值為500，那么附加在路徑上的點(diǎn)事件與線事件就可以使用其在路徑中的相對坐標(biāo)位置來描述，如圖中的取水口與此路徑的關(guān)系可以描述為：路徑的275位置，功能區(qū)的線事件可以描述為：路徑的135至205位置。

圖 8 動態(tài)分段示意圖

與河段相關(guān)的要素（如水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃等）都可定義為河段事件，按要素特征可以分為點(diǎn)事件、線事件與面事件。對于每個河段已經(jīng)擁有唯一的河段編碼，事件則通過河段編碼及在河段上的起止位置（從河段上游起的相對位置）進(jìn)行編碼表示。通過事件的編碼可以很方便地識別該事件在河段上的空間位置，例如表2所示為鑒江流域水環(huán)境要素的事件編碼，編碼HE04000042-04500-2中，HE04000042為起始點(diǎn)所在河段的編碼，04500表示位于該河段從上游起的45%的位置，最后一位表示該位置在河段的左岸（1）、右岸（2）或者河中（0）。

表 2 鑒江流域水環(huán)境要素事件編碼表

動態(tài)分段技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠充分反映河網(wǎng)中的各條河流之間的關(guān)系，包括河流的流向，上下游之間的拓?fù)潢P(guān)系等；河網(wǎng)中的每一個河段都具有唯一的識別碼，可以在不影響現(xiàn)有編碼的情況下增刪河段，與河段相關(guān)的要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、水源保護(hù)區(qū)等）都可以通過河段編碼映射到河段中的對應(yīng)位置，避免數(shù)據(jù)精度不同造成的位置誤差，更容易實現(xiàn)要素間的關(guān)聯(lián)查詢與分析。

4.2 污染溯源分析與廢水排放去向分析

在對水環(huán)境要素進(jìn)行事件編碼后，可以通過河網(wǎng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速的上下游檢索，例如在江口門的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)，就可以通過流域網(wǎng)絡(luò)查詢出此監(jiān)測斷面上游的匯水區(qū)范圍，再結(jié)合污染源數(shù)據(jù)庫檢索出所有可能排放鎘的污染源，從而縮小排查范圍，提高事故的處置速度。 反之，可以通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污染源的廢水排放去向分析，同時可以通過時間編碼快速關(guān)聯(lián)污染源可能影響到的環(huán)境敏感要素。

6. 結(jié)語

通過將實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的方式建立的流域網(wǎng)絡(luò)模型，可以更全面的覆蓋地表空間，在此基礎(chǔ)上的動態(tài)分段編碼相比單獨(dú)將實測河網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)編碼的應(yīng)用范圍更廣，可以用來解決在水環(huán)境管理中的各類相關(guān)要素之間的空間關(guān)聯(lián)問題，特別是可以有效地建立污染源與河段之間的空間關(guān)系，為流域的污染排放分析提供基礎(chǔ)的支持手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建新，曹國榮，余向勇.基于動態(tài)分段的河流編碼技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，水文，2010.8：72-75.

[2] 羅翔宇，賈仰文，王建華，等.基于DEM與實測河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006.17（2）：259-264.endprint

3.2 模擬河網(wǎng)的建立

模擬河網(wǎng)通過DEM（數(shù)字高程模型）提取獲得，提取過程如圖5所示：

圖5 模擬河網(wǎng)的提取流程

由于一些真實地形（如喀斯特地貌）或者其它因素的影響，在內(nèi)插生成DEM時會存在一些凹陷區(qū)域（洼地），這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流分析時，會導(dǎo)致水流流向計算錯誤。因此，在進(jìn)行流向計算之前，應(yīng)該首先對原始DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充處理。無洼地的DEM數(shù)據(jù)可以計算每個柵格的水流方向，通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一個值來確定，方向值按照順時針以2的冪值指定，如圖6所示：

圖 6 流向編碼規(guī)則示意圖

中心柵格的流向通過與其周圍的柵格的高程比較，流向與中心柵格的落差最大的鄰域柵格，圖7中DEM中心柵格流向左側(cè)高程為4的柵格，則此柵格的流向值為16。在柵格水流方向不能確定的情況下將幾個方向的值相加作為其流向值。

匯流累積量是在假設(shè)DEM中每個柵格點(diǎn)都有一個單位水量，按照從高處往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流向數(shù)據(jù)累計經(jīng)過每一處水量和，最后得到所有柵格點(diǎn)匯流累積量，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量，當(dāng)水流量達(dá)到一個臨界值時，就認(rèn)為會產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是我們需要提取的模擬河網(wǎng)。

在提取了模擬河網(wǎng)之后，需要進(jìn)行流域分割，在自然界中的河流從被分水線包圍起來的區(qū)域來獲得水量的補(bǔ)給，這個區(qū)域稱為河流的匯水區(qū)或者集水區(qū)，即這段河流的流域范圍。大的流域是由若干小流域組合而成。首先是要確定小級別的流域的出水口的位置，流域分割的方法在指定距離內(nèi)搜索具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)做為河段的出水點(diǎn)，該點(diǎn)是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，最終確定子流域的范圍。

3.3 實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的耦合分析

從本質(zhì)上說，模擬河網(wǎng)主要是用來補(bǔ)充實測河網(wǎng)在空間上覆蓋不足的問題，需要從生成的模擬河網(wǎng)中提取出沒有被實測河網(wǎng)覆蓋到的范圍內(nèi)的河段，然后與實測和網(wǎng)一起構(gòu)成獨(dú)立的分析網(wǎng)絡(luò)，但這樣的處理涉及到河網(wǎng)的融合編輯以及匯水區(qū)的對應(yīng)編輯調(diào)整，還需要建立河段與匯水區(qū)出水口之間的拓?fù)潢P(guān)系，需要非常大的編輯工作量。在實際應(yīng)用中，通過兩個河網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)分析，可以實現(xiàn)相同的分析效果。

例如在進(jìn)行排放去向分析時，首先確定將用戶輸入的位置所在的子流域，從而確定其在模擬河網(wǎng)中的起點(diǎn)，在向下游搜索的過程中，判斷模擬河段有沒有與實際河段相交，如果有相交的實際河段，則將其做為起點(diǎn)在實際河網(wǎng)中進(jìn)行流向分析，最后將兩部分路徑進(jìn)行合并形成完整的排放去向路徑。反之亦然。

4. 綜合應(yīng)用

在GEF珠三角水環(huán)境項目中，基于實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型與編碼系統(tǒng)得到了初步的應(yīng)用，通過空間關(guān)聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)分析，可以實現(xiàn)各類環(huán)境要素的動態(tài)編碼，建立要素之間的關(guān)聯(lián)，如水質(zhì)監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動監(jiān)測站、取水口、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)以及地表水環(huán)境功能區(qū)劃等，由于結(jié)合了模擬河網(wǎng)，對于距離河流較遠(yuǎn)的污染源也能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。流域模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用如圖7所示。

4.1 動態(tài)分段編碼

圖 7 流域模型應(yīng)用示意圖

動態(tài)分段數(shù)據(jù)模型包含路徑（Path）、度量（Measurement）與事件（Event）三個要素，其中路徑用來表達(dá)弧段與弧段首尾連接形成的線狀要素，如一條河流；測量是指將一條路徑從起點(diǎn)開始看做一個一維坐標(biāo)系，路徑上的任意一點(diǎn)可以通過一個度量值來定位；事件則是表達(dá)在路徑上的任意點(diǎn)狀要素或者線狀要素的附加屬性，如建在河流上的水質(zhì)監(jiān)測站、取水口或者一段地表水功能區(qū)劃等，如圖8所示，圖中弧段1、弧段2與弧段4構(gòu)成一條路徑，假如路徑上的弧段總度量值為500，那么附加在路徑上的點(diǎn)事件與線事件就可以使用其在路徑中的相對坐標(biāo)位置來描述，如圖中的取水口與此路徑的關(guān)系可以描述為：路徑的275位置，功能區(qū)的線事件可以描述為：路徑的135至205位置。

圖 8 動態(tài)分段示意圖

與河段相關(guān)的要素（如水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃等）都可定義為河段事件，按要素特征可以分為點(diǎn)事件、線事件與面事件。對于每個河段已經(jīng)擁有唯一的河段編碼，事件則通過河段編碼及在河段上的起止位置（從河段上游起的相對位置）進(jìn)行編碼表示。通過事件的編碼可以很方便地識別該事件在河段上的空間位置，例如表2所示為鑒江流域水環(huán)境要素的事件編碼，編碼HE04000042-04500-2中，HE04000042為起始點(diǎn)所在河段的編碼，04500表示位于該河段從上游起的45%的位置，最后一位表示該位置在河段的左岸（1）、右岸（2）或者河中（0）。

表 2 鑒江流域水環(huán)境要素事件編碼表

動態(tài)分段技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠充分反映河網(wǎng)中的各條河流之間的關(guān)系，包括河流的流向，上下游之間的拓?fù)潢P(guān)系等；河網(wǎng)中的每一個河段都具有唯一的識別碼，可以在不影響現(xiàn)有編碼的情況下增刪河段，與河段相關(guān)的要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、水源保護(hù)區(qū)等）都可以通過河段編碼映射到河段中的對應(yīng)位置，避免數(shù)據(jù)精度不同造成的位置誤差，更容易實現(xiàn)要素間的關(guān)聯(lián)查詢與分析。

4.2 污染溯源分析與廢水排放去向分析

在對水環(huán)境要素進(jìn)行事件編碼后，可以通過河網(wǎng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速的上下游檢索，例如在江口門的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)，就可以通過流域網(wǎng)絡(luò)查詢出此監(jiān)測斷面上游的匯水區(qū)范圍，再結(jié)合污染源數(shù)據(jù)庫檢索出所有可能排放鎘的污染源，從而縮小排查范圍，提高事故的處置速度。 反之，可以通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污染源的廢水排放去向分析，同時可以通過時間編碼快速關(guān)聯(lián)污染源可能影響到的環(huán)境敏感要素。

6. 結(jié)語

通過將實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的方式建立的流域網(wǎng)絡(luò)模型，可以更全面的覆蓋地表空間，在此基礎(chǔ)上的動態(tài)分段編碼相比單獨(dú)將實測河網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)編碼的應(yīng)用范圍更廣，可以用來解決在水環(huán)境管理中的各類相關(guān)要素之間的空間關(guān)聯(lián)問題，特別是可以有效地建立污染源與河段之間的空間關(guān)系，為流域的污染排放分析提供基礎(chǔ)的支持手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建新，曹國榮，余向勇.基于動態(tài)分段的河流編碼技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，水文，2010.8：72-75.

[2] 羅翔宇，賈仰文，王建華，等.基于DEM與實測河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006.17（2）：259-264.endprint

3.2 模擬河網(wǎng)的建立

模擬河網(wǎng)通過DEM（數(shù)字高程模型）提取獲得，提取過程如圖5所示：

圖5 模擬河網(wǎng)的提取流程

由于一些真實地形（如喀斯特地貌）或者其它因素的影響，在內(nèi)插生成DEM時會存在一些凹陷區(qū)域（洼地），這些區(qū)域在進(jìn)行地表水流分析時，會導(dǎo)致水流流向計算錯誤。因此，在進(jìn)行流向計算之前，應(yīng)該首先對原始DEM數(shù)據(jù)中的洼地進(jìn)行填充處理。無洼地的DEM數(shù)據(jù)可以計算每個柵格的水流方向，通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一個值來確定，方向值按照順時針以2的冪值指定，如圖6所示：

圖 6 流向編碼規(guī)則示意圖

中心柵格的流向通過與其周圍的柵格的高程比較，流向與中心柵格的落差最大的鄰域柵格，圖7中DEM中心柵格流向左側(cè)高程為4的柵格，則此柵格的流向值為16。在柵格水流方向不能確定的情況下將幾個方向的值相加作為其流向值。

匯流累積量是在假設(shè)DEM中每個柵格點(diǎn)都有一個單位水量，按照從高處往低處流的自然規(guī)律，根據(jù)流向數(shù)據(jù)累計經(jīng)過每一處水量和，最后得到所有柵格點(diǎn)匯流累積量，那么柵格的匯流累積量就代表著該柵格的水流量，當(dāng)水流量達(dá)到一個臨界值時，就認(rèn)為會產(chǎn)生地表水流，所有匯流量大于臨界值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是我們需要提取的模擬河網(wǎng)。

在提取了模擬河網(wǎng)之后，需要進(jìn)行流域分割，在自然界中的河流從被分水線包圍起來的區(qū)域來獲得水量的補(bǔ)給，這個區(qū)域稱為河流的匯水區(qū)或者集水區(qū)，即這段河流的流域范圍。大的流域是由若干小流域組合而成。首先是要確定小級別的流域的出水口的位置，流域分割的方法在指定距離內(nèi)搜索具有較高匯流累積量柵格點(diǎn)做為河段的出水點(diǎn)，該點(diǎn)是該集水區(qū)的最低點(diǎn)，然后結(jié)合水流方向數(shù)據(jù)，搜索出該出水點(diǎn)上游所有流過該出水口的柵格，最終確定子流域的范圍。

3.3 實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)的耦合分析

從本質(zhì)上說，模擬河網(wǎng)主要是用來補(bǔ)充實測河網(wǎng)在空間上覆蓋不足的問題，需要從生成的模擬河網(wǎng)中提取出沒有被實測河網(wǎng)覆蓋到的范圍內(nèi)的河段，然后與實測和網(wǎng)一起構(gòu)成獨(dú)立的分析網(wǎng)絡(luò)，但這樣的處理涉及到河網(wǎng)的融合編輯以及匯水區(qū)的對應(yīng)編輯調(diào)整，還需要建立河段與匯水區(qū)出水口之間的拓?fù)潢P(guān)系，需要非常大的編輯工作量。在實際應(yīng)用中，通過兩個河網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)分析，可以實現(xiàn)相同的分析效果。

例如在進(jìn)行排放去向分析時，首先確定將用戶輸入的位置所在的子流域，從而確定其在模擬河網(wǎng)中的起點(diǎn)，在向下游搜索的過程中，判斷模擬河段有沒有與實際河段相交，如果有相交的實際河段，則將其做為起點(diǎn)在實際河網(wǎng)中進(jìn)行流向分析，最后將兩部分路徑進(jìn)行合并形成完整的排放去向路徑。反之亦然。

4. 綜合應(yīng)用

在GEF珠三角水環(huán)境項目中，基于實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的流域模型與編碼系統(tǒng)得到了初步的應(yīng)用，通過空間關(guān)聯(lián)與網(wǎng)絡(luò)分析，可以實現(xiàn)各類環(huán)境要素的動態(tài)編碼，建立要素之間的關(guān)聯(lián)，如水質(zhì)監(jiān)測斷面、水質(zhì)自動監(jiān)測站、取水口、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)以及地表水環(huán)境功能區(qū)劃等，由于結(jié)合了模擬河網(wǎng)，對于距離河流較遠(yuǎn)的污染源也能夠進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。流域模型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用如圖7所示。

4.1 動態(tài)分段編碼

圖 7 流域模型應(yīng)用示意圖

動態(tài)分段數(shù)據(jù)模型包含路徑（Path）、度量（Measurement）與事件（Event）三個要素，其中路徑用來表達(dá)弧段與弧段首尾連接形成的線狀要素，如一條河流；測量是指將一條路徑從起點(diǎn)開始看做一個一維坐標(biāo)系，路徑上的任意一點(diǎn)可以通過一個度量值來定位；事件則是表達(dá)在路徑上的任意點(diǎn)狀要素或者線狀要素的附加屬性，如建在河流上的水質(zhì)監(jiān)測站、取水口或者一段地表水功能區(qū)劃等，如圖8所示，圖中弧段1、弧段2與弧段4構(gòu)成一條路徑，假如路徑上的弧段總度量值為500，那么附加在路徑上的點(diǎn)事件與線事件就可以使用其在路徑中的相對坐標(biāo)位置來描述，如圖中的取水口與此路徑的關(guān)系可以描述為：路徑的275位置，功能區(qū)的線事件可以描述為：路徑的135至205位置。

圖 8 動態(tài)分段示意圖

與河段相關(guān)的要素（如水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、飲用水源保護(hù)區(qū)、水功能區(qū)劃等）都可定義為河段事件，按要素特征可以分為點(diǎn)事件、線事件與面事件。對于每個河段已經(jīng)擁有唯一的河段編碼，事件則通過河段編碼及在河段上的起止位置（從河段上游起的相對位置）進(jìn)行編碼表示。通過事件的編碼可以很方便地識別該事件在河段上的空間位置，例如表2所示為鑒江流域水環(huán)境要素的事件編碼，編碼HE04000042-04500-2中，HE04000042為起始點(diǎn)所在河段的編碼，04500表示位于該河段從上游起的45%的位置，最后一位表示該位置在河段的左岸（1）、右岸（2）或者河中（0）。

表 2 鑒江流域水環(huán)境要素事件編碼表

動態(tài)分段技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠充分反映河網(wǎng)中的各條河流之間的關(guān)系，包括河流的流向，上下游之間的拓?fù)潢P(guān)系等；河網(wǎng)中的每一個河段都具有唯一的識別碼，可以在不影響現(xiàn)有編碼的情況下增刪河段，與河段相關(guān)的要素（如監(jiān)測斷面、水質(zhì)監(jiān)測站、排污口、水源保護(hù)區(qū)等）都可以通過河段編碼映射到河段中的對應(yīng)位置，避免數(shù)據(jù)精度不同造成的位置誤差，更容易實現(xiàn)要素間的關(guān)聯(lián)查詢與分析。

4.2 污染溯源分析與廢水排放去向分析

在對水環(huán)境要素進(jìn)行事件編碼后，可以通過河網(wǎng)數(shù)據(jù)集進(jìn)行快速的上下游檢索，例如在江口門的監(jiān)測數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)鎘超標(biāo)，就可以通過流域網(wǎng)絡(luò)查詢出此監(jiān)測斷面上游的匯水區(qū)范圍，再結(jié)合污染源數(shù)據(jù)庫檢索出所有可能排放鎘的污染源，從而縮小排查范圍，提高事故的處置速度。 反之，可以通過流域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行污染源的廢水排放去向分析，同時可以通過時間編碼快速關(guān)聯(lián)污染源可能影響到的環(huán)境敏感要素。

6. 結(jié)語

通過將實測河網(wǎng)與模擬河網(wǎng)耦合的方式建立的流域網(wǎng)絡(luò)模型，可以更全面的覆蓋地表空間，在此基礎(chǔ)上的動態(tài)分段編碼相比單獨(dú)將實測河網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)編碼的應(yīng)用范圍更廣，可以用來解決在水環(huán)境管理中的各類相關(guān)要素之間的空間關(guān)聯(lián)問題，特別是可以有效地建立污染源與河段之間的空間關(guān)系，為流域的污染排放分析提供基礎(chǔ)的支持手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李建新，曹國榮，余向勇.基于動態(tài)分段的河流編碼技術(shù)在水環(huán)境管理中的應(yīng)用，水文，2010.8：72-75.

[2] 羅翔宇，賈仰文，王建華，等.基于DEM與實測河網(wǎng)的流域編碼方法[J].水科學(xué)進(jìn)展，2006.17（2）：259-264.endprint